軍用無人機光電遙感設(shè)備發(fā)展分析與展望

姜甲玉 李保霖 劉明 陳志超

摘 要：軍用無人機光電遙感設(shè)備具有功能多樣、適應(yīng)能力強、機動靈活、成本較低等特點，通過分析軍用無人機光電遙感設(shè)備的技術(shù)特點，結(jié)合主要西方國家的發(fā)展現(xiàn)狀及典型設(shè)備的技術(shù)指標，提出了高性能成像傳感器、高精度目標跟蹤定位、先進圖像處理、智能化、綜合化等主要研究方向和發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：軍用無人機;光電遙感;發(fā)展趨勢

中圖分類號：V245.6 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）21-0080-03

0 引言

無人機（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）是利用無線遙控設(shè)備或者預(yù)先植入的程序，可實現(xiàn)無人自主或半自主任務(wù)控制功能的飛行器。第一架無人機于1917年（第一次世界大戰(zhàn)時期）在英國研制成功。由于無人機沒有人員傷亡風險，生存能力較強，使用方便，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中發(fā)揮了重要的作用，20世紀70年代以來，軍用無人機越來越頻繁地出現(xiàn)在局部戰(zhàn)爭中，美國與以色列的無人機發(fā)展相對領(lǐng)先，目前全球軍用無人機已經(jīng)有兩百多種型號，可以用來完成偵察、跟蹤、監(jiān)視、目標捕獲、火力校正、通信中繼、攻擊、攔截、電子戰(zhàn)等多種功能，這是通過搭載相應(yīng)的機載光學或電子任務(wù)設(shè)備來完成的。未來戰(zhàn)爭中，軍用無人機的使用將會非常廣泛。

1 軍用無人機光電遙感設(shè)備種類

無人機光電載荷有多種分類方法。按工作波段，UAV光電載荷可分為可見、紅外和激光系統(tǒng)三大類，其中的每一類系統(tǒng)都包括傳感器、光學系統(tǒng)、平臺和存儲器等分系統(tǒng)。激光類系統(tǒng)屬于主動光電系統(tǒng)，含有激光光源和激光回波接收系統(tǒng)。

傳感器按工作波段，可分為可見光、紅外和激光傳感器，而可見光傳感器按波段又可分為全色（黑白）和彩色（多光譜、超光譜）兩類;按工作環(huán)境可分為晝間和低照度兩類;按工作頻率可分為視頻（電視攝像）和低幀頻（數(shù)碼相機）兩類。紅外傳感器，按波段可分為長波、中波和短波紅外傳感器;按致冷方式，可分為非致冷（常溫）、斯特林循環(huán)致冷和液氮致冷三種。激光傳感器是一種能量接收器，因此以點探測器為主。目前廣泛使用的四象限探測器，可用于探測激光光斑相對于視軸中心位置的偏差。

光學系統(tǒng)按焦距可分為定焦、多檔可切換定焦和連續(xù)變焦三類，其中定焦又分為超短焦（廣角）、短接和長焦系統(tǒng);按波段可分為可見與紅外光學系統(tǒng)。平臺按自由度可分為兩軸、三軸或多軸穩(wěn)定平臺。存儲器分普通型和海量型兩種。

按光譜段分類的載荷及其主要技術(shù)特點如表1所示。

另外，按照設(shè)備的工作模式還可將設(shè)備分為：線陣推掃、線陣擺掃、面陣凝視、面陣步進凝視以及面陣擺掃凝視等，其主要技術(shù)特點如表2所示。

2 軍用無人機光電遙感設(shè)備發(fā)展歷程

無人機光學成像思想起源于于十九世紀的歐洲，1882年，Archibald發(fā)明在風箏上的成像裝置，1903年，Neubranner申請機械計時觸發(fā)的空中照相專利，1897年，Alfred nobel申請光學偵察火箭的專利，這些構(gòu)成了無人飛行器光學成像的技術(shù)雛形。軍用無人機光電遙感設(shè)備的發(fā)展歷程大概分為以下三個階段。

第一階段：上世紀三十年代至八十年代，為光電遙感設(shè)備的發(fā)展初期。美國在冷戰(zhàn)時期針對中、蘇境內(nèi)的偵察監(jiān)視，包括U-2高空偵察系統(tǒng)與SR-71高空、高速偵察系統(tǒng)，后來為躲避地面導(dǎo)彈的攻擊，美國啟動高空無人機偵察機研究計劃，研制了Ryan-147、D21等無人偵察系統(tǒng)如圖1所示，但這些技術(shù)裝備并未得到推廣應(yīng)用。這一時期，無人機偵察系統(tǒng)的成本高、可靠性差，普遍被看作“不可靠、昂貴的玩具”。

第二階段：上世紀八十年代至九十年代末期，電子偵察技術(shù)的進步對無人機的進一步發(fā)展與應(yīng)用鋪平了道路，上世紀七十年代后期以色列率先將光電、雷達、數(shù)據(jù)鏈路等集成在“先鋒”無人機系統(tǒng)中，構(gòu)建了首個滿足戰(zhàn)場應(yīng)用的無人機戰(zhàn)術(shù)偵察系統(tǒng)如圖2所示。在1982年的第五次中東戰(zhàn)爭中，以色列戰(zhàn)機利用它在兩天的時間內(nèi)摧毀敘利亞80%的防空力量。

在海灣戰(zhàn)爭的沙漠風暴行動中，無人機戰(zhàn)術(shù)偵察的優(yōu)勢再次得到驗證，至此無人機在機載偵察監(jiān)視領(lǐng)域內(nèi)聲名鵲起;與此同時戰(zhàn)略光學偵察載荷也在經(jīng)歷技術(shù)變革，傳統(tǒng)膠片式偵察技術(shù)逐步被數(shù)字傳輸型偵察技術(shù)所替代。

第三階段：本世紀初至目前，軍用無人機及其光電載荷進入快速發(fā)展階段，先后出現(xiàn)了“捕食者”、“獵人”、“全球鷹”等一批卓越的偵察、監(jiān)視與打擊平臺，在美軍對阿富汗反恐戰(zhàn)爭、伊拉克戰(zhàn)爭、阿以沖突中得到更廣泛的應(yīng)用。這個階段無人機光電遙感設(shè)備更突出的強調(diào)“實時監(jiān)視”、“高分辨成像”與“精密跟蹤定位”的技術(shù)能力和多任務(wù)的偵察應(yīng)用，其中較為典型的是美國全球鷹無人機裝備的ISS（EO/IR）光電偵察裝備如圖3所示。

3 典型軍用無人機光電遙感設(shè)備簡介

典型的軍用無人機光電遙感設(shè)備是ISS光電偵察裝備，其裝備于“全球鷹”高空無人偵察機上。全球鷹無人機典型飛行高度為23km，飛行速度650km/h左右，ISS光電偵察裝備安裝在全球鷹無人機前端，采用與無人機共型設(shè)計，以保證飛行器整體的氣動特性布局。ISS光電偵察裝備主要的工作模式包括廣域搜索和定點監(jiān)視模式，如圖4所示。

ISS光電偵察設(shè)備是由美國雷神公司研制的一體化集成可見紅外光電載荷，其主要技術(shù)指標如表3所示。

ISS光電偵察設(shè)備的系統(tǒng)組成如圖5所示，該設(shè)備的光學系統(tǒng)采用無色差全反射式光學系統(tǒng)，實現(xiàn)雙波段共口徑成像與共基準測量;采用俯仰/橫滾框架結(jié)合成像系統(tǒng)內(nèi)置兩個兩維反射鏡，構(gòu)成兩軸多框架成像穩(wěn)定系統(tǒng)，實現(xiàn)成像系統(tǒng)光軸的慣性穩(wěn)定與指向精準控制。

4 發(fā)展趨勢展望

技術(shù)進步驅(qū)動軍事裝備和作戰(zhàn)模式變革，新軍事思想發(fā)展牽引技術(shù)的進步，以信息化、網(wǎng)絡(luò)化為核心的“空、天、海、地”一體化作戰(zhàn)模式，促使無人機光電遙感設(shè)備不斷更新和換代升級，對其主要研究方向和發(fā)展趨勢展望如下。

4.1 高性能光電傳感器是光電載荷發(fā)展的核心

為滿足“廣域搜索、遠程偵察、精準打擊”的應(yīng)用需求，要求光電傳感器應(yīng)具有陣列大、分辨率高對比度、空間、光譜、響應(yīng)快等特點，具備復(fù)雜氣象如薄云、薄霧、陰天、霾等和復(fù)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。

紅外譜段，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(shù)采用1280×1024規(guī)模的器件，探測器像元尺寸在15μm左右，響應(yīng)波段3.7～4.8μm，像元平均等效噪聲溫差NETD≤20mK，非均勻性<5%RMS，F(xiàn)PA工作溫度77～110K。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(fā)展，目前已發(fā)展到第三代，已實現(xiàn)規(guī)模4K×4K、像元尺寸小于10μm、四個響應(yīng)波段、NETD優(yōu)于2mK。

可見光譜段，隨著半導(dǎo)體集成和工藝等關(guān)鍵技術(shù)突破，CMOS傳感器已克服動態(tài)范圍小、靈敏度偏低等不足，向著高分辨率、高靈敏度、大動態(tài)范圍、大面陣、高幀頻、寬光譜和高智能化發(fā)展。國內(nèi)已研制出響應(yīng)波段400～1200nm、分辨率200萬像素60幀/s、660萬像素30幀/s和1600萬像素 25幀/s的寬光譜CMOS傳感器芯片。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。

4.2 高精度目標跟蹤定位是發(fā)揮作戰(zhàn)效能關(guān)鍵

為了實現(xiàn)“廣域搜索、準確定位、快速摧毀、實時評估”，以及網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同作戰(zhàn)能力，采用衛(wèi)星定位、慣性測量和陀螺穩(wěn)定GPS+IMU+STA組合技術(shù)，實現(xiàn)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(tǒng)的一個重要發(fā)展方向。與之相應(yīng)發(fā)展的，是高精度穩(wěn)定平臺，這是機載光電載荷履行作戰(zhàn)使命的基礎(chǔ)和保障。目前，國外先進機載光電載荷的穩(wěn)定精度已達到亞像素級。

4.3 先進圖像處理是提升系統(tǒng)性能的有效途徑

伴隨著光電載荷裝備發(fā)展，提高其目標探測能力一直是研究的重要內(nèi)容。為了提高系統(tǒng)的目標探測識別距離和遠程偵察監(jiān)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(fā)展外，先進圖像增強處理技術(shù)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(yīng)用，并顯著改善系統(tǒng)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(shù)，使目標辨識距離提高60%MTS-A/B采用基于自動圖像細節(jié)優(yōu)化的增強處理技術(shù)，有效增強場景感知和遠程偵察監(jiān)視能力。圖像增強處理技術(shù)一直是研究的熱點，也是機載光電載荷發(fā)展的一項關(guān)鍵技術(shù)。

4.4 智能化、綜合化是光電載荷發(fā)展的方向

為了適應(yīng)信息化、網(wǎng)絡(luò)化戰(zhàn)爭的目標多樣化、環(huán)境復(fù)雜化、任務(wù)多樣化帶來的嚴峻挑戰(zhàn)，無人機光電載荷將以分布式全景感知、光電探測與對抗相結(jié)合、多機網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同為特征，向著多任務(wù)綜合化監(jiān)視偵察、探測預(yù)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、態(tài)勢感知和行動決策智能化方向發(fā)展。

5 結(jié)語

無人機在國防軍事上的巨大作用已經(jīng)得到了世界上大部分國家的認可與重視，在未來無人機必定會有著更為廣闊的軍事發(fā)展前景以及戰(zhàn)略意義。本文通過分析幾種典型航空偵察相機的特點，根據(jù)其發(fā)展狀況和技術(shù)前沿國家的發(fā)展動態(tài)，結(jié)合各種相機工作的優(yōu)缺點、應(yīng)用前景和方便實用性，給出了航空偵察相機未來數(shù)字化、面陣、遠距離傾斜式高分辨率成像、多光譜以及集成吊艙偵察的研究方向和發(fā)展趨勢。

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