國外全向凝視光電系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

李德棟，謝曉方，張龍杰，肖楚琬

(海軍航空工程學(xué)院兵器科學(xué)與技術(shù)系，山東煙臺264001)

1 引言

在現(xiàn)代戰(zhàn)場環(huán)境中，平臺防御面臨新的問題。美國空軍一項研究表明，從二戰(zhàn)到20世紀(jì)90年代之前，有70%的飛機(jī)在被擊落前飛行員未曾感知到威脅［1］。在高性能武器快速發(fā)展的背景下出現(xiàn)上述現(xiàn)象，與現(xiàn)有作戰(zhàn)平臺的探測范圍密切相關(guān)。以戰(zhàn)斗機(jī)為例，在機(jī)載雷達(dá)、光電設(shè)備、平臺告警系統(tǒng)等構(gòu)成的探測系統(tǒng)中，機(jī)載射頻雷達(dá)、光電雷達(dá)主要面向前半球空間，無線電無源全向告警不能應(yīng)對紅外導(dǎo)引武器，光電吊艙、吊塔可以監(jiān)測機(jī)身下半球空域，但僅適合安裝在下機(jī)身不能兼顧上方，并且機(jī)型受限。水面艦艇也面臨同樣的問題，受海雜波影響，在探測逼近本艦的超低空掠海導(dǎo)彈，或其他快速入侵物(FAIC)時，艦載雷達(dá)受到限制，并影響到需要雷達(dá)引導(dǎo)的其他設(shè)備。

任一方在態(tài)勢感知上的漏洞，都可能打破“隱蔽接敵，突然襲擊”的戰(zhàn)術(shù)原則，并給對手可乘之機(jī)。為消除探測盲區(qū)，產(chǎn)生了各種輔助設(shè)備，但設(shè)備加改裝又帶來二次集成以及對隱身、載荷的不利影響。由此可以推斷:以平臺為中心，采用高度集成系統(tǒng)對臨近區(qū)域?qū)崿F(xiàn)全向無縫實時探測，滿足近距離自防御中的信息－感知－決策要求，應(yīng)是下一場戰(zhàn)爭來臨之前，在防御層面亟需解決的問題?；谶@種認(rèn)識，美國、法國、以色列等國家在全向凝視光電探測領(lǐng)域開展了有針對性的研究。

2 基本原理

以傳感器配置方式可將全向凝視光電探測系統(tǒng)分為兩種類型:完全凝視型和步進(jìn)凝視型。

完全凝視型是在飛機(jī)上布置若干傳感器構(gòu)成固定陣列，傳感器合成的總視場覆蓋以飛機(jī)為中心、以傳感器作用距離為半徑的球形范圍，簡稱“4π”空間［2］。傳感器系統(tǒng)與飛機(jī)平臺集成，對圖像綜合處理、獲取信息，用于全向?qū)崟r告警、紅外搜索和跟蹤等多種用途，如圖1所示。國外研究機(jī)構(gòu)進(jìn)一步驗證了采用頭盔系統(tǒng)的全向視景顯示、遠(yuǎn)距探測飛機(jī)和導(dǎo)彈技術(shù)，國內(nèi)有關(guān)單位和學(xué)者對此進(jìn)行了跟蹤研究［3－6］，并出現(xiàn)了采用全反射鏡頭實現(xiàn)全向凝視探測的方法理論研究［7］。

圖1 DAIRS概念模型Fig．1 DAIRS conceptmodel

步進(jìn)凝視型是將單個線陣或焦平面?zhèn)鞲衅靼惭b在平臺上，由伺服系統(tǒng)驅(qū)動傳感器周期性掃描。通過控制伺服機(jī)構(gòu)與圖像采集處理設(shè)備協(xié)同工作獲得全景圖像，實現(xiàn)一定程度上的全向監(jiān)視。

完全凝視型傳感器采用高等級傳感器和先進(jìn)計算技術(shù)，布局靈活、監(jiān)視區(qū)域可調(diào)，適用于飛行器并可移植到艦艇、車輛平臺上，步進(jìn)凝視型傳感器則主要適用于艦艇平臺。

3 典型系統(tǒng)

全向凝視探測可以擴(kuò)大作戰(zhàn)平臺的總瞬時視場，消除特定情況下的探測盲區(qū)，為態(tài)勢感知、指揮決策提供關(guān)鍵信息，對平臺隱蔽性破壞較小。

3．1 機(jī)載類系統(tǒng)

3．1．1 AN/AAQ －37 系統(tǒng)

AN/AAQ－37由Northrop Grumman公司為F－35研制，如圖2(a)所示。6套配備92°視場魚眼鏡頭的制冷型中紅外波段探測器，安裝在F－35前上部、頭錐、背脊、腹部并與機(jī)身融合，總視場覆蓋“4π”空間，而且探測器鏡頭支持窄視場凝視［8］，利用頭盔顯示可全方位監(jiān)視機(jī)外環(huán)境，如圖2(b)所示。

AN/AAQ－37可對來自任意方位的紅外特征實時告警，并通過威脅庫比對、判定目標(biāo)屬性，通過預(yù)處理得到目標(biāo)精確方位，獲取敵方打擊意圖。

圖2 AN/AAQ－37實物圖及監(jiān)視區(qū)域Fig．2 AN/AAQ －37 diagram and detection area

3．1．2 ADAS 系統(tǒng)

先進(jìn)分布式孔徑系統(tǒng)(Advanced Distributed Aperture System，ADAS)以陸軍UH－60直升機(jī)作為載體，選用OpeVPX開放平臺，最多可管理6路中、近紅外雙色探測器，滿足在低空、地表區(qū)域的任務(wù)需求，如圖3所示。

圖3 ADAS傳感器Fig．3 Sensor of ADAS

圖4 DAEVX傳感器Fig．4 Sensor of DAEVX

2011年4月，ADAS完成系統(tǒng)集成并達(dá)到“聯(lián)合能力技術(shù)驗證”要求，但各通道圖像亮度、色彩匹配還存在差異［9］。Raytheon公司根據(jù)系統(tǒng)缺陷，采用CPU、GPU異構(gòu)圖像處理系統(tǒng)，完善了中、近紅外圖像融合和夜間飛行指示。與AN/AAQ－37不同的是，ADAS屬于加裝系統(tǒng)、傳感器采用外掛方案，對武器載荷有一定影響。

3．1．3 DAEVX 系統(tǒng)

分布式孔徑視覺增強系統(tǒng)(Distributed Aperture Enhanced Vision System，DAEVX)出自美國 SELEX Galileo公司，如圖4所示。系統(tǒng)采用4組非制冷遠(yuǎn)紅外相機(jī)，成組或分布安裝于機(jī)體。嵌入式模塊可對多通道圖像幾何校正、對比度動態(tài)匹配、無縫拼接融合，監(jiān)視飛機(jī)水平方向360°區(qū)域，支持平顯、頭顯、下顯和位置、速度、高度的疊加顯示?？膳c網(wǎng)格地形數(shù)據(jù)集成，支持低能見度甚至零能見度下的態(tài)勢感知［10］。采用SigMA－B開放式體系結(jié)構(gòu)，模塊化程度高，支持傳感器、用戶數(shù)和載機(jī)平臺的定制需求。

3．2 艦載類系統(tǒng)

3．2．1 SilentWatch 系統(tǒng)

SilentWatch是AN/AAQ－37系統(tǒng)向艦艇平臺的移植產(chǎn)品，如圖5(a)和圖5(b)所示。系統(tǒng)對傳感器布局、數(shù)據(jù)總線轉(zhuǎn)換、威脅數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)處理算法進(jìn)行再設(shè)計，與艦艇綜合作戰(zhàn)管理系統(tǒng)(Integrated Combat Management System，ICMS)、綜合橋接系統(tǒng)集成，適用于水面艦艇和海戰(zhàn)環(huán)境［11］。

圖5 SilentWatch實物圖及監(jiān)視區(qū)域Fig．5 SilentWatch diagram and detection area

2012年完成功能驗證:系統(tǒng)對多組傳感器圖像進(jìn)行無縫拼接，生成全方位、全天候、高分辨率、近實時圖像，覆蓋以艦艇為中心的上半球空間。能夠自主探測、跟蹤水面艦艇、飛機(jī)、導(dǎo)彈以及小型掠海飛行目標(biāo)，可監(jiān)視港口、為本艦提供全天導(dǎo)航，并通過ICMS將圖像傳至友軍。適用于有人和無人水面平臺、潛艇平臺、驅(qū)逐艦、瀕海戰(zhàn)斗艦，為自防御提供關(guān)鍵信息。

3．2．2 Sea Spotter系統(tǒng)

Sea Spotter系統(tǒng)由以色列Rafael公司研制，如圖6(a)和圖6(b)所示。兩套傳感器組件采用銻化銦中紅外凝視陣列，分置艦艇左右或前后兩側(cè)，視場覆蓋艦艇上半球區(qū)域。出于對威脅因素的充分考慮，Sea Spotter系統(tǒng)通過圖像處理算法，可分類判定地－地導(dǎo)彈、掠海飛行導(dǎo)彈、戰(zhàn)斗機(jī)、滑翔炸彈、反輻射導(dǎo)彈、直升機(jī)、艦船、類似于潛望鏡的小物體以及快速侵入船只。

圖6 Sea Spotter實物圖及監(jiān)視區(qū)域Fig．6 Sea Spotter diagram and detection area

系統(tǒng)關(guān)鍵特征包括:(1)采用智能算法將虛警率降低到每24 h一次，優(yōu)于上一代IRST系統(tǒng)，做到被動探測的“See without being seen”效果［12］;(2)與SilentWatch有所區(qū)別:由于受頂部攻擊的概率較低，故重點放在低空和水面，尤其強調(diào)對掠海飛行導(dǎo)彈的探測能力。

3．3．3 EOMS －NG 系統(tǒng)

法國研制的EOMS－NG系統(tǒng)屬于步進(jìn)凝視系統(tǒng)，如圖7所示。

圖7 EOMS－NG傳感器Fig．7 Sensor of EOMS － NG

EOMS－NG系統(tǒng)在傳感器中集成了紅外探測器、電視、激光測距器，獨特之處在于除具備全景監(jiān)視、晝夜紅外搜索、識別與跟蹤、海上取證功能外，還能作為艦炮防空、反艦火控系統(tǒng)，可快速完成探測和交戰(zhàn)任務(wù)，實時性強［13］。

法國Floreal級導(dǎo)彈護(hù)衛(wèi)艦、阿聯(lián)酋6艘Baynunah級輕型護(hù)衛(wèi)艦、DCNS公司Gowind近海巡邏艇“靈巧”號、澳大利亞海軍新型LHD直升機(jī)航母、防空驅(qū)逐艦、“安扎克”級護(hù)衛(wèi)艦均配備 EOMSNG［14］，是目前列裝數(shù)量最多的全向凝視系統(tǒng)。

3．3 車載類系統(tǒng)

持續(xù)多年的反恐行動使車輛廠商意識到全向態(tài)勢感知能力的重要性，自2009年之后相繼推出類型繁多的車載全向探測系統(tǒng)，其原理與上述幾種系統(tǒng)相似［15］，不再贅述。

3．4 對比分析

表1是幾類典型全向凝視系統(tǒng)的主要參數(shù)。從中可看出:(1)現(xiàn)有系統(tǒng)監(jiān)視區(qū)域水平方向均可覆蓋360°范圍，垂直方向可定制，故存在球形、半球形或指定區(qū)域范圍三種情形，由使用環(huán)境決定。(2)針對目標(biāo)輻射多樣性，探測器采用遠(yuǎn)、中、近紅外和可見光四類頻譜，以中、遠(yuǎn)紅外為主。(3)在傳感器搭載方式上，除AN/AAQ－37內(nèi)置機(jī)身外，其余系統(tǒng)均采用外置、外掛方案，對于艦艇其影響可忽略不計，但對飛機(jī)載荷與隱身性能造成明顯影響。(4)DAEVX允許多名機(jī)組成員獨立接收視頻，支持多用戶，可最大程度發(fā)揮機(jī)組效率，其他幾型系統(tǒng)僅向主要操作對象提供服務(wù)。

表1 典型系統(tǒng)性能Tab．1 Typical system performance

4 發(fā)展趨勢

現(xiàn)代戰(zhàn)場體系對抗特征明顯，武器信息化、精確化、隱身化、智能化水平不斷提高，攻防對抗更加激烈。全向凝視探測可提高戰(zhàn)場透明度，為頂層指揮系統(tǒng)爭取反應(yīng)時間和空間，有利于近距攻防對抗。從提出EODAS概念開始，多光譜探測器、圖像處理、并行計算、高級人機(jī)接口等技術(shù)逐步與作戰(zhàn)平臺集成，在軍事應(yīng)用領(lǐng)域逐漸形成一種突破。在總體發(fā)展趨勢上表現(xiàn)為:

(1)采用新型探測器和成像機(jī)制提升探測質(zhì)量。DAIRS和MIDAS將探測器像素提升到1024×1024，奠定了對不可辨目標(biāo)識別的基礎(chǔ)。而新一代大面陣、小型化、低成本、多/超光譜紅外探測器的應(yīng)用［15］，顯著降低了目標(biāo)輻射特性差異和紅外抑制措施的影響。自適應(yīng)以及超寬視場編碼孔徑等計算成像技術(shù)，在大視場高分辨率成像領(lǐng)域消除了均勻采樣模式無法在無人機(jī)等緊湊型平臺應(yīng)用的弊端［16］。

(2)與作戰(zhàn)平臺緊密耦合衍生多類型飛行、作戰(zhàn)輔助功能?；谔綔y、識別、跟蹤等基本性能，全向凝視探測系統(tǒng)具備了火力監(jiān)視、威脅預(yù)警、低能見度條件輔助導(dǎo)航等功能。但特殊的戰(zhàn)場需求仍會催生其他功能，新型火控攻擊方案指示、戰(zhàn)場搜救指示、低空線纜障礙物規(guī)避指示、戰(zhàn)場毀傷評估等功能會以模塊形式逐步嵌入全向凝視探測系統(tǒng)中。

(3)以開放式體系結(jié)構(gòu)解決移植與擴(kuò)容障礙。作為一種突破性手段，全向凝視探測系統(tǒng)是一種必然趨勢。現(xiàn)有二次集成模式犧牲了平臺的隱身、載荷性能，提高了成本。未來的全向凝視設(shè)備將采用開放式體系結(jié)構(gòu)，其結(jié)果是從硬件上可最大限度的利用COTS商品，在擴(kuò)充傳感器通道、嵌入新型功能、升級計算能力和兼容作戰(zhàn)平臺中降低成本和難度，與平臺系統(tǒng)緊密耦合，實現(xiàn)系統(tǒng)軟、硬件功能模塊的“即插即用”。

5 結(jié)語

美國國家研究理事會編寫的《駕駛光:21世紀(jì)光科學(xué)和工程》提到:“將來光學(xué)系統(tǒng)必將是全新類型防務(wù)應(yīng)用的基礎(chǔ)，這些應(yīng)用將再次改變戰(zhàn)爭的方式”。作戰(zhàn)平臺在現(xiàn)代戰(zhàn)場中對全向監(jiān)視的迫切需求，隨著全向凝視探測系統(tǒng)的出現(xiàn)得到了緩解。外軍全向凝視探測技術(shù)的研究與發(fā)展，為我們提供了可借鑒之處。國內(nèi)在圖像處理、寬試場低畸變鏡頭、全景成像機(jī)制、總線集成、態(tài)勢感知領(lǐng)域有大量研究基礎(chǔ)，應(yīng)與作戰(zhàn)平臺結(jié)合，縮短與外軍同型裝備的代差。

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