光電偵察平臺的技術(shù)發(fā)展概況和發(fā)展趨勢綜述

薛 丹

（洪都航空工業(yè)集團,南昌 330024）

0 引 言

由于航空偵察具有時效性強、準確度高、偵察范圍廣、機動靈活、針對性強的特點，既可克服地面?zhèn)刹焓艿厍蚯屎偷匦握系K物對視線的限制和較強的危險性，又可彌補衛(wèi)星偵察的細節(jié)和時效不足，所以目前它仍是獲取戰(zhàn)術(shù)情報的基本、有效的手段。

航空偵察以光電傳感器為主，如各種膠片相機、實時傳輸相機、可見光與紅外相機、激光器等。這些機載集成的傳感器被裝在可以自由運動的平臺里，就構(gòu)成了機載光電偵察平臺。在飛行器的頭部或下部，我們常?？梢钥吹揭粋€轉(zhuǎn)動的凸出物體，它就是飛行器觀察周圍情況、獲取圖像的“眼睛”——機載光電偵察平臺。

通過機載光電偵察平臺可以執(zhí)行多種軍事任務(wù)，主要包括照相偵察、撒傳單、信號情報收集、撒布雷達干擾箔條、防空火力誘餌、防空陣地位置標識、直升機航路偵察、為武器系統(tǒng)提供目標定位和目標指示、目標動態(tài)監(jiān)視和目標毀傷評估的實時情報等。近年來,在商用救助、災(zāi)情防救、邊防稽私等方面也有其重要作用。在此僅對光電偵察平臺的相關(guān)技術(shù)及其發(fā)展進行討論。

1 光電偵察平臺的發(fā)展概況

航空偵察起源于18世紀末，當時用氣球進行目視偵察。19世紀50年代開始出現(xiàn)了航空照相，當時人們試圖用風箏、氣球（1858年）將照相機帶到空中對地面拍攝，繪制地形圖，這也成為機載平臺最早的雛形。1911年底至1912年初，意大利首先用飛機進行了目視和照相偵察。1915年末開始有專用的航空攝影機用于航空偵察。在一戰(zhàn)中期，戰(zhàn)爭情況發(fā)生了很大變化，作戰(zhàn)縱深增大了，軍隊的技術(shù)裝備有了很大改進，雙方對重要的軍事目標也都采用了偽裝措施。這時，地面?zhèn)刹旌涂罩心恳晜刹煲巡荒軡M足需要，于是空中照相偵察被提到了重要的地位，飛機逐漸成為航空偵察的主要工具。在第二次世界大戰(zhàn)中，主要交戰(zhàn)國以飛機照相偵察為主，航空相機成為機載平臺的一種。第二次世界大戰(zhàn)以后，航空相機這種機載平臺雖然有它非常重要的軍事價值，但是由于其不能實時判讀，不能滿足戰(zhàn)場實時性的要求，人們開始開發(fā)新型的機載光電偵察平臺，其目的是可以實時地提供戰(zhàn)場情況給指揮員，從而根據(jù)戰(zhàn)場情況做出新的判斷。

隨著遙感等科學技術(shù)的進步，尤其是微電子學的發(fā)展，無人偵察機的研制呈現(xiàn)出新高潮，并成為世界各國軍備競賽的新熱點，其中的主要偵察設(shè)備光電偵察平臺的研制也日益受到重視。光電偵察平臺是近十年來發(fā)展極為迅速的一種新型實時圖像偵察設(shè)備，已經(jīng)由單一的光學照相向多光譜照相、紅外成像、微波成像和可見光成像等多方面延伸。下面簡單介紹幾種常用類型的光電偵察平臺[1]：

1）單載荷光電偵察平臺

機載單載荷光電偵察平臺，由于受到體積、重量、成本和戰(zhàn)術(shù)任務(wù)需要等方面的限制，只能裝載一種傳感器，如C C D電視、前視紅外等。這類光電偵察平臺的特點是小型化，主要用于無人機。隨著無人機用于實戰(zhàn)，單載荷光電偵察平臺得到了快速的發(fā)展。無人機具有體積小、雷達反射截面小、造價低和不必考慮人員安全等特點，非常適合于戰(zhàn)場偵察。目前，雖然單載荷光電偵察平臺的用途受到限制，但仍然有著不可低估的作用。隨著新型材料的出現(xiàn)及技術(shù)的不斷進步，單載荷光電偵察平臺已經(jīng)發(fā)展到超小型、載荷快速插拔、快速互換，不僅能傳回視頻圖像，還能完成跟蹤的功能，達到輕便、易維修、更容易投入戰(zhàn)場使用的目的。

2）雙載荷光電偵察平臺

單載荷光電偵察平臺因為只能在白天或者夜間工作，不能實現(xiàn)全天候的使用要求，從而出現(xiàn)了雙載荷光電偵察平臺。它既可以在白天工作，也可以夜間使用，不用更換任務(wù)載荷，極大地提高了使用效率。目前，機載雙載荷光電偵察平臺通常有2種結(jié)構(gòu)形式：兩框架兩軸結(jié)構(gòu)和四框架四軸結(jié)構(gòu)。后者由于能夠有效隔離風阻對任務(wù)載荷的影響，所以穩(wěn)定精度要比前者高很多，更利于偵察與跟蹤。THALES公司的EOTS-31雙載荷光電偵察平臺采用了四框架兩軸的結(jié)構(gòu)形式，任務(wù)載荷為CCD電視和前視紅外。雙載荷光電偵察平臺因其體積和重量相對較小，能夠晝夜工作，目前已在中輕型無人機及直升機上得到廣泛使用。

3）多傳感器光電偵察平臺

在過去20年中，技術(shù)和工業(yè)上的飛速進步催生出一系列體積小、重量輕、功耗低的高性能集成機載傳感器，使機載光電偵察平臺獲得飛速發(fā)展。先進的探測器材料、大型焦平面陣列、傳動裝置、組裝工藝、讀出技術(shù)、信號處理技術(shù)以及數(shù)據(jù)鏈路、數(shù)據(jù)壓縮、聯(lián)網(wǎng)、信息安全等相關(guān)技術(shù)日新月異，再加上生產(chǎn)能力的提高，使得機載光電偵察平臺多載荷集成成為現(xiàn)實，可以在同一平臺下實現(xiàn)可見光、前視紅外、激光指示、激光測距等多種功能。

美國、以色列、加拿大、南非、法國、英國、俄羅斯、意大利等國都己研制出多種型號產(chǎn)品裝備部隊。如以色列的ESP-600C型無人機載光電偵察平臺，采用三框架兩軸穩(wěn)定結(jié)構(gòu)形式，方位轉(zhuǎn)動范圍無限(360°x n)，俯仰轉(zhuǎn)動范圍+10°～ -110°，最大角速度50°/S，最大角加速度 60°/S2，視軸穩(wěn)定精度為15μrad。又如以色列的MOSP型無人機載光電偵察平臺，采用四框架兩軸穩(wěn)定結(jié)構(gòu)形式，方位轉(zhuǎn)動范圍無限(360°x n)，俯仰轉(zhuǎn)動范圍+15°～ -110°，最大角速度30°/S，視軸穩(wěn)定精度為25μrad。上述兩種光電偵察平臺分別代表了各自框架結(jié)構(gòu)形式的無人機載光電偵察平臺的國際先進水平。表1和表2分別為國外和國內(nèi)幾種型號航空光電偵察平臺的主要性能。

從表1可以看出,平臺的有效載荷一般都有可見和紅外探測器,以保證全天時工作。配上電視跟蹤器和激光測距儀,又可實現(xiàn)目標跟蹤和定位的功能。平臺的框架形式二框架二軸穩(wěn)定、三框架三軸穩(wěn)定、四框架兩軸穩(wěn)定等,依據(jù)穩(wěn)定精度、搜索范圍的要求而定。為了保證良好的飛機氣動特性,造型多為球柱,外形美觀、質(zhì)量輕、功能全、結(jié)構(gòu)緊湊、布局合理、通用性強、穩(wěn)定精度高。

國內(nèi)無人機載光電偵察平臺的研制起步較晚，90年代初開始研制無人機載電視偵察平臺。近年來,國內(nèi)航空光電偵察平臺也有較大發(fā)展,無論在平臺質(zhì)量,還是有效載荷、穩(wěn)定精度方面都取得較大進步。國內(nèi)航空光電偵察平臺的研制情況如表2所示。

從表1和表2可以看出,國內(nèi)在航空光電偵察平臺研制方面與國外相比還有較大差距,尤其在體積和質(zhì)量方面,其原因主要在于框架形式、材料以及其材料,以及光學結(jié)構(gòu)的小型化設(shè)計和制造技術(shù)水平存在較大差距。

表1 國外航空光電偵察平臺的參數(shù)

表2 國內(nèi)航空光電偵察平臺的參數(shù)

2 光電偵察平臺的發(fā)展趨勢

未來，偵察監(jiān)視仍然是無人機的主要任務(wù)，因此光電偵察平臺仍將在無人機的作戰(zhàn)應(yīng)用中扮演重要角色。隨著許多關(guān)鍵技術(shù)不斷取得突破，各種設(shè)計成本合理、通用性強、模塊化、小型化的光電偵察監(jiān)視載荷將成為發(fā)展的主流[2]。

1)隨著航空偵察朝著空間的立體化、情報信息的實時化、手段的多樣化、偵察與打擊一體化，提高裝備生存能力方向發(fā)展，要求光電偵察平臺技術(shù)先進、手段多樣、空間廣延、時間連續(xù)、信息傳遞快速。因此機載光電偵察平臺會越來越復(fù)雜化和多樣化，而四框架兩軸平臺因為其眾多的優(yōu)點，必然會越來越受到青睞，有著廣闊的發(fā)展空間。

2)機載光電偵察平臺系統(tǒng)數(shù)字化。機載光電偵察平臺系統(tǒng)必須實現(xiàn)數(shù)字化，才能加強系統(tǒng)的功能和有效性。數(shù)字化偵察圖像具有以下幾方面的優(yōu)點:

（1）圖像增強。通過數(shù)字化對比度處理，使圖像清晰度更好。

（2）辨認和抽取感興趣的區(qū)域?？蓪鼍耙远喾N視角和尺寸顯示出來，數(shù)字工具能夠測算感興趣的目標。

（3）采用數(shù)據(jù)壓縮和錯誤校正編碼，便于圖像分析。目前CCD相機、紅外熱成像和激光測距機等技術(shù)已基本實現(xiàn)了數(shù)字化。

3）穩(wěn)像技術(shù)向著更精確、更靈活、體積小以及價格低、能耗小、易于操作的方向發(fā)展。

4）任務(wù)載荷的“即插即用”技術(shù)。無人機技術(shù)越來越復(fù)雜，其價格也正在攀升，用戶也要求無人機提供多種任務(wù)能力，因此模塊式任務(wù)載荷的概念正在得到越來越多的關(guān)注，它可以使無人機上的單個或多個傳感器根據(jù)每項任務(wù)或一系列任務(wù)的需要進行改變。

5）發(fā)展多光譜和超光譜成像技術(shù)。普通的光電成像器件在探測目標時，主要依靠圖像對比度和空間分辨率來區(qū)別目標與背景。而光譜成像傳感器以目標與背景的固有光譜為基礎(chǔ)，在不同的波段上辨別各種目標，提高系統(tǒng)的反偽裝、反隱蔽和反欺詐能力。光譜分辨率為0.01的超光譜成像系統(tǒng)可在幾百個頻帶上對目標進行超高分辨率或超精細觀察，最佳用途是對照自然背景發(fā)現(xiàn)人工制造的目標。這種觀察設(shè)備工作的波段為0.4～1.5μm，能區(qū)分綠色帆布或坦克上的偽裝涂料顏色。光譜分辨率為0.001的極光譜系統(tǒng)能在上千個頻帶上觀察和記錄目標，其光譜測量范圍為中紅外至遠紅外，主要用于分析類似氣體的物質(zhì)，特別適合用來探測分析煙縷的成分或空氣中是否存在神經(jīng)性毒劑等。

美軍《2005～2310無人飛行器系統(tǒng)路線圖》中明確提出將100譜帶的超光譜成像傳感器作為2010～2015年無人機具備的能力，而2020～2030年將使用1 000譜帶的超光譜成像設(shè)備[3]。這兩種成像傳感器已在飛機和衛(wèi)星上使用，現(xiàn)正在“全球鷹”和“捕食者”無人機上進行裝備試驗。美國的民用和商用領(lǐng)域已經(jīng)對多光譜/超光譜成像的研究建立了 “現(xiàn)象庫”，這將大大簡化這類傳感器應(yīng)用于無人機的難度。

6）研發(fā)微型無人機光電傳感器技術(shù)。微型無人機可由士兵攜帶，能完成常規(guī)偵察手段難以實現(xiàn)的近距離低空偵查監(jiān)視以及對隱蔽處和有障礙的細節(jié)目標的探測，具有其它偵察設(shè)備無法比擬的優(yōu)勢。美軍已將開發(fā)微型無人機光電傳感器技術(shù)列為微型無人機發(fā)展的重要戰(zhàn)略內(nèi)容。Raytheon公司已經(jīng)開始研制第四代前視紅外技術(shù)（靈巧焦平面陣列技術(shù)），計劃將其用于微型無人機。它采用碲鎘汞傳感器和先進的信號處理融合技術(shù)，可以覆蓋整個可見光波段和近、中、遠紅外波段，體積小，質(zhì)量輕，探測能力強，可能會成為近距、低成本的成像偵察設(shè)備的首選[1]。

3 結(jié) 語

無人機光電系統(tǒng)在實際戰(zhàn)爭環(huán)境中取得的成功使得它成為現(xiàn)代部隊裝備中最具有前途的技術(shù)之一。為了支持高精度的偵察、瞄準和打擊任務(wù)，無人機上將集成大量的光電系統(tǒng)。由于市場的牽引，國外近年在光電偵察平臺技術(shù)發(fā)展很快,向著平臺質(zhì)量更輕、傳感器更多更小、穩(wěn)定精度更高的方向發(fā)展。

[1]楊英.無人機的偵查、監(jiān)視用有效載荷現(xiàn)狀與發(fā)展動向[J].飛航導彈，2007.

[2]賀作豪.無人機任務(wù)載荷發(fā)展趨勢（上）（下）[J].無人機，2003.

[3]邵福才.美軍無人機發(fā)展情況綜述 [J].外軍信息戰(zhàn)，2006.