距離選通激光主動(dòng)成像技術(shù)在直升機(jī)中的應(yīng)用

趙 云，姚有文，張 斌

(1.總參陸航部駐景德鎮(zhèn)地區(qū)軍事代表室，江西 景德鎮(zhèn) 333001；2.61213部隊(duì)，山西 臨汾 041000)

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距離選通激光主動(dòng)成像技術(shù)在直升機(jī)中的應(yīng)用

趙 云1，姚有文1，張 斌2

(1.總參陸航部駐景德鎮(zhèn)地區(qū)軍事代表室，江西 景德鎮(zhèn) 333001；2.61213部隊(duì)，山西 臨汾 041000)

以提高直升機(jī)作戰(zhàn)性能為出發(fā)點(diǎn)，綜述了距離選通激光主動(dòng)成像技術(shù)和穩(wěn)瞄技術(shù)的現(xiàn)狀，分析了距離選通激光主動(dòng)成像技術(shù)應(yīng)用于直升機(jī)穩(wěn)瞄系統(tǒng)的可行性和先進(jìn)性。距離選通激光主動(dòng)成像技術(shù)是提高直升機(jī)整體性能的重要技術(shù)手段，是直升機(jī)穩(wěn)瞄系統(tǒng)的發(fā)展方向。

直升機(jī)；距離選通；激光成像

0 引言

直升機(jī)作為陸軍航空兵的主戰(zhàn)裝備，具有快速機(jī)動(dòng)、精確打擊、偵察預(yù)警、信息作戰(zhàn)、電子對(duì)抗等作戰(zhàn)能力，已成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭中奪取低空制空權(quán)的利器，在遂行非軍事行動(dòng)中也發(fā)揮著越來越重要的作用。

光電穩(wěn)瞄系統(tǒng)是直升機(jī)的眼睛，是直升機(jī)的重要系統(tǒng)之一。它主要實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場搜索、目標(biāo)瞄準(zhǔn)、跟蹤、激光測距和激光指示，為火控系統(tǒng)武裝發(fā)射提供瞄準(zhǔn)線指向功能，是直升機(jī)升級(jí)換代和信息化改造的重中之重?，F(xiàn)代武裝直升機(jī)機(jī)載光電穩(wěn)瞄系統(tǒng)一般配有電視跟蹤、紅外探測和激光測距功能，基本能夠滿足飛行員的需要。但電視和紅外探測屬于被動(dòng)探測，易受自然條件和敵方的干擾；激光測距只能獲得敵方的距離信息，功能單一。為適應(yīng)未來戰(zhàn)場態(tài)勢(shì)的需要，必須對(duì)穩(wěn)瞄系統(tǒng)的光電探測技術(shù)進(jìn)行不斷的探索。本文對(duì)將距離選通激光主動(dòng)成像技術(shù)應(yīng)用于直升機(jī)穩(wěn)瞄系統(tǒng)進(jìn)行了簡要分析。

1 距離選通激光主動(dòng)成像技術(shù)

1.1 工作原理

基于距離選通的激光主動(dòng)成像技木(GVT)原理[1]如圖1所示。距離選通激光主動(dòng)成像系統(tǒng)(GVS)利用高峰值功率的脈沖激光器照射目標(biāo)，利用高精度門控電路延時(shí)觸發(fā)窄快門面陣成像探測器(一般為像增強(qiáng)型CCD，即ICCD)，接收目標(biāo)反射光并成像。由于激光在往返途中探測器快門關(guān)閉，可以有效地抑制背景噪聲和雜波干擾，因而能有效提高對(duì)小、暗、遠(yuǎn)目標(biāo)的識(shí)別能力。另外，所得目標(biāo)圖像對(duì)應(yīng)了一定的距離深度，可以通過圖像處理得到目標(biāo)的三維信息，并且有距離選通和分辨率高的特點(diǎn)。

圖1 距離選通激光主動(dòng)成像系統(tǒng)工作原理

1.2 系統(tǒng)組成

從距離選通激光主動(dòng)成像技術(shù)的工作原理可以看出，它有三個(gè)基本特征：采用脈沖激光照明；采用窄快門脈沖成像器件；由門控電路實(shí)現(xiàn)高精度延時(shí)控制。因此，GVS一般由激光器、選通型ICCD攝像機(jī)和延遲同步控制電路等構(gòu)成。GVS器件的選擇不盡相同：激光照明多種多樣，主要有532nm的YAG激光器、人眼安全的1.57um激光器和半導(dǎo)體陣列激光器等；成像器件一般選用超二代ICCD、三代ICCD、電子轟擊CCD(EBCCD)等；門控電路的控制方法和精度需根據(jù)不同的應(yīng)用場合選用不同的同步時(shí)序方法。

2 直升機(jī)光電技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 發(fā)展歷程[2]

目前，光電技術(shù)在直升機(jī)中的應(yīng)用具有代表性的主要有瞄準(zhǔn)線穩(wěn)定系統(tǒng)、偵察系統(tǒng)、夜間飛行導(dǎo)航系統(tǒng)、光電對(duì)抗系統(tǒng)等，其中以穩(wěn)瞄系統(tǒng)最具有代表性。直升機(jī)穩(wěn)瞄系統(tǒng)按性能和時(shí)間可以大致分為三代：

第一代直升機(jī)穩(wěn)瞄系統(tǒng)主要在20世紀(jì)70年代末至80年代初裝備使用，如美軍的AH-l“眼鏡蛇”直升機(jī)的M65穩(wěn)瞄系統(tǒng)、法國“小羚羊”直升機(jī)M397穩(wěn)瞄系統(tǒng)等。這一階段主要是白天型，全部采用直視光學(xué)通道觀察瞄準(zhǔn)。

第二代直升機(jī)穩(wěn)瞄系統(tǒng)在20世紀(jì)90年代初期裝備使用，在此期間武裝直升機(jī)獲得了飛速發(fā)展，如美軍的AH-64“阿帕奇”、OH-58D“基奧瓦”、意大利的A-129“貓鼬”、南非的AH-2A“茶隼”、前蘇聯(lián)的米-28“浩劫”和卡-50“黑鯊”等一批世界著名的武裝直升機(jī)。與此同時(shí)，紅外技術(shù)也獲得飛速發(fā)展，這些直升機(jī)穩(wěn)瞄系統(tǒng)均加裝了紅外熱像儀，形成晝夜兩用型穩(wěn)瞄系統(tǒng)。

第三代穩(wěn)瞄系統(tǒng)主要在20世紀(jì)90年代后期至今，隨著紅外、激光技術(shù)與信息處理技術(shù)的飛速發(fā)展，先進(jìn)國家紛紛在第二代穩(wěn)瞄技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行更新?lián)Q代，其主要特點(diǎn)是采用三代大面陣熱像儀、連續(xù)變倍光學(xué)系統(tǒng)、半導(dǎo)體泵浦雙模激光指示/測距儀、多目標(biāo)跟蹤、信息融合等先進(jìn)技術(shù)，如 AH-64D“長弓阿帕奇”攻擊直升機(jī)“箭頭”穩(wěn)瞄系統(tǒng)、AH-1Z“蝰蛇”TSS穩(wěn)瞄系統(tǒng)等。

RAH-66“柯曼奇”是美國研制的最新型武裝偵察直升機(jī)，盡管目前已下馬，但其裝備的EOSS穩(wěn)瞄系統(tǒng)不僅裝有當(dāng)前最高水平的各種光電傳感器，而且其總線技術(shù)、信息處理與融合、隱身、一體化穩(wěn)定平合等技術(shù)都代表著直升機(jī)光電系統(tǒng)當(dāng)前最高技術(shù)水平。

2.2 存在的不足

雖然目前直升機(jī)裝備了融合電視、紅外和激光等先進(jìn)技術(shù)的穩(wěn)瞄系統(tǒng)，可以“打得更準(zhǔn)、看得更遠(yuǎn)”，但制約其光電系統(tǒng)發(fā)揮作用的因素仍然很多。

電視系統(tǒng)即可見光成像系統(tǒng)，屬于被動(dòng)成像系統(tǒng)，它是利用可見光探測器感知目標(biāo)反射的日光進(jìn)行成像。由此可見，其性能很大程度上受到環(huán)境和目標(biāo)本身的影響。在霧、霾、雨、雪等惡劣天氣條件下很難發(fā)揮作用；目標(biāo)本身對(duì)電視系統(tǒng)的影響也很大，如果目標(biāo)處在黑暗或?qū)θ展夥瓷渎蕵O低的條件下，電視系統(tǒng)的作用就會(huì)大大降低。

紅外成像技術(shù)主要是靠場景溫度和目標(biāo)輻射率的變化來提供圖像信息，雖然能夠克服電視系統(tǒng)夜晚?xiàng)l件下不能對(duì)目標(biāo)探測識(shí)別的不足，但仍屬于被動(dòng)成像系統(tǒng)，同樣受天氣和目標(biāo)的影響較大，當(dāng)探測目標(biāo)與環(huán)境溫度溫差很小甚至沒有溫度變化時(shí)，就不能很好地進(jìn)行探測與識(shí)別，紅外系統(tǒng)作用的發(fā)揮就會(huì)受到極大的限制。此外，大氣對(duì)紅外線的傳輸具有窗口效應(yīng)和衰減效應(yīng)，紅外系統(tǒng)的探測距離有限。

目前，激光技術(shù)雖然已經(jīng)應(yīng)用到直升機(jī)穩(wěn)瞄系統(tǒng)當(dāng)中，但其作用僅限于測距和導(dǎo)彈指引等，還沒有將激光的成像技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用。

3 GVT在直升機(jī)中的應(yīng)用分析

3.1 先進(jìn)性分析

距離選通激光主動(dòng)成像技術(shù)具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在天氣條件惡劣、強(qiáng)介質(zhì)散射等情況下，可有效避免后向散射光的干擾；可在低照度、背景復(fù)雜的條件下，獲取目標(biāo)的強(qiáng)度像和距離像，并且還可以生成高分辨率的三維圖像。激光主動(dòng)成像技術(shù)可以有效彌補(bǔ)電視和紅外探測技術(shù)的短板，將GVT與電視、紅外技術(shù)進(jìn)行有效融合，對(duì)直升機(jī)的整體戰(zhàn)技術(shù)水平的提高具有重要意義。

對(duì)距離選通激光主動(dòng)成像系統(tǒng)而言，調(diào)制對(duì)比度是激光成像系統(tǒng)的重要評(píng)價(jià)參數(shù)之一[3]。調(diào)制對(duì)比度Cr定義為：

式中，Etarget和Ebac分別表示探測器上接收到的激光能量和背景能量。實(shí)際工程中要求探測器靶面Cr≥0.1。

設(shè)τe=τr-Toptics，可得探測器接收到的目標(biāo)反射的激光能量為：

Ep為激光發(fā)射能量；Toptics為光學(xué)系統(tǒng)傳遞函數(shù)；σ為目標(biāo)LRCS(目標(biāo)激光散射截面)；Dr為光學(xué)系統(tǒng)口徑；Tatm為激光大氣透過率，Tatm=exp(-σextR)，σext為大氣消光系數(shù)；θt為激光發(fā)散角；R為系統(tǒng)探測距離。

在ICCD距離選通門控時(shí)間內(nèi)，探測器接收到的背景能量為：

Ez為太陽在目標(biāo)處的照度Eλ和大氣層發(fā)射的背景噪聲Eb之和，取日地平均距離時(shí)，Eλ=630W/m2um，Eb=0.3×Eλ=189W/m2um，則Ez=Eλ+Eb=819W/m2um；Δλ為光學(xué)濾波片波段；Δτ為ICCD距離選通門寬度。

調(diào)制對(duì)比度限制時(shí)，可得最大作用距離[4]為：

參考實(shí)際情況，取Toptics=0.6，Δλ=50nm，Δτ=100ns，σext=0.1km-1(1.06um)/0.25km-1(0.532um)，分別選取1.06um激光和0.532um激光成像系統(tǒng)，在系統(tǒng)不同發(fā)散角條件下，對(duì)系統(tǒng)作用距離與激光發(fā)射能量之間的關(guān)系進(jìn)行了仿真，結(jié)果如圖2、圖3。

圖2 1.06um激光探測距離與能量關(guān)系曲線

圖3 0.532um激光探測距離與能量關(guān)系曲線

從仿真分析結(jié)果看，距離選通激光主動(dòng)成像系統(tǒng)在激光發(fā)射能量達(dá)3mJ(1.06um)和40mJ(0.532um)時(shí)，作用距離可達(dá)10km。

國內(nèi)外對(duì)激光主動(dòng)成像技術(shù)進(jìn)行了技術(shù)研究和樣機(jī)驗(yàn)證。

國外對(duì)距離選通激光主動(dòng)成像技術(shù)的研究進(jìn)行得較早，取得了相當(dāng)?shù)倪M(jìn)展，國外研究機(jī)構(gòu)依托其雄厚的制造工藝實(shí)力，在成像器件水平上具有突出優(yōu)勢(shì)。美國的INTEVAC公司致力于成像器件的研究，該公司研制的LIVAR4000系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室獲得了28km遠(yuǎn)處激光主動(dòng)成像目標(biāo)圖像。英國SELEXS&AS公司研制的激光主動(dòng)成像系統(tǒng)利用YAG激光器可對(duì)10km遠(yuǎn)目標(biāo)成明亮圖像。俄羅斯、加拿大、瑞典等國家在GVT方面的研究也取得了非常好的效果。

國內(nèi)系統(tǒng)總體性能較國外的差距較大。國內(nèi)的長春光機(jī)所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué)等都在進(jìn)行距離選通激光主動(dòng)成像技術(shù)方面的研究。裝備學(xué)院于2006年開始進(jìn)行大氣條件下距離選通激光主動(dòng)成像探測技術(shù)研究，進(jìn)行了大量試驗(yàn)，獲得了從距離5m到約20km范圍目標(biāo)的成像試驗(yàn)結(jié)果，距離精度達(dá)到0.1m。

而在能見度大于15km的條件下，紅外探測系統(tǒng)探測公里數(shù)僅在個(gè)位數(shù)量級(jí)[5]。

從仿真分析和國內(nèi)外研究成果來看，距離選通激光主動(dòng)成像技術(shù)具有一定的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，達(dá)到了一定的實(shí)用條件。

3.2 可行性分析

一般的穩(wěn)瞄系統(tǒng)由穩(wěn)瞄轉(zhuǎn)塔、電子控制單元、操縱部件以及數(shù)據(jù)處理顯示單元等構(gòu)成，如圖4所示。轉(zhuǎn)塔內(nèi)裝有電視觀瞄具、熱像觀瞄具、激光指示器/測距機(jī)等傳感器，電子控制單元是信息處理和控制中心，用于接收數(shù)字、模擬、視頻信息，輸出系統(tǒng)狀態(tài)信息、控制命令和視頻圖像，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)瞄系統(tǒng)的各項(xiàng)功能。

圖4 光電穩(wěn)瞄系統(tǒng)一般結(jié)構(gòu)

將距離選通激光主動(dòng)成像技術(shù)應(yīng)用于直升機(jī)，對(duì)現(xiàn)有穩(wěn)瞄系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，即只要對(duì)現(xiàn)有穩(wěn)瞄轉(zhuǎn)塔中的激光測距機(jī)部分進(jìn)行改進(jìn)即可，將激光測距機(jī)的激光探測器更換為帶選通門的ICCD探測器，電子控制單元加入時(shí)序控制等，后續(xù)對(duì)圖像顯示處理單元進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn)。

高功率小型化激光器是距離選通激光主動(dòng)成像技術(shù)應(yīng)用于直升機(jī)穩(wěn)瞄系統(tǒng)的關(guān)鍵器件，目前國內(nèi)外對(duì)高功率小型化激光器的研究進(jìn)入了全新的階段。2005年，美國IPG公司推出了17kw級(jí)高功率光纖激光器[6]。雖然國內(nèi)高功率激光器發(fā)展水平還低于國外，但近年來也取得了很大的進(jìn)步。西安應(yīng)用光學(xué)研究所[7]研究的高功率LD陣列泵浦的小型化激光器平均單脈沖能量為96mJ(脈沖能量波動(dòng)小于6%)，脈寬為10ns。激光發(fā)射功率的不足，可以用提高接受光學(xué)系統(tǒng)口徑和降低激光發(fā)散角的辦法加以彌補(bǔ)；探測器件ICCD，國外的技術(shù)水平比較成熟，軍用ICCD早已達(dá)到三代水平(分辨率在60lm/mm以上)，國內(nèi)水平較低，分辨率水平停留在640×480左右的水平[8],基本能夠滿足應(yīng)用的需求，但仍需花大精力進(jìn)行研究和突破。發(fā)射和接收光學(xué)系統(tǒng)以及時(shí)序控制電路可根據(jù)系統(tǒng)的性能要求進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)。從以上分析可見，距離選通激光主動(dòng)成像技術(shù)在直升機(jī)中的應(yīng)用具有一定的可行性。

3.3 發(fā)展前景

激光主動(dòng)成像技術(shù)應(yīng)用于直升機(jī)穩(wěn)瞄系統(tǒng)，可有效彌補(bǔ)電視、紅外系統(tǒng)的不足，同時(shí)兼具激光測距和激光照射功能，在現(xiàn)有穩(wěn)瞄技術(shù)上進(jìn)行改進(jìn)就可以實(shí)現(xiàn)。未來激光照明成像技術(shù)還有很大的發(fā)展空間：1)成像器件和激光器進(jìn)一步升級(jí)，從而促進(jìn)系統(tǒng)的小型化和可靠性提升，更加有利于直升機(jī)的應(yīng)用；2)進(jìn)行多光束、多波長激光照明成像技術(shù)研究，利用目標(biāo)對(duì)不同波長激光反射率的差異，抑制散斑效應(yīng)的影響，提高成像分辨率；3)進(jìn)行偏振激光照明成像探測技術(shù)研究，提高特定目標(biāo)、隱蔽目標(biāo)探測識(shí)別能力；4)進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)處理速度和精度。這些技術(shù)的發(fā)展和突破，對(duì)激光主動(dòng)成像技術(shù)在直升機(jī)中的應(yīng)用都有很大的促進(jìn)作用。

4 總結(jié)

本文介紹了距離選通激光主動(dòng)成像技術(shù)工作原理和系統(tǒng)組成，介紹了直升機(jī)穩(wěn)瞄系統(tǒng)的現(xiàn)狀和局限性，分析了距離選通激光主動(dòng)成像技術(shù)應(yīng)用于直升機(jī)的可行性和先進(jìn)性。系統(tǒng)地開發(fā)和研制需要進(jìn)一步深入研究。隨著激光主動(dòng)成像技術(shù)的發(fā)展，距離選通激光主動(dòng)成像技術(shù)必將成為直升機(jī)穩(wěn)瞄系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)。

[1] 郭惠超,孫華燕,范有成.大氣條件下距離選通激光主動(dòng)成像技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展,2013(8):1-2.

[2] 紀(jì) 明,許培忠,徐飛飛. 武裝直升機(jī)光電系統(tǒng)發(fā)展與對(duì)策[J].應(yīng)用光學(xué),2010(1):2.

[3] 戴得德,等.激光主動(dòng)成像系統(tǒng)目標(biāo)圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)參數(shù)研究[J]. 激光與紅外,2009(9):989.

[4] 李迎春,唐黎明,孫華燕. 空間目標(biāo)的激光主動(dòng)成像系統(tǒng)性能分析[J].裝備指揮技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2008(2):68.

[5] 中國直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所,編.X型機(jī)使用手冊(cè)[Z]. 中國直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，2010.

[6] 張勁松.高功率光纖激光器發(fā)展概況[J].光通信技術(shù),2009(12).

[7] 張 彪,高 瑋,楊照金,等.高功率LD陣列泵浦激光器小型化研究[J],應(yīng)用光學(xué),2009(4).

[8] 高性能數(shù)字式ICCD制作與性能分析[D].北京：北京理工大學(xué),2014(2):5.

Analysis on the Application of Range-Gated Laser Active Imaging Technology in Helicopter

ZHAO Yun1, YAO Youwen1, ZHANG Bin2

(1.The PLA General staff’s Army Aviation Military Office in Jingdezhen Region, Jingdezhen 333001, China;2.Unit 61213 PLA, Linfen 041000, China)

In order to improve the operational performance of a helicopter as the starting point, Range-Gated laser active imaging technology and stabilization technology were reviewed. And also analyzed the feasibility and advanced of the application of Range-Gated laser active imaging technology in the helicopter stabilization. Range-Gated laser active imaging technology was an important approach to improve the performance of a helicopter and the development direction of stabilized sighting system.

helicopter; Range-Gated; laser imaging

2015-04-20

趙 云(1984-)，男，安徽南陵人，碩士，工程師，主要研究方向：航空電子。

1673-1220(2015)04-020-04

V243

A