國外先進(jìn)航空光電載荷的進(jìn)展與關(guān)鍵技術(shù)分析

沈宏海 ，黃 猛，李嘉全，劉晶紅，戴 明，賈 平

(中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所中國科學(xué)院航空光學(xué)成像與測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長春130033)

1 引 言

掌握戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的發(fā)展和瞬時(shí)變化的情報(bào)信息是獲取未來戰(zhàn)場(chǎng)主動(dòng)權(quán)的關(guān)鍵，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要能精確、實(shí)時(shí)地采集情報(bào)信息的系統(tǒng)裝備。過去主要由光學(xué)偵察衛(wèi)星和有人駕駛偵察飛機(jī)承載這類裝備，但用偵察衛(wèi)星對(duì)某一區(qū)域進(jìn)行全天連續(xù)監(jiān)視，必須擁有一個(gè)龐大的星群，其裝備費(fèi)用十分驚人。目前，機(jī)載態(tài)勢(shì)感知系統(tǒng)以其靈活快捷的優(yōu)點(diǎn)在這一領(lǐng)域倍受關(guān)注。根據(jù)所執(zhí)行的任務(wù)，機(jī)載態(tài)勢(shì)感知系統(tǒng)可搭載不同類型的有效載荷，包括:光電傳感器( 可見光傳感器、紅外傳感器) 、情報(bào)傳感器( 電磁情報(bào)、通信情報(bào)) 、機(jī)載預(yù)警雷達(dá)( AEW) 、合成孔徑雷達(dá)( SAR) 、磁場(chǎng)異常探測(cè)、聲檢測(cè)、遠(yuǎn)距離雷區(qū)探測(cè)、核生化檢測(cè)和監(jiān)測(cè)、通信中繼、目標(biāo)特征信號(hào)模擬、誘餌和干擾機(jī)等。上述各種有效載荷是偵察飛機(jī)執(zhí)行任務(wù)時(shí)不可或缺的設(shè)備，是飛行器發(fā)展的動(dòng)力。

隨著軍事對(duì)抗技術(shù)的發(fā)展，如何提高有人機(jī)的戰(zhàn)場(chǎng)生存能力，避免或減少飛行人員傷亡或被俘事件是各國面臨的難題。用無人飛行器平臺(tái)對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)戰(zhàn)區(qū)實(shí)現(xiàn)近距離精確偵察逐漸成為解決上述難題的最佳方案。無人偵察機(jī)執(zhí)行任務(wù)的靈活性，彌補(bǔ)了遠(yuǎn)程和空間平臺(tái)的不足，它能通過數(shù)據(jù)鏈向地面指揮中心、地面站或其它用戶提供分辨率很高的實(shí)時(shí)圖像，特別適用于目標(biāo)識(shí)別、精確定位、打擊指引和效果評(píng)估［1-2］。

本文介紹了近年來國外航天載荷，尤其是無人機(jī)光電載荷的現(xiàn)狀和發(fā)展，并對(duì)關(guān)鍵設(shè)備存在的問題進(jìn)行了討論和分析。

2 國外裝備及研制現(xiàn)狀

2.1 可見光、紅外探測(cè)器的研究現(xiàn)狀

目前光電傳感器主要工作區(qū)域?yàn)?.4 ～12 μm，圖1 顯示了可見光探測(cè)器和紅外探測(cè)器的發(fā)展趨勢(shì)?？梢姽馓綔y(cè)器已由早期的768 ×576 模擬制式的線陣探測(cè)器向大面陣數(shù)字制式方向發(fā)展，CCD 的成像質(zhì)量已經(jīng)趨于完美，分辨力和色彩還原能力已與35 mm 甚至67 mm 膠片不相上下，覆蓋面積還略有差距。線陣列CCD 的像元數(shù)在20 000 左右。典型的單片面陣CCD 參數(shù)為1 Kpixel ×1 Kpixel ～10 Kpixel ×10 Kpixel，高清3CCD 為1 920 pixel × 1 080 pixel，大 面 陣CMOS 為1 Kpixel ×1 Kpixel ～5 Kpixel ×4 Kpixel。對(duì)于被非軍方組織用于航空成像的大畫幅數(shù)碼相機(jī)，絕大多數(shù)采用多相機(jī)、多鏡頭結(jié)合中畫幅CCD 陣列，比如微軟Vexcel 的UltraCam 和Intergraph 公司的DMC 數(shù)碼型攝像機(jī)系統(tǒng)。由微軟Vexcel 推出的最新一款相機(jī)UltraCam-X 最終的全色影像尺寸由8.6 ×107pixel 增加到1.33 ×108pixel［3-6］。

圖1 可見光、紅外探測(cè)器的發(fā)展Fig.1 Development of visible，infrared image sensor

紅外探測(cè)器已經(jīng)發(fā)展到第三代，國外普遍應(yīng)用的尺寸為640 pixel ×480 pixel，DB-110 航空相機(jī)采用兩片512 pixel ×484 pixel 的探測(cè)器拼接，CA-270 為2 016 pixel×2 016 pixel 的探測(cè)器。針對(duì)像元少、分辨力低的缺點(diǎn)，紅外探測(cè)器多采用微掃描或拼接方法提高分辨力［7-15］。

在紅外、可見光探測(cè)器齊頭并進(jìn)的同時(shí)，國外已經(jīng)開始研制雙色或多色探測(cè)器。Selex 等公司實(shí)現(xiàn)了640 pixel×512 pixel 的中波和長波雙色紅外探測(cè)器的量產(chǎn)，中、短波線陣雙色探測(cè)器已經(jīng)達(dá)到6 000 pixel 的水平，雷神公司基于焦平面陣列( FPA) 處理的靈巧型探測(cè)器( AIRS) 在等效噪聲溫差( NETD) 、非均勻性( NUC) 校正、動(dòng)目標(biāo)探測(cè)機(jī)理及邊緣增強(qiáng)方面取得了顯著效果［16-18］。

2.2 國外典型光電感知設(shè)備

美國在軍用飛行器領(lǐng)域的發(fā)展最為迅速，光電裝備也一直在引領(lǐng)著各國的發(fā)展，其應(yīng)用范圍已經(jīng)由最初的偵察監(jiān)視，逐步向滿足遠(yuǎn)程告警/預(yù)警、網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同作戰(zhàn)、快速打擊、察打一體、無人作戰(zhàn)等需求方向拓展，其探測(cè)器譜段也由傳統(tǒng)的可見光、紅外、激光的多光譜偵察成像，向高光譜、超光譜成像方向發(fā)展［4-22］。多頻譜瞄準(zhǔn)系統(tǒng)( MTS)吊艙、電光目標(biāo)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)( EOTS) 和DB-110 航空相機(jī)也體現(xiàn)了這一技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

2.2.1 捕食者無人機(jī)MTS 吊艙

捕食者系列無人機(jī)的編號(hào)由RQ-1 演變?yōu)镸Q-9，反映了“捕食者”飛機(jī)從偵察型到多任務(wù)型的演變。MQ-9 是一種中高空、長航時(shí)、多任務(wù)無人機(jī)系統(tǒng)。它具有持久滯空能力，在作為情報(bào)收集平臺(tái)的同時(shí)，還可用于獵殺時(shí)敏目標(biāo)。其綜合傳感器組件包括具有移動(dòng)目標(biāo)指示能力的合成孔徑雷達(dá)及MTS-A/B 光電吊艙( B 型主要針對(duì)高空應(yīng)用作適應(yīng)性設(shè)計(jì)) 。圖2 所示MTS 吊艙由雷神公司研制，它由轉(zhuǎn)臺(tái)單元( 內(nèi)部安裝了慣性測(cè)量單元( IMU) ) 和電子處理單元組成。轉(zhuǎn)臺(tái)單元內(nèi)部裝有紅外/可見光電視、激光測(cè)距機(jī)、激光指示器和激光照射器，其內(nèi)部還可提供多波長傳感器，近紅外和彩色可見光攝像機(jī)、照射器、人眼安全激光測(cè)距機(jī)、光斑跟蹤器等一系列安裝選項(xiàng)。這些先進(jìn)設(shè)計(jì)提供了一個(gè)清晰的發(fā)展路線，即圖像融合和其他通過增加電路而實(shí)現(xiàn)的性能增強(qiáng)技術(shù)。圖3 對(duì)比了MTS 吊艙圖像融合前后的圖像，融合輸出的圖像信息量明顯優(yōu)于單一波段的圖像。MTS吊艙系統(tǒng)采用雷神研制的局域圖像處理技術(shù)( 一種自動(dòng)的圖像優(yōu)化技術(shù)) ，它可以最大限度地顯示圖像信息，提高態(tài)勢(shì)感知和遠(yuǎn)距離監(jiān)視能力。吊艙內(nèi)部的圖像跟蹤器具有重心、區(qū)域和特征跟蹤模式。未來的發(fā)展中，可能裝載Talon Radiance 超頻譜成像器，可穿透樹葉探測(cè)隱蔽的地面目標(biāo)［9-10］。

圖2 MTS-A/B 及其裝機(jī)照片F(xiàn)ig.2 Graph of MTS-A/B and its installation

圖3 MTS 吊艙的輸出圖像Fig.3 Output image of MTA pod

表1 列出了MTS 吊艙的典型參數(shù)，系統(tǒng)采用了先進(jìn)的數(shù)字架構(gòu)，提供了遠(yuǎn)距離監(jiān)視、目標(biāo)獲取、跟蹤、測(cè)距和激光指示功能，可用于AGM-114地獄火導(dǎo)彈、北約激光制導(dǎo)武器的制導(dǎo)。

表1 MTS 吊艙的典型參數(shù)Tab．1 Parameter of MTS pod

2.2.2 F-35 內(nèi)藏式光電瞄準(zhǔn)系統(tǒng)( EOTS)

由洛克希德-馬丁公司導(dǎo)彈與火控部研制的EOTS 于2005 年首飛，2007 年裝備在F-35 上。該系統(tǒng)安裝于機(jī)腹內(nèi)，其性能與夜間低空導(dǎo)航及目標(biāo)定位( LANTIRN) 吊艙相仿，但是沒有吊艙特有的氣動(dòng)阻力等問題。EOTS 采用了由7 片藍(lán)寶石玻璃拼接而成的單口徑共光路形式，集成了空面前視紅外( FLIR) 和空空紅外搜索與跟蹤( IRST) 系統(tǒng)。EOTS 的隱身和氣動(dòng)性能有效保證了飛機(jī)的全向攻擊能力［11］。

圖4 所示的EOTS 由可見光攝像機(jī)、紅外成像、激光器測(cè)距機(jī)、點(diǎn)跟蹤器、激光指示器組成，全重90.8 kg(200 lb) 。具備可見光高分辨率成像、自動(dòng)跟蹤、紅外搜索和跟蹤、激光指示、測(cè)距和激光點(diǎn)跟蹤等功能，并且可以在雷達(dá)干擾狀態(tài)下，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的遠(yuǎn)距離跟蹤、識(shí)別、探測(cè)和預(yù)警。關(guān)鍵部件及功能如下:

(1) 第三代紅外3 ～5 μm 焦面陣列器件;

(2) 英國BAE 公司人眼安全二極管泵浦激光測(cè)距/目標(biāo)指示器;

(3) 激光光斑跟蹤器;

(4) 德國TNO 物理與電子實(shí)驗(yàn)室提供的紅外傳感器修整算法;

(5) 自動(dòng)化的視線與機(jī)身對(duì)準(zhǔn);

EOTS 可與雷達(dá)互相補(bǔ)充，如果通過雷達(dá)發(fā)現(xiàn)一個(gè)感興趣的地面目標(biāo)，飛行員可以選擇光學(xué)變焦或電子變焦進(jìn)行進(jìn)一步探測(cè)、識(shí)別、跟蹤和瞄準(zhǔn)，甚至在150 km 距離外就可以進(jìn)行確認(rèn)。隨后，飛行員可以利用區(qū)域跟蹤和點(diǎn)跟蹤模式，分別鎖定固定設(shè)施和移動(dòng)車輛。此外，EOTS 還將作為一種遠(yuǎn)程IRST 系統(tǒng)，用來探測(cè)和識(shí)別空中目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)敵方飛機(jī)與導(dǎo)彈超遠(yuǎn)距離識(shí)別、跟蹤和瞄準(zhǔn)，從而增加預(yù)警距離和己方攻擊及反應(yīng)時(shí)間，提高自我生存能力。

圖4 EOTS 的組成及其輸出的紅外圖像Fig.4 EOTS＇s structure and IR output image

2.2.3 第三代DB-110 傳感器

DB-110 傳感器［12-15］最初形成于20 世紀(jì)90年代中期，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展成全功能、集成式的偵察系統(tǒng)套件，可用于任何空中偵察平臺(tái)。它已經(jīng)在旋風(fēng)戰(zhàn)機(jī)、F-111、F-15、F-16、捕食者B 上成功試飛，并可提供高質(zhì)量的圖像。第三代DB-110 傳感器系統(tǒng)集成在定制的偵察吊艙內(nèi)，該吊艙安裝在戰(zhàn)機(jī)的中線上，內(nèi)部環(huán)控系統(tǒng)確保其最高工作高度可達(dá)到15 240 m。第三代DB-110 是一個(gè)雙波段系統(tǒng)，其最主要的特征是在單一部件內(nèi)實(shí)現(xiàn)了3 個(gè)視場(chǎng):

(1)2 794 mm(110 in) 焦距的可見光/近紅外窄視場(chǎng)和1 397 mm(55 in) 焦距的中波紅外;

(2)406 mm(16 in) 焦距的可見光/近紅外寬視場(chǎng)和356 mm(14 in) 焦距的中波紅外;

圖5 DB-110 的主要部件及承載吊艙的內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.5 Parts of DB-110 and the structure of pod which contains the DB-110

(3)64 mm(2.5 in) 焦距的中波超寬視場(chǎng)。

可見光FPA 在橫向掃描方向由6 144 pixel組成，像元間距為8.75 μm; 紅外焦平面采用640 ×512 陣列、像元尺寸為24 μm 的商用貨架產(chǎn)品。圖5 顯示了DB-110 的基本組成，它有兩個(gè)用來掃描和圖像像移補(bǔ)償?shù)闹鲃?dòng)軸、可見光/紅外的焦平面陣列、雙波段窄視場(chǎng)的鏡頭。表2 為其主要性能參數(shù)。

DB-110 通過垂直于飛行方向掃描地面，利用擺動(dòng)和傾斜掃描收集圖像。在掃描收集過程中，飛機(jī)飛行的方向通過傳感器的傾斜運(yùn)動(dòng)加以補(bǔ)償。掃描周期的最后，傾斜運(yùn)動(dòng)使得傳感器視場(chǎng)到下一個(gè)掃描的開始處。下一個(gè)掃描可以設(shè)計(jì)為重疊，從而可以得到地面的連續(xù)覆蓋。在連續(xù)覆蓋方式中，通過設(shè)置傳感器大于50%的重疊率，可獲得立體圖像。圖6 說明了DB-110 可見/紅外圖像信道的主要掃描方式。其他的掃描方式包括對(duì)地面上的同一點(diǎn)從各個(gè)方面重復(fù)覆蓋。圖7 是DB-110 在陣風(fēng)飛機(jī)上裝載時(shí)獲取的英國Farnborough 機(jī)場(chǎng)圖像和局部放大圖。飛機(jī)和塔臺(tái)的細(xì)節(jié)很好地展示了圖像的高分辨力特性。

圖6 DB-110 獲取大范圍覆蓋圖的方式Fig.6 Method of capturing a large area converage image by DB-110

表2 DB-110 的典型參數(shù)Tab．2 Parameters of DB-110

圖7 DB-110 拍攝的可見光圖像Fig.7 Visible image shot by DB-110

由于DB-110 平臺(tái)的中波紅外通道使用步進(jìn)掃描模式成像，可以將該通道改造成支持短波紅外( SWIR) 、中波紅外( MWIR) 或長波紅外( LWIR) 的成像光譜儀。Goodrich 公司已經(jīng)驗(yàn)證了DB-110 的穩(wěn)定精度可以滿足在實(shí)現(xiàn)LWIR 光譜儀成像的同時(shí)，獲得高分辨力的可見光圖像。開展超光譜儀的設(shè)計(jì)表明已經(jīng)可以在DB-110 內(nèi)部實(shí)現(xiàn)焦距為96.5 cm( 38 in) 的超光譜儀和280 cm(110 in) 的可見光成像。

3 關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 共形光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著雷達(dá)技術(shù)、精確制導(dǎo)武器等軍事對(duì)抗技術(shù)的發(fā)展，飛行器的隱身設(shè)計(jì)和空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)越來越受重視，其發(fā)展趨勢(shì)是采用整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)有效的隱身，從而對(duì)光學(xué)系統(tǒng)提出了共形設(shè)計(jì)的要求。設(shè)計(jì)時(shí)多采用特殊表面取代傳統(tǒng)的平板或球形窗口，以減少飛行器的空氣阻力和雷達(dá)波的反射。圖8 所示F-35 的EOTS 光學(xué)窗口為共形設(shè)計(jì)的典型代表。EOTS 窗口由7 塊表面鍍膜的藍(lán)寶石玻璃組成，可提供360°全向視野。這種窗口滿足了結(jié)構(gòu)共形的要求，但同時(shí)產(chǎn)生了動(dòng)態(tài)像差。

圖8 EOTS 的共形光學(xué)窗口及其動(dòng)態(tài)像差示意圖Fig.8 Conformal optical window of EOTS and the dynamic aberration of slight wedge

當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)通過不同角度的窗口塊之間的接合面成像時(shí)，會(huì)出現(xiàn)以下問題:

(1) 光程( OPL) 會(huì)隨瞄準(zhǔn)角變化而變化;

(2) 在塊之間會(huì)有不同的光程差( OPD) ，使得分割波面產(chǎn)生一定位相差;

(3) 窗口的透射率可能因入射角變化而變化。

上述問題直接制約著設(shè)備的成像質(zhì)量，為滿足高速載機(jī)應(yīng)用需求，應(yīng)盡快解決如下難題:

(1) 實(shí)現(xiàn)透過不連續(xù)窗口分段波前的共相位校正;

(2) 窗口平板的拼接;

(3) 抑制拼接窗口內(nèi)部的雜散光;

(4) 消除平板拼接處高速飛行與空氣磨擦產(chǎn)生的熱梯度;

(5) 高超音速高速飛行后的自適應(yīng)光學(xué)。

3.2 高/超光譜成像技術(shù)

圖9 采用光譜譜段識(shí)別偽裝目標(biāo)的示意圖Fig.9 Demonstration of recognizing camouflaged target with spectral technique

在現(xiàn)代化戰(zhàn)爭中，偽裝能隱蔽軍隊(duì)作戰(zhàn)行動(dòng)，迷惑和欺騙敵人，提高戰(zhàn)場(chǎng)生存能力，因而備受各國軍隊(duì)的青睞。近年來，一些軍事強(qiáng)國為研制、開發(fā)和生產(chǎn)偽裝器材，投入大量人力、物力和財(cái)力，并注重吸收和運(yùn)用新技術(shù)、新材料、新工藝，從而大大促進(jìn)了偽裝器材的發(fā)展，提高了戰(zhàn)術(shù)性能，加快了作業(yè)速度，增強(qiáng)了隱真示假的效果。因此，在現(xiàn)代高技術(shù)戰(zhàn)爭中，如何識(shí)別偽裝、假目標(biāo)已經(jīng)是軍事偵察領(lǐng)域一個(gè)重要的研究和應(yīng)用方向。高光譜成像偵察技術(shù)最突出的特點(diǎn)是能從自然背景中發(fā)現(xiàn)人工材料制作的偽裝器材和材料，揭示嚴(yán)密偽裝的軍事目標(biāo)，并判定出軍事目標(biāo)的性質(zhì)。圖9 為典型高光譜相機(jī)識(shí)別偽裝的圖像。在場(chǎng)地上放置了一輛偽裝的裝甲車輛，采用全色和多光譜圖像難于識(shí)別，而將高光譜圖像不同通道賦予不同RGB 值后，從圖像中Red: 3.73 μm，Green:2.12 μm;Blue:1.27 μm 就可以清晰地發(fā)現(xiàn)偽裝目標(biāo)。隨著高光譜技術(shù)和數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)的不斷發(fā)展，通過分析、處理所獲得高光譜數(shù)據(jù)，參照地物波譜數(shù)據(jù)庫，就能夠識(shí)別出目標(biāo)的表面物質(zhì)，進(jìn)而識(shí)別出偽裝器材、偽裝目標(biāo)，這對(duì)軍事目標(biāo)特別是固定目標(biāo)的識(shí)別具有重要的戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)意義。

高/超光譜成像技術(shù)的成功應(yīng)用需要解決下列關(guān)鍵技術(shù)問題:

(1) 高精度分光技術(shù);

(2) 共口徑成像技術(shù);

(3) 高精度數(shù)據(jù)反演與定標(biāo)技術(shù)。

其中高精度數(shù)據(jù)反演和定標(biāo)技術(shù)嚴(yán)重依賴于目標(biāo)光譜數(shù)據(jù)庫。目前，國內(nèi)尚無專業(yè)機(jī)構(gòu)開展此項(xiàng)工作，有必要盡快開展此類研究，以便更好地發(fā)揮光譜成像的功能。

3.3 高精度穩(wěn)定與像移補(bǔ)償技術(shù)

隨著精確打擊技術(shù)的發(fā)展，對(duì)偵察圖像的清晰度、目標(biāo)定位精度的要求不斷提高，而圖像清晰度的提高取決于伺服穩(wěn)定控制技術(shù)和像移補(bǔ)償技術(shù)的進(jìn)步。目前，國外先進(jìn)光電載荷的穩(wěn)定精度已經(jīng)達(dá)到2 ～5 μrad，國內(nèi)光電載荷的穩(wěn)定精度與之相差約一個(gè)數(shù)量級(jí)。采用傳統(tǒng)的機(jī)電框架控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)此指標(biāo)已經(jīng)難以為繼，引入圖10 所示的快速反射鏡( FSM) 穩(wěn)定技術(shù)［23］是解決這一難題的必要條件。

圖10 FSM 穩(wěn)定結(jié)構(gòu)及光路示意圖Fig.10 Schematic diagram layout of FSM stabilization and its light path

圖11 載機(jī)前傾和側(cè)傾成像時(shí)的像移示意圖Fig.11 Image motions due to aircraft forward motion varied with camera orientation( Forward oblique and side oblique)

當(dāng)載機(jī)以大速高比運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)在探測(cè)器的積分時(shí)間內(nèi)帶來像元模糊，圖11顯示了載機(jī)前傾、側(cè)傾時(shí)的像移，由于像移直接導(dǎo)致圖像模糊，像移補(bǔ)償?shù)膬?yōu)劣直接關(guān)系到圖像分辨力。

為了保證圖像分辨力，有必要開展如下課題研究:

(1) 系統(tǒng)的高精度穩(wěn)定控制技術(shù);

(2) 多光譜共光路設(shè)計(jì);

(3) 像移補(bǔ)償技術(shù)。

3.4 圖像處理技術(shù)

隨著光電任務(wù)載荷向全天候、多光譜、多模式探測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展，光電設(shè)備的圖像處理技術(shù)也從單一的目標(biāo)捕獲、跟蹤功能，向智能化、多模融合、定量分析等方向發(fā)展，從而使輸出圖像更清晰、目標(biāo)捕獲跟蹤更便捷、目標(biāo)定位更精確。圖像融合是當(dāng)前研究熱點(diǎn)之一，多種光電傳感器之間的互補(bǔ)性和冗余性可以解決單一成像傳感器的信息不全面或不準(zhǔn)確的問題。圖3 的MTS 吊艙輸出圖像充分表明:融合輸出的圖像有效發(fā)揮了兩個(gè)譜段的優(yōu)點(diǎn)，便于操作手更好地發(fā)現(xiàn)、識(shí)別目標(biāo)。另外利用多重信息間的互補(bǔ)性擴(kuò)大系統(tǒng)感知時(shí)空的覆蓋范圍，也是軍事偵察、識(shí)別偽裝，實(shí)現(xiàn)光電對(duì)抗的重要手段。

圖像傳感器像元數(shù)的不斷提高及譜段的不斷拓展，使得圖像處理器的運(yùn)算量急劇增大，激光雷達(dá)或高/超光譜儀成像目標(biāo)識(shí)別過程已經(jīng)面臨這一問題，而實(shí)現(xiàn)并行運(yùn)算是解決此瓶頸的有效選擇。有研究表明，隨著圖形處理芯片的技術(shù)突破，基于GPU 實(shí)現(xiàn)嵌入式高速并行處理運(yùn)算已有可能，基于GPU 或CUDA 架構(gòu)實(shí)現(xiàn)高性能并行運(yùn)算將成為未來高性能計(jì)算的基礎(chǔ)。圖12 顯示了近年來GPU 性能的飛速增長［24］。

圖12 CPU 和GPU 的運(yùn)算性能增長曲線Fig.12 Curves of CPU/GPU capacity growth

與光電態(tài)勢(shì)感知設(shè)備相關(guān)的圖像處理關(guān)鍵技術(shù)包括: 超分辨力技術(shù)、圖像融合技術(shù)、圖像去模糊技術(shù)以及ATA/ATR 技術(shù)。

3．5 激光3D 成像技術(shù)

長期以來，激光器在光電設(shè)備中僅作為距離測(cè)量、指示設(shè)備使用，實(shí)際上激光器的回波信息除了距離信息以外，還有回波強(qiáng)度、角距信息可以利用，一旦獲取原始的方位角-俯仰角-距離，距離-速度-強(qiáng)度等數(shù)據(jù)后即可以圖像的形式顯示，從而獲得輻射幾何分布圖像、距離選通圖像、速度圖像等［25］。

自1996 年美國提出“激光雷達(dá)焦平面陣列”( LR-FPA) 的3D 成像激光雷達(dá)概念以來，非掃描3D 成像激光雷達(dá)成為激光雷達(dá)研究的熱點(diǎn)，在國防部高級(jí)研究計(jì)劃局的支持下，麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室、雷神公司和洛克希德·馬丁公司等先后開展了雪崩光電二極管( APD) 焦平面陣列組件、泛光照明激光器和非掃描3D 成像激光雷達(dá)原理試驗(yàn)系統(tǒng)的研制，突破了中等尺寸的APD 焦平面陣列組件和泛光照明激光器等關(guān)鍵器件技術(shù)，研制出多個(gè)原理試驗(yàn)系統(tǒng)，并進(jìn)行了飛行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果證明，非掃描3D 成像激光雷達(dá)對(duì)地面?zhèn)窝b目標(biāo)和樹林中隱蔽目標(biāo)具有良好的探測(cè)、識(shí)別能力和各種空中機(jī)動(dòng)平臺(tái)的適裝性，標(biāo)志著非掃描3D 成像激光雷達(dá)已取得體制性突破［25-29］。圖13 是美國林肯實(shí)驗(yàn)室獲取的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，該圖像序列是對(duì)偽彩編碼后的高度圖用色彩壓縮實(shí)現(xiàn)遮蓋物去除后的效果。這個(gè)圖像序列顯示了通過選擇連續(xù)壓縮色彩條實(shí)現(xiàn)3D 數(shù)據(jù)層切后的效果，左上角第1 幅圖像顯示了樹冠出的場(chǎng)景，第4 幅顯示了樹冠下的3D 場(chǎng)景，從第4 幅圖像可以清晰地看到樹干、坦克。

圖13 對(duì)3D 激光雷達(dá)數(shù)據(jù)作層切顯示后的二維圖像數(shù)據(jù)( 樹冠至地面目標(biāo))Fig. 13 Sequences of 3D images with color-coded height and canopy removal via color-bar compression( From the tree tops to the 3D scene below tree canopy)

實(shí)現(xiàn)激光3D 成像技術(shù)需要解決下列關(guān)鍵技術(shù):

(1) 高重頻、窄( 微) 脈沖的激光器主動(dòng)照明技術(shù);

(2) 外同步、極小抖動(dòng)距離選通技術(shù);

(3) 高靈敏探測(cè)技術(shù): 光子計(jì)數(shù)探測(cè)、外差探測(cè)、多普勒速率探測(cè)技術(shù);

(4) 點(diǎn)云數(shù)據(jù)重構(gòu)技術(shù)。

4 結(jié)束語

機(jī)載光電態(tài)勢(shì)感知領(lǐng)域是一個(gè)涉及光、機(jī)、電、軟件的多學(xué)科領(lǐng)域，技術(shù)創(chuàng)新非常活躍，新的傳感器組合、新的技術(shù)應(yīng)用不斷涌現(xiàn)。受篇幅限制本文未對(duì)告警/預(yù)警、激光通訊等領(lǐng)域做闡述。

看得遠(yuǎn)、分得清、測(cè)得準(zhǔn)、隱形/反隱形、智能化、網(wǎng)絡(luò)化等發(fā)展方向，是光電態(tài)勢(shì)感知設(shè)備的永恒追求。作者認(rèn)為，國內(nèi)光電跟蹤技術(shù)的開展應(yīng)在跟蹤國外先進(jìn)技術(shù)的同時(shí)，進(jìn)一步在探測(cè)成像機(jī)制、數(shù)據(jù)通信機(jī)制上做出創(chuàng)新性探索，實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展。

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