机载光电载荷装备发展与关键技术

发表于 2019-07-20 10:42:15 收藏 已收藏
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机载光电载荷装备发展与关键技术

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机载光电载荷装备于固定翼飞机、直升机、无人机等平台,采用光电探测技术、激光测照技术、稳像搜索技术、图像处理技术、目标跟踪与定位技术,完成战场态势感知、目标检测定位、武器引导与打击效果评估等作战任务。其作为载机战场信息获取、态势感知和制导武器引导传感器,已成为实现载机“广域搜索、远程探测、准确定位、快速摧毁、实时评估”的重要装备。随着载机平台作战性能隐身、高空、高速和作战模式 全景感知、智能决策、协同作战的进步,机载光电载荷发展应该具有以下特性:精准化实现多频谱探测、高精度目标定位、引导与制导武器精确瞄准;小型化同装载光电传感器种类多、性能指标高、系统体积小;智能化为载机决策系统提供高价值、多维度的战场态势及目标情报信息;多任务综合化实现全景感知、光电对抗、空/空空/面目标搜索跟踪、目标定位瞄准等。因此,机载光电载荷已成载机系统的重要信息节点和武器节点,遂行“搜索-探测-锁定-跟踪-打击-评估”全作战链任务。

根据载机平台不同,机载光电载荷分为固定翼作战飞机机载光电载荷、直升机机载光电载荷、无人机机载光电载荷等。按照任务使命和使用需求,机载光电载荷分①光电探测与对抗系统,主要包括激光告警、导弹逼近告警等②辅助导航系统,主要包括规避告警系统、夜视红外系统、导航前视红外等③情报收集、侦察与监视系 统④搜索跟踪瞄准系统等。

1 典型机载光电载荷

1.1 固定翼飞机机载光电载荷

固定翼飞机机载光电载荷通常采用柱筒状吊舱结构形式,通过吊挂适配装置挂装于机腹下。主要由光电传感器单元、控制处理单元、供电单元和环境控制单元组成。光电传感器可见光、红外、激光安装于多轴横滚、俯仰、偏航陀螺稳定平台形成光电传感器单元,实现战区侦察监视、目标搜索捕获、跟踪定位、瞄准打击及毁伤效果评估等 功能。

1.1.1 机载光电侦察吊舱

固定翼飞机机载光电侦察吊舱主要采用长焦可见光/ 红外双波段传感器,执行高空远程情报侦察监视、目标搜索定位等任务。目前已装备的典型光电侦察吊舱主要有CA-295  双波段数字光电侦察吊舱、DB-110 双波段光电侦察吊舱、Rafael RecceLite 光电侦察吊舱等。

1.1.1.1 CA-295 侦察吊舱

Goodrich ISR系统公司研制的 CA-295是双波段可见光、中波红外长焦 f=2134 mm 倾斜光电侦察吊舱,如图1 所示。吊舱采用主动光学稳定技术实现高精度稳像,采用可见光和红外共孔径光学技术,实现图像精确配准,采用旋转式卡塞格林光学系统补偿前向像移,采用固态电子像移补偿技术补偿扫描像移,集成惯性导航定位 (INS/GPS)组合组件,实现高精度地理引导、目标定位以及图像拼接。

图1 CA-295 光电侦察吊舱

1.1.1.2 DB-110侦察吊舱

DB-110是一种多功能、多波段光电侦察吊舱,如图 2所示。其采用两轴陀螺稳定平台技术, 视轴稳定精度达到亚像素级,高精度的视轴稳定 可以使光电传感器具有最佳的曝光时间,实现图 像信噪比最大化,有较强的弱对比度目标探测和 透雾探测能力。DB-110采用可见光传感器“扫描和红外传感器“步进凝视( step-stare)”组合摆扫的成像方式,可见光传感器选用像元尺寸为8. 75 μm、具有时间延迟积分( TDI) 功能的6 144 × 128 阵列CCD 成像探测器,在扫描方向通过调节TDI 的等级,获取大动态、高信噪比侦察图像。红外传感器选用像元尺寸为 24 μm 的制冷型640 × 512 中波InSb FPA 探测器,通过可变积分时间和宽频数字信号获取高动态红外图像和弱小目标探测。

通过稳定平台横滚轴和俯仰镜摆扫运动,实现方位 垂直航向 180°、俯仰沿航向±20°的宽覆盖扫描成像,以广域搜索、点聚束、目标跟踪/ 立体成像等工作模式,实现广域侦察监视、目标识别定位。

DB-110具有4组成像光学系统①基于卡塞格林全反射结构的焦距为2794mm TV/NIR和焦距为1397mmMWIR的双波段共光路长焦距窄视场光学系统②焦距为406mm的TV/NIR宽视场光学系统 ③ 焦距为 356mm 的MWIR宽视场光学系统   ④焦距为63.5 mm的MWIR超宽视场光学系统。其中长焦光学系统以摆扫成像的方式工作,另外3 组短焦距的光学系统采用推扫与分幅方式成像,相机能在低、中、高 3 种不同的高度条件下工作。

图2  DB-110 光电侦察吊舱

1.1.1.3 Rafael Reccelite侦察吊舱

Rafael Reccelite侦察吊舱采用 4 轴稳定平台技术,以垂直、倾斜、点凝视等工作模式实现区域侦察监视、目标搜索识别,集成惯导组件实现图像帧定位、地理匹配和侦察图像拼接。采用3视场红外和4视场可见光传感器,实现全天时成像目标搜索侦察监视。

1.1.2 机载光电瞄准吊舱

目前有代表性的现役光电瞄准吊舱主要包括雷神公司的先进红外 ATFLIR 瞄准吊舱、洛克希德· 马丁公司的“狙击手”先进 SniperAT 瞄准吊舱、诺斯罗普·格鲁门公司的“莱特宁” LITENING 瞄准吊舱,以及 F-35 光电瞄准系统 EOTS 。

1.1.2.1 ATFLIR 瞄准吊舱

ATFLIR瞄准吊舱属于第三代光电瞄准吊舱, 能够探测识别、跟踪定位空中和地面目标。该吊舱 被用来取代F/A-18 战机原装备的三种吊舱 战术前视红外吊舱、导航前视红外吊舱、激光指示吊舱。前视红外、可见光传感器、激光测距/ 照射器、激光光斑跟踪器安装在陀螺稳定平台中,夜视 导航用前视红外安装在载机挂装吊舱的适配器上, 如图 3 所示。

图 3  ATFLIR 瞄准吊舱

ATFLIR瞄准吊舱采用640×512 InSb FPA 红外传感器,三个光学视场为0.7°,2. 8°,6. 0°,可以在 15 200 m 飞行高度对斜距 75000 m 的目标进行精确定位和指示,为新型的“联合系列”空对地直接攻击弹药、联合防空区外发射弹药提供精准的目标方位。可以作为网络中的节点将跟踪和定位结果传送给其他节点。其可见光传感器、前视红外传感器以及激光测距/ 照射器共同使用经过自动校准的光路 共光路  ,系统具有较高的目标瞄准与导引精度。

1.1.2.2 Sniper  AT瞄准吊舱

SniperAT瞄准吊舱装载前视红外、CCD电视摄像机、双频激光测距照射器、激光光斑跟踪器、激光标识器、视频数据链和数据记录仪等。与其他 瞄准吊舱的圆形外形不同,其前端光窗采用多面 蓝宝石楔形设计,如图 4  所示,可有效降低吊舱的雷达反射截面,提高载机战术飞行速度下吊舱平 台的稳定性能。

图 4  Sniper AT 瞄 准 吊 舱

SniperAT瞄准吊舱的设计不同于传统万向架结构的芯轴式稳定平台,采用光学基座减振设计,有效改善系统的隔振性能,并采用自动校准和电 子消旋稳像技术,具有较高的视轴稳定性能。前视红外采用 640×512 中波 InSbFPA 红外探测器、微型扫描和数字图像分辨率增强处理技术,内置惯 性测量装置可与光电传感器、载机进行自动对准, 实现目标精确定位和惯性跟踪。前视红外、电视摄像机和激光传感器采用共孔径光路技术,避免了使用多孔径光学系统造成的视轴误差。

1.1.2.3 LITENING瞄准吊舱

LITENING 瞄准吊舱系统的光电传感器安装在陀螺稳定平台上,如图 5 所示。某光电传感器主要包括前视红外、CCD 电视摄像机、激光指示器、激光标识器、激光光斑跟踪器等。稳定平台采用高精度陀螺稳像技术,隔离载机的振动和姿态运动,视线稳定精度优于 10 μrad。

图 5  LITENING瞄准吊舱

系列化发展的 LITENING 瞄准吊舱有 LITEN-INGⅡ,LITENING ER,LITENING AT,LITENING G4。LITENINGAT 瞄准吊舱红外传感器从 LITENINGⅡ型的256 ×256  升级为640×512 InSb  FPA,采用4视场切换,大幅度提高了图像分辨率和目标识别距离通过平视显示器,红外宽视场32°×24° 用于低空飞行夜视导航 CCD电视和前视红外图像融合处理激光器采用1.06μm和1.57  μm两种人眼安全波长工作模式,分别用于作战和训 练 采用先进的图像处理算法进一步提高目标捕获距离,具有多目标搜索提示和空对空目标跟踪 能力。内置高精度组合惯导组件,自动与载机 INS 校准,通过与光电传感器的精确对准,实现精确视线指向和目标定位。激光点跟踪  1. 06  μm   可在吊舱全搜索视场中进行离轴激光点的搜索跟踪,实现空中支援协同作战能力。LITENINGG4瞄准吊舱采用第三代1024× 1024中波FPA红外探测器、新型激光照明器,具有激光目标图像处理算法,进 一步提升了在恶劣气象条件下的目标辨识能力。

1.1.2.4 F-35综合光电载荷

F-35 综合光电载荷由两部分组成光电瞄准系统Electro-Optical Targeting  System,EOTS和分布孔径光电传感器系统Electro-Optical Distributed Aperture System,EODAS。

EODAS采用多传感器分布设计和数据融合技术,综合红外搜索跟踪系统IRST、导弹逼近告警系统 MPWS、红外成像跟踪系统IRIT 、前视红外夜间导航系统 NavFLIR等,实现全方位远程空中目标搜索跟踪、态势感知、威胁告警、地面/ 海面目标探测、辅助导航等功能。通过后台数据的融合为飞行员提供一个球形视野,具有全景态势感知和目标搜索探测能力。

EODAS的分布式红外传感器可同时对多个目标进行探测和识别跟踪。每个传感器独立地对视 野内的目标进行检测、特征提取、辨识跟踪,然后 将各自局部决策结果传送至综合信息处理单元, 综合信息处理单元经过信息融合后,形成全局目 标身份管理、目标分配和系统决策。

EOTS系统集成了前视红外FLIR、红外搜索跟踪 IRST和激光指示瞄准LTD  等功能,相当于将传统的光电雷达、前视红外吊舱和瞄准吊舱的功能融合为一体,如图 6所示。EOTS位于机头下,采用多面蓝宝石光学窗口,以降低对飞机RCS的影响,提供高分辨率成像、自动红外搜索跟踪、激光测距指示和激光点跟踪功能,具有高空远程目标搜索探测、识别跟踪、威胁告警、定位瞄准、引导制导武器精确打击等能力。

图 6  F35光电瞄准系统

EOTS 的技术特征① 采用紧凑型单孔径光学设计② 采用第三代中波焦平面红外传感器组件③ 具有对地面目标红外跟踪能力④ 具有对空目标红外搜索跟踪IRST  能力⑤ 具有自动校靶和校轴功能⑥ 采用战术和人眼安全的高可靠性激光测距/ 照射器⑦ 具有激光光斑跟踪能力⑧ 具有主、被动测距和高精度地理坐标测量能力。

1.2  直升机和无人机机载光电载荷

直升机和无人机机载光电载荷通常采用球形稳定转塔 StabilizedTurret 结构形式,光电传感器安装在球形转塔内,采用陀螺稳定平台技术,隔离载机振动,实现视轴稳定和目标搜索。随着光电传感器尺寸的小型化和分辨率的提高,装载光电传感器越来越多,形成了多频谱光电载荷。

1.2.1 “全球鹰”光电侦察载荷

“全球鹰”光电侦察载荷是一种具有广域搜索 侦察与目标精确定位能力的长焦距、双波段高精度机载光电载荷。采用全反射式双波段共孔径光学系统,安装在两轴稳定框架的内环中,采用高精度两轴稳定平台和快速反射镜 FastSteeringMirror,FSM 全数字复合控制技术,如图 7 所示。

图 7 “全球鹰”光电侦察载荷

通过稳定平台横滚轴在垂直航向的摆动扫描、俯仰轴在飞行航向方向的补偿运动,以步进凝视step-stare成像宽覆盖搜索模式和点采集模式,实现广域扫描搜索、目标检测、高精度稳像及像移补偿。“全球鹰”光电侦察载荷视轴稳定精度为3μrad,可以实现 30帧/s的高帧频凝视成像。

1.2.2 AN/AAQ-30  TSS 瞄准转塔

洛克希德·马丁公司研制的 AN/AAQ-30TSS瞄准转塔,如图 8所示。采用已装备美国海军P-3C,P-8B反潜巡逻机和C-130海岸巡逻机的MX- 20Φ520mm陀螺稳定平台技术,并根据直升机旋翼振动特性,借鉴 Sniper瞄准吊舱和 F- 35 EOTS等相关成熟技术,进一步提高稳定性能。

 图 8  AN/AAQ-30 TSS 瞄准转塔

AN/AAQ-30 TSS 瞄准转塔主要由陀螺稳定平台、前视红外、彩色电视摄像机、激光测照器、激光光斑跟踪器、惯性测量单元、光轴校准模块和 电子单元组成。采用柔性5 轴稳定平台和电子稳像技术,视轴稳定精度优于 15 μrad,内置高精度组合惯导与姿态测量组件,具有各光电传感器视轴自动校准、以及与机载组合导航测量系统自动校准功能。

前视红外采用640×512 中波InSb FPA 红外探测器、大口径 217 mm 4 视场切换光学系统 最小视场0.59° × 0.44°电视摄像机采用工作在可见光和近红外波段的索尼 3CCDDXC-390 TV 传感器,提高系统在低照度和雾霾天气情况下的目标探测能力,配备佳能× 2.5  扩展镜头,具有× 18 连续光学变焦能力。红外和电视传感器四视场匹配设计,便于传感器相互切换使用和图像配准融合。

采用相关、对比度和质心跟踪模式,具有自动目标捕获、多目标自动跟踪功能 可同时跟踪 3 个目标 ,跟踪的每一个目标尺寸可从 1 个像素变化到帧视场的 80%。基于惯性跟踪技术,在跟踪目标的同时,系统可记忆存储 10 个附加的地面目标运动航迹 甚至目标溢出视场外  ,该功能还可实现目标被短暂遮挡时的跟踪保持。采用基于局部图像增强的先进增程 ExtendedRange,XR 图像处理技术,目标识别和认清距离可提高 60%。

1.2.3 BRITE StarⅡ瞄准转塔

FLIR系统公司的多频谱传感器转塔产品有侦察型和瞄准型两个系列。侦察型产品系列包括Star SAFIRE,Star  SAFIRE Ⅱ,Star SAFIRE Ⅲ,Star SAFIRE HD瞄准型产品系列由侦察型改装升级得到,包括BRITE StarⅠ,BRITE StarⅡ,BRITE Star  DP。其中,BRITE  StarⅡ如图9 所示。

图 9  BRITE Star Ⅱ瞄准转塔

Star SAFIRE HD 最多可以同时装载 7 种传感器 多视场自聚焦 640 × 512中波 InSb FPA 红外传感器 1 280 × 1024 自聚焦高清彩色电视传感器微光传感器 人眼安全激光测距仪   夜视镜兼容宽覆盖激光照明器  激光指示器  用于地理指向和目标定位的数字组合惯性测量组件 GPS / IMU 。

采用6轴稳定平台技术,稳定精度≤5 μrad,全数字高清红外/ 可见光传感器, × 120 光学连续变倍视场 30° ~ 0.25° ,实现宽视野、远距离高清晰成像与目标探测识别。内置 GPS/ IMU 使系统具有多种自动跟踪模式跟踪运动目标的能力。

2006 年3 月,第二代高清光电系统 Star SAFIRE HD/1k,将红外探测器升级为 1024 × 1024,图像分辨率提高 3 倍。

通过增加传感器组件,使 Star SAFIRE侦察监视系统升级为 BRITE  StarⅡ瞄准转塔,军用编号为AN / AAQ - 22E。BRITE  StarⅡ瞄准转塔也可同时装载多种传感器 红外传感器、彩色  TV 摄像机+NIR、激光测距照射器、激光指示器、激光光斑跟踪器、激光照明器等。红外传感器采用 640 × 512 中波 InSbFPA 探测器、5 视场切换 30° ~0.31°  、× 97  光学变倍,彩色TV 摄像机+ NIR视场与红外匹配,支持1 280 × 1 024 分辨率红外数字图像输出。目前, BRITE Star Ⅱ已装备 MQ-8B无人直升机。

1.2.4  MTS-A 和MTS-B 多光谱瞄准转塔

MTS-A 由雷神公司的AN/AAS-44 V 红外激光测距探测与跟踪系统发展而来,军用编号AN/AAS-52,是一种集成光电、红外和激光的多频谱瞄准转塔,系统采用先进的全数字化结构和 多频谱共孔径光学设计,可同时装载前视红外、CCD 电视摄像机 彩色 +NIR 、激光测距/ 照射器、激光照明器、激光点跟踪器等传感器,实现远程监视侦察、目标捕获跟踪、目标测距定位,为AGM-114“海尔法”导弹及NATO 激光制导弹药提供激光目标指示引导。目前已装备美国海军 MH-60R直升机和美国空军MQ-1“捕食者”无人攻击机。MTS-A 系统主要由传感器转塔单元 WRA-1,内置高精度 IMU和电子单元 WRA-2两个可更换单元组成,采用基于自动图像优化技术的局 域处理软件,使图像信息显示最大化,采用质心、面积和特征等多模自动跟踪技术,具有图像融合 功能,有效增强场景感知、远程侦察监视、目标识 别跟踪和瞄准能力。

MTS - B由 MTS- A发展而来,军用编号 AN/ DAS- 1,如图 10所示, 通过增大光学倍率, 提高传感器的分辨率,增加目标的探测识别距离。MTS-B 目前主要装备美国空军MQ-9“捕食者”B 无人攻击机和美国海军的MQ- 4C“人鱼海神”无人机。

图10  MTS-B 多光谱瞄准转塔

1.2.5 MX-15/20/25 多传感器转塔

MX 系列多传感器转塔如图 11 所示,由加拿大L-3 通信公司 WESCAM分公司研制,MX-15 为中型尺寸传感器转塔,重量 42.7  kg,美军编号 AN / AAQ-35,可同时装载 6 种光电传感器,内置惯性测量组件,主要用于固定翼、旋翼飞机及无人 机的情报侦察监视。MX-15i 由 MX-15 发展而来,其主要变化有    小型化设计,将外部电控单元移入稳定转塔顶部采用长焦电子倍增 CCD摄像机,增加低照度条件下的目标辨识距离采用激光点照明器 LaserIlluminated Night Spotter ,增加夜间全黑条件下的目标辨识能力对红外传感器升级,目标识别距离增加 20%采用第三代MX-GEO软件包,具有地理指向引导  GEO-Pointing、地理指向控制GEO-Steering、地理聚焦 GEO-Focus、地理扫描GEO-Scan、地理跟踪GEO -Tracking,提高目标跟踪性能和定位精度。通过增加激光照射器和提升红外、可见光传感器分辨率,MX-15i发展为观瞄型多频谱光电转塔 MX-15Di, 并采用实时图像增强处理技术ELAP,进一步提高目标的识别距离和透雾探测能力。

图 11  MX多传感器转塔

通过系统性能优化,MX - 15Di又发展为 MX-15D全数字高清多频谱瞄准转塔。MX - 15D 用于中空侦察监视和目标照射瞄准,主要有以下技术特点:

(1)集成度高、重量轻、接口灵活内置GPS 接收器和IMU,最多可同时装载 10种传感器,全状态系统重量51. 4kg,具有多种数字视频接口和通讯控制接口 移动地图、遥控、探照灯、雷达、微波数据链、机载 GPS/INS、元数据等 。

(2)传感器配置灵活、性能指标高 可装载 6种独立的数字图像传感器和4 种激光传感器多视场640×512,1280 × 1024 中波红外传感器 光学连续变焦彩色 CCD 传感器36.3° ~ 1.1° 光学连续变焦电子倍增 CCD EMCCD传感器48.8°  ~ 2.38° 长焦短波红外、低照度电视详查传感器0.37° 激光测距照射器激光照明器、激光点跟踪器等。

(3) 系统精度高、功能强 采用 4轴稳定、6 轴减振技术,视线稳定精度小于5  μrad,具有高精度目标定位、透雾增强、激光光斑跟踪、自动与载机校轴、自动视频与 GEO跟踪等功能。

MX-20/MX-20HD 传感器转塔,全状态系统重量84kg,主要用于远距离侦察监视和目标识别,可同时装载7种传感器四视场切换红外传感器18.2° ~0.24° 、彩色CCD传感器18.2° ~2.75° 、CCD 0.17° ~0.92°和EMCCD详查传感器0.14°~0.73°、激光测距仪、激光照明器、激光指示器laserpointer采用5轴稳定、6轴减振技术,视线稳定精度小于 4μrad。

MX-25/MX-25D传感器转塔为全数字高清超远程多频谱光电瞄准系统,主要用于高空、远距离侦察监视、目标识别和激光照射制导武器引导。

2 技术特点分析

通过以上典型机载光电载荷的性能分析,可以看出目前主要现役机载光电载荷具有诸多技术特点。

2.1 系统集成度高,同装载光电传感器多

现役的 MTS-B和 MX-25D 可同时装载十种光电传感器,除了装备红外和 CCD传感器外,还可装载有低照度、日光和短波红外详查传感器DaylightSpotter SWIR Spotter 、激光测距仪、激光照射器、激光照明器、激光指示器 LaserPointer 、激光标识器 LaserMarker 、激光光斑跟踪器等。系统光电探测波段覆盖从可见光波段0.4~ 0.7μm到红外波段8~12μm,实现宽频谱、多波段目标探测,采用图像融合技术,形成多频谱光电 探测系统。采用多频谱共孔径光学设计技术,提高 系统校准校靶、目标定位瞄准、激光目标引导性 能,同时可以有效减小系统体积。装载激光照明、激光指示、激光标识和激光光斑跟踪器等多种激 光传感器,使系统具有多平台协同目标探测、多任 务协同作战能力。装载长焦低照度CCD 和短波红外传感器,有效提升系统在低能见度例如雾霾  、低照度等不良大气条件下的目标探测辨识能力。

光电传感器性能指标高,红外传感器采用中波 640 × 512,1 024 × 1024,1 280× 1080焦平面探测器,甚至双色红外探测器CCD传感器采用200万像素  甚至 500万像探测器+ NIR光学系统采用大口径、大变倍、自聚焦光学系统,例如MTS-B多频谱瞄准转塔 FLIR /CCD传感器采用 6 视场、× 148  光学变倍、红外最小视场为0.23°×0.31°、CCD最小视场为0.08°× 0.11° 红外与CCD传感器视场匹配性设计,便于主通道传感器切换与目标观察、图像信息融合与侦察情报分析。这些技术的应用大大提高了载机对远距离目标的探测和识别能力。

2.2  全数字化、传感器分辨率高、目标检测跟踪与图像处理能力强

系统采用高清全数字化技术,避免由于量化、压缩和传输带来的信息损失和图像退化。采用高 性能图像增强处理技术,提升场景感知、目标引导 定位与探测识别能力。例如,MTS - A/B瞄准转塔采用基于自动图像优化技术的局域处理软件,可 以使图像信息显示最大化、有效增强场景感知和 远程侦察监视能力 LITENINGG4瞄准吊舱采用新型1024× 1024中波凝视阵列红外探测器、新型激光照明器,并采用激光目标图像处理算法,进一 步提升在恶劣气象条件下的目标辨识能力。

采用多模自动跟踪、多目标记忆跟踪和抗遮挡技术,提高目标跟踪能力 AN/ AAQ-30瞄准转塔采用相关、对比度和质心跟踪模式,红外和可见光传感器具有自动目标捕获和多目标跟踪功能基于惯性跟踪技术,在跟踪目标的同时,系统可记忆存储10个附加目标甚至目标溢出视场外MX-15/20/25的MX-GEO软件包为系统提供侦察区域图像扫描拼接GEO-Scan、自动视频和惯性组合跟踪 GEO-Tracking、地理指向引导GEO-Pointing、地理指向控制GEO-Steering、地理聚焦  GEO-Focus等功能。采用多传感器图像融合技术,提高目标的捕获和辨识能力。

2.3 系统稳定精度高,具有自主目标引导与定位能力

光电载荷要实现“看的清、打得准”,必须具有高精度视轴稳定能力。Sniper AT 瞄准吊舱采用6 个震动隔离装置光学基座设计技术,AN/AAQ-30 瞄准转塔采用 5 轴柔性稳定平台和电子稳像技术,BRITE Star Ⅱ瞄准系统采用 6 轴稳像技术, MX-25 采用5 轴主动稳像、6轴被动减振技术等, 使系统具有超强隔离载机扰动能力和高精度稳像能力。

光电载荷稳定平台内置高精度GPS/IMU组合惯导模块,实现高精度自主地理引导,目标位置、速度和运动方向等特征测量,自动目标跟踪,光电 传感器自动聚焦,多视轴自动校准以及与载机自 动对准等功能。

3 发展趋势与关键技术

技术进步驱动军事装备和作战模式变革,新 军事思想发展牵引技术的进步,以信息化、网络化 为核心的“空、天、海、地”一体化作战模式,要求 机载光电载荷不仅要作为传感器节点“视野大、看的远、看得清”、而且要作为武器节点“抓得住、跟得稳、瞄得准”,遂行“发现、确认、跟踪、定位、打击、评估”即“发现即打击”全作战链任务。机载光电载荷向着“远程化、精准化、智能化、综合化” 方向发展。

3.1 高性能光电传感器是光电载荷发展的核心

为满足“广域搜索、远程侦察、精准打击”的应用需求,要求光电传感器应具有阵列大、分辨率高 对比度、空间、光谱 、响应快等特点,具备复杂气象 如薄云、薄雾、阴天、霾等 和复杂目标特性弱小、运动、伪装等条件下的高概率探测和辨识能力。

目前机载光电载荷使用的红外探测器以640×512中波制冷型器件为主,也有少数采用 1280×1024规模的器件,探测器像元尺寸在 15 μm 左右,响应波段3.7~4.8μm,像元平均等效噪声温差 NETD≤20  mK,非均匀性 < 5% RMS,FPA工作温度77~110K。为了提高目标探测能力,红外探测器向着多波段、大面阵、高灵敏度发展,目前已发展到第三代像元数≥100 万 ,其中制冷型单色探测器主要是锑化铟InSb和铟镓砷InGaAs 红外探测器,InSb 探测器工作于3~5 μm中波波段,具有量子效率高、像元响应均匀性好、可靠性高等特点,InGaAs 探测器工作于0.9~1.7μm 短波波段,可以在室温下高探测率工作。发展中的第三代双色或多色红外探测器主要是碲镉汞HgCdTe、量子阱QWIP和Ⅱ类超晶格T2SLs红外探测器,由于三种红外探测器吸收红外辐射光子形成载流子的机理不同,其性能各有优缺点。HgCdTe 探测器具有量子效率高70%~80%,光响应率高,响应速度快、响应波段连续可调等特点,是第三代红外探测器发展的首选。QWIP红外探测器大面积材料 均匀性好、工艺成熟、成品率高、响应波段宽3 ~ 30 μm 等特点。T2SLs 可较好克服 HgCdTe 和QWIP红外探测器存在的问题,兼顾两者优势,具有巨大的发展潜力和应用前景,是新型红外探测器的最佳选择。

目前第三代焦平面红外探测器阵列已实现规 模 4 K × 4 K、像元尺寸小于 10 μm、四个响应波段、NETD 优于 2 mK。要满足“体积小、面阵大、分辨率高、多波段、成本低”等高性能红外探测器 的发展需求,必须要解决 HgCdTe材料及器件性能的不均匀性、长波响应暗电流大、大规模材料生长 衬底匹配性,QWIP探测器量子效率低,T2SLs设计、材料生长及器件制备工艺成熟性等关键技术, 提高器件工作温度、缩小体积降低成本,增强片上 信息融合处理能力、提高探测器目标检测和辨识 性能。

随着半导体集成和工艺等关键技术突破,CMOS传感器已克服动态范围小、灵敏度偏低等不足,向着高分辨率、高灵敏度、大动态范围、大面 阵、高帧频、宽光谱和高智能化发展。与 CCD传感器相比,CMOS  传感器具有成本低、功耗低、抗晕和抗辐射能力强、读出任意开窗、响应速度快、CMOS图像传感器芯片上可以集成数字型号处理电路 如 A/D转换器、自动曝光控制、非均匀性补偿、白平衡处理、黑电平控制、伽马校正、可编程DSP器件等   等特点。CMOS  传感器正逐渐替代CCD传感器,成为光电图像侦察的重要传感器。国内已研制出响应波段 400~1200nm、分辨率 200 万像素 60帧/s、660万像素 30帧/s  和 1600 万像素 25帧/s的宽光谱 CMOS传感器芯片。多/ 高光谱成像技术是将成像技术和光谱测量技术结合在一起,获取的信息不仅包括空间二维 信息,还包括随波长分布的光谱辐射信息。最大的 特点是将工作光谱区精细划分为多个谱段,并同 时在各谱段对目标成像探测,极大地提高了目标 探测的准确性,是光电探测领域一个质的飞跃。根 据应用需要的不同,光谱成像探测可应用于可见光/近红外/短波红外波段、中波红外波段、长波红外波段等光谱范围。随着对目标/背景光谱特性的研究不断深入,标准光谱特征数据库不断完善, 多/高光谱探测技术不断向着小型化、高分辨率和实时性发展,应用将会越来越广泛。

3.2 高精度稳定平台是提升系统性能的基础

随着现代战争中光电对抗烈度、目标隐身技术、武器精度及射程发展,要求光电载荷具有更远的作用距离、更宽的光谱感知范围、更高的瞄准与跟踪精度。要实现远距离、高精度目标探测与瞄准,稳定平台必须具有高精度稳像能力,高精度稳定平台是机载光电载荷履行作战使命的基础和保障。目前,国外先进机载光电载荷的稳定精度已达到亚像素级。

在高精度稳定平台设计中,通过系统轴系构 架组成优化、结构布局优化、材料及控制组件选型  等,提高系统结构刚度、降低轴系耦合及摩擦力 矩,提高载机扰动力矩隔离能力,控制系统通过采  用新技术新方法,提高控制回路带宽和增益,提高  系统视轴稳定性。例如 SniperAT稳定平台采用柔性光学基座设计技术,AN /AAQ-30采用5轴稳定平台技术,BRITE StarⅡ采用6轴稳像技术, MX- 25采用 5轴主动稳像、6轴被动减振技术等。

粗精组合稳定系统是提高系统稳定精度的有效技术途径。在通用稳定平台的基础上,增加高精度快反镜  FSM  组件,通过精密补偿消除粗级稳定的残余误差,从而提高瞄准线稳定精度,同时由于其转动惯量小,可以大幅度提高谐振频率,提高系统跟踪带宽和响应速度。粗精组合稳定系统中FSM是关键技术,采用这种稳定技术,可以使光电系统的稳定精度达到微弧级甚至纳弧级,实现亚像素级稳像。采用两自由度高精度FSM镜技术不仅可以补偿瞄准线稳定的残余,提高稳定精度,而且可以用于补偿图像运动模糊,实现广域搜索侦察应用中的“步进凝视”,同时可以用于红外成像系统的“微扫”,实现亚像素超分辨率红外成像。

3.3 高精度目标跟踪定位是发挥作战效能关键

为了实现“广域搜索、准确定位、快速摧毁、实时评估”,以及网络化协同作战能力,采用卫星定位、惯性测量和陀螺稳定GPS + IMU+ STA 组合技术,实现高精度目标搜索定位、跟踪与瞄准,是目前先进机载光电载荷系统的一个重要发展方向。采用 GPS + IMU+ STA 组合技术,使系统具有以下功能和特点① 减少安装误差和由于系统减振器带来的动态误差,显著提高目标引导和定位精度 ② 实现武器系统高精度自动校轴和光电载荷自动校靶,解决由于材料、装配、环境变化等带来的光轴误差,提高系统的目标定位瞄准精度 ③ 通过对目标位置、运动速度和运动方向等特征测量,结合视频跟踪,提升光电载荷自动目标跟踪的抗干扰、记忆跟踪和多目标跟踪能力④ 提高光电传感器的自动聚焦能力⑤ 系统通用性强,提升了载机平台适应性。

3.4 先进图像处理是提升系统性能的有效途径

伴随着光电载荷装备发展,提高其目标探测能力一直是研究的重要内容。为了提高系统的目 标探测识别距离和远程侦察监视能力,除了探测 器性能的提高和新探测概念体制的不断发展外, 先进图像增强处理技术是光电载荷性能提升的有效途径,在国外光电载荷中已得到广泛应用,并显 著改善系统的性能。例如,AN /AAQ-30采用先进的基于局部图像增强的增程技术,使目标辨识距 离提高60% MTS-A/B采用基于自动图像细节优化的增强处理技术,有效增强场景感知和远程 侦察监视能力。图像增强处理技术一直是研究的 热点,也是机载光电载荷发展的一项关键技术。

红外图像增强处理算法按照处理域划分,可 以分为空间域和频率域处理。按照算法实施的方 法可以分为灰度修正、图像平滑、图像锐化、图像 增晰、彩色处理等。随着人工神经网络、遗传算 法、小波变化、模糊理论和数学形态等多种数学工 具发展应用,新算法不断出现。近年来,随着红外 焦平面探测器性能的提高,红外图像细节增强技 术受到研究人员的广泛关注。针对红外成像的特 点,研究提出了多种红外图像细节增强处理算法, 通过增强红外场景中目标与背景的灰度对比度以及目标自身结构特征对比度,解决高动态范围场景中辨识低对比度目标的问题。FLIR公司提出的数字细节增强DDE技术是当前针对该问题的一个很好的解决方案。

可见光摄像传感器是光电载荷的重要成像传 感器,但是在不良的气象条件下 如雾霾天气等 , 由于大气中的悬浮粒子对目标反射光的散射等作 用,使色彩失真淡化、对比度减弱等图像降质,严 重影响图像视觉效果和目标探测辨识性能,采用 计算机图像处理技术对于可见光图像进行去雾处理,是改善雾霾天气下可见光成像质量和目标探测性能的有效技术途径。综合分析现有图像增强算法,在算法运算量、场景自适应性、大动态弱对比度小目标辨识、人眼 感知匹配性等有待进一步提高。随着传感器技术、成像方式和成像体制的发展,图像增强处理技术 发展将具有以下特点:

(1)随着高光谱成像、三维成像、偏振成像等新型成像技术的发展应用,图像增强处理技术将向着基于多特征、多维度空间、深度、时间、光谱、偏振 方向发展;

(2)随着压缩感知理论、自适应编码孔径成像等计算混合成像技术发展,图像增强由后处理 向着成像—处理一体化发展,综合利用光学系统、采样和图像重构处理技术实现大视场、高分辨率红外成像;

(3)随着分布式孔径全向探测、多频谱传感器的同装载协同探测应用发展,图像增强技术将向多源、异型、多光谱图像融合增强处理方向发展;

(4)图像增强处理算法研究更加关注人眼视觉特性,向着基于视觉感知的方向发展。

3.5 智能化、综合化是光电载荷发展的方向

为了适应信息化、网络化战争的目标多样化、环境复杂化、任务多样化带来的严峻挑战,机载光 电载荷将以分布式全景感知、光电探测与对抗相 结合、多机网络化协同为特征,向着多任务综合化 监视侦察、探测预警、告警对抗、目标搜索识别、目标定位跟踪、目标瞄准打击、打击效果评估等 、态势感知和行动决策智能化方向发展。

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