小型高性能無人機(jī)載光電吊艙的發(fā)展現(xiàn)狀與方向

梁衛(wèi)清，魏志強(qiáng)，袁紅偉，路建華

（1.中國人民解放軍63618 部隊(duì)，新疆 庫爾勒 841001；2.中國電子科技集團(tuán)公司第三研究所，北京 100015）

0 引 言

無人機(jī)（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）是當(dāng)今世界軍用及民用領(lǐng)域的發(fā)展熱點(diǎn)。20 世紀(jì)60 年代，美國首先將無人機(jī)用于軍事偵察，此后，無人機(jī)先后參與了多次戰(zhàn)爭，均發(fā)揮了重要的作用，在情報(bào)偵察、空中監(jiān)視、目標(biāo)指示、電子干擾、戰(zhàn)損評估等軍用及民用領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，取得了令人矚目的業(yè)績[1-2]。同時(shí)，無人機(jī)在通信中繼、反恐維穩(wěn)、搶險(xiǎn)救災(zāi)、農(nóng)業(yè)植保、電力與石油管道巡線、地理測繪及勘測、環(huán)境監(jiān)測、商業(yè)航拍等軍事及民用等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。無論是情報(bào)信息搜集還是引導(dǎo)無人機(jī)實(shí)施定點(diǎn)清除行動，都離不開偵察設(shè)備。光電吊艙作為無人機(jī)重要的光學(xué)載荷，作為無人機(jī)的“眼睛”，給操控人員提供無人機(jī)空中采集的直觀畫面，為指揮決策提供重要依據(jù)[3-9]，發(fā)揮著非常關(guān)鍵的作用。

小型無人機(jī)受到自身重量及動力限制，能搭載的載荷相對較小。目前，小型無人機(jī)的供電主要有電池供電、燃油發(fā)電及油電混合方式，小型無人機(jī)的巡飛時(shí)間在幾十分鐘到數(shù)小時(shí)不等。對于使用電池供電的小型無人機(jī)，在滿足自身用電需求的情況下，其載荷越輕、功耗越小，巡飛時(shí)間越長，這就需要在保證光電吊艙具有高性能的前提下盡量實(shí)現(xiàn)質(zhì)量輕、功耗小。

本文討論的小型光電吊艙特指質(zhì)量在5 kg以下、適用于小型無人機(jī)的多光譜光電吊艙，配置可見光電視、紅外熱像儀、激光測距機(jī)或激光指示器等儀器。本文以國外典型高性能Epsilon 180、11EOIR4.5 光電吊艙為例，在介紹其功能、性能指標(biāo)的基礎(chǔ)上，指出國內(nèi)小型光電吊艙的發(fā)展現(xiàn)狀及不足，分析小型光電吊艙發(fā)展趨勢。針對現(xiàn)狀，從研制小型化光電吊艙實(shí)際出發(fā)，給出關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展思路。

1 國外小型高性能光電吊艙簡介

無人機(jī)對光電載荷的基本要求是看得到、看得遠(yuǎn)、看得清。拉脫維亞章魚ISR 系統(tǒng)（Octopus ISR Systems）在2020 年陸續(xù)推出一系列小型光電吊艙，其中Epsilon 180 機(jī)載光電吊艙為典型的小型高性能光電吊艙，集成度高、體積小、質(zhì)量輕。同樣，美國HoodTech 公司的11EOIR4.5 光電吊艙也具有優(yōu)秀的性能指標(biāo)。二者在各自官網(wǎng)分別列出的主要配置及指標(biāo)如表1 所示。

表1 兩款典型小型光電吊艙的主要配置及指標(biāo)

可見，兩款高性能小型光電吊艙均集成4 種光學(xué)傳感器于一身，最大的特點(diǎn)是均采用制冷型紅外熱像儀。而Epsilon 180 系統(tǒng)質(zhì)量3.75 kg，直徑僅有180 mm，特別適合于小型無人機(jī)的光電載荷。Epsilon 180 系統(tǒng)還具備如下功能、特性：

（1）目標(biāo)跟蹤、引導(dǎo)、目標(biāo)指示；

（2）地理定位、實(shí)時(shí)目標(biāo)定位；

（3）H264/H265 視頻壓縮與本地存儲，自帶32 GB 的SD 存儲卡；

（4）具備拍照、畫中畫雙路視頻顯示、圖像增強(qiáng)等功能；

（5）具備3 軸電子穩(wěn)定功能、火炮發(fā)射校正軟件；

（6）IP64 防護(hù)等級，具有高密封性并充滿干燥氣體；

（7）采用先進(jìn)的鎂合金結(jié)構(gòu)，內(nèi)部無任何3D 打印結(jié)構(gòu)件，環(huán)境適應(yīng)性好。

由于采用了制冷型紅外熱像儀，Epsilon 180 系統(tǒng)靈敏度高、作用距離遠(yuǎn)，能提供高質(zhì)量的紅外圖像，對1.7 m×0.5 m 大小目標(biāo)的探測距離及識別距離分別達(dá)到8.6 km，2.9 km，對2.3 m×2.3 m 大小目標(biāo)的探測距離及識別距離分別達(dá)到12.4 km，7.0 km。

Epsilon 180 系統(tǒng)在重量、尺寸、配置的紅外熱像儀、可見光電視以及激光測距機(jī)的指標(biāo)上優(yōu)于美國HOODTECH 公司的質(zhì)量4.2 kg、直徑245 mm 的11EOIR4.5 光電吊艙相應(yīng)功能及指標(biāo)。Epsilon 180系統(tǒng)為目前見報(bào)的性能指標(biāo)最好、質(zhì)量最輕的光電吊艙。

2 國內(nèi)光電吊艙發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)小型無人機(jī)在飛速發(fā)展，眾多軍工、民企等研發(fā)了多款性能優(yōu)異的小型無人機(jī)。對于電動無人機(jī)，其飛行距離及續(xù)航時(shí)間受到供電及通信鏈路等因素的限制。隨著新型電池技術(shù)及低功耗器件的不斷發(fā)展，小型無人機(jī)可以巡航的時(shí)間不斷增長，飛行距離從幾十公里提高到幾百公里。

國內(nèi)與小型無人機(jī)相配套的光電吊艙設(shè)備技術(shù)水平與國外仍存在較大差距。根據(jù)調(diào)研，國內(nèi)尚無上述Epsilon 180 及11EOIR4.5 技術(shù)水平的小型光電吊艙。目前國內(nèi)光電吊艙若要達(dá)到上述配置并具備相應(yīng)功能，則光電吊艙的質(zhì)量不低于8 kg，體積也相對較大。換言之，國內(nèi)5 kg 級的光電吊艙多數(shù)配置為非制冷型紅外熱像儀而不是制冷型紅外熱像儀，作用距離相對較近，配置的激光測距機(jī)測距能力多數(shù)在10 km 以下，且一般不具備慣導(dǎo)系統(tǒng)，功能相對簡單。

3 存在的問題

配置制冷型紅外熱像儀，是提升小型光電吊艙性能的重要環(huán)節(jié)之一，尤其在夜間或霧氣較大天氣情況下，對紅外熱像儀或制冷型紅外熱像儀的需求更加強(qiáng)烈，這也是特定應(yīng)用場合下光電吊艙保證正常工作的基本要求。目前，國內(nèi)制冷型紅外熱像儀的體積、質(zhì)量相對較大。根據(jù)調(diào)研，目前國內(nèi)紅外熱像儀生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的與Epsilon 180 系統(tǒng)中同等性能的制冷型紅外熱像儀質(zhì)量基本在1 kg 左右甚至更重，為維持相應(yīng)的穩(wěn)定精度，其光具座加重，伺服驅(qū)動電機(jī)功率、扭矩隨之增加，整機(jī)設(shè)備質(zhì)量隨之增加。另外，國內(nèi)小型光電吊艙功能相對單一，集成度不高、性能指標(biāo)相對較低，競爭力不高，不能滿足小型無人機(jī)對高性能、輕量化、低成本、多功能光電吊艙的實(shí)際需求，主要表現(xiàn)在以下方面。

（1）光學(xué)設(shè)計(jì)技術(shù)不足。光學(xué)鏡頭是影響光學(xué)傳感器作用距離的重要因素之一。光學(xué)鏡頭的設(shè)計(jì)需要兼顧視場和分辨率，在變焦過程中不應(yīng)出現(xiàn)圖像不清晰、目標(biāo)丟失的情況，提高人機(jī)功效[10]。一定條件下，光學(xué)鏡頭焦距越長，作用距離越遠(yuǎn)。而國內(nèi)設(shè)計(jì)的光學(xué)長焦鏡頭一般體積較大、質(zhì)量較重，進(jìn)而導(dǎo)致光學(xué)傳感器整機(jī)質(zhì)量及體積大，限制了其在小型化高性能光電吊艙中的應(yīng)用。

（2）設(shè)備集成能力不高。光電吊艙內(nèi)部，不同光學(xué)傳感器控制、圖像處理、伺服控制、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)之間缺乏統(tǒng)一規(guī)劃及集成，阻礙了設(shè)備的高集成性。

（3）功能不夠豐富。目前，國內(nèi)小型光電吊艙的功能相對單一。未來光電吊艙不僅需具備晝夜視頻采集、拍照、目標(biāo)搜索、跟蹤、識別、測距等功能，還需對目標(biāo)具備更遠(yuǎn)的作用距離，具有目標(biāo)地理定位、系統(tǒng)導(dǎo)航、武器引導(dǎo)、數(shù)字地圖、信息共享、網(wǎng)絡(luò)通信等功能，具備更強(qiáng)的信息處理能力及更好的環(huán)境適應(yīng)能力。

（4）小型化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及機(jī)加裝配能力不足。小型化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)涉及電機(jī)、位置及速率傳感器等器件的小型化、輕量化，因此，在滿足高性能的同時(shí)，各器件的體積、質(zhì)量指標(biāo)越小越好。同時(shí)，高精尖的加工技術(shù)、裝調(diào)工藝相對落后[11]，也限制了小型化設(shè)計(jì)的有效實(shí)施。

隨著機(jī)載平臺作戰(zhàn)需求的提高、作戰(zhàn)模式的改變以及民用領(lǐng)域需求的不斷提高，未來光電吊艙會不斷向多功能、集成化、小型化、輕量化及智能化等方向發(fā)展[12]。

4 關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展思路

隨著國內(nèi)光電核心器件、圖像處理技術(shù)、伺服控制技術(shù)、光學(xué)設(shè)計(jì)、裝配工藝等技術(shù)的不斷發(fā)展，小型光電吊艙的功能和性能指標(biāo)將得到大幅提升，也會不斷縮小與國外的差距。對此，本文從需求迫切的小型高性能光電吊艙研制實(shí)際出發(fā)，給出發(fā)展思路。

4.1 光學(xué)載荷的多樣化與融合

同等體積、質(zhì)量下集成的光學(xué)載荷越多、功能越強(qiáng)大，光電吊艙設(shè)備的競爭力及適應(yīng)力越高。光電吊艙對各組成部件的單個(gè)光學(xué)載荷性能指標(biāo)提出了較高的要求，在滿足各自指標(biāo)的前提下，重量、體積越小越好。

體積小、重量輕，也就為光學(xué)載荷的多樣化與融合打下基礎(chǔ)。未來，光學(xué)成像載荷不僅局限于可見光及紅外波段，更會擴(kuò)展到包括近紅外在內(nèi)的多光譜以及波段較多的高光譜。這樣，獲取的目標(biāo)細(xì)節(jié)更豐富，態(tài)勢感知能力更強(qiáng)，信息更全面、可靠。

4.2 提升設(shè)備集成能力

紅外熱像儀等固定結(jié)構(gòu)件可以與吊艙本身的光具座實(shí)現(xiàn)一體化設(shè)計(jì)，減少質(zhì)量。伺服控制電機(jī)的負(fù)載、功率、力矩估算準(zhǔn)確，擇優(yōu)選擇最適合的電機(jī)型號，亦可減少傳動軸系環(huán)節(jié)的質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)小型化設(shè)計(jì)[13]。

圖像處理、伺服控制、光學(xué)鏡頭及光學(xué)傳感器控制等系統(tǒng)可采用總線形式，實(shí)現(xiàn)集中控制，功能更集成，可以減少電路板的數(shù)量，減小設(shè)備體積。

4.3 模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高性能光電吊艙對結(jié)構(gòu)整體架構(gòu)、布局提出了更高要求。尤其是小型光電吊艙，其結(jié)構(gòu)形式由其穩(wěn)定精度指標(biāo)以及所搭載的傳感器種類和數(shù)量決定，因此其體積、重量及整機(jī)的結(jié)構(gòu)形式會有所不同。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、散熱設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)選材、機(jī)加裝配、減振機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)選型等環(huán)節(jié)，要根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行迭代擇優(yōu)。

光電吊艙的整體造型設(shè)計(jì)，要結(jié)合吊艙使用要求和飛行要求綜合考慮，在滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、剛度要求的前提下，還應(yīng)滿足光學(xué)視場探測范圍的需要，做到造型美觀，對關(guān)鍵零部件進(jìn)行力學(xué)仿真校核，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊、剛度高的小型化、輕量化設(shè)計(jì)[14-15]。同時(shí)，模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也可方便根據(jù)不同用戶的需求靈活配置相應(yīng)的光學(xué)傳感器。

4.4 低成本設(shè)計(jì)

在滿足功能、性能指標(biāo)的前提下，低成本始終是設(shè)備研制需要考慮的重要因素。為減少質(zhì)量，結(jié)構(gòu)材料上可以選用質(zhì)量較輕的鎂合金，但相應(yīng)結(jié)構(gòu)件在質(zhì)量減少三分之一的同時(shí)，成本也會提升兩倍以上。

因此，在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)，合理確定哪些件可采用鋁合金或碳纖維材料，哪些結(jié)構(gòu)件采用輕質(zhì)鎂合金材料，也需要在成本、結(jié)構(gòu)剛度及設(shè)備質(zhì)量之間折中考慮。

5 結(jié) 語

隨著小型化無人機(jī)的廣泛應(yīng)用，小型電動無人機(jī)對體積小、質(zhì)量輕、功耗低、性能高的光電吊艙需求迫切，這為小型光電吊艙設(shè)計(jì)提出了更高的要求。本文在介紹國外典型高性能光電吊艙Epsilon 180、11EOIR4.5 的功能及性能指標(biāo)基礎(chǔ)上，指出國內(nèi)小型光電吊艙的現(xiàn)狀與存在的問題，結(jié)合小型光電吊艙發(fā)展趨勢，提出關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展思路。隨著我國核心器件、工藝、加工、裝調(diào)水平的不斷提升，國內(nèi)小型化光電吊艙的技術(shù)水平、競爭力也會不斷提升。