機載光電告警典型裝備發展分析

李興華,孟 真,胡海鵬,鄭文鵬,于永生,王 斌,吳培根,程 翔

(1.甘肅省酒泉市十四支局,甘肅 酒泉 735000;2.國防科技大學,湖南 長沙 410000)

1 引 言

隨著精確制導武器的廣泛應用,空中飛機平臺的生存能力面臨著嚴峻的威脅,尤其是紅外型導彈的出現,使得很多飛機平臺在毫不知情下被擊中墜毀。紅外型導彈與雷達型導彈有明顯的不同,其中最關鍵的是紅外型導彈屬于被動探測,不主動發射電磁波。為了應對這一被動探測攻擊武器,機載光電告警技術逐步受到越來越多的國家的重視,眾多軍事強國相繼研制生產了一系列的機載光電告警設備,并普遍裝備在多種不同的飛機平臺上[1]。

2 國外機載光電告警典型裝備

戰場各種不確定威脅因素的出現,使得各國一直非常注重飛機平臺自身的生存能力,而機載光電告警系統作為提升飛機生存能力至關重要的一環,其相應的裝備研制也始終得到眾多軍事強國的各方面支持與投入。歐美國家一些軍工企業對機載光電告警系統裝備的研制最早可追溯到20世紀50年代,經過持續不斷的資金、人力、物力等的投入,已經積累了較為豐富的研發經驗,并生產列裝了一系列較為典型的系統裝備[2-3]。尤其是美國,在相關領域研制最早、生產的系統裝備型號最多、擁有的技術經驗最豐富,且至今在該領域仍保持著世界領先的地位。值得注意的是,機載光電告警裝備從立項、研發到測試、試驗、列裝,需要經過較為漫長的時間,裝備真正應用到飛機平臺上時,其相關技術很有可能已經落后,這也就導致目前我們看到的大部分光電告警裝備最早出現的時間距今已經過去幾年甚至是十幾年。針對這種現象,研發人員一方面創造新的技術縮短研制周期,另一方面對現有的裝備不斷地進行改進以適應不斷發展變化的環境威脅。

2.1 美國機載光電告警典型裝備

美國幾乎所有的軍用電子裝備均有統一的命名規范。這套規范最早起源于二戰后美國陸軍和海軍聯合引用的一個通用命名系統-“聯合通信-電子裝備命名系統”,簡寫為AN(Army-Navy)系統。隨著AN系統的不斷擴展完善,美軍最終將其列為軍規標準,編號MIL-STD-196,并不斷對其進行補充完善。美軍的電子設備命名共有六級,如“AN/ALQ-151(V)2”,其中“AN”僅作為命名系統的代指,無具體含義。在非官方的使用中,“AN”不予書寫。命名中的其余字母數字均有其特定的含義,具體情況可見文獻[4]。在機載光電告警系統領域,美國經過多年的研制積累,生產列裝了較多的裝備型號,其研發的典型裝備型號見圖1所示。

圖1 美國部分典型機載光電告警系統型號

美國典型的分布式紅外告警系統裝備為諾斯羅普·格魯曼公司研制的AN/AAQ-37分布式孔徑紅外系統[5]。對于飛行員而言,特別需要能夠在狹窄的座艙中獲取周圍4π空間范圍內視野的能力,基于此,光電分布式孔徑系統被研發出來。而作為美軍光電分布式孔徑系統的典型代表,AN/AAQ-37不僅具備導彈逼近告警的功能,同時還可實施成像、搜索與跟蹤、導航、態勢感知和損傷評估等功能,是美軍第五代戰機保持空中優勢,進行精準打擊的重要機載設備[6]。該系統由6個傳感器和1個處理器組成,傳感器核心部件為1024×1024像素、二維大面陣InSb紅外焦平面陣列。飛機的機頭、機背和機腹位置共部署了6面紅外探測陣面,如圖2所示。每個陣面視角為90°,其視場通過重疊交叉,可監視360°的球形空間范圍,且分辨率非常高。系統可將每個探測陣面探測到的圖像進行無縫拼接,形成一幅完整的感知圖像呈現在飛行員頭盔上,極大擴展飛行員戰場態勢感知的能力。據有關報道,雷神公司已經研制了新一代的分布式孔徑系統,并計劃于2023年安裝到F-35戰機上。相比于現有的系統,新一代的分布式孔徑系統從研發、運營和維護成本、可靠性、性能等方面實現了較大的飛躍。[7-8]

圖2 AN/AAQ-37分布孔徑紅外系統

除了應用在先進的戰機上,機載紅外告警系統也被廣泛應用在了大型運輸機和旋翼飛機上,以保護相應的飛機平臺免受紅外制導導彈的威脅[9],其中具有代表性的系統是大型飛機平臺紅外對抗系統(Large Aircraft Infrared Countermeas-ures System,LAIRCM),如圖3所示。LAIRCM系統將導彈逼近告警系統和紅外激光干擾對抗系統進行了結合,大大提高了飛機平臺自身的自動防護能力。目前該系統經歷了三個階段的發展。最初一代的LAIRCM系統研發于2005年,其關鍵組成部分包括AN/AAR-54紫外告警系統、紅外對抗處理器和紅外激光干擾器,搭載的飛機平臺包括C-17、C-37、C-40、C-130W和CV-22等。第二代系統在第一代系統的基礎上,旨在重點提升告警性能,降低虛警率,增強干擾子系統的可靠性。為了實現這個目標,第二代LAIRCM系統改用了新的雙色紅外告警系統,同時其干擾機采用了“守護者激光炮塔組件”,因而又被成為“守護者”。2019年4月,安裝在KC-135飛機上的LAIRCM系統的第三代吊艙完成測試,這標志著第三代的LAIRCM系統將開始生產和部署。系統為大型運輸機和旋翼飛機提供了自動保護的功能,這使得飛行員可以將精力完全集中在正常的起飛、降落、戰術下降、低空飛行和空中加油過程中,極大減輕了飛行員的壓力。

圖3 LAIRCM系統

AN/AAR-57通用導彈告警系統(Common Missile Warning System,CMWS)是由英國BAE系統公司于1991年開發,隨后被美國陸軍及盟友部隊廣泛應用在直升機上用以對抗肩扛式紅外導彈的機載紫外告警系統。該系統由五個光電傳感器和一個電子控制單元組成(見圖4所示),可對來襲的導彈及對方的火力進行實時的探測,快速響應當前不斷變化的環境威脅[10]。表1為該系統中的電子控制單元和光電傳感器的規格情況。

表1 AN/AAR-57系統的規格參數

圖4 AN/AAR-57通用導彈告警系統

隨著戰場環境的日益復雜以及新技術、新型武器的出現,現代飛機平臺特別需要一個適應性強、可擴展的告警系統以確保其能執行現在和未來的任務。在這種背景下,BAE系統公司提供了一種新的方案,即將AN/AAR-57通用導彈告警系統融入到先進威脅紅外對抗系統(Advanced Threat Infrared Countermeasures,ATIRCM)中,這使得裝備此種系統的飛機平臺具備了世界上最為先進的導彈逼近告警和對來襲導彈實施對抗的能力,ATIRCM紅外對抗設備如圖5所示。隨著AN/AAR-57通用導彈告警系統最近的一次升級,研發人員將對敵方火力探測與導彈逼近告警功能進行了結合,同時為通用紅外對抗系統(Common Infrared Countermeasure system,CIRCM)提供了接口,進一步增強其可擴展性,CIRCM系統如圖6所示[11]。

圖5 ATIRCM紅外對抗設備

圖6 CIRCM系統

為了更好地消除或彌補單一波段的告警系統本身的局限性,美國積極開展了光電綜合告警系統裝備的研制,其中紅外激光告警系統的典型裝備為AN/AAR-59系統。

AN/AAR-59系統是由美ATK系統公司和BAE系統公司于2011年聯合研制,主要為美國海軍和海軍陸戰隊提供威脅感知能力。該系統采用雙色紅外探測器(工作波段為3～5 μm和0.7～1.5 μm),可對來襲導彈進行更遠、更快的探測,同時采用激光探測器對近距的激光威脅信號進行探測、識別和告警。系統的組成包括5臺前端探測傳感器和1臺綜合處理器,如圖7所示,總重18.2 kg,傳感器尺寸為127×203.2 mm,后續將裝備在MH-60R、MH-60S、UH-1Y、CH-53K和AH-1Z等直升機上[12-13]。

圖7 AN/AAR-59告警系統

2.2 其他國家機載光電告警典型裝備

經過幾十年技術經驗的積累和戰場復雜光電環境的嚴峻挑戰,法國、以色列、俄羅斯、瑞典、德國等國家均研制生產了不同型號的機載光電告警裝備,如表2所示。

表2 不同國家部分典型機載光電告警裝備

法國的主戰機型陣風和幻影-2000飛機都安裝了機載紅外告警設備-DDM系統[14-15],該系統具有紅外成像的功能,探測距離較遠,可靠性高,較好的提升了飛行員態勢感知的能力。隨著機載電子戰系統的不斷發展,DDM系統的新版本DDM-NG系統應運而生,且已裝備在了法國軍售給印度的陣風戰斗機上,是陣風戰機“頻譜電子自衛系統”的重要組成分系統,如圖8所示。在充分借鑒DDM系統使用經驗的基礎上,新一代的告警系統配置了半球形的外罩,內置魚眼鏡頭,探測范圍可覆蓋360°,且其采用了更為先進的傳感器技術和處理算法,探測和告警的性能得到極大提升。

圖8 安裝在陣風戰機上的MMD-NG系統

俄羅斯在其列裝的飛機上同樣安裝了機載光電告警系統[16],其中主要包括蘇-35上的分布式紅外告警系統(Обнаружитель Aтакующих Pакет,OAP)、蘇-25、米格-28、卡-31、卡-52等的L370-2紫外告警設備(目前公開的相關詳細資料很少)、蘇-57上的101KS-U導彈發射探測系統等。

OAP系統(圖9)是蘇-35戰機光電系統的重要組成部分,共有6個分布式的紅外成像探測傳感器,可對戰機周圍360°的空間進行實時的探測,其與OLS-35紅外搜索與跟蹤系統的組合,極大的增強了飛行員的態勢感知能力[17-18]。該系統同F-35的AN/AAQ-37系統類似,都采用了紅外焦平面凝視成像技術,可以將分布式的傳感器探測到的圖像進行無縫組合并傳至多功能顯示器上。但相比于AN/AAQ-37系統,OAP的陣列的陣元數量較少,探測性能相形見絀,且蘇-35戰機并沒有配置頭顯系統,因而蘇-35飛行員的全景態勢感知能力相比于F-35的也稍遜一籌。

圖9 蘇-35戰機的光電系統

101KS-U導彈發射探測系統于2010年研制,主要安裝在了俄羅斯新研制的五代機蘇-57上(圖10)。該系統為紫外告警體制,由101KS-U/01和101KS-U/02兩種傳感器組成,其中,101KS-U/01為單鏡頭前端探測傳感器,安裝在機體兩側,101KS-U/02為雙鏡頭前端探測傳感器,一臺安裝在機鼻下方,另一臺安裝在兩臺發動機之間的尾針上方,實現對飛機的全向空間防護,如圖10所示[19]。單個前端探測傳感器的視場不小于90°×90°,并安裝有保形光窗,盡量減小對飛機氣動性能的影響[20-23]。

圖10 蘇-57戰機的光電系統

3 機載光電告警裝備的發展趨勢

3.1 智能化方向發展

當前,隨著戰場電磁環境的日益復雜,新的光電對抗技術和手段層出不窮,大量的光電數據亟需快速處理,這對機載光電告警系統提出了更高的要求。在光電告警系統中的接收信號處理、微小目標識別、圖像數據分析以及數據融合等方面,人工智能算法的合理運用將是未來機載光電告警系統重要且關鍵的發展方向。值得注意的是,隨著人工智能技術與多領域的交叉融合,光電對抗領域出現了認知雷達、認知電子戰等概念,隱身材料領域也出現了智能隱身材料(自適應隱身材料)等,可以預見,對于機載光電告警領域,極有可能也會出現類似認知機載光電告警系統的概念。借鑒認知雷達的相關概念,本文認為認知機載光電告警系統的模式形態為:對于單一的飛機平臺,在共光路技術的支撐下,紅外、紫外、激光、電視探測將形成智能化的分層級的探測視場,通過對周圍環境不斷的探測交互,智能地選取探測頻段,并借助智能算法快速地分析處理識別威脅信號,自動地啟動相應的對抗系統對來襲目標進行致盲乃至摧毀。對于體系化的飛機平臺,則重點涉及到不同平臺間認知光電告警系統的探測組網和數據融合共享,并通過人工智能算法實現系統空間分布的最優化,最終可達成的效果即是單機發現,網絡告警。設想的認知系統如圖11所示。

圖11 認知機載光電告警系統概念圖

3.2 體系化方向發展

現代戰爭早已不再是過去單一平臺之間的對抗,而是體系與體系的抗衡,對于機載光電告警系統而言也是如此。在日益復雜的戰場環境中,僅僅依靠單一的機載平臺已不能更好的規避未知的風險,將多種類型、功能和用途的平臺進行結合,同時利用先進技術,如人工智能等使各個平臺的信息進行有效融合,才有可能在現代戰爭乃至未來戰爭中實現對戰場環境的實時感知和告警[24]。美軍在體系化方向的研究一直走在世界的前列,其作戰理念無論是網絡中心戰、空海一體戰還是馬賽克戰、聯和全域作戰等,都體現著美軍的武器裝備發展向體系化、聯合化方向靠攏,這值得引起我們的警惕和關注[25-29]。

3.3 分布式方向發展

很多國家研制了分布式的光電告警系統,但大部分的產品只能算是入門級,有些系統根本無法將各個傳感器探測到的圖像進行有效融合拼接,并實時傳送至飛行員的頭盔上,這極大限制了飛行員對周圍環境實時感知的能力。美軍裝備在F-35上的分布式光電告警系統相比而言技術較為先進,但也因成本問題,一度更換了系統的承包商。盡管當前分布式光電告警系統存在一些問題,但其相比于光機式告警系統仍有眾多的優點,如通過圖像融合可輕松實現大視場探測、可將紅外搜索跟蹤、瞄準、態勢感知功能進行綜合等,因此,低成本、實用化的分布式光電告警系統仍將成為各國不斷追求的目標。當然,分布式也只是個相對的概念,目前,我們認為的分布式大都是相對于單一的飛機平臺而言,但隨著技術的不斷創新發展,分布式也有可能成為相對于集群、體系全要素而言的。

3.4 通用化方向發展

性能建立在成本之上。當前大部分的機載光電告警系統是針對特定的飛機平臺設計的,存在研發成本高、保障性差等缺點。平臺通用化的設計可以有效降低研發成本、縮短裝備的保障時間,整體提高部隊的戰斗力。一款優秀的機載光電告警系統裝備必須要綜合考慮研發、維護保障的成本問題。通用化是機載光電告警系統節省成本的較優選擇。但值得關注的是,以目前的裝備體系來看,各個飛機平臺間所承擔的任務差別較大,其造價也各有不同,在殺傷網中的地位作用也不盡相同,因而,只能考慮有限的通用化。

3.5 小型化、高分辨率先進探測技術方向發展

裝備小型化有利于機動平臺的安裝,節省空間,同時隨著裝備的小型化,裝備的體積、重量和功耗也會隨之下降,有利于縮減裝備的造價。當前的探測傳感器由于受限于分辨率不足,其探測距離無法取得較大突破。20世紀90年代,微掃描器件得以開發和發展,這主要是因為微掃描器件可在不增加探測元總數的情況下提高系統的分辨率,同時還可使成像系統的作用距離擴大[30]。因此,微掃描式的光電告警系統有望成為未來發展的熱門方向之一。

4 國外典型裝備發展對我國的啟示

我國機載光電告警系統較國外存在較大差距,但裝備的需求日益強烈,在中美關系充滿不確定的未來,如何實現我國機載光電告警系統裝備研制的自主化、獨立性、先進性是一件需要迫切解決的問題。通過研究國外典型光電告警裝備的發展,本文總結了六條對我國相關裝備發展的啟示。

(1)根據不同的飛機平臺研制配置適宜的光電告警體制,避免殺雞用牛刀,在保證實現目的的前提下節省研發維護成本。

(2)積極發展紅外告警或多功能綜合告警系統,尤其是發展多種不同告警體制共光路技術,進一步減少傳感器數量,節省飛機平臺有限的安裝空間,同時發展大陣列的凝視焦平面成像技術,增強探測性能和態勢感知能力。

(3)重視人工智能同光電告警領域的結合發展,積極探索智能識別、智能處理、智能融合、智能探測等的技術,促進該領域的系統裝備向智能化方向發展。

(4)雙管齊下,一方面鼓勵自主創新能力,大力支持國產自主研發產品,鼓勵科研人員對光電系統相關的基礎理論和前沿技術的研究,加強對光電系統領域的資金投入和人才培養引進;另一方面,積極通過多渠道引進國外先進裝備,但由于美國等西方國家長期在此領域對我國實施技術產品的封鎖,目前只能從俄羅斯或法國、德國等國家加強擴展引進渠道。

(5)發展與光電告警系統緊密聯系的定向對抗系統。從美國、法國等國的紫外告警系統發展趨勢來看,紫外告警系統和定向對抗干擾系統的組合將進一步增強飛機平臺自身的自衛能力,組合后的系統自動地實施對來襲導彈的末端對抗,極大的緩解了大型飛機飛行員的操作壓力。近年來,機載激光武器開始進入現實應用階段,其對于來襲導彈的硬殺傷效果將極大改善飛機平臺在戰場上的自衛能力[6,31]。而對于機載激光武器,提前探測到目標并準確的發出告警將是其大展拳腳的前提,在這種背景下,機載光電告警系統的地位作用足以引起人們的重點關注[32]。

(6)建立健全實戰化條件下的測試、仿真和考核標準以及機制。美國的很多機載光電告警系統大都經歷了大量的外場測試,尤其是在多次的局部沖突和反恐行動中接受了檢驗,俄羅斯的告警系統同樣也在敘利亞戰爭和俄烏沖突中不斷地吸取了經驗教訓。而反觀我國,近幾十年國家安全局勢總體穩定,缺乏相應的實戰檢驗,這就需要選取特定的試驗測試場地,設置科學甚至嚴苛的考核條件,不斷去檢驗研發產品的性能。在沒有實戰檢驗的情況下,外場的測試試驗對機載光電告警系統而言是必不可少的,但測試試驗不可避免的需要大量的人力、物力,直接引起研制總成本的升高,因而研究如何能在有限的空間盡可能的節省試驗成本對開展系統的驗證是一件較為有意義的事[33-34]。基于此,本文認為研發精確有效的仿真系統同樣也是極為重要的。通過仿真可對系統的各項功能性能進行初步的驗證,及早發現問題,及時的進行完善,而通過后續的測試又可進一步檢驗系統在真實環境中的表現,仿真與測試試驗相互印證,可共同保證系統的較高性能。