機載光電載荷裝備發展與關鍵技術

摘 要： 以萊特寧瞄準吊艙、 先進紅外瞄準吊艙、 狙擊手先進瞄準吊艙、 MTS-B多光譜瞄準轉塔、 MX-25多傳感器轉塔等典型機載光電載荷為代表， 對機載光電載荷的分類、 裝備現狀及主要性能進行綜述， 給出主要技術性能參數， 對其主要技術特點進行提煉總結， 并對機載光電載荷發展趨勢和需要重點關注的關鍵技術進行了分析探討。

關鍵詞： 機載光電載荷； 偵察監視； 光電傳感器； 瞄準吊艙； 多頻譜轉塔； 跟蹤瞄準

中圖分類號： TJ56； V243.5 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-5048（2017）06-0003-10[SQ0]

0 引 言

機載光電載荷裝備于固定翼飛機、 直升機、 無人機等平臺， 采用光電探測技術、 激光測照技術、 穩像搜索技術、 圖像處理技術、 目標跟蹤與定位技術， 完成戰場態勢感知、 目標檢測定位、 武器引導與打擊效果評估等作戰任務。其作為載機戰場信息獲取、 態勢感知和制導武器引導傳感器， 已成為實現載機“廣域搜索、 遠程探測、 準確定位、 快速摧毀、 實時評估”的重要裝備。 隨著載機平臺作戰性能（隱身、 高空、 高速）和作戰模式（全景感知、 智能決策、協同作戰）的進步， 機載光電載荷發展應該具有以下特性： ① 精準化： 實現多頻譜探測、 高精度目標定位、 引導與制導武器精確瞄準； ② 小型化： 同裝載光電傳感器種類多、 性能指標高、 系統體積小； ③ 智能化： 為載機決策系統提供高價值、 多維度的戰場態勢及目標情報信息； ④ 多任務綜合化： 實現全景感知、 光電對抗、 空/空（空/面）目標搜索跟蹤、 目標定位瞄準等。 因此， 機載光電載荷已成載機系統的重要信息節點和武器節點， 遂行“搜索-探測-鎖定-跟蹤-打擊-評估”全作戰鏈任務。

根據載機平臺不同， 機載光電載荷分為固定翼作戰飛機機載光電載荷、 直升機機載光電載荷、 無人機機載光電載荷等。 按照任務使命和使用需求， 機載光電載荷分： ① 光電探測與對抗系統（Electro Optic Detection and Countermeasure System）， 主要包括激光告警、 導彈逼近告警等； ② 輔助導航系統（Flight Aids）， 主要包括規避告警系統（Obstacle Avoidance Laser System）、 夜視紅外系統（Night-Vision Goggles Imaging System）、 導航前視紅外（Navigation FLIR）等； ③ 情報收集、 偵察與監視系統（Intelligence Surveillance and Reconnaissance System， ISRS）； ④ 搜索跟蹤瞄準系統（Search Tracking and Targeting System， STTS）等。

1 典型機載光電載荷

1.1 固定翼飛機機載光電載荷

固定翼飛機機載光電載荷通常采用柱筒狀吊艙結構形式， 通過吊掛適配裝置掛裝于機腹下。 主要由光電傳感器單元（Electro-Optical Sensor Unit）、 控制處理單元（Control Processor Unit）、 供電

單元（Power Supply Unit）和環境控制單元（Environmental Control Unit）組成。 光電傳感器（可見光、 紅外、 激光）安裝于多軸（橫滾、 俯仰、 偏航）陀螺穩定平臺形成光電傳感器單元， 實現戰區偵察監視、 目標搜索捕獲、 跟蹤定位、 瞄準打擊及毀傷效果評估等功能。

1.1.1 機載光電偵察吊艙

固定翼飛機機載光電偵察吊艙主要采用長焦

可見光/紅外雙波段傳感器， 執行高空遠程情報偵察監視、 目標搜索定位等任務。 目前已裝備的典型

光電偵察吊艙主要有CA-295 雙波段數字光電偵察吊艙、 DB-110雙波段光電偵察吊艙、 Rafael RecceLite 光電偵察吊艙等。

1.1.1.1 CA-295偵察吊艙

Goodrich ISR 系統公司研制的CA-295是雙波段（可見光、 中波紅外）長焦（f=2 134 mm）傾斜光電偵察吊艙， 如圖1所示。 吊艙采用主動光學穩定技術實現高精度穩像， 采用可見光和紅外共孔徑光學技術， 實現圖像精確配準， 采用旋轉式卡塞格林光學系統補償前向像移， 采用固態電子像移補償技術補償掃描像移， 集成慣性導航定位（INS/GPS）組合組件， 實現高精度地理引導、 目標定位以及圖像拼接。

1.1.1.2 DB-110偵察吊艙

DB-110是一種多功能、 多波段光電偵察吊艙， 如圖2所示。 其采用兩軸陀螺穩定平臺技術， 視軸穩定精度達到亞像素級， 高精度的視軸穩定可以使光電傳感器具有最佳的曝光時間， 實現圖像信噪比最大化， 有較強的弱對比度目標探測和透霧探測能力。 DB-110采用可見光傳感器“掃描（scanning）”和紅外傳感器“步進凝視（step-stare）”組合擺掃的成像方式， 可見光傳感器選用像元尺寸為8.75 μm、 具有時間延遲積分（TDI）功能的6 144×128陣列CCD成像探測器， 在掃描方向通過調節TDI的等級， 獲取大動態、 高信噪比偵察圖像。 紅外傳感器選用像元尺寸為24 μm 的制冷型640×512中波InSb FPA探測器， 通過可變積分時間和寬頻數字信號獲取高動態紅外圖像和弱小目標探測。

通過穩定平臺橫滾軸和俯仰鏡擺掃運動， 實現方位（垂直航向）180°、 俯仰（沿航向）±20°的寬覆蓋掃描成像， 以廣域搜索、 點聚束、 目標跟蹤/立體成像等工作模式， 實現廣域偵察監視、 目標識別定位。

DB-110具有4組成像光學系統： ① 基于卡塞格林全反射結構的焦距為2 794 mm （TV/NIR）和焦距為1 397 mm（MWIR）的雙波段共光路長焦距（窄視場）光學系統； ② 焦距為406 mm的TV/NIR寬視場光學系統； ③ 焦距為356 mm的MWIR寬視場光學系統； ④ 焦距為63.5 mm的MWIR超寬視場光學系統。 其中長焦光學系統以擺掃成像的方式工作， 另外3組短焦距的光學系統采用推掃與分幅方式成像， 相機能在低、 中、 高3種不同的高度條件下工作。

1.1.1.3 Rafael RecceLite偵察吊艙

Rafael RecceLite偵察吊艙采用4軸穩定平臺技術， 以垂直、 傾斜、 點凝視等工作模式實現區域偵察監視、 目標搜索識別， 集成慣導組件實現圖像幀定位、 地理匹配和偵察圖像拼接。 采用3視場紅外和4視場可見光傳感器， 實現全天時成像目標搜索偵察監視。

1.1.2 機載光電瞄準吊艙

目前有代表性的現役光電瞄準吊艙主要包括雷神公司的先進紅外（ATFLIR）瞄準吊艙、 洛克希德·馬丁公司的“狙擊手”先進（Sniper AT）瞄準吊艙、 諾斯羅普·格魯門公司的“萊特寧”（LITENING）瞄準吊艙， 以及F-35光電瞄準系統（EOTS）。

1.1.2.1 ATFLIR瞄準吊艙

ATFLIR瞄準吊艙屬于第三代光電瞄準吊艙， 能夠探測識別、 跟蹤定位空中和地面目標。 該吊艙被用來取代F/A-18戰機原裝備的三種吊艙（戰術前視紅外吊艙、 導航前視紅外吊艙、 激光指示吊艙）。 前視紅外、 可見光傳感器、 激光測距/照射器、 激光光斑跟蹤器安裝在陀螺穩定平臺中， 夜視導航用前視紅外安裝在載機掛裝吊艙的適配器上， 如圖3所示。

ATFLIR瞄準吊艙采用640×512 InSb FPA紅外傳感器， 三個光學視場為0.7°， 2.8°， 6.0°， 可以在15 200 m飛行高度對斜距75 000 m的目標進行精確定位和指示， 為新型的“聯合系列”空對地直接攻擊彈藥、 聯合防空區外發射彈藥提供精準的目標方位。 可以作為網絡中的節點將跟蹤和定位結果傳送給其他節點。 其可見光傳感器、 前視紅外傳感器以及激光測距/照射器共同使用經過自動校準的光路（共光路）， 系統具有較高的目標瞄準與導引精度。

1.1.2.2 Sniper AT瞄準吊艙

Sniper AT瞄準吊艙裝載前視紅外、 CCD電視攝像機、 雙頻激光測距照射器、 激光光斑跟蹤器、 激光標識器、 視頻數據鏈和數據記錄儀等。 與其他瞄準吊艙的圓形外形不同， 其前端光窗采用多面藍寶石楔形設計， 如圖4所示， 可有效降低吊艙的雷達反射截面， 提高載機戰術飛行速度下吊艙平臺的穩定性能。

Sniper AT瞄準吊艙的設計不同于傳統萬向架結構的芯軸式穩定平臺，采用光學基座減振設計， 有效改善系統的隔振性能， 并采用自動校準和電子消旋穩像技術， 具有較高的視軸穩定性能。 前視紅外采用640×512 中波InSb FPA紅外探測器、 微型掃描和數字圖像分辨率增強處理技術， 內置慣性測量裝置可與光電傳感器、 載機進行自動對準， 實現目標精確定位和慣性跟蹤。 前視紅外、 電視攝像機和激光傳感器采用共孔徑光路技術， 避免了使用多孔徑光學系統造成的視軸誤差。

1.1.2.3 LITENING瞄準吊艙

LITENING瞄準吊艙系統的光電傳感器安裝在陀螺穩定平臺上， 如圖5所示。 某光電傳感器主要包括前視紅外、 CCD電視攝像機、 激光指示器、 激光標識器、 激光光斑跟蹤器等。 穩定平臺采用高精度陀螺穩像技術， 隔離載機的振動和姿態運動， 視線穩定精度優于10 μrad。

系列化發展的LITENING瞄準吊艙有LITENINGⅡ， LITENING ER， LITENING AT， LITENING G4。 LITENING AT瞄準吊艙紅外傳感器從LITENINGⅡ型的256×256升級為640×512 InSb FPA， 采用4視場切換， 大幅度提高了圖像分辨率和目標識別距離； 通過平視顯示器， 紅外寬視場（32°×24°）用于低空飛行夜視導航； CCD電視和前視紅外圖像融合處理； 激光器采用1.06 μm和1.57 μm兩種人眼安全波長工作模式， 分別用于作戰和訓練； 采用先進的圖像處理算法進一步提高目標捕獲距離， 具有多目標搜索提示和空對空目標跟蹤能力。 內置高精度組合慣導組件， 自動與載機INS校準， 通過與光電傳感器的精確對準， 實現精確視線指向和目標定位。 激光點跟蹤（1.06 μm）可在吊艙全搜索視場中進行離軸激光點的搜索跟蹤， 實現空中支援協同作戰能力。 LITENING G4瞄準吊艙采用第三代1 024×1 024中波FPA紅外探測器、 新型激光照明器， 具有激光目標圖像處理算法， 進一步提升了在惡劣氣象條件下的目標辨識能力。

1.1.2.4 F-35 綜合光電載荷

F-35綜合光電載荷由兩部分組成： 光電瞄準系統（Electro-Optical Targeting System， EOTS）和分布孔徑光電傳感器系統（Electro-Optical Distributed Aperture System， EODAS）。

EODAS采用多傳感器分布設計和數據融合技術， 綜合紅外搜索跟蹤系統（IRST）、 導彈逼近告警系統（MPWS）、 紅外成像跟蹤系統（IRITS）、 前視紅外夜間導航系統（NavFLIR）等， 實現全方位遠程空中目標搜索跟蹤、 態勢感知、 威脅告警、 地面/海面目標探測、 輔助導航等功能。 通過后臺數據的融合為飛行員提供一個球形視野， 具有全景態勢感知和目標搜索探測能力。

EODAS的分布式紅外傳感器可同時對多個目標進行探測和識別跟蹤。 每個傳感器獨立地對視野內的目標進行檢測、 特征提取、 辨識跟蹤， 然后將各自局部決策結果傳送至綜合信息處理單元， 綜合信息處理單元經過信息融合后， 形成全局目標身份管理、 目標分配和系統決策。

EOTS系統集成了前視紅外 （FLIR）、 紅外搜索跟蹤（IRST）和激光指示瞄準（LTD）等功能， 相當于將傳統的光電雷達、 前視紅外吊艙和瞄準吊艙的功能融合為一體， 如圖6所示。 EOTS位于機頭下， 采用多面藍寶石光學窗口， 以降低對飛機RCS的影響， 提供高分辨率成像、 自動紅外搜索跟蹤、 激光測距指示和激光點跟蹤功能， 具有高空遠程目標搜索探測、 識別跟蹤、 威脅告警、 定位瞄準、 引導制導武器精確打擊等能力。

EOTS的技術特征： ① 采用緊湊型單孔徑光學設計； ② 采用第三代中波焦平面紅外傳感器組件； ③ 具有對地面目標紅外跟蹤能力； ④ 具有對空目標紅外搜索跟蹤（IRST）能力； ⑤ 具有自動校靶和校軸功能； ⑥ 采用戰術和人眼安全的高可靠性激光測距/照射器； ⑦ 具有激光光斑跟蹤能力； ⑧ 具有主、 被動測距和高精度地理坐標測量能力。

1.2 直升機和無人機機載光電載荷

直升機和無人機機載光電載荷通常采用球形穩定轉塔（Stabilized Turret）結構形式， 光電傳感器安裝在球形轉塔內， 采用陀螺穩定平臺技術， 隔離載機振動， 實現視軸穩定和目標搜索。 隨著光電傳感器尺寸的小型化和分辨率的提高， 裝載光電傳感器越來越多， 形成了多頻譜光電載荷。

1.2.1 “全球鷹”光電偵察載荷

“全球鷹”光電偵察載荷是一種具有廣域搜索偵察與目標精確定位能力的長焦距、 雙波段高精度機載光電載荷。 采用全反射式雙波段共孔徑光學系統， 安裝在兩軸穩定框架的內環中， 采用高精度兩軸穩定平臺和快速反射鏡（Fast Steering Mirror， FSM）全數字復合控制技術， 如圖7所示。

通過穩定平臺橫滾軸在垂直航向的擺動掃描、 俯仰軸在飛行航向方向的補償運動， 以步進凝視（step-stare）成像寬覆蓋搜索模式和點采集模式， 實現廣域掃描搜索、 目標檢測、 高精度穩像及像移補償。 “全球鷹”光電偵察載荷視軸穩定精度為3 μrad， 可以實現30幀/s的高幀頻凝視成像。

1.2.2 AN/AAQ-30 TSS瞄準轉塔

洛克希德·馬丁公司研制的AN/AAQ-30 TSS瞄準轉塔， 如圖8所示。 采用已裝備美國海軍P-3C， P-8B反潛巡邏機和C-130海岸巡邏機的MX-20（Φ520 mm）陀螺穩定平臺技術， 并根據直升機旋翼振動特性， 借鑒Sniper瞄準吊艙和F-35 EOTS等相關成熟技術， 進一步提高穩定性能。

AN/AAQ-30 TSS瞄準轉塔主要由陀螺穩定平臺、 前視紅外、 彩色電視攝像機、 激光測照器、 激光光斑跟蹤器、 慣性測量單元、 光軸校準模塊和電子單元組成。 采用柔性5軸穩定平臺和電子穩像技術， 視軸穩定精度優于15 μrad， 內置高精度組合慣導與姿態測量組件， 具有各光電傳感器視軸自動校準、 以及與機載組合導航測量系統自動校準功能。

前視紅外采用640×512中波InSb FPA紅外探測器、 大口徑（217 mm）4視場切換光學系統（最小視場0.59°×0.44°）； 電視攝像機采用工作在可見光和近紅外波段的索尼3CCD DXC-390 TV傳感器， 提高系統在低照度和霧霾天氣情況下的目標探測能力， 配備佳能×2.5擴展鏡頭， 具有×18連續光學變焦能力。 紅外和電視傳感器四視場匹配設計， 便于傳感器相互切換使用和圖像配準融合。

采用相關、 對比度和質心跟蹤模式， 具有自動目標捕獲、 多目標自動跟蹤功能（可同時跟蹤3個目標）， 跟蹤的每一個目標尺寸可從1個像素變化到幀視場的80%。 基于慣性跟蹤技術， 在跟蹤目標的同時， 系統可記憶存儲10個附加的地面目標運動航跡（甚至目標溢出視場外）， 該功能還可實現目標被短暫遮擋時的跟蹤保持。 采用基于局部圖像增強的先進增程（Extended Range， XR ）圖像處理技術， 目標識別和認清距離可提高60%。

1.2.3 BRITE StarⅡ 瞄準轉塔

FLIR系統公司的多頻譜傳感器轉塔產品有偵察型和瞄準型兩個系列。 偵察型產品系列包括： Star SAFIRE， Star SAFIREⅡ， Star SAFIRE Ⅲ， Star SAFIRE HD； 瞄準型產品系列由偵察型改裝升級得到， 包括： BRITE StarⅠ， BRITE StarⅡ， BRITE Star DP。 其中， BRITE StarⅡ如圖9所示。

Star SAFIRE HD最多可以同時裝載7種傳感器： 多視場自聚焦640×512中波InSb FPA紅外傳感器； 1 280×1 024自聚焦高清彩色電視傳感器； 微光傳感器； 人眼安全激光測距儀； 夜視鏡兼容寬覆蓋激光照明器； 激光指示器； 用于地理指向和目標定位的數字組合慣性測量組件（GPS/IMU）。

采用6軸穩定平臺技術， 穩定精度≤5 μrad， 全數字高清紅外/可見光傳感器， ×120光學連續變倍（視場 30°～0.25°）， 實現寬視野、 遠距離高清晰成像與目標探測識別。 內置GPS/IMU使系統具有多種自動跟蹤模式跟蹤運動目標的能力。 2006年3月， 第二代高清光電系統Star SAFIRE HD/1k， 將紅外探測器升級為1 024×1 024， 圖像分辨率提高3倍。

通過增加傳感器組件， 使Star SAFIRE偵察監視系統升級為BRITE StarⅡ瞄準轉塔， 軍用編號為AN/AAQ-22E。 BRITE StarⅡ瞄準轉塔也可同時裝載多種傳感器： 紅外傳感器、 彩色TV攝像機（+NIR）、 激光測距照射器、 激光指示器、 激光光斑跟蹤器、 激光照明器等。 紅外傳感器采用640×512中波InSb FPA探測器、 5視場切換（30°～0.31°）、 ×97 光學變倍， 彩色TV攝像機（+NIR）視場與紅外匹配， 支持1 280×1 024分辨率紅外數字圖像輸出。 目前， BRITE Star Ⅱ已裝備MQ-8B無人直升機。

1.2.4 MTS-A和 MTS-B多光譜瞄準轉塔

MTS-A由雷神公司的AN/AAS-44（V）紅外激光測距探測與跟蹤系統發展而來， 軍用編號AN/AAS-52， 是一種集成光電、 紅外和激光的多頻譜瞄準轉塔， 系統采用先進的全數字化結構和多頻譜共孔徑光學設計， 可同時裝載前視紅外、 CCD電視攝像機（彩色+NIR）、 激光測距/照射器、 激光照明器、 激光點跟蹤器等傳感器， 實現遠程監視偵察、 目標捕獲跟蹤、 目標測距定位， 為AGM-114“海爾法”導彈及NATO激光制導彈藥提供激光目標指示引導。 目前已裝備美國海軍MH-60R直升機和美國空軍MQ-1“捕食者”無人攻擊機。

MTS-A系統主要由傳感器轉塔單元（WRA-1， 內置高精度IMU）和電子單元（WRA-2）兩個可更換單元組成， 采用基于自動圖像優化技術的局域處理軟件， 使圖像信息顯示最大化， 采用質心、 面積和特征等多模自動跟蹤技術， 具有圖像融合功能， 有效增強場景感知、 遠程偵察監視、 目標識別跟蹤和瞄準能力。

MTS-B由MTS-A發展而來， 軍用編號AN/DAS-1， 如圖10所示， 通過增大光學倍率， 提高

傳感器的分辨率， 增加目標的探測識別距離。 MTS-B目前主要裝備美國空軍MQ-9“捕食者”B無人攻擊機和美國海軍的MQ-4C“人魚海神”無人機。

1.2.5 MX-15/20/25多傳感器轉塔

MX系列多傳感器轉塔如圖11所示， 由加拿大L-3通信公司WESCAM分公司研制， MX-15為中型尺寸傳感器轉塔， 重量42.7 kg， 美軍編號AN/AAQ-35， 可同時裝載6種光電傳感器， 內置慣性測量組件， 主要用于固定翼、 旋翼飛機及無人機的情報偵察監視。 MX-15i由MX-15發展而來， 其主要變化有： 小型化設計， 將外部電控單元移入穩定轉塔頂部； 采用長焦電子倍增CCD攝像機， 增加低照度條件下的目標辨識距離； 采用激光點照明器（Laser Illuminated Night Spotter）， 增加夜間全黑條件下的目標辨識能力； 對紅外傳感器升級， 目標識別距離增加20%； 采用第三代MX-GEO軟件包， 具有地理指向引導（GEO-Pointing）、 地理指向控制（GEO-Steering）、 地理聚焦（GEO-Focus）、 地理掃描（GEO-Scan）、 地理跟蹤（GEO -Tracking）， 提高目標跟蹤性能和定位精度。 通過增加激光照射器和提升紅外、 可見光傳感器分辨率， MX-15i發展為觀瞄型多頻譜光電轉塔MX-15Di， 并采用實時圖像增強處理技術（ELAP）， 進一步提高目標的識別距離和透霧探測能力。

通過系統性能優化， MX-15Di又發展為MX-15D全數字高清多頻譜瞄準轉塔。 MX-15D用于中空偵察監視和目標照射瞄準， 主要有以下技術特點：

（1） 集成度高、 重量輕、 接口靈活： 內置GPS接收器和IMU， 最多可同時裝載10種傳感器， 全狀態系統重量51.4 kg， 具有多種數字視頻接口和通訊控制接口（移動地圖、 遙控、 探照燈、 雷達、 微波數據鏈、 機載GPS/INS、 元數據等）。

（2） 傳感器配置靈活、 性能指標高： 可裝載6種獨立的數字圖像傳感器和4種激光傳感器： 多視場640×512， 1 280×1 024中波紅外傳感器； 光學連續變焦彩色CCD傳感器（36.3°～1.1°）； 光學連續變焦電子倍增CCD（EMCCD）傳感器（48.8°～2.38°）； 長焦短波紅外、 低照度電視詳查傳感器（0.37°）； 激光測距照射器； 激光照明器、 激光點跟蹤器等。

（3） 系統精度高、 功能強： 采用4軸穩定、 6軸減振技術， 視線穩定精度小于5 μrad，具有高精度目標定位、 透霧增強、 激光光斑跟蹤、 自動與載機校軸、 自動視頻與GEO跟蹤等功能。

MX-20/MX-20HD傳感器轉塔， 全狀態系統重量84 kg， 主要用于遠距離偵察監視和目標識別， 可同時裝載7種傳感器： 四視場切換紅外傳感器（18.2°～0.24°）、 彩色CCD傳感器（18.2°～2.75°） 、 CCD （0.17°～0.92°）和EMCCD詳查傳感器（0.14°～0.73°）、 激光測距儀、 激光照明器、 激光指示器（laser pointer）； 采用5軸穩定、 6軸減振技術， 視線穩定精度小于4 μrad。

MX-25/MX-25D傳感器轉塔為全數字高清超遠程多頻譜光電瞄準系統， 主要用于高空、 遠距離偵察監視、 目標識別和激光照射制導武器引導。

2 技術特點分析

通過以上典型機載光電載荷的性能分析， 可以看出目前主要現役機載光電載荷具有諸多技術特點。

2.1 系統集成度高， 同裝載光電傳感器多

現役的MTS-B和MX-25D可同時裝載十種光電傳感器， 除了裝備紅外和CCD傳感器外， 還可裝載有低照度、 日光和短波紅外詳查傳感器（Daylight Spotter SWIR Spotter）、 激光測距儀、 激光照射器、 激光照明器、 激光指示器（Laser Pointer）、 激光標識器（Laser Marker）、 激光光斑跟蹤器等。 系統光電探測波段覆蓋從可見光波段（0.4～0.7 μm）到紅外波段（8～12 μm）， 實現寬頻譜、 多波段目標探測， 采用圖像融合技術， 形成多頻譜光電探測系統。 采用多頻譜共孔徑光學設計技術， 提高系統校準校靶、 目標定位瞄準、 激光目標引導性能， 同時可以有效減小系統體積。 裝載激光照明、 激光指示、 激光標識和激光光斑跟蹤器等多種激光傳感器， 使系統具有多平臺協同目標探測、 多任務協同作戰能力。 裝載長焦低照度CCD和短波紅外傳感器， 有效提升系統在低能見度（例如霧霾）、 低照度等不良大氣條件下的目標探測辨識能力。

光電傳感器性能指標高， 紅外傳感器采用中波 640×512， 1 024×1 024， 1 280×1 080 焦平面探測器， 甚至雙色紅外探測器； CCD傳感器采用200萬像素（甚至500萬像）探測器（+NIR）； 光學系統采用大口徑、 大變倍、 自聚焦光學系統， 例如MTS-B多頻譜瞄準轉塔FLIR/CCD傳感器采用6視場、 ×148光學變倍、 紅外最小視場為0.23°×0.31°、 CCD最小視場為0.08°×0.11°； 紅外與CCD傳感器視場匹配性設計， 便于主通道傳感器切換與目標觀察、 圖像信息融合與偵察情報分析。 這些技術的應用大大提高了載機對遠距離目標的探測和識別能力。

2.2 全數字化、 傳感器分辨率高、 目標檢測跟蹤與圖像處理能力強系統采用高清全數字化技術， 避免由于量化、 壓縮和傳輸帶來的信息損失和圖像退化。 采用高性能圖像增強處理技術， 提升場景感知、 目標引導定位與探測識別能力。 例如， MTS-A/B瞄準轉塔采用基于自動圖像優化技術的局域處理軟件， 可以使圖像信息顯示最大化、 有效增強場景感知和遠程偵察監視能力； LITENING G4瞄準吊艙采用新型1 024×1 024中波凝視陣列紅外探測器、 新型激光照明器， 并采用激光目標圖像處理算法， 進一步提升在惡劣氣象條件下的目標辨識能力。

采用多模自動跟蹤、 多目標記憶跟蹤和抗遮擋技術， 提高目標跟蹤能力； AN/AAQ-30瞄準轉塔采用相關、 對比度和質心跟蹤模式， 紅外和可見光傳感器具有自動目標捕獲和多目標跟蹤功能； 基于慣性跟蹤技術， 在跟蹤目標的同時， 系統可記憶存儲10個附加目標（甚至目標溢出視場外）； MX-15/20/25的MX-GEO軟件包為系統提供偵察區域圖像掃描拼接（GEO-Scan）、 自動視頻和慣性組合跟蹤（GEO-Tracking）、 地理指向引導（GEO-Pointing）、 地理指向控制（GEO-Steering）、 地理聚焦（GEO-Focus）等功能。 采用多傳感器圖像融合技術， 提高目標的捕獲和辨識能力。

2.3 系統穩定精度高， 具有自主目標引導與定位能力

光電載荷要實現“看的清、 打得準”， 必須具有高精度視軸穩定能力。 Sniper AT瞄準吊艙采用6個震動隔離裝置光學基座設計技術， AN/AAQ-30瞄準轉塔采用5軸柔性穩定平臺和電子穩像技術， BRITE Star Ⅱ瞄準系統采用6軸穩像技術， MX-25采用5軸主動穩像、 6軸被動減振技術等， 使系統具有超強隔離載機擾動能力和高精度穩像能力。

光電載荷穩定平臺內置高精度GPS/IMU組合慣導模塊， 實現高精度自主地理引導， 目標位置、 速度和運動方向等特征測量， 自動目標跟蹤， 光電傳感器自動聚焦， 多視軸自動校準以及與載機自動對準等功能。

3 發展趨勢與關鍵技術

技術進步驅動軍事裝備和作戰模式變革， 新軍事思想發展牽引技術的進步， 以信息化、 網絡化為核心的“空、 天、 海、 地”一體化作戰模式， 要求機載光電載荷不僅要作為傳感器節點“視野大、 看的遠、 看得清”、 而且要作為武器節點“抓得住、 跟得穩、 瞄得準”， 遂行“發現、 確認、 跟蹤、 定位、 打擊、 評估”即“發現即打擊”全作戰鏈任務。 機載光電載荷向著“遠程化、 精準化、 智能化、 綜合化”方向發展。

3.1 高性能光電傳感器是光電載荷發展的核心

為滿足“廣域搜索、 遠程偵察、 精準打擊”的應用需求， 要求光電傳感器應具有陣列大、 分辨率高（對比度、 空間、 光譜）、 響應快等特點， 具備復雜氣象（如薄云、 薄霧、 陰天、 霾等）和復雜目標特性（弱小、 運動、 偽裝等）條件下的高概率探測和辨識能力。

目前機載光電載荷使用的紅外探測器以640×512中波制冷型器件為主， 也有少數采用1 280×1 024規模的器件， 探測器像元尺寸在15 μm左右， 響應波段3.7～4.8 μm， 像元平均等效噪聲溫差（NETD）≤20 mK， 非均勻性<5%RMS， FPA工作溫度77～110 K。 為了提高目標探測能力， 紅外探測器向著多波段、 大面陣、 高靈敏度發展， 目前已發展到第三代（像元數≥100萬）， 其中制冷型單色探測器主要是銻化銦（InSb）和銦鎵砷（InGaAs）紅外探測器， InSb探測器工作于3～5 μm中波波段， 具有量子效率高、 像元響應均勻性好、 可靠性高等特點， InGaAs探測器工作于0.9～1.7 μm短波波段， 可以在室溫下高探測率工作。 發展中的第三代雙色或多色紅外探測器主要是碲鎘汞（HgCdTe）、 量子阱（QWIP）和Ⅱ類超晶格（T2SLs）紅外探測器， 由于三種紅外探測器吸收紅外輻射光子形成載流子的機理不同， 其性能各有優缺點。 HgCdTe探測器具有量子效率高（70%～80%）， 光響應率高， 響應速度快、 響應波段連續可調等特點， 是第三代紅外探測器發展的首選。 QWIP紅外探測器大面積材料均勻性好、 工藝成熟、 成品率高、 響應波段寬（3～30 μm）等特點。 T2SLs可較好克服HgCdTe和QWIP紅外探測器存在的問題， 兼顧兩者優勢， 具有巨大的發展潛力和應用前景， 是新型紅外探測器的最佳選擇。

目前第三代焦平面紅外探測器陣列已實現規模4 K×4 K、 像元尺寸小于10 μm、 四個響應波段、 NETD優于2 mK。 要滿足“體積小、 面陣大、 分辨率高、 多波段、 成本低”等高性能紅外探測器的發展需求， 必須要解決HgCdTe材料及器件性能的不均勻性、 長波響應暗電流大、 大規模材料生長襯底匹配性， QWIP探測器量子效率低， T2SLs設計、 材料生長及器件制備工藝成熟性等關鍵技術， 提高器件工作溫度、 縮小體積降低成本， 增強片上信息融合處理能力、 提高探測器目標檢測和辨識性能。

隨著半導體集成和工藝等關鍵技術突破， CMOS傳感器已克服動態范圍小、 靈敏度偏低等不足， 向著高分辨率、 高靈敏度、 大動態范圍、 大面陣、 高幀頻、 寬光譜和高智能化發展。 與CCD傳感器相比， CMOS傳感器具有成本低、 功耗低、 抗暈和抗輻射能力強、 讀出任意開窗、 響應速度快、 CMOS圖像傳感器芯片上可以集成數字型號處理電路（如A/D轉換器、 自動曝光控制、 非均勻性補償、 白平衡處理、 黑電平控制、 伽馬校正、 可編程DSP器件等）等特點。 CMOS傳感器正逐漸替代CCD傳感器， 成為光電圖像偵察的重要傳感器。 國內已研制出響應波段400～1 200 nm、 分辨率200萬像素（60幀/s）、 660萬像素（30幀/s）和1 600萬像素（25幀/s）的寬光譜CMOS傳感器芯片。

多/高光譜成像技術是將成像技術和光譜測量技術結合在一起， 獲取的信息不僅包括空間二維信息， 還包括隨波長分布的光譜輻射信息。 最大的特點是將工作光譜區精細劃分為多個譜段， 并同時在各譜段對目標成像探測， 極大地提高了目標探測的準確性， 是光電探測領域一個質的飛躍。 根據應用需要的不同， 光譜成像探測可應用于可見光/近紅外/短波紅外波段、 中波紅外波段、 長波紅外波段等光譜范圍。 隨著對目標/背景光譜特性的研究不斷深入， 標準光譜特征數據庫不斷完善， 多/高光譜探測技術不斷向著小型化、 高分辨率和實時性發展， 應用將會越來越廣泛。

3.2 高精度穩定平臺是提升系統性能的基礎

隨著現代戰爭中光電對抗烈度、 目標隱身技術、 武器精度及射程發展， 要求光電載荷具有更遠的作用距離、 更寬的光譜感知范圍、 更高的瞄準與跟蹤精度。 要實現遠距離、 高精度目標探測與瞄準， 穩定平臺必須具有高精度穩像能力， 高精度穩定平臺是機載光電載荷履行作戰使命的基礎和保障。 目前， 國外先進機載光電載荷的穩定精度已達到亞像素級。

在高精度穩定平臺設計中， 通過系統軸系構架組成優化、 結構布局優化、 材料及控制組件選型等， 提高系統結構剛度、 降低軸系耦合及摩擦力矩， 提高載機擾動力矩隔離能力， 控制系統通過采用新技術新方法， 提高控制回路帶寬和增益， 提高系統視軸穩定性。 例如Sniper AT穩定平臺采用柔性光學基座設計技術， AN/AAQ-30采用5軸穩定平臺技術， BRITE Star Ⅱ采用6軸穩像技術， MX-25采用5軸主動穩像、 6軸被動減振技術等。

粗精組合穩定系統是提高系統穩定精度的有效技術途徑。 在通用穩定平臺的基礎上， 增加高精度快反鏡（FSM）組件， 通過精密補償消除粗級穩定的殘余誤差， 從而提高瞄準線穩定精度， 同時由于其轉動慣量小， 可以大幅度提高諧振頻率， 提高系統跟蹤帶寬和響應速度。 粗精組合穩定系統中FSM是關鍵技術， 采用這種穩定技術， 可以使光電系統的穩定精度達到微弧級甚至納弧級， 實現亞像素級穩像。 采用兩自由度高精度FSM鏡技術不僅可以補償瞄準線穩定的殘余， 提高穩定精度， 而且可以用于補償圖像運動模糊， 實現廣域搜索偵察應用中的“步進凝視”， 同時可以用于紅外成像系統的“微掃”， 實現亞像素超分辨率紅外成像。

3.3 高精度目標跟蹤定位是發揮作戰效能關鍵

為了實現“廣域搜索、 準確定位、 快速摧毀、 實時評估”， 以及網絡化協同作戰能力， 采用衛星定位、 慣性測量和陀螺穩定（GPS+IMU+STA）組合技術， 實現高精度目標搜索定位、 跟蹤與瞄準， 是目前先進機載光電載荷系統的一個重要發展方向。 采用GPS+IMU+STA組合技術， 使系統具有以下功能和特點： ① 減少安裝誤差和由于系統減振器帶來的動態誤差， 顯著提高目標引導和定位精度； ② 實現武器系統高精度自動校軸和光電載荷自動校靶， 解決由于材料、 裝配、 環境變化等帶來的光軸誤差， 提高系統的目標定位瞄準精度； ③ 通過對目標位置、 運動速度和運動方向等特征測量， 結合視頻跟蹤， 提升光電載荷自動目標跟蹤的抗干擾、 記憶跟蹤和多目標跟蹤能力； ④ 提高光電傳感器的自動聚焦能力； ⑤ 系統通用性強， 提升了載機平臺適應性。

3.4 先進圖像處理是提升系統性能的有效途徑

伴隨著光電載荷裝備發展， 提高其目標探測能力一直是研究的重要內容。 為了提高系統的目標探測識別距離和遠程偵察監視能力， 除了探測器性能的提高和新探測概念體制的不斷發展外， 先進圖像增強處理技術是光電載荷性能提升的有效途徑， 在國外光電載荷中已得到廣泛應用， 并顯著改善系統的性能。 例如， AN/AAQ-30采用先進的基于局部圖像增強的增程技術， 使目標辨識距離提高 60%； MTS-A/B采用基于自動圖像細節優化的增強處理技術， 有效增強場景感知和遠程偵察監視能力。 圖像增強處理技術一直是研究的熱點， 也是機載光電載荷發展的一項關鍵技術。

紅外圖像增強處理算法按照處理域劃分， 可以分為空間域和頻率域處理。 按照算法實施的方法可以分為灰度修正、 圖像平滑、 圖像銳化、 圖像增晰、 彩色處理等。 隨著人工神經網絡、 遺傳算法、 小波變化、 模糊理論和數學形態等多種數學工具發展應用， 新算法不斷出現。 近年來， 隨著紅外焦平面探測器性能的提高， 紅外圖像細節增強技術受到研究人員的廣泛關注。 針對紅外成像的特點， 研究提出了多種紅外圖像細節增強處理算法， 通過增強紅外場景中目標與背景的灰度對比度以及目標自身結構特征對比度， 解決高動態范圍場景中辨識低對比度目標的問題。 FLIR公司提出的數字細節增強（DDE）技術是當前針對該問題的一個很好的解決方案。

可見光攝像傳感器是光電載荷的重要成像傳感器， 但是在不良的氣象條件下（如霧霾天氣等）， 由于大氣中的懸浮粒子對目標反射光的散射等作用， 使色彩失真淡化、 對比度減弱等圖像降質， 嚴重影響圖像視覺效果和目標探測辨識性能， 采用計算機圖像處理技術對于可見光圖像進行去霧處理， 是改善霧霾天氣下可見光成像質量和目標探測性能的有效技術途徑。

綜合分析現有圖像增強算法， 在算法運算量、 場景自適應性、 大動態弱對比度小目標辨識、 人眼感知匹配性等有待進一步提高。 隨著傳感器技術、 成像方式和成像體制的發展， 圖像增強處理技術發展將具有以下特點：

（1） 隨著高光譜成像、 三維成像、 偏振成像等新型成像技術的發展應用， 圖像增強處理技術將向著基于多特征、 多維度（空間、 深度、 時間、 光譜、 偏振）方向發展；

（2） 隨著壓縮感知理論、 自適應編碼孔徑成像等計算混合成像技術發展， 圖像增強由后處理向著成像—處理一體化發展， 綜合利用光學系統、 采樣和圖像重構處理技術實現大視場、 高分辨率紅外成像；

（3） 隨著分布式孔徑全向探測、 多頻譜傳感器的同裝載協同探測應用發展， 圖像增強技術將向多源、 異型、 多光譜圖像融合增強處理方向發展；

（4）圖像增強處理算法研究更加關注人眼視覺特性， 向著基于視覺感知的方向發展。

3.5 智能化、 綜合化是光電載荷發展的方向

為了適應信息化、 網絡化戰爭的目標多樣化、 環境復雜化、 任務多樣化帶來的嚴峻挑戰， 機載光電載荷將以分布式全景感知、 光電探測與對抗相結合、 多機網絡化協同為特征， 向著多任務綜合化（監視偵察、 探測預警、 告警對抗、 目標搜索識別、 目標定位跟蹤、 目標瞄準打擊、 打擊效果評估等）、 態勢感知和行動決策智能化方向發展。

4 結 束 語

綜上可知， 機載光電載荷技術的發展要關注以下關鍵技術： ① 紅外傳感器技術， 特別是大面陣長波和多色探測器的發展， 解決碲鎘汞探測器長波器件非均勻性、 穩定性和低信噪比等問題， 加速量子阱探測器在長波和多色探測器應用領域的產業化發展， 攻克Ⅱ類超晶格探測器材料生長、 器件制備工藝等技術難關， 充分發揮其在長波、 甚長波、 多波段和低成本等方面的優勢， 加速產業化發展。 ② 穩像技術， 開展新體制和機電一體化穩定平臺設計和制造技術研究， 提高系統穩像能力、 減小系統體積， 降低成本； 開展高性能、 小型化伺服組件（陀螺、 電機等）和控制算法研究， 提高系統穩像和跟蹤精度。 ③ 自主目標引導與定位技術， 開展衛星定位、 慣性測量和陀螺穩定柔性組合設計及高精度小型化慣性測量組件國產化研究。 ④ 目標檢測識別與跟蹤技術， 開展目標特性技術研究， 開展弱小目標快速檢測、 智能識別與跟蹤技術研究。 ⑤ 圖像處理與視覺增強技術。

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Equipment Development of Airborne Electro-Optic Payload and Its Key Technologies

Ji Shupeng

（China Airborne Missile Academy， Luoyang 471009， China）

Abstract： In this paper， represented by the typical airborne electro-optic payloads such as LITENING targeting pod， ATFLIR targeting pod， Sniper AT targeting pod， MTS-B multi-spectral targeting turret and MX-25 multi-sensor turret， the classification， equipment status and main properties of airborne electro-optic payload are overviewed. The main technical performance parameters of the above airborne electro-optic payloads are described. The main technical characteristics are analyzed and summarized. Finally， the development trend and key technologies that need to be focused on of airborne electro-optic payload are analyzed and discussed.

Key words： airborne electro-optic payload； surveillance and reconnaissance； electro-optic sensor； targeting pod； multi-spectral turret； tracking and targeting