無人機(jī)光電任務(wù)載荷成像傳感器分析

航空工業(yè)洛陽電光設(shè)備研究所，河南省 洛陽市 471009

結(jié)合國(guó)外無人機(jī)光電任務(wù)載荷成像傳感器發(fā)展情況，對(duì)可見光傳感器、長(zhǎng)波紅外傳感器、中波紅外傳感器和短波紅外傳感器的特點(diǎn)進(jìn)行了分析，對(duì)光電任務(wù)載荷成像傳感器的未來進(jìn)行了展望。

無人機(jī)光電任務(wù)載荷主要采用成像傳感器收集目標(biāo)/背景輻射或反射的信號(hào)，通過模擬或數(shù)字處理生成供人眼觀察的圖像，具有被動(dòng)探測(cè)、抗電磁干擾，提供的圖像情報(bào)直觀、實(shí)時(shí)、分辨率高等特點(diǎn)，能夠有效增強(qiáng)飛機(jī)平臺(tái)的態(tài)勢(shì)感知能力。目前，光電任務(wù)載荷成像傳感器主要包括可見光和紅外兩種類型。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，成像傳感器在探測(cè)波段、分辨率、體積重量等方面取得的長(zhǎng)足發(fā)展，為提升光電任務(wù)載荷的探測(cè)能力起到了非常大的促進(jìn)作用。

可見光傳感器

可見光傳感器也稱為電視攝像機(jī)，其工作波段一般在0.5～1μm之間，包含了人眼可響應(yīng)的波段?？梢姽鈧鞲衅髦饕^測(cè)目標(biāo)的光譜反射輻射特性，依賴太陽光照明，通過增加和減少有效的采集時(shí)間來適應(yīng)環(huán)境光的變化?？梢姽鈧鞲衅鳙@取的圖像感觀上與人眼直接觀察的圖像相同，圖像細(xì)節(jié)豐富，非常有利于人的視覺系統(tǒng)識(shí)別目標(biāo)，紅外探測(cè)雖然白天也可以使用，但也不能替代可見光探測(cè)。由于復(fù)雜天氣下可見光的穿透能力有限，同時(shí)夜間目標(biāo)反射的可見光十分微弱，因此可見光傳感器在復(fù)雜天氣和夜間使用受到限制。

可見光探測(cè)器件已由膠片、模擬制式的線列探測(cè)器向大面陣數(shù)字制式方向發(fā)展，CCD/CMOS器件的成像質(zhì)量已經(jīng)趨于完美，分辨力與膠片基本相當(dāng)。早期可見光傳感器主要輸出灰度圖像，視頻分辨率普遍不高，隨著技術(shù)的發(fā)展目前能夠輸出彩色高清圖像，能夠很好的利用目標(biāo)顏色特征完成對(duì)目標(biāo)的識(shí)別，這對(duì)搜救和近距火力支援方面有很大的幫助。美國(guó)“捕食者”無人機(jī)目前裝備的雷神公司MTS-B光電系統(tǒng)包含可見光彩色傳感器，最小視場(chǎng)達(dá)到0.11°×0.08°，可見光傳感器成像效果如圖1所示。

紅外傳感器

紅外傳感器是光電任務(wù)載荷實(shí)現(xiàn)晝夜探測(cè)能力的主要傳感器，主要分為長(zhǎng)波紅外傳感器、中波紅外傳感器和短波紅外傳感器。其中，長(zhǎng)波紅外傳感器工作在8～12μm，中波紅外傳感器工作在3～5μm，短波紅外傳感器工作在1～3μm。長(zhǎng)波紅外傳感器和中波傳感器主要利用物體(目標(biāo)/背景)自身發(fā)射的紅外波段的輻射完成對(duì)目標(biāo)的探測(cè)，完全不依賴周邊環(huán)境的光源，可在晝夜條件下使用，是其他傳感器不可替代的光學(xué)探測(cè)通道。短波紅外傳感器主要利用目標(biāo)反射環(huán)境中的短波紅外輻射來實(shí)現(xiàn)探測(cè)，能夠提供可見光、中波紅外和長(zhǎng)波紅外所不能提供的信息，對(duì)在紅外波段全面獲取目標(biāo)的信息具有重要意義。

長(zhǎng)波/中波紅外傳感器

圖1 可見光彩色傳感器成像圖

圖2 中波紅外傳感器成像圖

長(zhǎng)波/中波紅外傳感器也稱為長(zhǎng)波/中波紅外熱像儀，主要探測(cè)目標(biāo)的熱輻射，長(zhǎng)波傳感器在早期機(jī)載光電偵察系統(tǒng)中應(yīng)用十分廣泛，主要采用線列+機(jī)械掃描方式實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的成像，由于地面目標(biāo)在長(zhǎng)波波段輻射強(qiáng)度較大，同時(shí)長(zhǎng)波探測(cè)器能夠很好的克服戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下火焰等目標(biāo)的干擾。因此，早期無人機(jī)光電任務(wù)載荷中得到了應(yīng)用，但由于制冷型碲鎘汞長(zhǎng)波探測(cè)器存在成本高、穩(wěn)定性較差和大面陣制備難度大等問題，隨著銻化銦技術(shù)的進(jìn)步，中波紅外探測(cè)器面陣規(guī)模不斷擴(kuò)大，通過增加積分時(shí)間等手段，獲得了很好的成像效果，在無人機(jī)光電任務(wù)載荷中得到了很好的應(yīng)用，例如美國(guó)FLIR系統(tǒng)公司研制的Star SAFIRE380-HLD采用1280×720銻化銦探測(cè)器，最小視場(chǎng)達(dá)到0.35°，能夠輸出高清紅外圖像。中波紅外傳感器成像效果如圖2所示。

短波紅外傳感器

圖3 短波紅外傳感器透過汽車玻璃成像效果圖

短波紅外傳感器利用目標(biāo)反射環(huán)境中的短波紅外輻射來實(shí)現(xiàn)探測(cè)，能夠在霧霾和風(fēng)沙等惡劣氣象條件下正常工作，由于其工作波段與激光器工作波段重合，能夠探測(cè)激光光斑的同時(shí)，也可以與激光組成選通成像系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的全天時(shí)遠(yuǎn)距主動(dòng)探測(cè)成像。此外，短波紅外傳感器能夠穿透玻璃觀測(cè)目標(biāo)，例如看到汽車內(nèi)部情況(見圖3)，這將對(duì)警用和軍用偵察任務(wù)方面提供很大的幫助。目前，采用銦鎵砷材料制備的短波紅外傳感器無需制冷，在0.9～1.7μm波段具備很高的探測(cè)靈敏度，在無人機(jī)光電任務(wù)載荷中得到了廣泛的應(yīng)用，幾乎目前所有先進(jìn)的無人機(jī)光電任務(wù)載荷均配備了短波紅外傳感器，L-3 WESCAM公司的MX-25光電系統(tǒng)短波紅外傳感器最小視場(chǎng)達(dá)到0.2°，能夠?qū)资淄獾孛孳囕v清晰成像，F(xiàn)LIR系統(tǒng)公司研制的Star SAFIRE380-HLD系統(tǒng)短波紅外傳感器能夠?qū)す夤獍叱上?如圖4)。短波紅外傳感的應(yīng)用是光電任務(wù)載荷發(fā)展的一個(gè)十分重要的方向。

光電成像傳感器的發(fā)展

無人機(jī)光電任務(wù)載荷通過光電成像傳感器提供實(shí)時(shí)大范圍區(qū)域的高分辨率圖像，在警用、軍用等多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮了關(guān)鍵作用，隨著使用需求的發(fā)展和光電技術(shù)的進(jìn)步，光電成像傳感器的發(fā)展將呈現(xiàn)以下趨勢(shì)。

空間分辨能力不斷向高分辨率發(fā)展

光電成像傳感器的空間分辨率決定了系統(tǒng)的作用距離和操作人員對(duì)目標(biāo)的辨識(shí)能力，而空間分辨率取決于光學(xué)系統(tǒng)焦距和探測(cè)器像元尺寸，隨著光學(xué)設(shè)計(jì)、加工工藝及光學(xué)裝調(diào)技術(shù)的發(fā)展和大陣列探測(cè)器制備技術(shù)的發(fā)展，使得光電成像傳感器的空間分辨率不斷提高，也提升了對(duì)目標(biāo)的作用距離。例如，L-3 WESCAM公司的MX-25光電系統(tǒng)采用1280×1024中波紅外探測(cè)器和長(zhǎng)焦距光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了0.86°極窄探測(cè)視場(chǎng)，單個(gè)像元空間分辨率達(dá)到近14μrad，能夠?qū)h(yuǎn)距目標(biāo)實(shí)現(xiàn)高分辨率成像，提升目標(biāo)的探測(cè)距離。

圖4 Star SAFIRE380-HLD系統(tǒng)短波紅外傳感器對(duì)車輛和激光光斑成像圖

圖5 不同空間分辨率對(duì)目標(biāo)探測(cè)效果影響對(duì)比圖

多傳感器綜合使用提升感知能力

無人機(jī)光電任務(wù)載荷將可見光、長(zhǎng)波紅外、中波紅外和短波紅外等多種傳感進(jìn)行集成，通過不同傳感器的組合使用能夠充分發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，提升系統(tǒng)的性能，如利用紅外與可見光圖像的特點(diǎn)進(jìn)行融合實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的有效探測(cè)識(shí)別；利用短波紅外與激光照射器組合實(shí)現(xiàn)對(duì)激光光斑的實(shí)時(shí)探測(cè)和修正，確保激光光斑照射在目標(biāo)上，提高對(duì)武器系統(tǒng)的引導(dǎo)精度；根據(jù)人眼視覺特性利用圖像增強(qiáng)算法對(duì)圖像進(jìn)行處理，由“看見目標(biāo)”向“看清目標(biāo)”方面發(fā)展，降低操作人員觀察目標(biāo)過程中的工作強(qiáng)度。

展望

由于機(jī)載環(huán)境對(duì)光電任務(wù)載荷體積、重量和功耗限制，在未來可以預(yù)見光電成像傳感器將向著綜合化、小型化和模塊化方向，在此前提下不斷提升性能指標(biāo)，包括探測(cè)器面陣規(guī)模、光學(xué)焦距、探測(cè)波長(zhǎng)范圍，主要目的仍然是滿足戰(zhàn)場(chǎng)任務(wù)瞬息變化和多樣性的要求。未來無人機(jī)可能將逐步取代攜帶光電任務(wù)載荷執(zhí)行任務(wù)的有人直升機(jī)，中等尺寸的無人機(jī)可以執(zhí)行同樣的識(shí)別和瞄準(zhǔn)任務(wù)，而且成本較低，同時(shí)沒有人員傷亡的風(fēng)險(xiǎn)。