美國的無人機轉塔系統(tǒng)

楊竹山

美國作為世界上無人機技術最先進、應用最廣泛的國家，在無人機轉塔的研制上也處于領先地位。“捕食者”、“全球鷹”、“龍眼”等不同級別的無人機，裝備了大小不一。型號各異的轉塔系統(tǒng)。深入了解美國無人機的轉塔系統(tǒng)，對于我國的相關研究是有借鑒意義的。

現(xiàn)代無人機在遂行監(jiān)視、偵察、目標獲取、電子戰(zhàn)、通信中繼、對地攻擊等任務時，以及在未來的空戰(zhàn)中，都會用到機首下方安裝的可360°旋轉、有圖像穩(wěn)定功能的光電傳感器轉塔。轉塔內(nèi)的傳感器可獲得各種動態(tài)、靜態(tài)圖像，通過通信鏈路傳回位于地面、艦艇或有人駕駛飛機上的控制臺，供操縱人員控制無人機的飛行，以及情報和指揮人員進行分析、決策。因此，光電傳感器轉塔是無人機系統(tǒng)不可或缺的組成部分，它的性能在很大程度上決定著無人機系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能。

無人機轉塔的發(fā)展方向

無人機光電傳感器轉塔由有人駕駛飛機和直升機的轉塔發(fā)展而來。由于無人機載荷和空間的限制，重量和體積有所減小，采取了一系列新技術、新設計滿足功能上的要求。

減小重量體積，增大功能密度

轉塔系統(tǒng)內(nèi)通常綜合有多種傳感器，因此若要轉塔系統(tǒng)“瘦身”，首先就要采用微機電部件和高強度輕質材料，降低傳感器組件的體積和重量，另一個途徑就是提高集成度、改進內(nèi)部布局，例如

將各傳感器組件中的電子系統(tǒng)分離出來綜合設計制造。美國L3通信公司的MX－15和MX－15D型轉塔，就通過這種方式將重量減輕了22．67千克。通過上述措施，就能在保證功能的前提下實現(xiàn)轉塔系統(tǒng)的小型化、輕型化，提高無人機的滯空時間；或者在一定重量指標下，把更多的傳感器集成進轉塔，拓展無人機的任務能力。

目前美國的無人機轉塔系統(tǒng)通常包含4～7種傳感器，例如用于飛行控制、監(jiān)視、偵察的晝用相機系統(tǒng)；用于夜間飛行控制以及目標探測的紅外熱像儀；用于獲取目標信息的激光測距儀、激光照射系統(tǒng)；較大型無人機的轉塔系統(tǒng)還有體積、重量、耗能較大的激光目標指示系統(tǒng)，可引導激光制導武器實施攻擊。

傳感器擴展功能、提高性能

無人機轉塔系統(tǒng)的性能主要取決于傳感器組件。美國無人機轉塔中的傳感器組件功能大都比較完善。例如，各種視頻相機和紅外熱像儀均采用多級變焦設計，可以拍攝從廣角到長焦、從整體到局部的多種圖像；超長焦距相機可以觀察目標細節(jié)，便于識別目標的型號、觀察目標的狀態(tài)。傳感器成像元件的分辨率也較高，如“影子400”等戰(zhàn)術無人機使用的紅外焦平面陣元為320×240，更大一些無人機則采用640×480陣元，可拍攝比較清晰的紅外圖像。

集成多種新技術以提高效能

無人機轉塔還通過集成新系統(tǒng)和新技術來提高效能。例如，在轉塔中集成慣性測量單元(IMU)。IMU由固態(tài)光纖陀螺和加速度計組成，可精確測量無人機的飛行姿態(tài)，并對轉塔進行控制。這樣，即便無人機進行劇烈的機動飛行，傳感器系統(tǒng)也能夠始終瞄準目標，進行持續(xù)觀測和精確測定。一些高端的轉塔系統(tǒng)還集成了圖像融合功能，即對不同頻譜傳感器拍攝的圖像進行處理，自動融合成一副包含各種頻譜特征的目標圖像，用于精確判定目標。以往是先通過數(shù)據(jù)鏈路，把多幅不同頻譜的圖像傳輸?shù)娇刂普?，然后在人的參與下進行融合處理。顯然，現(xiàn)在的辦法要先進得多。

除了上述特點外，降低傳感器及轉塔系統(tǒng)的價格也是一個重要的發(fā)展方向。

美軍典型的無人機轉塔系統(tǒng)

Ultra 8500 XR轉塔

該型轉塔由美國FLIR公司研制，已裝備美軍“影子400”和“影子600”無人機。它的直徑只有22．9厘米、高34．3厘米、重13．1千克，是世界同級別轉塔中重量最輕、體積最小的。傳感器系統(tǒng)包括紅外熱像儀，采用320×240陣元的高敏感中波紅外焦平面陣列，用于晝間偵察、監(jiān)視的高敏感相機，采用變焦設計，便于切換觀察目標的概貌和細節(jié)。

FLIR公司還生產(chǎn)目前最小的商用紅外熱成像儀Thermo Vision Micron。其體積約3．42×3．68×4．65厘米，除鏡頭外的重量不足120克，功率不到1．5瓦。該熱像儀的鏡頭有11、18、30毫米三種焦距，分別提供40°×30°、25°×19°、15°×11°的視場。這種熱成像儀主要用于手擲式無人機，例如美國陸軍的“大烏鴉”和海軍陸戰(zhàn)隊的“龍眼”。它也是目前世界上銷量最大的紅外成像儀。

Safire系列轉塔

StarSafire系列轉塔也由FLIR公司研制。其中StarSafireⅢ型被美國海岸警衛(wèi)隊選定為標準轉塔，配備“鷹眼”無人機。它直徑38．1厘米，傳感器包括紅外相機、彩色變焦相機、高分辨彩色偵察相機(能穿透薄霧)、激光照射裝置、激光測距儀。其中紅外成像器件是640×480陣元的大型中波紅外焦平面陣列，能產(chǎn)生相當清晰的紅外圖像。熱成像儀有4種視場：視場范圍25°的寬視場、5．4°的中視場、1．4°的窄視場以及1．4°的超窄視場。彩色晝用相機也可以提供寬、中、窄三種視場。彩色偵察相機除了中視場和超窄視場外，還有用于超長距離偵察的0．29°極窄視場。需要指出的是，鏡頭視場的選擇涉及到畫面范圍和目標放大倍率的關系。視場越窄，目標的放大倍率越高，反之，視場越寬，涵蓋的范圍越廣，但無法看清目標的細節(jié)。

BriteStar轉塔體形稍大，直徑為40．6厘米、重54．43千克，目前主要配用美國海軍“火力偵察兵”無人直升機。該轉塔內(nèi)除安裝SatireⅢ型轉塔配備的可見光／紅外傳感器、激光測距及照射系統(tǒng)外，還配備了為激光制導武器提供引導的激光目標指示系統(tǒng)。轉塔內(nèi)置有瞄準模塊，可以使成像儀和光電相機自動瞄準激光指示器的照射點，保證兩類傳感器動作協(xié)調一致，便于控制人員在不同頻譜圖像間快速切換。

Safire系列的最新成員是StarSafire HD。它是第一種全數(shù)字高清穩(wěn)像式機載傳感器轉塔，使用焦距1500毫米的鏡頭：所有傳感器生成的圖像都是全數(shù)字式的，避免了?！獢?shù)轉換對分辨率造成的損失：高帶寬的數(shù)字視頻傳輸確保所有的場景細節(jié)能完整地從傳感器傳回平臺：轉塔內(nèi)置7套成像傳感器或激光傳感器，只通過一根光纖就可實現(xiàn)控制。美國陸軍已將Safire HD和Star SafireⅢ轉塔系統(tǒng)用于“快速浮空器初始部署”(RAID)計劃。該計劃為小型系留式氣球配備高性能傳感器，在約100米高度實施監(jiān)視、預警，為部署在伊拉克和阿富汗的美軍提供警戒保護。

MX系列轉塔

MX系列轉塔由美國l—3通訊公司W(wǎng)ESCAM分公司生產(chǎn)。它最初用于各

種有人駕駛飛機，如用于美國海軍P-3C海上巡邏機和海岸警衛(wèi)隊C-130偵察機的MX-20轉塔；用于海岸警衛(wèi)隊HU-25“獵鷹”飛機、形體較小的MX-15轉塔。經(jīng)過進一步改進后，MX-15轉塔配備了通用原子航空系統(tǒng)公司生產(chǎn)的“蚊式”改進型無人機，在伊拉克使用了1年半。傳感器系統(tǒng)包括彩色變焦相機、配備超長焦距鏡頭的彩色或單色偵察相機、紅外變焦相機、激光測距儀、激光照射裝置。其中紅外攝像機有寬、中、窄、超窄4種視場，彩色變焦相機有寬、中、窄3種視場：而利用超長焦的偵察相機，可以觀測目標的細節(jié)。

WESCAM還在MX-15基礎上研制了MX-15D，將用于引導激光制導武器的激光目標指示系統(tǒng)整合進轉塔。該公司稱，MX-15D型是直徑15英寸(38．1厘米)級轉塔中，光電／紅外識別距離最遠的。還有形體更緊湊的MX-12型轉塔，直徑30．5厘米、重量24千克，可根據(jù)需要在三級紅外變焦相機、彩色變焦相機、高倍率偵察相機、激光測距儀、激光照射裝置中任選4種。為了拍攝清晰的圖像、對目標精確定位，就要避免傳感器的抖動、消除無人機飛行對傳感器成像的影響，否則再長焦距的鏡頭、再高分辨率的成像元件也只能得到模糊的影像。為此，MX系列所有型號轉塔的萬向節(jié)中都置有由固態(tài)光纖陀螺和加速度計組成的IMU，用以精確測定平臺的姿態(tài)、形成控制信號，使轉塔傳感器始終穩(wěn)定指向目標。

MIS系列轉塔

“多譜目標獲取系統(tǒng)”(MTS)轉塔由美國雷聲公司研制，主要用于美國空軍的“捕食者”及飛行性能更強的“捕食者B”無人機。MTS－A轉塔用于配備“捕食者”，直徑為43．2厘米，整合有光電／紅外傳感器和激光指示系統(tǒng)。用于配備“捕食者B”的MTS－B轉塔比A型更重、傳感器探測距離更遠，直徑53．9厘米、重量103．5千克。共設置有7種視場，其中2個超窄視場(0．08°×0．11°)、1個窄視場、3個中視場和1個寬視場(35°×45°)。在超窄視場(最高光學倍率)時，紅外相機和光電相機分別有2倍、4倍的電子變焦比，以進一步放大圖像。

MTS系列轉塔與MX系列轉塔一樣，也安置有IMU單元。MTS系列轉塔最突出的技術特點是把圖像融合能力作為標準配置，雷聲公司對此進行了10多年的研究。系統(tǒng)把拍攝的30萬像素(640×480)紅外圖像和可見光圖像進行信噪比分析，然后選擇兩幅圖像中最清晰的像素疊加生成一幅圖像，處理過程完全自動化。雷聲公司還將進一步改進MTS轉塔，包括提高光電／紅外系統(tǒng)的分辨率和清晰度、研制可包含更多細節(jié)的短波相機、采用體積更小的二極管泵浦激光器、開發(fā)壓縮視頻格式等方面，以提高轉塔系統(tǒng)的性能，使信息傳輸更快、占用帶寬更小。