無所不能的光

光是我們再熟悉不過的物質(zhì)，人們對光從認識到利用經(jīng)歷了數(shù)千年的時間。人們通過觀察一些自然現(xiàn)象逐步認識到白光其實是多種顏色的光混合作用的結(jié)果；在對不同顏色的光進行探索研究的過程中又認識到了紫外、紅外這些人眼看不到的光的存在；發(fā)現(xiàn)其本質(zhì)是一種電磁波，具有粒子特性也具有波動的特性。近代“光電效應”與“電光效應”的發(fā)現(xiàn)，使得人們逐步掌握了轉(zhuǎn)化光、產(chǎn)生光、控制光的辦法，由此產(chǎn)生了諸如光電二極管、CCD、太陽能電池、激光器、LED燈、光通信器材、照相機、攝像機等生活中常見的光電產(chǎn)品。

軍事領(lǐng)域?qū)鈱W技術(shù)的運用由來已久，我們今天日常生活中許多光學相關(guān)的技術(shù)與產(chǎn)品都是軍事應用在先，而后轉(zhuǎn)化為民用品。光學手段在現(xiàn)代化戰(zhàn)爭中的重要作用，被大家深刻認識應該是從以美國為首的海灣戰(zhàn)爭及后來進行的幾個局部戰(zhàn)爭的實效看出來的。隨著“全天候作戰(zhàn)”、“精確打擊”、“復雜戰(zhàn)場環(huán)境”及“無延遲攻擊”等現(xiàn)代戰(zhàn)爭需求不斷演變，光電武器裝備也在不斷推陳出新，廣泛應用在預警、告警、瞄準、定位、監(jiān)視、偵察、武器對抗、精確制導、信息通信、夜視觀測等諸多領(lǐng)域；其地位也日益重要，漸漸成為或?qū)⑴c雷達同等地位的探測設備，與無線電網(wǎng)同等地位的光電通信裝備，與化學能武器同等地位的激光武器裝備等。

從一般光電系統(tǒng)到機載光電系統(tǒng)

通常，以光電相關(guān)技術(shù)為基礎(chǔ)的構(gòu)成系統(tǒng)都可以稱為光電系統(tǒng)，現(xiàn)今人們對于光電系統(tǒng)并不陌生，在日常生活中隨處可見。光電系統(tǒng)是以光學工程、激光工程、精密機械、信息處理、自動控制、計算機等高新技術(shù)為依托，實現(xiàn)對光的收集、轉(zhuǎn)換、控制、處理、提取信息、能量轉(zhuǎn)換、輸出等，并集成多種傳感器實現(xiàn)特定功能系統(tǒng)的總稱。

從對光波利用方式不同，光電系統(tǒng)可以分為：信息感知，信息傳遞，能量傳遞等。它們從組成和機理上有許多相似之處，又有功能側(cè)重不同帶來的功能單元和性能指標的不同。

信息感知類光電系統(tǒng)組成示意框圖如圖1（a）所示。光電系統(tǒng)感知的信息是來自于目標/背景的光波特征，比如溫度差異、顏色差異、灰度差異等，有反射光，如可見光探測，也有目標/背景自身的輻射，如紅外探測，不同的溫度在探測器上看到的亮度不同，其波段是指覆蓋了紫外光、可見光、紅外光、遠紅外光，波長從200納米到幾十個微米的范圍。

信息感知類的光電系統(tǒng)是通過其光學通道收集來自目標/背景反射或自身輻射的光波，經(jīng)探測器部件進行光電轉(zhuǎn)換，形成圖像（有時是電信號）信息，經(jīng)信號處理單元得到目標信息。系統(tǒng)管理模塊，管理調(diào)度伺服控制系統(tǒng)及光機運動部件運動，實現(xiàn)光學通道在一定角度范圍內(nèi)搜索或跟蹤目標；有時為了獲得目標的相對距離，控制激光輸出并對回波進行處理得出需要的信息。主要指標包括：探測距離、分辨率、工作波長、定位精度等，光電系統(tǒng)大多數(shù)屬于這一類。如地面防空系統(tǒng)中的紅外周掃警戒系統(tǒng)、船載光電瞄準裝置等。

信息傳遞類的光電系統(tǒng)是以光波作為信息載體，形成點對點或互聯(lián)互通的光通信的網(wǎng)絡，此類系統(tǒng)的組成示意框圖如圖1（b）所示。從圖中可以看出，其組成圖與圖1（a）中組成相似，不同點在于將探測系統(tǒng)中的測距的激光收發(fā)功能模塊演變?yōu)橥ㄐ判畔⒌氖瞻l(fā)處理模塊。地面無線光通信設備已經(jīng)有比較成熟的產(chǎn)品了，地-星光通信也已經(jīng)有應用。目前主要有激光通信和紫外通信，主要指標包括，通信帶寬、通信距離等。

能量傳遞類的光電系統(tǒng)，這里主要指用激光方式將較大的能量傳遞到另一個受體上，并發(fā)生作用，的光電系統(tǒng)。主要有激光干擾、激光毀傷、激光照明、激光充電等方式，其原理組成示意框圖如圖1（c）所示。激光光束定向性好，能量傳遞效率高，與其它兩類系統(tǒng)相比，更加強調(diào)光束性能以及指向的控制和調(diào)節(jié)，如光束會聚、波前校正，光軸穩(wěn)定等。包括地、空、艦船、星載激光定向干擾系統(tǒng)、激光致盲系統(tǒng)、激光武器、激光照明、激光充電系統(tǒng)等，主要技術(shù)指標有工作波長、輸出光功率、作用距離、激光轉(zhuǎn)換效率、光束指向精度等。

機載光電系統(tǒng)

機載光電系統(tǒng)與地基、艦載、車載、星載等光電系統(tǒng)原理是基本相同的。但是在機載環(huán)境中應用的裝備，由于平臺對設備要求苛刻、外部環(huán)境嚴酷、作戰(zhàn)形態(tài)復雜多變，給光電系統(tǒng)設計帶來了不同于其它應用平臺的能力需求和技術(shù)難題，可以概括為以下幾個方面：

1、來自機載平臺本身的不利因素：包括寬頻振動（0～2000Hz），大過載、大機動，機體變形，復雜的內(nèi)部電磁干擾，寬幅波動的供電環(huán)境，嚴格的能耗要求，嚴格的重量體積要求，突出部分的氣動限制，共形、隱身，長期反復使用等。這些對于“秒”級精度的光電系統(tǒng)設計提出了非?？量痰囊?；

2、外部嚴酷的環(huán)境要求包括：從極冷到極熱（零下五六十攝氏度到一百多攝氏度的范圍），風、雨、沙塵、鹽霧、霉菌、陽光暴曬、氣動加熱、大氣湍流等，這些因素往往是同時作用，綜合影響，無疑給機載光電系統(tǒng)設計增加了許多難度；

3、戰(zhàn)場形態(tài)復雜多變方面的不利因素：如距離遠、運動快、機動大，光波傳輸通道的大氣波動、散射、遮擋等隨時存在，有些目標還進行隱身偽裝。機載光電系統(tǒng)必須在這些不利因素影響下實現(xiàn)良好的性能。

因此，為了應對多種因素的影響，機載光電系統(tǒng)在保證性能的前提下，必須做到各方面的平衡。高動態(tài)、寬范圍變化、容積率高等因素的綜合作用，帶來了機載光電系統(tǒng)設計上的不同理念、構(gòu)型和方法。許多很好的光學、結(jié)構(gòu)材料、器件適應不了環(huán)境要求不能用了；為了在動態(tài)環(huán)境中保證光學系統(tǒng)精度、運動精度，需要設計既輕巧又要有良好剛度的精密結(jié)構(gòu)；為了保證在平臺強烈振動和機動的狀況下光軸的穩(wěn)定性、圖像的清晰度，機載光電系統(tǒng)必須考慮復雜的陀螺穩(wěn)定系統(tǒng)和良好的減震系統(tǒng)，隨著探測距離和激光束照在數(shù)百千米目標上的需求，有些系統(tǒng)已采取二級穩(wěn)定系統(tǒng)等更為復雜的控制技術(shù)；在實現(xiàn)超視距進行探測時，背景復雜，目標輻射很弱加上大氣通道上的湍流和散射，目標信息檢出處理增加了很大的難度；隨著平臺飛行速度更高，飛行高度達到臨近空間，特殊的熱管理等帶來的材料問題、運動補償問題、熱控問題等一系列技術(shù)難題也非常富有挑戰(zhàn)性。

機載光電系統(tǒng)的優(yōu)勢

1、信息感知類機載光電系統(tǒng)的特點主要表現(xiàn)在：（1）被動探測，隱蔽性好；（2）能提供高分辨率可視化圖像；（3）角分辨率精度高，能夠遠距分辨群目標；（3）不受電磁干擾影響，適應復雜電磁環(huán)境遠距探測；（4）全天時工作，提升夜視夜戰(zhàn)能力。

2、信息傳遞類機載光電系統(tǒng)的特點主要表現(xiàn)在：（1）光通信信號帶寬寬，信息容量大；（2）無線光通信方向性好，保密性高。

3、能量傳遞類機載光電系統(tǒng)的特點主要表現(xiàn)在：（1）無延遲攻擊，實現(xiàn)實時打擊；（2）定向能輸出，提高作戰(zhàn)效率；（3）實現(xiàn)無線方式傳送能量。

機載光電系統(tǒng)在擁有上述諸多優(yōu)點的同時，也存在一些不足，由于光電輻射波長較短，易受氣大氣條件的影響而性能降低。

機載光電系統(tǒng)在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中的應用

目前在國外三代機、四代機、預警機、直升機、無人機以及特種飛機等上面普遍都裝備了光電系統(tǒng)，光電系統(tǒng)隨著光電子、信息處理、計算機等相關(guān)技術(shù)的進步，已歷經(jīng)了三代的發(fā)展，目前性能更加先進的系統(tǒng)和技術(shù)也在大資金的投入下進行著研發(fā)。

按照應用細分，機載光電系統(tǒng)可分類如下：

信息感知領(lǐng)域

1、光電預警/告警探測系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過對飛機、彈道導彈和巡航導彈等目標的搜索、跟蹤和定位，為預警機以及防空反導體系提供目標信息，具有抗電磁干擾、反隱身和被動探測等特點，是實現(xiàn)戰(zhàn)場態(tài)勢廣域預警/告警的有力手段。美歐、日本等國發(fā)展了多型光電預警/告警系統(tǒng)，國外目前的典型應用門警（Gatekeeper）系統(tǒng)對巡航導彈探測距離達到800千米左右；美國F-35戰(zhàn)斗機的分布式孔徑系統(tǒng)可實現(xiàn)對周視360度全向感知，告警距離達到十幾千米。

2、光電監(jiān)視與偵察（ISR）系統(tǒng)，通過利用光電傳感器發(fā)現(xiàn)、識別、確認、監(jiān)視、跟蹤并定位目標，獲取戰(zhàn)場信息，具有高分辨率成像、晝夜偵察與監(jiān)視、快速獲取敵方情報等特點，是提供戰(zhàn)場支援和奪取信息優(yōu)勢的重要手段。最具代表性的為美國雷神公司的“全球鷹”光電偵察系統(tǒng)，其對地目標分辨率小于0.2米。

3、機載跟瞄系統(tǒng)按使用方式又可分為光電雷達（紅外搜索跟蹤系統(tǒng)）、晝夜瞄準吊艙、光電轉(zhuǎn)瞄轉(zhuǎn)塔等。

（1）機載光電雷達是用于戰(zhàn)斗機對空中目標進行大范圍快速搜索、探測和跟蹤定位的光電設備，具有抗電子干擾能力強、隱蔽性好、定位精度高、探測隱身目標能力強等特點，可在戰(zhàn)場復雜電磁環(huán)境下進行遠程探測跟蹤，獨立支持火控系統(tǒng)完成超視距攻擊，已成為作戰(zhàn)飛機任務系統(tǒng)重要的戰(zhàn)術(shù)傳感器之一。由意大利、英國和西班牙組成EURO-FIRST集團，研制的裝備在“臺風”戰(zhàn)斗機上的PIRATE光電雷達，迎頭探測距離達到50千米以上。

（2）晝夜瞄準吊艙是集紅外、電視、激光于一體的機載光電探測系統(tǒng)，使用紅外、電視可在晝夜條件下對地面目標進行搜索、識別和跟蹤，跟蹤狀態(tài)下利用激光對目標進行測距，主要用于配合中近距電視/紅外制導導彈、衛(wèi)星/慣性制導炸彈、激光制導炸彈等空面武器對目標進行精確打擊。美國諾思羅普·格魯門公司的Litening吊艙對地探測距離可達30千米以上。

（3）光電觀瞄轉(zhuǎn)塔是用于直升機/無人機/反潛巡邏機等實現(xiàn)對地/對海偵察和攻擊的光電瞄準設備，能夠在晝夜條件下偵察和瞄準，為航炮、火箭等多種無控武器攻擊提供瞄準參數(shù)，可進行激光制導武器（導彈或炸彈）等制導武器提供制導信息實現(xiàn)精確打擊；美國FLIR公司的Star SAFIRE HD光電觀瞄轉(zhuǎn)塔，超小視場下可以識別18千米處的成年人目標。

信息傳遞領(lǐng)域

無線光通信技術(shù)區(qū)別于傳統(tǒng)的射頻通信技術(shù)，有其自身的特點：從紅外波段到紫外波段，為信息傳輸提供了超寬頻帶能力，保密性好，不受電磁福射的影響。包括機群之間、衛(wèi)星與飛機、飛機與地面站之間的無線激光通信。目前由于機載平臺要求苛刻、動態(tài)影響大，機間激光無線通信還處在探索和實驗階段，如FALCON系統(tǒng)預期實現(xiàn)50km以上2.5Gbps帶寬的數(shù)據(jù)通信，未來將達到幾百千米的能力。同時，由于紫外日盲特性和大氣層中良好的散射傳播特性，與激光通信不同，可實現(xiàn)非視線傳輸，具有低竊聽率，高抗干擾性和全天候工作等優(yōu)點，但由于目前器件水平不高、數(shù)據(jù)傳輸速度不大，距離近，目前機載應用還處于實驗室研究階段。

能量傳遞領(lǐng)域

應用主要包括激光定向?qū)瓜到y(tǒng)、激光武器系統(tǒng)、激光照明、激光充電等方面。光電對抗是指敵對雙方在光波段的抗爭，目的在于破壞或摧毀敵方光電偵察裝備和光電制導武器的作戰(zhàn)使用效能。目前在光電對抗系統(tǒng)開發(fā)中有代表性的為諾格公司的LAIRCM（大型飛機紅外對抗系統(tǒng)）、DIRCM（定向紅外對抗系統(tǒng)），有效對抗紅外制導導彈的距離達到十幾千米，激光武器系統(tǒng)利用高能激光束對目標進行毀傷，具有無延遲攻擊、射程遠、無限次發(fā)射等優(yōu)點，可用于攔截彈道導彈、巡航導彈、高機動的空中和地面目標等，雖然目前還在技術(shù)驗證階段，但未來將是重要的機載武器裝備之一。波音公司、諾斯羅普·格魯門公司和洛克希德·馬丁公司聯(lián)合在大飛機上開展了先進機載激光武器試驗系統(tǒng)（ATL），其激光器功率100千瓦，作戰(zhàn)距離達到20千米以上。由于超大功率的激光能源系統(tǒng)龐大，整個系統(tǒng)占了幾乎一架飛機，因此，在作戰(zhàn)飛機平臺的裝備還有很長的距離。

與日俱增的重要地位

相對于電磁波雷達而言，工作在光波段的機載光電系統(tǒng)，工作機理上具有高幾何分辨力、高頻譜分辨力以及被動獲得信息等優(yōu)點。隨著光電子基礎(chǔ)技術(shù)研究的不斷突破，近30年光電系統(tǒng)獲得了空前的發(fā)展，在“海灣戰(zhàn)爭”、“科索沃戰(zhàn)爭”、“阿富汗反恐戰(zhàn)爭”等一系列局部戰(zhàn)爭中得到了廣泛應用，也取得了令人矚目的效果，從中也展現(xiàn)了其在現(xiàn)代戰(zhàn)爭模式中的重要作用。

早期機載光電系統(tǒng)是為了解決夜視觀察的輔助作用，隨著作戰(zhàn)模式向精確打擊模式的演變，機載光電成為精確瞄準、精確定位、精確投放武器的必需裝備，而從偵查監(jiān)視及信息獲取的角度，由于光電系統(tǒng)幾何分辨力高、光譜分辨力高、圖像真實，目前已成為獲取高質(zhì)量戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)情報的最有效手段。隨著空中作戰(zhàn)中電磁環(huán)境的日趨復雜，機載光電探測系統(tǒng)被動探測，不受電磁干擾、隱蔽性好、信息可視化等優(yōu)勢更顯突出，發(fā)揮著與雷達等探測手段同等重要的作用。面對飛行器幾倍聲速，高機動，高隱身等新的作戰(zhàn)需求的變化，以光電探測和激光攻擊的光電武器系統(tǒng)是滿足“無延遲攻擊”的最佳選擇。大數(shù)據(jù)率、多源、多機平臺協(xié)同的數(shù)據(jù)傳輸離不開高帶寬傳輸能力的機載光通信系統(tǒng)。

總之，隨著光電子技術(shù)、量子探測技術(shù)、高速處理技術(shù)、高效率激光能量轉(zhuǎn)換技術(shù)、高性能材料技術(shù)等光電技術(shù)不斷突破，機載光電系統(tǒng)性能還將進一步得到提升，在未來機載平臺上將會發(fā)揮更加重要的作用。

機載光電系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

為適應日益嚴酷的作戰(zhàn)環(huán)境，應對作戰(zhàn)對象的升級換代，未來的高科技戰(zhàn)爭對新一代機載光電系統(tǒng)不斷提出新的需求。加之基礎(chǔ)技術(shù)的持續(xù)進步，同時推動光電系統(tǒng)不斷發(fā)展。機載光電系統(tǒng)未來的發(fā)展基本可以概括為性能提升、功能拓展、系統(tǒng)綜合和概念創(chuàng)新。

1、性能提升、功能拓展：“看得更遠、看得更清、瞄得更準”是機載光電系統(tǒng)發(fā)展永恒的主旋律。機載光電瞄準系統(tǒng)在新技術(shù)的推動下，探測能力較以往有了大幅提升。未來光電雷達將達到幾十千米甚至上百千米的探測能力，成為反隱身、超視距作戰(zhàn)的利器。瞄準吊艙將將達到更遠的探測距離和更精確的瞄準定位，使戰(zhàn)機能夠在百千米距離就可以對地面目標發(fā)起精確打擊。光電情報監(jiān)視偵察系統(tǒng)分辨率將進一步提升，并將能夠覆蓋更廣的戰(zhàn)場偵察范圍。未來系統(tǒng)分辨率將達到厘米級，甚或更高。并將通過光譜細分技術(shù)提高對偽裝目標的識別能力，同時結(jié)合無人機長航時優(yōu)點，實現(xiàn)對戰(zhàn)場不間斷地戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)高分辨率偵察監(jiān)視，戰(zhàn)場動態(tài)盡在掌握之中。

2、系統(tǒng)綜合、概念創(chuàng)新：“從單一到綜合、從傳統(tǒng)到新體制”使機載光電系統(tǒng)充滿活力。F-14飛機的IRST，F(xiàn)-15飛機的SNIPER吊艙都是單一功能的光電系統(tǒng)，而F-35飛機則采用一個EOTS和6個DAS進行系統(tǒng)綜合，成為集空/地探測、導彈告警、態(tài)勢感知為一體的綜合光電系統(tǒng)。可以預計，在未來機載光電系統(tǒng)綜合化程度會更高，不同功能、不同波段的光電單元有機結(jié)合，實現(xiàn)機載態(tài)勢感知、探測瞄準、告警、干擾、毀傷和通信能力的一體化。新體制、新概念的光電產(chǎn)品將隨著技術(shù)發(fā)展不斷涌現(xiàn)。自由曲面共形光學天線將使未來的機載光電系統(tǒng)光學窗口不再突出，而與飛機機身融為一體；光學超材料的出現(xiàn)將使光電系統(tǒng)光學特性出現(xiàn)異于尋常的變化；孔徑編碼成像將改變傳統(tǒng)幾何光學的成像概念；采用光量子技術(shù)的量子雷達則將使經(jīng)過隱身、偽裝、防護的目標無所遁形…。

結(jié)語

機載光電系統(tǒng)的發(fā)展方興未艾，幾十年的時間里不間斷地涌現(xiàn)出各種極具特色的光電產(chǎn)品，已在現(xiàn)代化戰(zhàn)爭中發(fā)揮著其不可替代且日漸重要的作用。目前在機載光電產(chǎn)品的研發(fā)和裝備上各國都給于了高度的重視和資金投入；誰在光電產(chǎn)品研發(fā)上領(lǐng)先，誰就將在未來戰(zhàn)爭中擁有更多的主動權(quán)。雖然我國機載光電系統(tǒng)技術(shù)與這些軍事發(fā)達國家相比還存在差距，但只要我們奮起直追、銳意進取、創(chuàng)新超越，實現(xiàn)機載光電系統(tǒng)技術(shù)的跨越式發(fā)展，是完全可以預期的。

（作者系中航工業(yè)光電所副所長）