先進(jìn)機載光電紅外成像系統(tǒng)

目前，光電/紅外成像系統(tǒng)在不斷發(fā)展，集成商將日益增多的更高性能傳感器裝備到穩(wěn)定轉(zhuǎn)塔上，廣泛用于各種軍用平臺。其中，機載光電/紅外成像系統(tǒng)取得長足進(jìn)步，國外已研制出多種先進(jìn)機載光電/紅外成像系統(tǒng)，很好地完成空中情報、監(jiān)視與偵察任務(wù)。

大多數(shù)最新光電/紅外系統(tǒng)的典型裝置包括高清（HD）電視攝像機、高清近紅外（NIR）和中波紅外傳感器、短波紅外（SWIR）傳感器以及多種類型激光器（激光指向器、激光照射器、激光測距機和激光指示器）。這些最新光電/紅外系統(tǒng)還可與多攝像機大范圍運動圖像技術(shù)相集成，提供一種持久性多情報任務(wù)系統(tǒng)。

多年來，對光電/紅外傳感器系統(tǒng)的主要批評之一就是這些系統(tǒng)的視場太小，常常被比喻成“透過飲料管”觀察戰(zhàn)場。對于遠(yuǎn)程觀察和單個目標(biāo)交戰(zhàn)，尤其是遠(yuǎn)程應(yīng)用，這種窄視場是不錯的選擇。然而，對于大范圍（廣域）持久觀察任務(wù)，這一視場是不夠用的。越來越多的集成式多傳感器廣域運動成像（WAMI）系統(tǒng)逐漸解決了這一問題，通過可將多個傳感器圖像無縫拼接在一起的軟件，這種系統(tǒng)實現(xiàn)了廣域運動成像。其中最新系統(tǒng)之一是埃爾比特系統(tǒng)公司SkEye廣域持久監(jiān)視（WAPS）系統(tǒng)，用于諸如中空長航時（MALE）無人機的空中情報、監(jiān)視和偵察（ISR）平臺。

以下將給出目前最新的幾種機載光電/紅外成像系統(tǒng)，詳細(xì)介紹系統(tǒng)組成單元及技術(shù)特點，并綜述這一領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展趨勢。

1. 先進(jìn)光電/紅外成像系統(tǒng)

隨著光電/紅外傳感器技術(shù)的不斷進(jìn)步，以及廣域監(jiān)視、全景成像和圖像/視頻處理等先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，目前出現(xiàn)了一批先進(jìn)的機載光電/紅外成像系統(tǒng)，它們在前任機載光電/紅外成像系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，加入最新相關(guān)技術(shù)，使新型機載光電/紅外成像系統(tǒng)不僅可以通過組合多個高清多光譜傳感器和激光器完成遠(yuǎn)程分辨、跟蹤和交戰(zhàn)多個目標(biāo)以及情報、監(jiān)視與偵察任務(wù)，而且可以通過廣域運動成像等新技術(shù)，實現(xiàn)近實時廣域探測、識別和認(rèn)清難以發(fā)現(xiàn)的目標(biāo)，而無需大量后期任務(wù)處理，用于諸如中空長航時（MALE）無人機的空中情報、監(jiān)視和偵察（ISR）平臺。

以下分別介紹目前國外最新的4種機載光電/紅外成像系統(tǒng)。

1.1 L3 WESCAM公司MX-25/ 25D

L3 WESCAM公司MX系列光電/紅外/激光系統(tǒng)。

L3 WESCAM公司的MX系列目前推出了全數(shù)字、高清MX-25/25D超遠(yuǎn)程多傳感器多光譜成像與目標(biāo)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，可搭載在固定翼飛機、無人機和浮空氣球上，執(zhí)行高空長航時情報、監(jiān)視與偵察以及目標(biāo)指示任務(wù)（MX-25D）。其中，MX-25可選擇組合7個傳感器，MX-25D可選擇組合9個傳感器。

MX-25/MX-25D的技術(shù)特點包括采用真正的高清攝像機、先進(jìn)的圖像處理技術(shù)、固態(tài)IMU（慣性測量單元）內(nèi)置技術(shù)（5軸主動穩(wěn)定）、短波紅外成像技術(shù)、多個激光器負(fù)載和激光目標(biāo)指示器以及MX-GEO第三代軟件包，并具有MX系列產(chǎn)品的通用性。

1.2 Safran（賽峰）集團(tuán)新一代EUROFLIR 410

Safran（賽峰）集團(tuán)在2017年巴黎航展上公布了其新一代EUROFLIR410，這是意欲裝備各種類型空中平臺（特種任務(wù)飛機、直升機、飛艇和無人機等）的單個在線可更換單元（LRU）高性能穩(wěn)定多傳感器轉(zhuǎn)塔，可用于情報、監(jiān)視與偵察（ISR）、目標(biāo)瞄準(zhǔn)、防護(hù)、干預(yù)及搜救等各項任務(wù)。

早期版本的EUROFLIR410已經(jīng)服役于NH工業(yè)公司NH90直升機和法國海軍空中客車AS565黑豹（Panther）直升機。EUROFLIR410是直徑16in、重量約53kg的大型轉(zhuǎn)塔，是采用大量傳感器的高集成度模塊化系統(tǒng)，因此，Safran（賽峰）集團(tuán)稱，該產(chǎn)品是同系列中性能最佳的轉(zhuǎn)塔。特色為采用極高分辨率攝像機，可以晝夜透過煙霧、灰塵、濃霧和鹽霧等遮擋物，在更遠(yuǎn)距離上使目標(biāo)探測和認(rèn)清性能最大化；還進(jìn)行了人機性能和顯示器的改進(jìn)，有助于在高工作載荷條件下做出決策；采用標(biāo)準(zhǔn)接口，保證與飛機座艙內(nèi)的其它機載系統(tǒng)或無人機地面控制站進(jìn)行正常通信。

EUROFLIR 410可以容納多個傳感器，從而具備多光譜成像能力。其中的電視傳感器工作在0.4μm～0.7 μm光譜波段，采用1920×1080像素探測器芯片，并結(jié)合變焦鏡頭，提供25°～0.33°視場。

EUROFLIR 410還采用了一臺工作在0.7μm～0.95 μm光譜段的近紅外熱像儀，這臺近紅外熱像儀使用與電視傳感器相同的探測器芯片，并使用一臺主動照射器，通過0.39°窄視場完成低能見度下遠(yuǎn)程偵察和目標(biāo)分辨任務(wù)。

EUROFLIR 410采用了工作在0.95μm～1.7 μm波段的640×512像素短波紅外探測器，這一探測器可在各種變差的目視環(huán)境下成像，并能觀察戰(zhàn)場上的激光光斑。這一短波紅外傳感器通過透鏡提供0.55°視場。

EUROFLIR 410采用的第4個成像傳感器是3μm～5 μm中波紅外熱像儀，利用1280×720像素探測器和變焦鏡頭，提供33.3°-1.2°視場。與EUROFLIR410中的其它熱像儀類似，也具有4倍電子變焦功能。

EUROFLIR 410還裝有4臺激光器：830nm3B級激光照射器、與照射器工作波段相同的激光指向器、測距范圍高達(dá)20km的1.54μm 1M級激光測距機以及遵從STANAG3733標(biāo)準(zhǔn)的1.06μm 4級激光指示器。

工作軟件包括內(nèi)嵌式?jīng)Q策輔助（采用具有增強現(xiàn)實功能的運動地圖來改善態(tài)勢感知能力）和自動目標(biāo)探測特征（含移動目標(biāo)指示（MTI）和熱點探測），以及有助于認(rèn)清目標(biāo)的分辨率增強和圖像融合。

被Safran（賽峰）集團(tuán)譽為“最完整”的新型EUROFLIR410將成為該集團(tuán)正為法國陸軍開發(fā)的Patroller戰(zhàn)術(shù)無人機系統(tǒng)不可分割的一部分。

在2017年巴黎航展上，EUROFLIR 410不僅在靜態(tài)展示區(qū)搭載在PATROLLER無人機上進(jìn)行展示，而且還參與了動態(tài)演示。

1.3 洛馬公司新型INFIRNO系統(tǒng)

光電/紅外成像系統(tǒng)設(shè)計的重要發(fā)展趨勢明顯見于洛馬公司的新型INFIRNO系統(tǒng)。INFIRNO系統(tǒng)是一種高度穩(wěn)定的直徑為15in的多傳感器轉(zhuǎn)塔，可用于機載、艦載和陸基用途。該系統(tǒng)的高穩(wěn)定性能保證高清成像傳感器和激光器在完成情報、監(jiān)視與偵察任務(wù)之外，還可遠(yuǎn)程分辨、跟蹤和交戰(zhàn)多個目標(biāo)。

這套轉(zhuǎn)塔采用模塊化結(jié)構(gòu)，保證可以在外場更換關(guān)鍵部件，從而更易于在使用場地附近進(jìn)行維護(hù)，減少需維護(hù)的工作量。還保證了現(xiàn)場升級無需從搭載這套轉(zhuǎn)塔的飛機、艦船或車輛上卸下整套系統(tǒng)。這套轉(zhuǎn)塔高21.3in、重140lbs（磅），操作時方位角不限，俯仰范圍為120°~-30°，在收藏時俯仰角降到-90°。其中，熱像儀的核心是高清中波紅外波段（3~ 5μm）1280×1024像素焦平面陣列，它產(chǎn)生1280×720像素輸出，與透鏡相連，實現(xiàn)2°~ 27°連續(xù)變焦及電子變焦。

高清彩色電視攝像機基于CMOS探測器，采用1920×1080像素探測器陣列，工作波段為0.4~ 0.7μm，產(chǎn)生1920×720像素輸出。這一裝置與光學(xué)連續(xù)變焦透鏡相連接，提供1°~ 7.4°視場，還具有電子變焦功能。

電視攝像機的視場可以與熱像儀的相匹配，對準(zhǔn)場景保證實現(xiàn)人工或自動圖像混合或疊加，有效地組合這兩套傳感器的輸出。

INFIRNO還裝備了各類激光器——1.06μm北約標(biāo)準(zhǔn)激光指示器和1.54μm人眼安全激光測距機，以及觀察光斑瞄線對準(zhǔn)傳感器（see-spot boresight alignment sensor）。作為備選，INFIRNO還可裝備830nm紅外指向器和窄視場高清短波紅外觀測儀。2016年該系統(tǒng)搭載在西科斯基公司H-60黑鷹直升機頭部位置，完成了首次飛行。

1.4 埃爾比特系統(tǒng)公司SkEye廣域持久監(jiān)視（WAPS）系統(tǒng)

SkEye利用一個集成多臺攝像機的有效負(fù)載提供10億像素大小的圖像。

2017年埃爾比特系統(tǒng)公司推出了一種稱為SkEye的先進(jìn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)安裝在空中有人和無人平臺上執(zhí)行廣域持久監(jiān)視（WAPS）任務(wù)。

SkEye是一種新型系統(tǒng)，能夠使安防部隊或軍隊持久密切監(jiān)控約80平方公里的關(guān)注區(qū)域。關(guān)注區(qū)域的實際尺寸由傳感器高度決定。SkEye系統(tǒng)利用集成有多臺攝像機的單一有效負(fù)載，提供10億像素的圖像。

SkEye可實時、高分辨率監(jiān)控整個區(qū)域，并可同時監(jiān)控多達(dá)10個關(guān)注區(qū)域。此外，它還為操作人員和分析人員提供對跟蹤事件及時回溯的能力，便于研究相關(guān)運動和事件的起源。

與傳統(tǒng)的光電負(fù)載不同，SkEye可在實時觀察時以特定分辨率和放大率記錄和顯示圖像?；诓煌^察角和放大率（放大或縮小），用戶可以同時觀察10個以上關(guān)注區(qū)域（ROI），在任何時候都可以“及時回放”，便于分析態(tài)勢的發(fā)展。

埃爾比特系統(tǒng)公司SkEye不能取代傳統(tǒng)負(fù)載，但可提供廣域持久監(jiān)視能力，以更短時間提供更清晰的圖像，極大提高決策信任度。在觀察大范圍關(guān)注區(qū)域（AOI）時，操作人員可以同時放大多個關(guān)注區(qū)，了解它們之間的聯(lián)系。

SkEye系統(tǒng)的核心是機載部分，由光電傳感器單元、高級圖像處理單元、大容量存儲單元及分析軟件組成，通過視頻圖像地理定位和視頻運動探測（VMD）技術(shù)，并利用多目標(biāo)跟蹤器來增強圖像。

通過嵌入式數(shù)據(jù)鏈，相關(guān)信息從飛機傳輸?shù)轿挥诠潭ㄎ恢玫腟kEye控制和管理中心（SCMC），或傳輸?shù)綐?biāo)準(zhǔn)（國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO）的20ft（英尺）掩體中。地面部分包括通信、處理和顯示系統(tǒng)及保存短暫歷史數(shù)據(jù)的局域數(shù)據(jù)庫。固定設(shè)施可以訪問歷史數(shù)據(jù)以便進(jìn)行深入分析。地面部分可獨立運行，也可以與客戶的其它指揮與控制（C2）系統(tǒng)集成。該系統(tǒng)還可以與地面監(jiān)視系統(tǒng)一起使用，實現(xiàn)70°~90°覆蓋范圍內(nèi)的多傳感器地面監(jiān)視，并提供高分辨率全景觀察能力，支持在整個區(qū)域內(nèi)對8個關(guān)注區(qū)域和視頻進(jìn)行回溯。

SkEye系統(tǒng)的軟件采用了一種可編程告警系統(tǒng)，通過設(shè)置這一系統(tǒng)，通知指揮官特殊預(yù)定事件或其它異常事件。這些功能補充和增強了SkEye系統(tǒng)的持久監(jiān)視能力，為操作員提供一種定位和監(jiān)控不同地點的特殊方案。

SkEye已在幾個國家的無人平臺（如Hermes900和Hermes450）及各種輕型有人飛機上使用。有人駕駛飛機通常用于無人系統(tǒng)訪問受限的城市中。

2. 關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢

縱觀國外最新機載光電/紅外成像系統(tǒng)的技術(shù)特點及其應(yīng)用，可總結(jié)出目前光電/紅外成像領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展趨勢如下：

1) 機載廣域運動成像技術(shù)已經(jīng)成為發(fā)展趨勢

目前，機載廣域運動成像技術(shù)成為發(fā)展趨勢。以色列軍工巨頭埃爾比特系統(tǒng)公司SkEye廣域持久監(jiān)視系統(tǒng)通過可將多個傳感器圖像無縫拼接在一起的軟件，實現(xiàn)了廣域運動成像。美國防務(wù)巨頭一直在與廣域運動成像技術(shù)方面的領(lǐng)軍企業(yè)合作。雷聲公司與Logos技術(shù)公司一起研發(fā)了一種組合雷聲公司高清多光譜成像系統(tǒng)（MTS）與Logos技術(shù)公司廣域運動成像傳感器的多情報源情報、監(jiān)視和偵察系統(tǒng)。計劃將這些傳感器集成到一種模塊化輕型系統(tǒng)中，這種系統(tǒng)適用于還可搭載其它傳感器的多種平臺。多情報源系統(tǒng)除了包含全運動視頻（FMV）和廣域運動成像傳感器之外，只要平臺的尺寸、重量和功率條件允許，還支持超光譜成像系統(tǒng)、激光雷達(dá)和信號情報傳感器。這一方案就是保證軍方可近實時利用多情報源數(shù)據(jù)，廣域探測、識別和認(rèn)清難以發(fā)現(xiàn)的目標(biāo)，而無需大量后期任務(wù)處理。

2) 采用百萬像素中波紅外焦平面陣列獲得高分辨率全景紅外成像能力

由上述的MX-25(25D)系統(tǒng)和INFIRNO系統(tǒng)的組成單元可發(fā)現(xiàn)，這些系統(tǒng)都采用了中波紅外波段百萬像素焦平面陣列，提供高分辨率紅外成像能力，從而有助于完成遠(yuǎn)程廣域監(jiān)視任務(wù)。

3) 不斷研發(fā)多傳感器多光譜成像與目標(biāo)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)

多傳感器多光譜成像與目標(biāo)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，可搭載在固定翼飛機、無人機和浮空氣球上，執(zhí)行高空長航時情報、監(jiān)視與偵察以及目標(biāo)指示任務(wù)，已成為各國研發(fā)機載光電/紅外成像系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。這種系統(tǒng)通過組合多個高清多光譜傳感器和激光器完成遠(yuǎn)程分辨、跟蹤和交戰(zhàn)多個目標(biāo)以及情報、監(jiān)視與偵察任務(wù)，而且可以通過廣域運動成像等新技術(shù)，實現(xiàn)近實時廣域探測、識別和認(rèn)清難以發(fā)現(xiàn)的目標(biāo)，用于諸如中空長航時（MALE）無人機的空中情報、監(jiān)視和偵察（ISR）平臺。