美軍新型機載光電瞄準系統(tǒng)工作原理分析

陳 健，王偉國，劉廷霞，張振東

(中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春130033)

美軍新型機載光電瞄準系統(tǒng)工作原理分析

陳 健*，王偉國，劉廷霞，張振東

(中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春130033)

光電瞄準系統(tǒng)(EOTS)將前視紅外和紅外搜索跟蹤進行了綜合，進而可以獲得高分辨率圖像，實現(xiàn)自動跟蹤、紅外搜索跟蹤、激光指示、激光測距和激光點跟蹤。本文針對美國研制的EOTS的工作原理展開分析和研究，概述了EOTS的概念和技術特點，顯示了其作為新一代機載光電瞄準系統(tǒng)的先進性。對EOTS多功能系統(tǒng)、光學元件、紅外搜索跟蹤、維護和研制規(guī)劃進行了介紹，著重分析了EOTS的自動視軸校準系統(tǒng)，主要包括自動視軸校準系統(tǒng)的工作原理和工作步驟。最后，本文對EOTS系統(tǒng)的性能進行了總結。

F-35閃電II型；光電瞄準系統(tǒng)；前視紅外；紅外搜索跟蹤

1 引 言

美國研制的“光電瞄準系統(tǒng)”(Electro Optical Targeting System,EOTS)首次將前視紅外和紅外搜索跟蹤功能集于一體。EOTS對于空對空和空對地跟蹤提供了一種價格較低、高性能、輕量化的多功能系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)，飛行員可以獲得高分辨率圖像、及進行自動跟蹤、紅外搜索跟蹤、激光指示、激光測距和激光點跟蹤。EOTS與F-35機身相結合，外部由藍寶石玻璃保護，內部通過高速視覺光纖和機上計算機連接[1-4]。

EOTS采用了先進的傳感器技術，還采用了不引人注意的藍寶石玻璃設計，先進的算法可以提供遠程的目標識別和跟蹤。在紅外搜索跟蹤模式下，EOTS可以在遠程定位和跟蹤多飛行器目標，以保證高殺傷性和高生存性[5-7]。

EOTS的模塊化設計使得其維修非常方便，確保了二級維護。

EOTS具有以下特點：(1)結實、不引人注意的、小面玻璃設計，適用于超音速、低觀測行動；(2)緊密的單一孔徑設計；(3)輕量化設計(lt;90.72 kg)，包括玻璃機構；(4)先進的傳感器技術；(5)空對地/空對空前視紅外跟蹤、空對空紅外搜索跟蹤模式;(6)模塊化設計應用于二級維護，減少了生命周期成本；(7)自動視軸校準與飛行器成一條直線；(8)戰(zhàn)術上有利于保障人眼安全的二極管泵浦激光器；(9)激光點跟蹤；(10)被動與主動搜索；(11)高精度地理坐標生成用以滿足精確打擊。

本文首先概述了EOTS的技術特點，然后著重分析了EOTS的系統(tǒng)組成，最后重點研究了EOTS的工作原理，并對其主要技術性能和關鍵技術進行了分析。

2 EOTS系統(tǒng)介紹

導彈和火控方面的專家在瞄準系統(tǒng)設計方面具有足夠的經驗和優(yōu)勢，他們設計的系統(tǒng)指標甚至可以超過F-35所要求的指標。AN/AAQ-33狙擊手先進瞄準吊艙和AN/AAS-42紅外搜索跟蹤系統(tǒng)中的設計經驗被應用到AN/AAQ-40光電瞄準系統(tǒng)(EOTS)的設計中。EOTS是世界上第一個也是唯一一個將前視紅外和紅外搜索跟蹤功能集于一體的系統(tǒng)。將這兩個功能整合到一個傳感器是一個巨大的技術挑戰(zhàn)[8-11]。

2.1 多功能系統(tǒng)

作為空對地瞄準吊艙，EOTS最初用于三分之一的F-35戰(zhàn)機。但是美國海軍成功地論證了EOTS可作為絕對不可替代單元來裝備每架F-35戰(zhàn)機。EOTS為協(xié)同作戰(zhàn)提供激光指示和激光點跟蹤、空對空和空對地紅外前視跟蹤、數(shù)字變焦、廣域紅外搜索跟蹤、地理坐標生成用以支持GPS制導武器。后來，F(xiàn)-35的3種型號全部配備EOTS。

EOTS的尺寸(W×D×H)大約為493 mm×698 mm×815 mm，EOTS安裝于一個不到0.11 m3的盒子中，重91 kg。DAS傳感器安裝在EOTS的左側和右側，雷達設備安裝在EOTS的上方，空間非常緊湊。相比較，狙擊手吊艙長2.3 m、重200 kg。制冷方式的不同是造成狙擊手吊艙和EOTS吊艙尺寸差異的一個原因。大多數(shù)常規(guī)瞄準吊艙，例如狙擊手，采用的是風冷方式，其需在吊艙背后攜帶一個必要的風冷系統(tǒng)，而EOTS是液冷系統(tǒng)，使用飛機內部的PAO(聚α-烯烴)進行制冷。EOTS如圖1所示。

圖1 光電瞄準系統(tǒng)(EOTS)圖Fig.1 Photo of EOTS

EOTS位于F-35機身前部下方，雷達和座艙艙壁之間。EOTS安裝位置如圖2所示。EOTS在F-35上的空間緊湊，所以它不具有以往瞄準系統(tǒng)那樣像望遠鏡一樣長直的光路。由于空間非常有限，導致標準瞄準系統(tǒng)的直線光路物理上不可實現(xiàn)。因此EOTS的光路通過反射鏡折疊，通過棱鏡將光線折射到幾個不同的焦平面陣列。從入光點到焦平面陣列或者探測器，光線至少被折反射4次[12]。

圖2 EOTS在F35上安裝位置Fig.2 Installation position of EOTS on F35

F-35之所以如此神奇是因為其具有融合傳感器。APG81雷達針對空中目標具有比紅外目標更高的精度，同時EOTS的方位精度可以達到一個像素，超過雷達系統(tǒng)。將這兩個系統(tǒng)結合使用，F(xiàn)-35可以實現(xiàn)更小目標的定位。這樣，武器系統(tǒng)將會更加有效，同時也可以將高精度的定位信息傳遞給其他作戰(zhàn)單元。

2.2 光學元件

EOTS封裝在由7塊藍寶石玻璃組成的玻璃機構中。每一塊藍寶石玻璃都是一個單獨部分，固定在一個整體框架上，共同組成玻璃機構。根據(jù)飛行器雷達標記的需求，EOTS的玻璃機構首次使用這種設計方式。與此不同的是，AAQ-33狙擊手吊艙僅由4塊較小的玻璃組成，并且傳感器和窗口之間存在一個小角度。在滿足光學性能需求的同時需滿足雷達標記的要求，這是一個真正的挑戰(zhàn)性設計。而EOTS玻璃機構的設計，滿足了以上的功能需求。EOTS玻璃機構如圖3所示。

圖3 EOTS玻璃機構Fig.3 Glass assembly of EOTS

EOTS內部對于萬向節(jié)和主入透鏡采用獨特的設計，主入透鏡(A-focal)稱為無焦透鏡組或者方位機構，此機構用于提供水平到水平的視場。主入透鏡安裝在距離保護玻璃0.635 cm的右上方。這種復雜的設計是針對低可觀測的數(shù)字變焦多視場觀察需求而設計的。第二個透鏡是俯仰機構，這是一個全新設計的透鏡，它被安裝在主入透鏡對面與主入透鏡成45°角，它的旋轉提供垂直方向的視場。俯仰機構使光直線進入光路。系統(tǒng)的上側是激光器，與狙擊手ATP使用的激光器相同，但是出光路徑不同。激光器下面、萬向節(jié)機構的上面是兩塊電路板或者電子控制機構。其中一塊電路控制功率伺服，另外一塊電路是圖像處理電路。通過光導纖維通道將傳感器數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)骄C合核心處理器。整個EOTS機構綜合為一個穩(wěn)定的系統(tǒng)。系統(tǒng)的穩(wěn)定性可確保在地面上保持一個點指示，這樣可以為GPS制導武器瞄準提供穩(wěn)定的地理坐標。

2.3 紅外搜索跟蹤

對于F-35戰(zhàn)機這樣的隱形作戰(zhàn)平臺，其飛行器標記需要精心管理。由于F-35具備紅外搜索跟蹤系統(tǒng)，其紅外傳感器是被動探測，不發(fā)射任何射線，除非激光系統(tǒng)啟動。如果APG81雷達超出探測范圍，飛行員可以通過使用紅外跟蹤探測模式將數(shù)據(jù)發(fā)送給EOTS，進行高精度的被動光電跟蹤，這樣可以最大限度地減少傳輸?shù)纳漕l能量和對飛機標記[13]。

EOTS紅外搜索跟蹤裝置使用萬向節(jié)、慣性測量單元和快速旋轉鏡提供精確的穩(wěn)定性。紅外搜索跟蹤采用被動跟蹤方式，具有廣域搜索能力，由于其采用了獨特的萬向節(jié)設計，相比于APG81雷達具有高速掃描和較高擺率的。

2.4 維 護

EOTS是二級維護系統(tǒng)，支持維修人員使用嵌入式測試功能、對獨立線性可更換單元(LRC)進行快速更換。EOTS可以從F-35戰(zhàn)機上拆除，維修人員可以更換其中的15個LRC。

2.5 研制規(guī)劃

EOTS傳感器設計在2010年9月F-35系統(tǒng)發(fā)展和演示階段完成。大多數(shù)EOTS的飛行測試是在亞利桑那州完成的。2007年5月完成首次飛行測試，測試人員包括飛行員、副飛行員、傳感器操作員和飛行測試主管。

2010年5月，EOTS懸掛在波音737飛機上進行了對地面出租車的測試。配備DAS、APG81、ESM、CNI、F-35座艙和工程測試平臺，CatBird可以測試全部的傳感器。EOTS安裝在一個與F-35相同的玻璃機構中，將圖像傳輸?shù)綔y試座艙中。EOTS測試實驗如圖4所示。

圖4 EOTS測試實驗Fig.4 Testing experiment of EOTS

2011年3月，EOTS開始懸掛在F-35戰(zhàn)機上進行實驗。

3 自動視軸校準

每次EOTS啟動時，自動視軸校準機構將激光和前視紅外校準到一條直線。視軸校準機構是一個安裝在萬向節(jié)后面的單元。當EOTS啟動時，傳感器旋轉進入視軸校準單元，并且使自己同前視紅外和激光成一條直線，這樣它們就可以指向同一個點。具有單一孔徑意味著前視紅外和激光都通過同一光路[14]。

飛機上的所有傳感器在空間上都需要通過視軸校準到同一個點，這樣飛行員在雷達顯示上看到的地面上的點與在光電系統(tǒng)上看到的是同一個點。

設計人員致力于設計一個更大孔徑系統(tǒng)EOTS，來提高飛行器更大的探測范圍。

EOTS結構部件示意圖如圖5所示。通過此圖片可以看到部分的EOTS組件，其中包括方位旋轉萬向節(jié)、俯仰旋轉反射鏡、窗口透鏡和視軸校準機構。其中，方位旋轉萬向節(jié)可以提供360°方位旋轉；俯仰旋轉反射鏡可以提供210°俯仰旋轉；窗口透鏡可以提供光學發(fā)射和接收的單一孔徑；視軸校準機構可以提供自動視軸校準。

圖5 EOTS結構部件示意圖Fig.5 Sketch of EOTS structure assembly

每次EOTS上電啟動時，都先將紅外視軸和激光發(fā)射軸調整到一條直線上[15]。

工作步驟如下：

(1)視軸校準機構工作，紅外光源發(fā)光，經過反射鏡，將光源發(fā)射出去；

(2)俯仰旋轉反射鏡旋轉，將視軸校準機構光源調整到紅外視場中心，這樣保證紅外視軸和視軸校準機構的光軸在同一條直線；

(3)激光發(fā)射機構工作，發(fā)射激光，經過俯仰旋轉反射鏡入射到視軸校準機構；

(4)激光經過衰減片減少能量；

(5)激光經過衰減后，入射到傳感器；

(6)理論上，激光點應該在傳感器視場中心，但是實際上激光發(fā)射軸和紅外視軸間存在一定的偏差，所以激光點落在視場偏離中心位置；

(7)調整激光發(fā)射軸的慢速反射鏡，直至使激光點落在中心位置；

(8)至此，完成紅外視軸和激光發(fā)射軸調整，此時EOTS系統(tǒng)的紅外視軸和激光發(fā)射軸在同一條直線上。

圖6 視軸校準機構工作示意圖Fig.6 Operation diagram of boresight calibration mechanism

圖7 視軸校準機構傳感器成像示意圖Fig.7 Diagram sketch of sensor imaging of boresight calibration medanism

視軸校準機構工作示意圖如圖6所示。視軸校準機構傳感器成像示意圖如圖7所示。

4 結 論

EOTS是美國研制的世界上第一個也是唯一的一個整合前視紅外和紅外搜索跟蹤功能于一體的系統(tǒng)。通過EOTS，飛行員可以獲得高分辨率圖像，可以進行自動跟蹤、紅外搜索跟蹤、激光指示、激光測距和激光點跟蹤。在紅外搜索跟蹤模式下，EOTS可以遠程定位和跟蹤多飛行器目標，以保證高殺傷性和高生存性。機載光電設備在現(xiàn)代信息化戰(zhàn)爭中具有獨特的優(yōu)勢，已經成為信息作戰(zhàn)體系的重要組成部分。隨著EOTS的出現(xiàn)，必將帶來機載光電設備的又一次飛躍發(fā)展。

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陳 健(1981—)，吉林長春人，博士，助理研究員，2005年于吉林大學獲得學士學位，2007年于吉林大學獲得碩士學位，2014年于中國科學院大學獲得博士學位，現(xiàn)為中國科學院長春光學精密機械與物理研究所助理研究員，主要從事高精度快速數(shù)字伺服系統(tǒng)方面的研究。E-mail：chenjian4500@163.com

TheoperationalprincipleanalysisofnewairborneElectro-OpticalTargetingSystem(EOTS)ofUSarmy

CHEN Jian*,WANG Wei-guo,LIU Ting-xia,ZHANG Zhen-dong

(ChangchunInstituteofOptics,FineMechanicsandPhysics,ChineseAcademyofSciences,Changchun,Jilin130033,China)

*Correspondingauthor，E-mail：chenjian4500@163.com

The Electro-Optical Targeting System(EOTS) integrates forward-looking infrared(FLIR) and infrared search and track(IRST) to obtain high-resolution images for automatic tracking,infrared search tracking,laser target designating,laser ranging,and laser spot tracking.In this paper,we analyze and study the operating principle of EOTS developed in the United States.Firstly,we summarize the concept and the technical characteristics of EOTS,and present its advanced nature as a new generation of airborne EOTS.Secondly,the EOTS multi-function system,optical components,IR search,maintenance and development planning are introduced.The operational principle and steps of the automatic bore sight calibration system of EOTS are analyzed emphatically.Finally,the performance of EOTS system is summarized.

F-35 Lighting II;EOTS;FLIR;IRST

2017-07-11；

2017-09-13

長春市科技計劃項目(長科技合(2013270)號)

2095-1531(2017)06-0777-06

TN976

A

10.3788/CO.20171006.0777