未来光电设备的发展趋势详细资料研究分析

发表于 2019-07-20 10:36:23 收藏 已收藏
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未来光电设备的发展趋势详细资料研究分析

发表于 2019-07-20 10:36:23
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现代战争应用的武器系统性能越来越先进,战场环境越来越复杂,干扰和抗干扰、隐身和反隐身等将成为未来战场环境的主要特征;未来,对敌方目标信息的获得就变得越来越困难;如何在保持不被敌方探测到的同时还能探测到所有潜在威胁,成为我们研究的一个主要目标。高性能光电系统能够通过它们的高信息量、实时特征和机动性,提供关于敌方目标的几乎所有数据,即具有提供重要的态势感知、监视、瞄准和搜跟能力。

作为 “军队的眼睛”的光电系统,不但要求它能保护人员和设备,监视甚至能毁伤敌人,因此是至关重要的需求。研发具有辨认、跟踪和瞄准敌人的新方法,将老系统用新能力升级,使光电系统变得更加精准、轻便小巧、可靠具有十分重要的意义。

光电设备广泛应用于:各种飞行器(飞机、直升机、无人机等)、舰艇、车辆等平台,用来执行各种类型侦察、目标捕获、跟踪、测距、导航、激光制导武器提供目标指示、红外搜索与跟踪以及各种光电对抗等任务。以下针对未来高性能光电设备的技术发展趋势做简要介绍。

1 目前国外典型的高性能光电设备

1.1 高能激光武器

激光武器主要指高功率强激光武器,它是一种利用激光束摧毁飞机、导弹、卫星等目标或使其失效的定向武器,是一种新概念武器;可用于多种军事任务,如重要固定目标保护、地面机动部队、舰船和飞机的保护,以及对有人机和无人机的精确打击。

随着全球新的非对称威胁(例如无人机技术的扩散、弹道导弹系统和小船对美国和盟军船只的威胁)不断增加,部队应对这些威胁时,激光武器提供了一种摧毁目标的替代方案,可连续快速发射、减小成本并提升精度。举例来说,激光武器的一个主要优点是它能够在不引发爆炸的条件下,熔化或烧毁来袭导弹或其他敌方目标,这一优点目前特别适用于将恐怖分子从普通平民中清除出去而不伤害无辜平民,不引发爆炸的精确打击是一项非常有用的战术选择。另一个优势是大大扩展了飞机的攻击次数。一架飞机只能携带六到七枚导弹,而定向能武器系统只需要消耗一加仑航空燃料,就能进行几千次射击。

激光武器系统比常规弹药具有更大优势。首先,激光以光速射击,敌方目标难以躲避。激光发射时保持静默,肉眼看不见,使武器系统的操作者在作战过程中能够很好地隐藏自己。其次,尽管开发定向能武器的成本较高,但一旦开发成功,单次射击的成本将降低为武器产生的能量的成本。再次,这一武器能够简化物流链,船舶可在海上停留更长时间,并且降低了地面部队进行地面和空中补给操作的频率。从长远来看,这也意味着远征部队的成本降低,因为降低了存储和维护重型危险爆炸物的需求。

随着高功率固体激光器技术的突破和激光功率输出的提高,特别是目前出现了光纤激光器,高能激光武器系统装备进程明显加快,世界各国的陆、海、空等多平台激光武器系统的研发明显加快,可以预见在不久的将来,激光武器系统将步入战场,成为未来战场的新宠和“游戏改变着”。

美国海军“水面舰激光武器系统”项目,研发高能激光及集成光学炫目监视系统,研发的“激光武器系统 LaWs SEQ-3” 样机已于2014年安装在庞塞号两栖舰上,成功测试了其应对一系列小船和无人机的能力;并计划于2018年晚些时候安装到“圣安东尼奥”级“波特兰”号两栖舰。

图1  水面舰载激光武器系统

美国空军正在研发用于飞机的激光武器的大功率光纤合束激光器、合束和放大的技术,研究重点为相干或光谱合束架构;以支持对尺寸、重量和功率(SWaP)有严格要求的未来战斗机。通过激光器的进一步小型化后,使其可安装到F-15、F-16、复仇者无人机及F-35等喷气式飞机上。

图2  机载近程激光武器系统(ATL)

美国陆军利用2KW车载激光武器系统成功摧毁23个无人机中的21个;利用30kw的“雅典娜”地面机动式光纤激光武器系统击落5架无人机,未来将以应对无人机、火箭炮、迫击炮以及巡航导弹等目标。

图3  车载激光武器系统

欧洲导弹集团公司的40kw地面防空激光武器系统,激光源采用几何合成多个10kw的单模激光器。见图;

图4  欧洲导弹集团(MBDA)正在研制的40kw地面防空激光武器系统

德国的天空卫士先进激光武器,功率50kw,见图;

图5  莱茵金属公司的“天空卫士”激光武器系

以色列铁束(ironbeam)激光武器系统,能够在4s-5s钟之内摧毁机载目标。见图;

图6 “铁束Iron Beam”激光武器系统

1.2 新型红外对抗系统

现代红外便携式防控系统性能越来越先进,其对直升机、战斗机、装加车辆及人员威胁的增大,研制新型红外对抗系统成为现实需要。

1.2.1 定向红外对抗ADIRCM系统

ADIRCM系统是为美陆军与海军研发的新型通用红外对抗和攻击红外对抗系统,已海军陆战队的AH-1Z和UH-1Y以及海军的NH-60上。

图7  定向红外对抗ADIRCM组件

激光基红外对抗系统是发展方向,具有多功能能力(如导弹探测、导弹击毁、敌方火力探测和态势感知)。

1.2.2  AAR-57 CMWS:AAR-57全套设备包括一个电子控制单元和外加4到6个光电导弹传感器(EOMS),主要对红外制导导弹造成的威胁进行告警。

图8  机载红外制导导弹威胁告警系统

1.2.3 AAQ-24 DIRCM是诺斯罗普·格鲁曼公司制造,它是一个集成导弹告警和定向红外对抗系统。

图9  AAQ-24 DIRCM 模块

1.2.4 大飞机红外对抗(LAIRCM):是基于激光的红外对抗系统,用于防止精确热寻的导弹对军用飞机的威胁。LAIRCM能自动探测导弹发射,确定它是否是威胁,能启动高光强激光基对抗系统跟踪,并将高光强激光能聚焦到来袭导弹的红外导引头上,致盲导弹并迫使它偏离目标。

图10  LAIRCM模块

图11  大飞机上红外对抗LAIRCM模块

1.3 多频谱探测系统

1.3.1 红外搜索与跟踪/前视红外双工作模式的被动式红外机载跟踪系统;

欧洲的海盗系统:兼具红外搜索与跟踪/前视红外功能,号称是西方国家有史以来最精良的系统,安装在阵风式战斗机上,可探测全视野70到90公里外的红外目标;传感器使用两组工作频段:7.5到10微米,其对迎面目标有最佳表现;和3到5微米,用于目标的搜索、识别和跟踪模式;前视红外工作模式则提供红外显示影像。

1.3.2 F-35 EOTS光电瞄准系统

F-35 EOTS是世界上首个结合了前视红外与红外搜索跟踪功能的传感器,由洛马公司导弹与火控部研制,为F-35战机飞行员提供了精确的空空与空地瞄准能力。EOTS能帮助机组人员辨认关注区域、执行侦察以及精确发射激光与GPS制导武器。

系统由前视红外系统(640x512元锑化铟凝视探测器)、昼用电视摄像机、激光测距指示器、点跟踪器等组成,使用最新的传感器技术,搭配具有聚焦平面阵列的第三代insb红外探测器、目标识别激光、以及日间电视摄像机,EOTS组成图;

图12  EOTS组成图

结构特点:EOTS采用7片蓝宝石玻璃拼接而成的单口径共光路形式,以散射雷达信号,减小对飞机的RCS的影响;具有被动式探测能力,利用激光对目标进行识别和探测,能够为地面和海上目标昼夜24小时精确打击提供瞄准,即可以在雷达静默下完成对目标甚至是隐身目标的搜索和探测,以便最大限度的隐蔽自己;与头盔显示器结合可以把探测信息投影到头盔上;EOTS安装在机头的下方,具有有限的对空探测能力,可以提供远距离、高精确的识别、探测。

图13  F-35战机上的EOTS光电瞄准系统

1.3.3  AN/AAQ-37分布孔径系统,是一种被动式探测系统,安装在F-35上,机身周围6处不同位置上各安装一个红外传感器,对机身周围进行成像,使用先进的信号处理算法,对全机360度范围内来袭的导弹或逼近的飞机进行红外探测跟踪,并将探测画面显示于飞行员头盔显示器上,故其可让飞行员具有全空域态势感知外,也能提供导航、导弹告警、以及红外搜索与跟踪功能。见下图 

图14  AN/AAQ-37摄像组件及分布孔径系统

1.3.4美国海军机载平台配装 “雷声”公司生产的 “光电多光谱瞄准系统(MTS)” 系列产品, MTS配有光电红外全动态视频摄像机系统,可以进行远程监视、高空目标捕获、跟踪及激光指示、激光测距;这些系统为有人和无人机在昼夜操作中提供情报、监视与侦察(ISR),以及探测、识别和瞄准性能,同时,可为精确制导导弹提供监视、目标捕获、跟踪,测距和激光指;另外,其有很好的兼容性,传感器可以与多波长传感器、近红外彩色电视摄像机、照明器、人眼安全测距仪、图像融合、光斑跟踪器和其他航电设备配套。

图15  光电多光谱瞄准系统(MTS)

1.3.5“狙击手”先进瞄准吊舱Sniper ATP

Sniper ATP是洛克希德。马丁公司设计、开发并制造。系统集成了高分辨率中波第三代前视红外、双波段激光器、CCD电视摄像机、激光光斑跟踪仪和激光指示器等探测器,极大的改进了目标探测、识别能力;具有探测距离远、探测精度高、可提供高分辨率的目标图像,同时还具有夜间作战的低海拔导航能力和红外瞄准能力;激光光斑跟踪仪还可以利用另一家飞机的激光器进行瞄准,并投放精确炸弹;吊舱加装有数据链,具有很强的信息传输能力,可以将图像等信息通过数据链传给地面部队,为其提供战场环境信息。内置有自动检测功能和诊断能力,便于维护,可以使维护人员在20 分钟内完成独立部件的替换工作。

设计特点:

a采用了光学系统共孔径设计方案,所有传感器共用一个孔径,有效减小了体积;

b.光学系统采用独特的楔形设计,避免了球形头部和空腔因气流诱导而产生振动的可能(特别是在高超音速转台下)。

图16   装在B-1B机身上的AAQ-33“狙击手”吊舱

1.3.6 Epsilon 175光电传感器

Epsilon 175是Octopus ISR 系统公司开发的小型陀螺稳定电光传感器,见下图

图17  Epsilon 175

物理配置:

外形尺寸和重量:  重5.7磅(约2.585千克),尺寸6.8×8.1英寸(172.72mm x 205.74mm)。

传感器配置:

它包含4个传感器,即30倍光学变焦电光(EO)传感器、15倍光学变焦中波红外传感器、激光测距仪和激光照明器;其中红外传感器采用3至5微米的冷却凝视阵列,具有18~ 275毫米的15倍变焦镜头、24.5×1.5度的垂直视野、640×512像素的分辨率,并以每秒30帧的速度运行。

万向节稳定平台:

无人机传感器有效载荷能在-40 ~ 50摄氏度温度范围内工作;提供360度连续旋转,-90 ~ 30度升降;转换速率每秒120度,功率通常采用35瓦。

技术特点:无人机用电光传感器Epsilon 175减少了传感器有效载荷的重量,提高了无人机耐久性,因而支持更长久的任务或者具有更多空间容量的其它设备。

应用:,可用于边境管制、军事目的和各种民用应用,因而它是一种理想选择。

1.3.7 更加智能先进的态势感知及探测系统

美国陆军的新一代坦克将提供改进的360度态势感知和敌方炮火探测工具,如:红外和可见光混合相机;既可以定位车辆周围情况,也可以提供所需的高分辨率图像;另外,还将拥有先进的敌方炮火探测系统,目前正在研发中的多功能非制冷传感器,减小噪声,生成高质量的图像。通过不同的先进算法来提高探测能力,提高探测概率而使虚警率降到很低。也将具有一定程度的自主性或智能性。虽然它还达不到自动驾驶的程度,但将足够智能以帮助驾驶员执行任务。

图18  新一代坦克用的360度态势感知和敌方炮火探测系统

2 主要技术性能指标

2.1高能激光武器系统主要技术

a.综合控制系统:精、粗复合控制;

b.千瓦至兆瓦功率级高能激光器(HEL):2kW- >1MW;

c.快速精确指向/跟:快速转向反射镜(适用激光能量密度> 20kW/cm2),小运动范围(± 8 mrad)内实现动态高频(> 750 Hz)、高精度控制;

d.稳定、低抖动跟踪:万向架稳定及跟踪控制;

e.高能激光光学系统:扩束望远系统(轴上反射式、离轴反射式,折射式);

f.光束稳定:稳固的光学系统(在10g冲击下光轴保持在多个战术平台上);

g.传感器集成:多波段光路集成;

h.抗电磁干扰/射频干扰:符合相关标准;

2.2 隐身设计

从气动效率、平台整体一致性和降低可探测性方面考虑,由于产品的安装平台的外形正在变得更加复杂(包括隐身飞机、隐身舰艇等),为避免探测,高性能光电设备应具有对雷达隐身特性的窗口和保形结构设计,提高产品的适应性和使用效能。如F-35上内置光电系统。内置光电单元已成为大多数下一代战斗机和隐形飞机的默认要求。

2.3 传感器融合技术

鉴于未来的威胁具有种类更加多样、速度更快和抗干扰能力更强的特点,光电产品朝双/多光谱的方向发展;随传感器技术(如红外焦平面阵列技术)以及信息处理软硬件技术水平(具体体现在速度和容量两个方面)的不断提高,以及先进算法、人工智能技术的不断进步,通过融合可见光、红外、多光谱和高光谱传感器等光电技术来提高监视雷达的有效性;即通过改进雷达信号处理,并将其它传感器与雷达融合,打破目标识别模糊不清的局面并提高目标远程识别的能力,对平台和作战人员提供全方位的“随时随地”监视、侦察、精确瞄准和电子战的能力。

2.4 瞄准线高精度稳定技术

采用精-粗二级稳定技术,即平台实现粗级稳定,快反镜实现精级稳定,即粗级的残余误差作为精级快反镜的输入,实现瞄准线的精稳,稳定精度可达到几个微弧。

图19  精级稳定的快反镜组件

2.5 宽光谱共光路技术

可见光、近红外、中波红外等采用共光路技术和自动校轴技术,保证系统光轴的稳定性和制导精度。

图20  多光谱共光路系统

2.6 多功能光学传感器(MOS)

高灵敏度焦平面阵列和近/中/长波红外波段的紧凑型多频激光系统技术,实现多光谱感知及探测系统。

2.7 通用性

随着向通用性和简化后勤备件需求方向发展,陆海空基光电设备的可更换性也正在成为军队采购这类系统的关键要求。

2.8 高可靠性及物理特性

光电设备发展的主要目标永远都是持续减少尺寸和缩小体积、延长寿命、提高可靠性、降低功耗和成本。

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