車載光電桅桿技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

張坤杰

車載光電桅桿技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

張坤杰

（昆明物理研究所，云南 昆明 650223）

在介紹極限意義上的幾何探測距離計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，介紹了車載光電桅桿的結(jié)構(gòu)，包括直臂式和曲臂式兩種結(jié)構(gòu)。在車載桅桿的應(yīng)用中引入光電探測系統(tǒng)可增強(qiáng)系統(tǒng)的態(tài)勢感知能力。隨著車載光電桅桿技術(shù)日漸發(fā)展成熟以及應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，車載光電桅桿需求量有望增加。對國內(nèi)外目前車載光電桅桿技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用前景進(jìn)行了綜述。

車載光電桅桿；態(tài)勢感知；光電探測；紅外成像；地面監(jiān)視雷達(dá)

0 引言

桅桿原本是一種船上懸掛風(fēng)帆和旗幟的高桿，桅桿頂端位據(jù)船體平臺高點(diǎn)位置，具有登高望遠(yuǎn)的高度優(yōu)勢。光電探測系統(tǒng)對地面或?qū)Ｃ娴挠^察距離受到地球曲率的影響，同樣性能的探測系統(tǒng)，安裝在高處比安裝在低處看得更遠(yuǎn)。將光電探測系統(tǒng)安裝在桅桿頂端即構(gòu)成光電桅桿[1]，光電桅桿通過相對簡單地提升光電探測系統(tǒng)的位置高度，額外擴(kuò)大了光電探測系統(tǒng)的作用距離和觀察范圍。近年來，隨著光電探測系統(tǒng)的小型化，光電桅桿的應(yīng)用范圍從水面擴(kuò)展到地面，國內(nèi)外有關(guān)單位紛紛涉足光電桅桿的研發(fā)[2]。逐漸形成了一個相對獨(dú)立、特色明晰的車載光電桅桿技術(shù)領(lǐng)域。本文介紹了國內(nèi)外車載光電桅桿的發(fā)展動態(tài)。

1 光電探測系統(tǒng)的幾何探測距離

作用距離是軍用光電探測系統(tǒng)最重要的一個性能參數(shù)。這里介紹極限意義上的幾何探測距離計(jì)算方法[3]。幾何探測距離是光電探測系統(tǒng)的最大作用距離。如同人眼可以向下看、向上看或者等高看出去一樣，光電探測系統(tǒng)的視線具有方向性。如果視線平行投射出去，如圖1(a)和(b)所示，這兩種情況均無法定義最大距離，如圖1(a)中所示，視線可能還未到最大距離即被地勢所阻止；而圖1(b)類似于對空觀察，視線可以無限地向外空間延伸。

在平坦地勢上所呈現(xiàn)的視線距離不一定是幾何探測距離，如圖2(a)所示。幾何探測距離出現(xiàn)在圖2(b)所示的情況。設(shè)光電探測系統(tǒng)所在位置為，其距地面高度為。點(diǎn)為從點(diǎn)投向地球表面的切線與地球表面的切點(diǎn)，視線BCD稱為下視線。設(shè)目標(biāo)高度為。目標(biāo)先位于點(diǎn)，然后移動到點(diǎn)，再移動到點(diǎn)，＝＝＝。與目標(biāo)頂點(diǎn)所在位置之間的連線稱為上視線，圖2(b)中的、為上視線。屬于上視線與下視線重合的情況。的意義在于給出了一個臨界點(diǎn)，在點(diǎn)，目標(biāo)頂端剛剛與整機(jī)視線相接觸、但是目標(biāo)整體仍在視線以下。

三角形和三角形分別為直角三角形。根據(jù)勾股定理，長度可按下式計(jì)算：

式中：＝6378.14km，為地球半徑。

因?yàn)?以及?，故式(1)展開后可以簡化為：

式(2)給出的幾何距離只是一個理論意義上的計(jì)算公式，它是一個極限值。光電探測系統(tǒng)的實(shí)際作用距離與系統(tǒng)參數(shù)密切相關(guān)，但是不可能大于幾何距離。

從式(2)可以看到，當(dāng)目標(biāo)高度不變時，光電探測系統(tǒng)擺得越高，看得越遠(yuǎn)。這就是光電桅桿優(yōu)點(diǎn)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。

2 國外車載光電桅桿的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 車載光電桅桿的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

車載光電桅桿一般由可升降/收縮的桅桿結(jié)構(gòu)和光電探測系統(tǒng)組合而成，前者屬于機(jī)械結(jié)構(gòu)的范疇，在經(jīng)過改裝的車輛上安裝一個升降機(jī)便可實(shí)現(xiàn)桅桿的升降；后者屬于光電技術(shù)的范疇。

圖1 地勢對視線距離的影響

圖2 光電探測系統(tǒng)對地觀察時形成的幾何關(guān)系

車載光電桅桿所用車輛可以靈活多樣，可以是軍用車輛、警用車輛或者民用車輛。升降機(jī)主要有直臂式和曲臂式兩種，它們的驅(qū)動形式包括機(jī)械、液壓、氣壓等[4]。圖3是基于改裝吉普車的直臂式桅桿結(jié)構(gòu)，桅桿升降的控制與桅桿頂部光電探測系統(tǒng)的控制通過桅桿外部螺旋纏繞的線纜來實(shí)現(xiàn)，桅桿整體的部署高度可達(dá)4.72m[5]。不同于圖3的桅桿結(jié)構(gòu)，圖4[6]呈現(xiàn)的是由5段伸縮臂構(gòu)成的桅桿結(jié)構(gòu)，桅桿升降的控制和圖像信號通過桅桿內(nèi)部的線纜傳輸，這種直臂式結(jié)構(gòu)可以避免較多地占用車輛駕駛室內(nèi)的有限空間。另外，光電桅桿結(jié)構(gòu)還可以設(shè)置在單獨(dú)的掛車車體上，圖5為美國FLIR公司研制的基于掛車的Cerberus直臂式光電桅桿，其桅桿部署高度為5.8m，可以部署在偏僻地區(qū)，實(shí)現(xiàn)較長時間的無人值守工作[7]。

圖3 基于改裝吉普車的直臂式桅桿結(jié)構(gòu)

此外，光電桅桿還可以用研發(fā)中的概念車輛來作為安裝平臺。圖6[8]是美軍基于M2A3/Bradley履帶式步兵戰(zhàn)車底盤研發(fā)的M-SHORAD履帶式野戰(zhàn)防空系統(tǒng)樣車，從圖中可見，該車也配有直臂式光電桅桿，與圖4相似，為避免過多占用車輛內(nèi)部操作空間，直臂式桅桿可最大程度地節(jié)省車輛駕駛艙內(nèi)部空間。但基于車輛的作戰(zhàn)特點(diǎn)，直臂式桅桿的高度有限，以避免自身目標(biāo)暴露。

圖4 軍用車輛配備的直臂式光電桅桿

圖5 基于掛車的直臂式FLIR Cerberus光電桅桿

曲臂式升降機(jī)既能自動保持被舉升光電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，又可以實(shí)現(xiàn)工作中所需高度，速度控制精確靈敏，微動性能較好，維護(hù)方便、維修保養(yǎng)成本較低，目前在車載光電桅桿結(jié)構(gòu)中較為常見。與直臂式升降機(jī)相比，曲臂式升降機(jī)占用車輛空間較多。曲臂式升降機(jī)配備的底盤可根據(jù)需求靈活安裝在軍用、警用、民用車輛上，或者直接安裝于地面。例如，圖7是安裝有曲臂式升降機(jī)的FLIR LTV-X車載光電桅桿，其桅桿部署高度為4.04m[9]。圖8是基于改裝皮卡和曲臂式升降機(jī)實(shí)現(xiàn)的FLIR MVSS光電桅桿，可在車輛駕駛室內(nèi)通過觸屏顯示器來控制桅桿的升降與桅桿頂部的光電探測系統(tǒng)，二者可根據(jù)需要靈活調(diào)整，互不干預(yù)，操作較為便捷，其中光電探測系統(tǒng)所成圖像由光纖傳輸?shù)今{駛室內(nèi)，桅桿整體的部署高度可達(dá)7.93m[10]。

圖6 M-SHORAD履帶式野戰(zhàn)防空系統(tǒng)中的光電桅桿

圖7 在越野吉普上安裝的FLIR LTV-X曲臂式光電桅桿

圖8 基于改裝皮卡和曲臂式升降機(jī)的FLIR MVSS光電桅桿

2.2 車載光電桅桿的態(tài)勢感知技術(shù)

信息化戰(zhàn)爭要求具有態(tài)勢感知能力。態(tài)勢信息在指揮與作戰(zhàn)人員對戰(zhàn)場態(tài)勢的分析交流中尤為關(guān)鍵[11-12]。國外廠商通過在車載光電桅桿中引入信息融合技術(shù)和全周視回轉(zhuǎn)掃描技術(shù)來形成態(tài)勢感知能力。信息融合技術(shù)包括紅外、可見光、雷達(dá)、激光等多波段探測技術(shù)的融合。從美國Lockheed Martin、FLIR、德國萊茵等公司近年研發(fā)的產(chǎn)品可以看出，大多數(shù)車載光電桅桿采用高清長波紅外（Long wavelength infrared，LWIR）、高清中波紅外（Middle wavelength Infrared，MWIR）、高清短波紅外（Short wavelength infrared，SWIR）、高清彩色攝像機(jī)和像增強(qiáng)器的多波段融合技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)在于通過優(yōu)化多波段光譜信息的利用率、消除多傳感器信息之間可能存在的矛盾和冗余來提高分辨率[13-24]。采用融合技術(shù)后的系統(tǒng)觀測范圍較原來相比可顯著增加。例如，圖8中桅桿頂部的光電探測系統(tǒng)使用了多波段圖像融合技術(shù)，覆蓋可見光、近紅外、短波紅外和中波紅外4個工作波段，觀測范圍從700m可擴(kuò)展到30km[25]。美國Lockheed Martin公司研制的GYROCAM-15TS車載光電桅桿實(shí)現(xiàn)了紅外熱像儀、彩色攝像機(jī)和自動門控像增強(qiáng)器三者的圖像融合。

周視觀察對車載平臺態(tài)勢感知能力的影響尤為突出，如美國Lockheed Martin公司和FLIR公司推出的幾款光電桅桿的方位角全部實(shí)現(xiàn)連續(xù)360°全周視觀察，根據(jù)工作任務(wù)的不同，它們的俯仰角各有不同，小到－30°，大到＋120°。表1列出了美國FLIR公司車載光電桅桿的主要技術(shù)特點(diǎn)和性能參數(shù)[5,7,9-10,24-25]。表2列出了美國Lockheed Martin公司車載光電桅桿的技術(shù)特點(diǎn)和性能參數(shù)[26-28]。

表1 美國FLIR公司的車載光電桅桿的主要技術(shù)特點(diǎn)和性能參數(shù)

表2 美國Lockheed Martin公司的車載光電桅桿的主要技術(shù)特點(diǎn)和性能參數(shù)

Continued Table 2

早期雷達(dá)使用晶體管技術(shù)，體積和功耗較大，難以實(shí)現(xiàn)車載桅桿式安裝。隨著微電子技術(shù)的進(jìn)步，各種電子元件的體積縮小、功耗降低，逐步實(shí)現(xiàn)雷達(dá)小型化，衍生了主要用來對重要陣地或者設(shè)施周圍實(shí)施有效監(jiān)視的地面監(jiān)視雷達(dá)（又稱為戰(zhàn)場監(jiān)視雷達(dá)）。地面監(jiān)視雷達(dá)的典型產(chǎn)品為面板式結(jié)構(gòu)，其采用模塊化設(shè)計(jì)，體積較小、重量較輕，可直接安裝在車載桅桿上構(gòu)成遠(yuǎn)距離地面監(jiān)視雷達(dá)系統(tǒng)。從圖4、圖7、圖8和圖9(a)[29]中可以看到安裝在車載桅桿頂端的面板式地面監(jiān)視雷達(dá)。在車載光電桅桿中，地面監(jiān)視雷達(dá)主要配合紅外、可見光、激光和其他傳感器協(xié)作使用，可以較大程度地實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的搜索、跟蹤和定位。地面監(jiān)視雷達(dá)還可以車下安裝，構(gòu)成近距離地面監(jiān)視雷達(dá)系統(tǒng)，如圖9(b)所示。表3為美國FLIR公司研制的多款車載光電桅桿中的地面監(jiān)視雷達(dá)參數(shù)[5,7, 9-10,24]。

車載光電桅桿的另一發(fā)展趨勢是與全球定位系統(tǒng)（GPS）、慣性導(dǎo)航單元（intertial navigation unit, INU）等電子導(dǎo)航設(shè)備的結(jié)合。光電桅桿通過為GPS、INU等電子設(shè)備提供支撐平臺，可以將工作波段擴(kuò)展到雷達(dá)波段。這樣一方面減少了同時使用桅桿的數(shù)量[30]，另一方面使車輛在有限的時間內(nèi)盡可能全面、智能地完成任務(wù)。此外，在車載光電桅桿中引入網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)可以提高車載作戰(zhàn)平臺的作戰(zhàn)效能。圖10為德國Rheinmetall防務(wù)公司的Vingtaqs II車載光電桅桿，該系統(tǒng)除了紅外、激光和可見光多波段融合以外，還包括GPS天線和慣性導(dǎo)航單元[29]。

圖9 面板式地面監(jiān)視雷達(dá)安裝在車載光電桅桿上和車輛附近的三腳架上

表3 美國FLIR公司光電桅桿中的面板式地面監(jiān)視雷達(dá)參數(shù)

3 國內(nèi)車載光電桅桿的研究現(xiàn)狀

國內(nèi)在車載光電桅桿產(chǎn)品的研發(fā)方面種類較少，公開報道的車載光電桅桿不多，現(xiàn)有文獻(xiàn)主要集中在對車載光電桅桿的整體作戰(zhàn)效能、方位方向精度，以及在研制過程中的整體可靠性等問題的分析研究。

文獻(xiàn)[31]為了準(zhǔn)確評估車載光電桅桿在設(shè)計(jì)階段的效能，用專家打分的評估方法對某一車載光電桅桿的搜索跟蹤能力、系統(tǒng)可用能力、系統(tǒng)生存能力進(jìn)行綜合化分析，實(shí)現(xiàn)對光電桅桿作戰(zhàn)效能的評估。專家打分方法適用于存在諸多不確定因素，采用其他方法難以進(jìn)行定量分析的待評估項(xiàng)目，這種方法簡便、直觀性強(qiáng)。

圖10 德國Rheinmetall防務(wù)公司的Vingtaqs II車載光電桅桿

文獻(xiàn)[32]提出車載光電桅桿的方位方向精度分配的合理性主要取決于光電探測系統(tǒng)和桅桿控制系統(tǒng)，通過將誤差值按照系統(tǒng)總體指標(biāo)精度分別分配到光電探測系統(tǒng)和桅桿控制系統(tǒng)，可驗(yàn)證車載光電桅桿方位方向精度分配的合理性。

文獻(xiàn)[33]認(rèn)為車載光電桅桿是目前較為新型的高精度裝備，可靠性是該系統(tǒng)研制過程中必須考慮的問題。例如，機(jī)械總體可靠性、光電總體可靠性等。通過一定時間段的半實(shí)物仿真試驗(yàn)，對車載光電桅桿的總體可靠性的合理分配及校核問題進(jìn)行研究。

4 結(jié)束語

車載光電桅桿是車輛系統(tǒng)、光電探測系統(tǒng)和機(jī)械升降系統(tǒng)三者融合的產(chǎn)物。光電探測系統(tǒng)的小型化、模塊化和智能化使它可以便捷地安裝在車載桅桿的頂部，拆裝和操作簡便，維護(hù)成本較低。目前，國外研制的車載光電桅桿的應(yīng)用范圍已經(jīng)從軍用、警用擴(kuò)展到民用領(lǐng)域，與水面應(yīng)用環(huán)境相比，它的安裝平臺更多樣化，可以是軍用車輛，也可以是警用車輛，甚至是普通的民用皮卡，用途也隨之多樣化，例如，邊防、安防、森林防火、管道安全、戰(zhàn)術(shù)偵察等。與基于海上平臺的光電桅桿相比，車載光電桅桿的制造難度和成本相對較低，潛在市場需求較大，有望實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

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Current Status and Trend of Vehicle Photoelectric Mast Technology

ZHANG Kunjie

(,650223,)

Based on introducing a calculation method for the limit of geometric detection range, the structure of vehicle-based photoelectric masts with a straight arm or a crank arm is presented. Photoelectric detection system in the application of vehicle mast can enhance the situation awareness ability of the system. The market demands of the vehicle-based optoelectronic mast are expected to increase with the growing maturity of its technology and continuous expansion of its application. The current status and application prospect of vehicle-based photoelectric mast technology at home and abroad are summarized.

vehicle based photoelectric mast, situational awareness, photoelectric detection, infrared imaging, ground surveillance panel radar

U667.1

A

1001-8891(2020)06-0519-09

2019-03-14；

2019-11-04.

張坤杰（1986-），女，碩士，主要從事科技信息研究、外語翻譯等工作。E-mail：kunjie.zhang@aliyun.com。