航空光電偵察技術發展研究

王惠林，寧 飛，劉吉龍

（西安應用光學研究所，陜西西安710065）

引言

在未來的高技術局部戰爭條件下，制信息權已經成為贏得戰爭的首要條件。制信息權主要包括獲取我方和敵方的有效信息，以及保證我方信息不被敵方獲取[1]。航空偵察一直是信息獲取的主要方式，它能克服地面偵察設備受地形障礙物和地球曲率的限制，是各國軍事偵察的重要手段。航空光電偵察具有隱蔽性強、直觀性好、分辨率高等優點，能夠實現全天時、大范圍的戰場監視、目標捕獲、武器制導和告警對抗，已經成為戰場奪取信息優勢的重要手段[2-5]。

1 航空光電系統的分類

根據航空光電偵察的作戰任務需求，將機載光電系統主要分為凝視觀瞄、情報偵察監視、紅外搜索與跟蹤以及告警與對抗四大類。

1.1 凝視觀瞄

凝視觀瞄光電系統能夠實現戰役級戰場偵察、目標識別、定位、武器制導以及毀傷效果評估，通常安裝有電視攝像機、紅外熱像儀、激光測照器、激光光斑跟蹤器等多種光電傳感器，具有實時性強、作用距離遠、瞄準精度高等特點。按其搭載不同飛機平臺特點，可分為配裝于常規飛機的TURRET 型凝視觀瞄吊艙、配裝于戰斗機的POD 型凝視觀瞄吊艙以及配裝于隱身飛機的內埋式保形低RCS 光電搜索瞄準系統。典型的產品有Raytheon公司研制的MTS-B 多光譜瞄準系統，Lockheed Martin 公司研制的Sniper XR 吊艙和EOTS 光電瞄準系統[6-7]，如圖1所示。

圖1 典型的凝視觀瞄光電產品Fig.1 Typical products of electro-optical targeting system

MTS-B 多光譜瞄準系統采用多譜段傳感器集成技術，極小視場采用多波段共孔徑光學設計形式，電視、熱像中大視場進行獨立模塊設計，選用1 280×1 024 像素銻化銦中波紅外探測器和640×512像素短波紅外探測器，集成光斑跟蹤器、激光標示器，穩定方面則采用平臺與反射鏡復合的二級穩定，主要裝備于美國空軍MQ-9“捕食者”B 無人攻擊機和美國海軍MQ-4C“人魚海神”無人機[8]。

1.2 情報偵察監視

情報偵察監視光電系統能夠實時覆蓋大范圍地/海面偵察區域，以足夠的分辨力執行目標鑒別并進行戰場態勢評估，具有距離遠、偵察范圍廣、圖像分辨率高等特點[9-10]。典型的產品有Goodrich公司研制的DB-110 長焦傾斜相機和Raytheon 公司研制的ERU 光電系統，如圖2所示。

圖2 典型的情報偵察監視光電產品Fig.2 Typical products of intelligence and reconnaissance surveillance system

ERU 裝備在美國RQ-4“全球鷹”無人機上，是一種具有廣域搜索偵察與目標精確定位能力的長焦距雙波段高精度機載光電載荷。其采用全反射式雙波段（中波紅外和近紅外）共孔徑光學系統，安裝在兩軸穩定框架的內環中，通過高精度兩軸穩定平臺和快速反射鏡（fast steering mirror,FSM）復合控制技術，在橫滾、俯仰軸上按照規律運動，以實現無縫地理掃描，以步進凝視拍攝和圖像實時拼接方式，形成幅寬10 km 以上的偵察態勢圖，每晝夜監視范圍可達180 000 km2。

1.3 紅外搜索與跟蹤

紅外搜索與跟蹤光電系統用于對中遠距離空中目標的搜索和預警，主要強調對弱小目標的探測能力和低虛警率，典型產品有歐洲臺風戰機裝備FLIR/IRST 搜索跟蹤系統和俄羅斯Su 系列戰斗機裝備的OLS-35 光雷達，如圖3所示。

圖3 典型的紅外搜索與跟蹤光電產品Fig.3 Typical products of infrared searching and tracking system

OLS-35 光雷達將掃描型紅外傳感器、電視攝像機、激光測距機、目標指示器集成式穩定，信息綜合顯示輸出。其功能是對目標進行全方位的搜索、探測、捕獲、識別和跟蹤測距，將角度坐標和距離數據輸出給光電瞄準和導航系統，為中程空空導彈和集成火炮系統的異步射擊提供目標指示[11]。

1.4 告警與對抗

告警與對抗光電系統能夠對來襲導彈進行探測、威脅判斷、威脅告警和對抗，具有作用距離遠、探測概率高、虛警率低、調轉速度快等特點[12]，典型產品有Northrop Grummma 公司研制的Nemesis對抗系統和英國Selex Galileo 公司研制的Eclipse對抗系統，如圖4所示。Eclipse 對抗系統采用兩軸定天鏡方案，將激光和熱像進行共光路設計，快速調轉速度超過1 200°/s，加速度為4 000°/s2[13]。

圖4 典型的告警與對抗光電產品Fig.4 Typical products of missile warning and countermeasures system

2 航空光電偵察技術的發展

“看得遠、圖像穩、大范圍感知”是航空光電偵察的核心要求，推動著航空光電系統在光學實現、穩定平臺演進、瞄準線穩定和態勢感知等方面的關鍵技術不斷進步[14]。

2.1 光學實現

如何在有限的包絡空間和重量的約束下實現更廣的使用范圍和更遠的作用距離，是機載光電系統永恒的追求主題。傳統的光電系統由結構相互獨立的光電傳感器模塊組成，各模塊之間交聯關系明確、互換性強、后期維護成本低，典型產品有FLIR公司研制的BRITE Star 系列光電系統，如圖5所示。

圖5 BRITE Star 光電系統Fig.5 BRITE Star electro-optical system

更廣的使用范圍和更遠的作用距離要求更多類型光電傳感器、更長焦距、更大光學孔徑，互相獨立的光電傳感器模塊均需要獨立的光學系統、結構部件和電子單元，這導致光電系統的體積和重量急劇增大、適裝性變差。因此，在光學實現上采用多波段共光路方式，通過不同的光路設計、分光方式滿足不同波段的成像質量和透過率需求。典型產品有Raytheon 公司研制的MTS-B 多光譜瞄準系統，其共光路光學示意圖如圖6所示。

圖6 MTS-B 共光路光學示意圖Fig.6 Schematic diagram of MTS-B common optical path

2.2 穩定平臺演進

穩定平臺架作為光電系統的核心，為光電傳感器提供可靠支撐，隔離載機振動，從而實現伺服穩定[15]。穩定平臺的發展歷經4 個階段，其實現形式如圖7所示。

圖7 穩定平臺的發展歷程圖Fig.7 Development process of stabilized platform

第1 代平臺穩定性能好，但是機構復雜、控制帶寬低，從而導致運動特性差，常用于影視拍攝，不適用于軍用環境；第2 代平臺機構簡單，運動特性有所提升，可滿足低速軍用平臺集成環境應用；第3 代平臺與第2 代平臺相比，通過增加有限行程高帶寬內環架來提升運動特性和穩定性，滿足大部分軍用平臺集成環境應用，但中心空間利用率有限，限制了長焦距大口徑光學載荷的設計；第4 代平臺采用柔性陣列支撐替代內環架物理軸系，采用周邊交叉布置音圈力矩器組來擴展內環架運動自由度，提升控制帶寬和中心空間利用率，穩定精度高，適用于Step-Stare 成像，滿足大部分軍用平臺集成環境應用。

2.3 瞄準線穩定

“看得遠、看得清、瞄得準”的偵察需求，對光電系統的瞄準線穩定提出更高的要求。瞄準線穩定的方式主要有反射鏡穩定、質量穩定、二級復合穩定和基于慣性偽星參考單元穩定。

反射鏡穩定結構如圖8所示，廣泛應用于車載光電系統、航空相機和紅外搜索與跟蹤等方向。其特點是控制帶寬高、響應速度快、機構緊湊，穩定精度可達20μrad，但俯仰角小于90°，限制了其偵察范圍。

圖8 反射鏡穩定結構示意圖Fig.8 Schematic diagram of mirror stabilization structure

質量穩定結構如圖9所示，廣泛應用于凝視觀瞄光電系統。其特點是回轉范圍大、負載能力強、穩定性能與反射鏡相當，但光學傳感器空間受限，整體體積重量大。

圖9 質量穩定結構示意圖Fig.9 Schematic diagram of mass stabilization structure

二級復合穩定結構如圖10所示，穩定精度高，可達5μrad，廣泛應用于國內外新型光電系統如激光武器、遠距凝視觀瞄和廣域監視系統等，并可用于大掃描速度下的像移補償-“反掃補償”，用于配合大面陣凝視成像探測器的步進凝視，解決了快速掃描過程中清晰成像的問題[16-18]。

圖10 二級復合穩定結構示意圖Fig.10 Schematic diagram of two-level stabilization structure

在大口徑長焦距光學系統中，環架上集成的成像傳感器光學元件發生相對微小位移，造成圖像抖晃，這是前述3 種穩定方式都無法克服的。國內外研究者們提出了基于慣性偽星參考單元（inertial pseudo-star reference unit,IPSRU）的穩 定 結 構，如圖11所示。與傳統二級穩定相比，在陀螺平臺一級穩定的基礎上引入物空間穩定參考光。測量光學元件抖動引起的圖像抖晃，使快反鏡對圖像抖晃進行補償，穩定精度優于1μrad，目前主要應用于國外新型穩瞄系統，如MTS-B 多光譜瞄準系統、太空望遠鏡等[19-21]。

圖11 基于慣性偽星參考單元的穩定結構示意圖Fig.11 Schematic diagram of stabilization structure based on inertial pseudo-star reference unit

2.4 態勢感知

全面準確地掌握戰場態勢，是正確決策和占據戰場主動的基礎。航空光電偵察作為戰場態勢的重要手段，由單純成像感知向基于多源信息融合的綜合化智能感知發展。

根據美國三軍組織-實驗室理事聯合會（JDL）數據融合組提出的數據融合模型[22]，如圖12所示，航空光電偵察通過多源圖像融合和目標融合定位、實時目標圖像地理注冊和可視化區域分層態勢顯示與控制，獲取了豐富的多維戰場態勢信息，實現對戰場區域內各類特征的多源目標數據進行智能融合處理，生成包含多類作戰要素的可視化綜合戰場態勢圖。同時也實現了目標評估、態勢評估、影響評估和智能輔助決策等功能，為戰場態勢感知提供了全方位的信息支撐。

圖12 數據融合模型Fig.12 Data fusion model

航空光電偵察融入偵察監視體系，實現全面戰場態勢感知，能促進作戰效能提升。美國空軍為實現“全球警戒”作戰能力，運用體系結構和綜合集成方法，通過構建信息柵格，發展分布式通用地面 站 系 統（distributed common ground system,DCGS），加強對現有各級各類偵察監視資源的整合利用，實現全球一體化情報偵察監視作戰，增強ISR 系統與指揮控制系統、作戰單元之間的網絡化鏈接，提升體系作戰能力。

3 航空光電裝備的發展

3.1 基于SWaP 的遠距離高分辨力目標辨識

隨著任務需求的發展，航空光電系統不僅要求體積小、重量輕、成本低、功耗小，而且要求多光電傳感器集成和遠距離高分辨力目標辨識。航空光電系統的設計由基于結構的模塊化向基于功能的模塊化轉變，通過采用微機電、新材料技術、共用光學系統、伺服控制、圖像處理、任務管理一體化綜合，實現基于SWaP 的遠距離高分辨力目標辨識。以色列Elbit 公司研制的SPECTRO-XR 光電系統，如圖13所示，在50 kg 的重量限制下、φ380 mm的球形包絡內，集成9 種光電傳感器，共光路部件焦距為2 200 mm，達到百公里級高分辨力目標辨識。

圖13 SPECTRO-XR 光電系統Fig.13 SPECTRO-XR electro-optical system

3.2 多任務協同

信息化、網絡化是現代戰爭的重要特點，各種武器平臺之間一體化協同作戰是一種重要的作戰模式，航空光電系統扮演著重要角色，主要包含多平臺多任務協同和單一載荷多任務綜合。

從早期利用激光光斑跟蹤進行空地協同攻擊，到蜂群無人機機群作戰，都是多平臺多任務協同的典型代表。高性能作戰飛機雖然綜合性能高，但存在成本高、數量受限、戰損代價大的不足；無人機蜂群成本低，整體抗損傷的冗余度大，可大范圍、大面積覆蓋，態勢感知能力強成為新興的作戰模式，如圖14所示。低成本可消耗和基于分布式感知信息融合處理形成集群偵察感知體系，獲得了更大的感知范圍、更豐富的目標信息和更高的定位精度，成為蜂群光電系統的重要發展方向。

圖14 蜂群無人機集群作戰示意圖Fig.14 Schematic of cluster combat by swarm UAV

針對不同作戰任務需求，載機需要配裝多種類型光電系統，這增大了飛行員操控難度和后勤壓力。隨著新技術的應用，機載光電系統多任務綜合成為重要發展趨勢，主要體現在凝視觀瞄、情報偵察監視、紅外搜索與跟蹤等功能一體化方面。F-35 綜合光電載荷由兩部分組成：光電瞄準系統（electro-optical targeting system,EOTS）和分布孔徑光電傳感器系統（electro-optical distributed aperture system,EODAS），如圖15所示[23-24]。

圖15 F-35 綜合光電載荷Fig.15 Diagram of F-35 integrated electro-optical payload

EOTS 集成了前視紅外、紅外搜索與跟蹤和激光指示瞄準等功能，相當于將傳統的光雷達、前視紅外吊艙和瞄準吊艙的功能融為一體，提供高分辨率成像、紅外搜索與跟蹤、激光測距指示和激光點跟蹤功能，具有對高空遠程目標探測、搜索、識別、跟蹤、威脅告警、定位、瞄準，以及引導制導武器精確打擊等能力。

EODAS 采用多傳感器分布設計和數據融合技術，綜合紅外搜索與跟蹤、導彈告警、紅外成像跟蹤系統、前視紅外夜間導航等，實現全方位遠程空中目標搜索跟蹤、態勢感知、威脅告警、地面海面目標探測、輔助導航等功能。通過后臺數據的融合為飛行員提供一個球形視野，具有全景態勢感知和目標搜索探測能力。

3.3 基于開放式系統架構的機載光電裝備敏捷制造

軍用裝備專用性強，接口復雜，研制周期長且成本高。以FACE Consortium 為例，將典型的軍用飛機和民用飛機的研制復雜性進行比較，如圖16所示，美軍軍用飛機的研發成本和周期遠高于民用飛機，導致下一代的開發代價巨大，甚至無法承受。采用基于開放式系統架構（open systems architecture,OSA）的敏捷制造，是解決這一問題的重要手段。2021年10月12日，美國傳感器開放式系統架構聯盟公布首套軍用傳感器技術標準。

圖16 軍用飛機與民用飛機研制復雜性比較Fig.16 Comparison of development complexity between military aircraft and civil aircraft

開放式系統架構能充分實現接口、服務和格式開放，并能在最小更改條件下在廣泛的系統間運用適當的工程組件架構。其特點是定義良好，使用廣泛，有非專有接口協議，采用由業界認可的標準開發，能定義系統接口的各方面，對擴展或升級有明確規定。

機載光電裝備作戰任務使命相對固定，但由于配裝的機型種類多、要求不同，導致各接口關系復雜、通用性不強。開展基于開放式系統架構的機載光電裝備敏捷制造，依據任務需求將機載光電系統主要功能模塊化，對通信模塊、視頻模塊、光電傳感器模塊、態勢感知模塊等通用功能模塊采用通用接口協議，明確擴展功能，實現光電設備“即插即用”，可大幅降低研發成本、縮短研制時間，提高新技術應用迭代頻率。加拿大Wescam 公司研制的MX-25 系列光電系統，如圖17所示，采用開放式架構模塊設計，具備6 種以上構型配置，具有多種數字視頻接口和通信控制接口，可根據不同需求實現與GIS 地理信息系統、雷達、探照燈、微波數據鏈、機載GPSINS 信息交互。

圖17 MX-25 光電系統Fig.17 MX-25 electro-optical system

4 結束語

在微電子、人工智能、云計算等新一代信息技術發展的推動下，戰爭形態從傳統以“火力、機動力”為核心的平臺中心戰演變為以“智力、算力”為核心的認知中心戰。不斷升級的光學實現和穩定形式，以及更高的穩定性能推動著航空光電偵察向著遠距離、大范圍、高分辨率不斷邁進。光電多任務綜合、態勢智能感知和敏捷制造促進了體系化協同作戰能力形成，這將是航空光電偵察技術未來的重點發展方向。