車載光電桅桿技術的發展現狀及趨勢

張坤杰

車載光電桅桿技術的發展現狀及趨勢

張坤杰

（昆明物理研究所，云南 昆明 650223）

在介紹極限意義上的幾何探測距離計算方法的基礎上，介紹了車載光電桅桿的結構，包括直臂式和曲臂式兩種結構。在車載桅桿的應用中引入光電探測系統可增強系統的態勢感知能力。隨著車載光電桅桿技術日漸發展成熟以及應用領域的不斷擴展，車載光電桅桿需求量有望增加。對國內外目前車載光電桅桿技術的發展現狀和應用前景進行了綜述。

車載光電桅桿；態勢感知；光電探測；紅外成像；地面監視雷達

0 引言

桅桿原本是一種船上懸掛風帆和旗幟的高桿，桅桿頂端位據船體平臺高點位置，具有登高望遠的高度優勢。光電探測系統對地面或對海面的觀察距離受到地球曲率的影響，同樣性能的探測系統，安裝在高處比安裝在低處看得更遠。將光電探測系統安裝在桅桿頂端即構成光電桅桿[1]，光電桅桿通過相對簡單地提升光電探測系統的位置高度，額外擴大了光電探測系統的作用距離和觀察范圍。近年來，隨著光電探測系統的小型化，光電桅桿的應用范圍從水面擴展到地面，國內外有關單位紛紛涉足光電桅桿的研發[2]。逐漸形成了一個相對獨立、特色明晰的車載光電桅桿技術領域。本文介紹了國內外車載光電桅桿的發展動態。

1 光電探測系統的幾何探測距離

作用距離是軍用光電探測系統最重要的一個性能參數。這里介紹極限意義上的幾何探測距離計算方法[3]。幾何探測距離是光電探測系統的最大作用距離。如同人眼可以向下看、向上看或者等高看出去一樣，光電探測系統的視線具有方向性。如果視線平行投射出去，如圖1(a)和(b)所示，這兩種情況均無法定義最大距離，如圖1(a)中所示，視線可能還未到最大距離即被地勢所阻止；而圖1(b)類似于對空觀察，視線可以無限地向外空間延伸。

在平坦地勢上所呈現的視線距離不一定是幾何探測距離，如圖2(a)所示。幾何探測距離出現在圖2(b)所示的情況。設光電探測系統所在位置為，其距地面高度為。點為從點投向地球表面的切線與地球表面的切點，視線BCD稱為下視線。設目標高度為。目標先位于點，然后移動到點，再移動到點，＝＝＝。與目標頂點所在位置之間的連線稱為上視線，圖2(b)中的、為上視線。屬于上視線與下視線重合的情況。的意義在于給出了一個臨界點，在點，目標頂端剛剛與整機視線相接觸、但是目標整體仍在視線以下。

三角形和三角形分別為直角三角形。根據勾股定理，長度可按下式計算：

式中：＝6378.14km，為地球半徑。

因為?以及?，故式(1)展開后可以簡化為：

式(2)給出的幾何距離只是一個理論意義上的計算公式，它是一個極限值。光電探測系統的實際作用距離與系統參數密切相關，但是不可能大于幾何距離。

從式(2)可以看到，當目標高度不變時，光電探測系統擺得越高，看得越遠。這就是光電桅桿優點的數學基礎。

2 國外車載光電桅桿的發展現狀

2.1 車載光電桅桿的結構特點

車載光電桅桿一般由可升降/收縮的桅桿結構和光電探測系統組合而成，前者屬于機械結構的范疇，在經過改裝的車輛上安裝一個升降機便可實現桅桿的升降；后者屬于光電技術的范疇。

圖1 地勢對視線距離的影響

圖2 光電探測系統對地觀察時形成的幾何關系

車載光電桅桿所用車輛可以靈活多樣，可以是軍用車輛、警用車輛或者民用車輛。升降機主要有直臂式和曲臂式兩種，它們的驅動形式包括機械、液壓、氣壓等[4]。圖3是基于改裝吉普車的直臂式桅桿結構，桅桿升降的控制與桅桿頂部光電探測系統的控制通過桅桿外部螺旋纏繞的線纜來實現，桅桿整體的部署高度可達4.72m[5]。不同于圖3的桅桿結構，圖4[6]呈現的是由5段伸縮臂構成的桅桿結構，桅桿升降的控制和圖像信號通過桅桿內部的線纜傳輸，這種直臂式結構可以避免較多地占用車輛駕駛室內的有限空間。另外，光電桅桿結構還可以設置在單獨的掛車車體上，圖5為美國FLIR公司研制的基于掛車的Cerberus直臂式光電桅桿，其桅桿部署高度為5.8m，可以部署在偏僻地區，實現較長時間的無人值守工作[7]。

圖3 基于改裝吉普車的直臂式桅桿結構

此外，光電桅桿還可以用研發中的概念車輛來作為安裝平臺。圖6[8]是美軍基于M2A3/Bradley履帶式步兵戰車底盤研發的M-SHORAD履帶式野戰防空系統樣車，從圖中可見，該車也配有直臂式光電桅桿，與圖4相似，為避免過多占用車輛內部操作空間，直臂式桅桿可最大程度地節省車輛駕駛艙內部空間。但基于車輛的作戰特點，直臂式桅桿的高度有限，以避免自身目標暴露。

圖4 軍用車輛配備的直臂式光電桅桿

圖5 基于掛車的直臂式FLIR Cerberus光電桅桿

曲臂式升降機既能自動保持被舉升光電系統的穩定性，又可以實現工作中所需高度，速度控制精確靈敏，微動性能較好，維護方便、維修保養成本較低，目前在車載光電桅桿結構中較為常見。與直臂式升降機相比，曲臂式升降機占用車輛空間較多。曲臂式升降機配備的底盤可根據需求靈活安裝在軍用、警用、民用車輛上，或者直接安裝于地面。例如，圖7是安裝有曲臂式升降機的FLIR LTV-X車載光電桅桿，其桅桿部署高度為4.04m[9]。圖8是基于改裝皮卡和曲臂式升降機實現的FLIR MVSS光電桅桿，可在車輛駕駛室內通過觸屏顯示器來控制桅桿的升降與桅桿頂部的光電探測系統，二者可根據需要靈活調整，互不干預，操作較為便捷，其中光電探測系統所成圖像由光纖傳輸到駕駛室內，桅桿整體的部署高度可達7.93m[10]。

圖6 M-SHORAD履帶式野戰防空系統中的光電桅桿

圖7 在越野吉普上安裝的FLIR LTV-X曲臂式光電桅桿

圖8 基于改裝皮卡和曲臂式升降機的FLIR MVSS光電桅桿

2.2 車載光電桅桿的態勢感知技術

信息化戰爭要求具有態勢感知能力。態勢信息在指揮與作戰人員對戰場態勢的分析交流中尤為關鍵[11-12]。國外廠商通過在車載光電桅桿中引入信息融合技術和全周視回轉掃描技術來形成態勢感知能力。信息融合技術包括紅外、可見光、雷達、激光等多波段探測技術的融合。從美國Lockheed Martin、FLIR、德國萊茵等公司近年研發的產品可以看出，大多數車載光電桅桿采用高清長波紅外（Long wavelength infrared，LWIR）、高清中波紅外（Middle wavelength Infrared，MWIR）、高清短波紅外（Short wavelength infrared，SWIR）、高清彩色攝像機和像增強器的多波段融合技術，其優點在于通過優化多波段光譜信息的利用率、消除多傳感器信息之間可能存在的矛盾和冗余來提高分辨率[13-24]。采用融合技術后的系統觀測范圍較原來相比可顯著增加。例如，圖8中桅桿頂部的光電探測系統使用了多波段圖像融合技術，覆蓋可見光、近紅外、短波紅外和中波紅外4個工作波段，觀測范圍從700m可擴展到30km[25]。美國Lockheed Martin公司研制的GYROCAM-15TS車載光電桅桿實現了紅外熱像儀、彩色攝像機和自動門控像增強器三者的圖像融合。

周視觀察對車載平臺態勢感知能力的影響尤為突出，如美國Lockheed Martin公司和FLIR公司推出的幾款光電桅桿的方位角全部實現連續360°全周視觀察，根據工作任務的不同，它們的俯仰角各有不同，小到－30°，大到＋120°。表1列出了美國FLIR公司車載光電桅桿的主要技術特點和性能參數[5,7,9-10,24-25]。表2列出了美國Lockheed Martin公司車載光電桅桿的技術特點和性能參數[26-28]。

表1 美國FLIR公司的車載光電桅桿的主要技術特點和性能參數

表2 美國Lockheed Martin公司的車載光電桅桿的主要技術特點和性能參數

Continued Table 2

早期雷達使用晶體管技術，體積和功耗較大，難以實現車載桅桿式安裝。隨著微電子技術的進步，各種電子元件的體積縮小、功耗降低，逐步實現雷達小型化，衍生了主要用來對重要陣地或者設施周圍實施有效監視的地面監視雷達（又稱為戰場監視雷達）。地面監視雷達的典型產品為面板式結構，其采用模塊化設計，體積較小、重量較輕，可直接安裝在車載桅桿上構成遠距離地面監視雷達系統。從圖4、圖7、圖8和圖9(a)[29]中可以看到安裝在車載桅桿頂端的面板式地面監視雷達。在車載光電桅桿中，地面監視雷達主要配合紅外、可見光、激光和其他傳感器協作使用，可以較大程度地實現對目標的搜索、跟蹤和定位。地面監視雷達還可以車下安裝，構成近距離地面監視雷達系統，如圖9(b)所示。表3為美國FLIR公司研制的多款車載光電桅桿中的地面監視雷達參數[5,7, 9-10,24]。

車載光電桅桿的另一發展趨勢是與全球定位系統（GPS）、慣性導航單元（intertial navigation unit, INU）等電子導航設備的結合。光電桅桿通過為GPS、INU等電子設備提供支撐平臺，可以將工作波段擴展到雷達波段。這樣一方面減少了同時使用桅桿的數量[30]，另一方面使車輛在有限的時間內盡可能全面、智能地完成任務。此外，在車載光電桅桿中引入網絡互聯技術可以提高車載作戰平臺的作戰效能。圖10為德國Rheinmetall防務公司的Vingtaqs II車載光電桅桿，該系統除了紅外、激光和可見光多波段融合以外，還包括GPS天線和慣性導航單元[29]。

圖9 面板式地面監視雷達安裝在車載光電桅桿上和車輛附近的三腳架上

表3 美國FLIR公司光電桅桿中的面板式地面監視雷達參數

3 國內車載光電桅桿的研究現狀

國內在車載光電桅桿產品的研發方面種類較少，公開報道的車載光電桅桿不多，現有文獻主要集中在對車載光電桅桿的整體作戰效能、方位方向精度，以及在研制過程中的整體可靠性等問題的分析研究。

文獻[31]為了準確評估車載光電桅桿在設計階段的效能，用專家打分的評估方法對某一車載光電桅桿的搜索跟蹤能力、系統可用能力、系統生存能力進行綜合化分析，實現對光電桅桿作戰效能的評估。專家打分方法適用于存在諸多不確定因素，采用其他方法難以進行定量分析的待評估項目，這種方法簡便、直觀性強。

圖10 德國Rheinmetall防務公司的Vingtaqs II車載光電桅桿

文獻[32]提出車載光電桅桿的方位方向精度分配的合理性主要取決于光電探測系統和桅桿控制系統，通過將誤差值按照系統總體指標精度分別分配到光電探測系統和桅桿控制系統，可驗證車載光電桅桿方位方向精度分配的合理性。

文獻[33]認為車載光電桅桿是目前較為新型的高精度裝備，可靠性是該系統研制過程中必須考慮的問題。例如，機械總體可靠性、光電總體可靠性等。通過一定時間段的半實物仿真試驗，對車載光電桅桿的總體可靠性的合理分配及校核問題進行研究。

4 結束語

車載光電桅桿是車輛系統、光電探測系統和機械升降系統三者融合的產物。光電探測系統的小型化、模塊化和智能化使它可以便捷地安裝在車載桅桿的頂部，拆裝和操作簡便，維護成本較低。目前，國外研制的車載光電桅桿的應用范圍已經從軍用、警用擴展到民用領域，與水面應用環境相比，它的安裝平臺更多樣化，可以是軍用車輛，也可以是警用車輛，甚至是普通的民用皮卡，用途也隨之多樣化，例如，邊防、安防、森林防火、管道安全、戰術偵察等。與基于海上平臺的光電桅桿相比，車載光電桅桿的制造難度和成本相對較低，潛在市場需求較大，有望實現量產。

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Current Status and Trend of Vehicle Photoelectric Mast Technology

ZHANG Kunjie

(,650223,)

Based on introducing a calculation method for the limit of geometric detection range, the structure of vehicle-based photoelectric masts with a straight arm or a crank arm is presented. Photoelectric detection system in the application of vehicle mast can enhance the situation awareness ability of the system. The market demands of the vehicle-based optoelectronic mast are expected to increase with the growing maturity of its technology and continuous expansion of its application. The current status and application prospect of vehicle-based photoelectric mast technology at home and abroad are summarized.

vehicle based photoelectric mast, situational awareness, photoelectric detection, infrared imaging, ground surveillance panel radar

U667.1

A

1001-8891(2020)06-0519-09

2019-03-14；

2019-11-04.

張坤杰（1986-），女，碩士，主要從事科技信息研究、外語翻譯等工作。E-mail：kunjie.zhang@aliyun.com。