構建光電系統綜合實驗平臺適應軍隊裝備發展

韓艷麗，郭曉軍，任建存

（海軍航空工程學院控制工程系，山東煙臺 264001）

光電系統以其“分辨率高、圖像信息豐富和信息容量大”在軍事領域得到了廣泛的應用，軍用光電系統對武器系統和作戰指揮系統的“賦能”和“倍增”作用也在世界范圍內得到了認可。先進的高精尖技術總是最先應用在軍事上，而軍用光電系統是一個集先進的光、機、電技術于一體的高自動化裝備。軍用光電系統按功能可以劃分為光電預警與探測系統、光電偵察與監視系統、光電火控與瞄準系統、光電對抗系統、光電精確制導系統和光電輔助飛行系統等。軍用光電系統種類、型號繁多，裝備數量有限，這些都為院校裝備課的教學、實驗與實作帶來困難。如何緊密結合現實需求，構建科學合理的專業綜合實驗實作平臺，為面向戰場辦學培養基礎扎實、專業突出、實踐創新能力強的合格人才，是一個值得軍隊院校教學保障部門和專業教員深思與研究的課題［1］。

1 光電系統類課程實踐教學現狀

經過2期的“2110工程”建設，我院光電工程實驗室建設得到了較快的發展，建立了光電子技術實驗室、圖像處理實驗室、光電對抗實驗室和成像型精確制導性能評估平臺。然而，由于軍隊院校裝備與教學保障管理體制和部隊裝備發展的實際情況，使得相關的裝備課教學的實驗、實作、實操仍然無法滿足基本需求。近年來隨著基于各類成像型探測器的光電武器裝備陸續列裝部隊，各層次的培訓任務迅速增加，特別是各類任職培訓，要求緊密結合典型、新型裝備開展教學。光電裝備型號眾多、價格昂貴且數量有限，院校不可能申請到相應的實裝。在既無實裝又沒有模擬訓練器材的情況下，裝備課中的實作和實操項目教學難以達到人才培養方案的要求。在綜合一體化技術成為軍用光電系統基本特征的今天，光電裝備課教學脫離了實驗實作和實際裝備就如同紙上談兵，即使運用了先進的多媒體技術，圖片、視頻、動畫等也遠遠比不上一臺實際設備所能帶來的教學效果。

隨著我軍信息化進程的加快，武器裝備不斷更新，要求教員密切跟蹤新技術、新裝備的發展，及時更新、添加教學內容，保持其知識的先進性，確保院校專業課教學始終站在武器裝備發展的前沿。就光電類專業而言，迫切需要解決部隊武器裝備迅速發展和院校專業實踐教學條件無法滿足的矛盾。

支撐專業裝備課教學的實驗不同于專業基礎課，要具有系統性、功能性和綜合性，是一個與專業密切相關的系統綜合實驗，是軍隊院校從事裝備課實踐性教學和科研的實體，是學科專業建設與發展的基礎。為了適應部隊裝備建設發展對人才培養的需求，有必要對軍用光電裝備系統進行分析研究，提出一種切實可行的建設方案，構建一個光電系統綜合實驗平臺，使其不僅能滿足多種光電裝備原理性教學和實驗實作以及裝備使用與維護操作，還為本科生畢業設計、研究生課題研究和科研及技術服務提供必要的研究實驗平臺。

2 光電系統綜合實驗平臺的建設原則

“軍隊院校專業實驗室以進行專業性的實驗為主，其利用率一般都不高，只能進行某一門課程，甚至是某一裝備的操作實驗，使用條件受到限制，有的綜合性實驗室，使用代價較高，除了組織次數不多的綜合演練外，最多的就是用于接待各級領導和相關部門的參觀”［2］。為了避免此類情況的繼續發生，我們本著專業特色突出、系統典型、技術先進、資源共享和綜合建設的指導思想，探索了一條裝備教學與專業實驗統籌兼顧的建設思路，即構建同時滿足光電類專業的各類裝備課實作實操和專業課實驗教學，以及科研探索的光電系統綜合實驗平臺。在充分研究了多種光電裝備組成結構和技術性能的基礎上，提出了共性環節首先建設，特性、個性模塊考慮實驗室現有資源是否可以利用，再根據其重要性和使用效益逐步解決的建設方案。

專業綜合實驗平臺的建設應該具有一定的專業前沿性，在形成完整的專業實驗教學體系的同時，專業綜合實驗平臺應具備科學研究實驗的條件［3－4］。作為我院為光電系統與光電信息獲取相關專業教學與科研服務的綜合實驗平臺，建設目標應該立足于高起點、高水平，面向靶場光測和光電武器系統2個方向，建設教學實用、規模合理、設備先進、具有鮮明專業特色的綜合實驗平臺，使其在全面培養學員的專業實踐技能和創新能力的同時，成為學科發展的基礎、科學研究的平臺和與軍內外交流合作的窗口。為了避免重復建設，確保平臺在較長的時期內保持其先進性，同時又能適應未來裝備的發展，光電系統綜合實驗平臺的建設應堅持以下原則:

（1）通用性。有2層含義:一是指該平臺能滿足各類光電裝備課程的原理性和實踐性環節的教學；二是該平臺還能成為相關專業基礎課和科研的實驗平臺。

（2）開放性。系統平臺接口具有開放性，不僅能夠顯示、處理和跟蹤不同波段的各種背景環境和目標，滿足不同專業課的教學實踐，還能夠與其他系統連接構成大的組訓平臺。

（3）系統的可擴展性。平臺要具有可擴展性，可以方便地組合不同波段和不同工作模式的傳感器，以構成多種傳感器組合方式，適應多傳感器復合的光電武器系統發展趨勢。

（4）機動性。根據軍用光電系統的特點，該光電系統綜合實驗平臺在滿足實驗室落地安置的同時，還能適應多種承載平臺要求，可以艦載、車載，落地或不落地使用，以分別實現光電火控或光電偵察、光電對抗、光電測控等，滿足室外相關專業崗位技能實操培訓和組訓功能。

（5）可持續性。實驗平臺的建設在滿足專業課程設置的實驗與實踐項目和內容的基礎上，更要滿足設計性、研究性及創新性實驗的需求，堅持可持續發展的建設原則，適應部隊未來武器裝備的發展和人才培養。

3 光電系統綜合實驗平臺的構建

3.1 軍用光電裝備特性分析

軍用光電系統種類繁多、用途各異，系統構成亦有所不同。用于光電測控與實況記錄的設備，安裝有紅外、可見光攝像機或膠片式攝影機，具有較高的角速度和角加速度，以跟蹤捕獲快速運動目標。加裝激光測距機后，可以提供目標的角度和距離信息，具有單站定位能力，若再配備高速攝像系統，就可以成為一臺實況記錄設備；軍用光學指向器是在安裝了激光指示或無線電指示系統后，引導導彈攻擊被指示目標的光電跟蹤系統；光電火控系統配備了紅外、激光或微光電視，具有掃描功能，用來發現并跟蹤目標，引導火炮或導彈瞄準目標，當該系統配備小型目標指示雷達后，自身也可構成一個完整的火控引導系統；光電偵察裝備通常配備紅外、微光和激光測距系統和可見光電視系統，結合定位定向系統，能夠靈活機動地全天候提供感興趣地區的目標圖像和位置、距離等信息，用于戰場敵情偵察和反恐偵察；用于告警的光電系統是通過光學與聲、磁等傳感器配合，一旦某一種傳感器發現異常目標，系統馬上轉向該位置進行詳細偵察并識別目標，將圖像信息傳給控制中心［5－6］。

由此可見，絕大多數軍用光電裝備在結構和系統組成上共性成分居多，使得構建一個滿足多種功能的光電系統綜合實驗平臺成為可能。以教學中使用頻率較高的典型光測設備——光電經緯儀為例。光電經緯儀主要由如下幾部分組成:主攝影系統、瞄準系統、測角系統、記錄系統、跟蹤架、跟蹤系統、激光跟蹤測量系統、電視跟蹤測量系統、紅外跟蹤測量系統、微型計算機控制和處理系統。其中，跟蹤架、伺服控制系統、測角系統、記錄系統、微型計算機控制和處理系統是所有跟蹤式光電裝備必不可少的部分。不同用途的光電設備其結構、體積、指標、傳感器工作波段和數量等有所不同，就承載使用的平臺來說，有陸基、空基、海基和深空環境，而工作方式有手動、自動、數字引導，操控方式有機上和機下，另外，有的光電系統還要求提供信號源（如光測裝備的編碼鐘終端）、自校準和定位等功能。

3.2 光電綜合實驗平臺結構組成

隨著多種光電探測傳感器的綜合應用，多種干擾激光器的并存使用，系統主機機械結構技術顯得尤為重要。光電裝備的主機機械結構即跟蹤架，用來承載多個光電探測傳感器、測角裝置、導電環、跟蹤系統執行機構和機上控制系統，是光電系統的關鍵部件，也是構建光電系統綜合實驗平臺的主體，是首先要建設的內容。光電裝備跟蹤架的基本形式有2種，即地平式和極軸式。地平式跟蹤架可應用重力場進行調平，在外場的展開和校正比較容易、快捷和精確，同時符合人們的操作和心理習慣。在靶場測量、火控系統和光電干擾防護等系統中，一般都選用地平式跟蹤架。

目前選用最多的地平式跟蹤架有2種配置，即U型架和T 型架。在精度要求高的靶場光測和光電干擾防護系統中首選U 型架，而T 型架適用于火控系統中的光電跟蹤儀以及部分戰術光電武器裝備。兩者相比，T 型架的優點是體積小、質量輕，可減小系統的轉動慣量和提高系統剛度，提高系統跟蹤角速度和角加速度。從教學、科研使用以及機動靈活的角度考慮，跟蹤架的小型化很重要，指標可以適當降低，不必與實裝一致，因此采用了T 型架結構［7］。

為了使該機動式光電綜合實驗平臺具備自主定位、定向功能以確定自身的坐標，采用了GPS定位和電子羅盤粗定向、天文測星精定向技術，實現了光電平臺的自主定位、定向。操控方式考慮到安全性和普遍性，將操控模塊置于機下控制臺。為了同時滿足光電類裝備課和專業基礎課的實驗、實作和實操項目的教學需求，該光電綜合實驗平臺嚴格按照模塊化的指導思想來建設。

不同用途的軍用光電系統中光學鏡頭視場大小差異較大，市面上普通標準鏡頭的視場一般在45°～55°左右，可用于監視、偵察等系統，而用于搜索跟蹤的視場通常為3°～4°，必須專門設計加工。光學系統主要采用反射式以提高系統的作用距離，真正做到“面向戰場辦學”的教學實踐和科研條件。

為了適應機動性和將來光電系統的發展趨勢，研制了基于PXI總線的伺服和通訊系統，將計算機控制和數據采集及伺服控制集成在一起。同時，研制了功率電源和功率放大器集成在一起的伺服控制功率系統，為光電跟蹤平臺的模塊化設計提供了基礎。圖1為光電系統綜合實驗平臺的結構原理圖。

圖1 光電系統綜合實驗平臺結構原理圖

4 光電綜合實驗平臺的應用

具有自主定位、定向和自穩定功能的機動通用多光譜光電跟蹤綜合實驗平臺，不僅能滿足我院光電工程教研室諸多課程的教學需求，亦可解決多門光電裝備課教學，特別是各類任職培訓既無裝備又無模擬訓練器材的難題，同時也為本科學員探索性學習和高層次人才培養提供了一個教學、實驗、研究和驗證平臺。該平臺的使用功能主要體現在以下3個方面:

（1）支撐各類本科、士官和任職培訓等相關專業以及研究生有關課程的教學和實驗。

（2）作為一個典型的光電跟蹤系統，可替代海軍多種現役光電偵察、火控和測控等實裝進行實操教學，如各種型號的光電經緯儀、光電望遠鏡、光電偵察告警系統、導彈瞄準儀、艦船光電跟蹤儀等，以解決相關專業裝備課教學無實裝的難題。

（3）為教員和研究生開展多光譜光電探測、目標背景光學特性研究、信息融合技術研究、光電干擾防護技術研究、自主光學導航和光電精確制導技術研究提供了信息獲取和算法及技術驗證平臺。

5 結束語

在光電綜合實驗平臺的建設實踐中，形成了具有專業特色的實驗平臺建設模式，探索了一條裝備教學與專業實驗統籌兼顧的建設思路，為其他專業實驗室建設提供了參考。“教而不研則淺，研而不教則空”這句話特別適合專業課教學。專業教學必須體現其特色，結合相關的研究課題，將科研成果有機地融合到專業教學與實驗中，將最先進的技術發展現狀呈現給學員［8］。我院綜合實驗樓面朝大海，優越的地理位置吸引了眾多軍內外工業部門，為合作開展海面艦船目標光學特性研究提供了得天獨厚的實驗環境，該平臺建成后，其人才培養、經濟效益和軍事意義巨大。

（

）

［1］肖澤龍，王靜，胡泰洋，等.軍工特色專業實驗建設思考［J］.實驗室研究與探索，2011，30（10）:190－191.

［2］胡登高，陳希真，陳宏文.軍隊院校專業實驗室效益探究［J］.實驗室研究與探索，2011，30（6）:365－367.

［3］盧艷軍，張曉東，徐濤.探測制導與控制專業實驗室建設的探索與實踐［J］.實驗室科學，2010，13（2）:135－137.

［4］馬傳峰.實驗室資源的開發與開放［J］.實驗技術與管理，2012，29（2）:1－3.

［5］何照才，胡保安.光學測量系統［M］.北京:國防工業出版社，2002.

［6］劉演龍，王斌.小口徑火炮示蹤瞄準火控系統設計［J］.水面兵器，2010，19（4）:17－19.

［7］葉盛祥，楊虎，謝德林.光電干擾防護系統技術［M］.北京:國防工業出版社，2005.

［8］毛曉翔，戚湧，陳亞玲.研究型大學科研類實驗室體系建設問題研究［J］.實驗技術與管理，2012，29（12）:210－213.