內(nèi)埋式光電搜索瞄準(zhǔn)指示系統(tǒng)的廣域掃描控制技術(shù)

陸紅強(qiáng)，張璟玥，劉 超，吳玉敬，劉瑩奇，王亞楠

（1. 西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西 西安 710065；2. 陸裝駐西安地區(qū)第八軍代室，陜西 西安 710065）

引言

現(xiàn)代信息化戰(zhàn)爭中戰(zhàn)場信息瞬息萬變，作為機(jī)載平臺(tái)主要任務(wù)載荷之一的光電系統(tǒng)，應(yīng)具備大范圍高分辨率態(tài)勢感知、實(shí)時(shí)目標(biāo)捕獲跟蹤、高精度目標(biāo)打擊引導(dǎo)等能力。傳統(tǒng)機(jī)載光電系統(tǒng)具備連續(xù)變焦探測視場，可通過大視場實(shí)現(xiàn)態(tài)勢感知，小視場實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離探測和精確辨識(shí)，但大范圍高分辨率態(tài)勢感知、實(shí)時(shí)目標(biāo)捕獲跟蹤、高精度目標(biāo)打擊引導(dǎo)無法同時(shí)兼顧。美軍研制的EOTS（electrooptical targeting system）采用內(nèi)埋式光機(jī)布局，具備中波紅外高分辨率成像、紅外搜索跟蹤、激光指示、激光測距和激光照射等功能[1-2]。長春光機(jī)所等單位對(duì)內(nèi)埋式光電觀瞄系統(tǒng)開展了設(shè)計(jì)分析，采用離軸三反系統(tǒng)光學(xué)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)可見光、中波紅外、激光發(fā)射/接收共口徑設(shè)計(jì)，并且重點(diǎn)對(duì)像旋特征進(jìn)行分析和驗(yàn)證[3-4]。據(jù)了解，目前國內(nèi)設(shè)計(jì)的內(nèi)埋式光電系統(tǒng)，尚不具備對(duì)地海面目標(biāo)廣域搜索和實(shí)時(shí)拼接能力。

針對(duì)信息化作戰(zhàn)需求，在國內(nèi)研制了一款具備雷達(dá)波隱身，包含廣域偵察、凝視監(jiān)視、激光測距、激光照射等多種工作模式的光電搜索瞄準(zhǔn)指示系統(tǒng)，可在廣域偵察模式下獲得目標(biāo)區(qū)域?qū)捀采w高分辨率圖像，在凝視監(jiān)視模式下對(duì)目標(biāo)進(jìn)行辨識(shí)和跟蹤，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)激光測距、目標(biāo)定位和激光照射。不同于機(jī)載航空偵察相機(jī)采用的推掃成像和下視擺掃成像[5-7]，本系統(tǒng)采用了前視擺掃成像，即光電系統(tǒng)光軸沿飛機(jī)的航向重復(fù)進(jìn)行左右運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)偵查成像區(qū)域掃描。前視擺掃成像能保證探測距離和細(xì)節(jié)分辨能力始終相同，避免下視擺掃在一個(gè)掃描條帶內(nèi)成像細(xì)節(jié)分辨能力隨探測距離急劇變化，分辨率急劇變化導(dǎo)致對(duì)探測目標(biāo)漏警等問題。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

光電搜索瞄準(zhǔn)指示系統(tǒng)具備地海面目標(biāo)廣域偵察、凝視監(jiān)視、激光測距、激光照射等功能，探測波段包含0.7 μm～0.9 μm、1.064 μm 和3 μm～5 μm。系統(tǒng)采用多譜段共光路設(shè)計(jì)，掃描反射鏡實(shí)現(xiàn)光束在俯仰向掃描控制，無焦望遠(yuǎn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光束壓縮，經(jīng)過各分光鏡后輸入至各個(gè)光電探測組件，共用光路包括掃描反射鏡、望遠(yuǎn)系統(tǒng)、快調(diào)反射鏡組件、反射鏡等，系統(tǒng)光機(jī)布局如圖1 所示。

圖1 光電搜索瞄準(zhǔn)指示系統(tǒng)光機(jī)布局示意圖Fig. 1 Optical machine layout of photoelectric search aiming and indication system

光電搜索瞄準(zhǔn)指示系統(tǒng)樣機(jī)在地面和空中開展了多輪次試驗(yàn)驗(yàn)證，完成了相關(guān)功能和性能的驗(yàn)證和測試，如圖2 所示。

圖2 光電搜索瞄準(zhǔn)指示系統(tǒng)掛飛驗(yàn)證Fig. 2 Flight experiment of photoelectric search aiming and indication system

2 廣域地面掃描控制原理

載機(jī)在執(zhí)行工作任務(wù)時(shí)沿設(shè)定航線飛行，機(jī)載光電搜索瞄準(zhǔn)指示系統(tǒng)以扇掃方式執(zhí)行廣域掃描任務(wù)。根據(jù)觀察區(qū)域設(shè)定方位掃描角度范圍和俯仰角，依據(jù)載機(jī)速高比、掃描幅寬、傳感器視場角、成像幀頻等信息設(shè)置系統(tǒng)在方位向掃描速度[8]。進(jìn)入廣域搜索模式時(shí)，機(jī)載光電搜索瞄準(zhǔn)指示系統(tǒng)光軸首先指向掃描起始位置，粗穩(wěn)定平臺(tái)以特定速度在方位向轉(zhuǎn)動(dòng)掃描，快調(diào)反射鏡以特定速度相對(duì)于粗穩(wěn)定平臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向反向掃描補(bǔ)償。快調(diào)反射鏡掃描速度ωm與粗穩(wěn)定平臺(tái)掃描速度ωp、光學(xué)系統(tǒng)放大倍率M之間滿足ωm=-ωp×M/2，從而保證在成像傳感器曝光時(shí)刻光軸對(duì)應(yīng)的物空間指向不變，實(shí)現(xiàn)清晰曝光成像[9-11]。

光電搜索瞄準(zhǔn)指示系統(tǒng)在俯仰方向會(huì)根據(jù)載機(jī)的姿態(tài)信息產(chǎn)生一個(gè)地理穩(wěn)定的飛機(jī)前向運(yùn)動(dòng)的補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)[12-15]，保證掃描區(qū)域在地理坐標(biāo)系下是一個(gè)水平條帶。系統(tǒng)結(jié)束某條帶掃描后，俯仰向快速步進(jìn)至地理坐標(biāo)系統(tǒng)下的固定位置，如圖3 所示，在結(jié)束1 條帶掃描后, 俯仰向由1 條帶快速步進(jìn)至2 條帶的位置。方位向開始以相同速度和方式掃描下一水平條帶，直至完成整個(gè)區(qū)域的掃描偵察。

圖3 廣域地理掃描流程Fig. 3 Scanning process of wide-area geography

該廣域掃描控制方式采用地理穩(wěn)定結(jié)合快調(diào)反射鏡光學(xué)像移的補(bǔ)償方法，可實(shí)現(xiàn)清晰成像前提下的二維大區(qū)域掃描搜索功能，對(duì)飛機(jī)前向飛行和方位擺掃帶來的像移進(jìn)行補(bǔ)償。目標(biāo)相對(duì)瞄準(zhǔn)線的運(yùn)動(dòng)速度主要由兩部分引起：一是方位軸向的擺掃，二是飛機(jī)的平動(dòng)，整個(gè)掃描控制被定義在載機(jī)濾波坐標(biāo)系下。經(jīng)過坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換和理論推導(dǎo)，掃描控制指令如下式所示：

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 反掃補(bǔ)償控制仿真分析

對(duì)方位向[-5°，5°]掃描范圍進(jìn)行仿真分析，粗穩(wěn)定平臺(tái)以10 °/s 速度掃描，快調(diào)反射鏡反向轉(zhuǎn)動(dòng)補(bǔ)償。當(dāng)快調(diào)反射鏡反掃速度穩(wěn)定后，通過時(shí)序控制成像傳感器曝光，曝光積分時(shí)間內(nèi)物空間在成像傳感器靶面上相對(duì)靜止，實(shí)現(xiàn)掃描狀態(tài)下當(dāng)前幀的清晰成像，瞄準(zhǔn)線的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖4、圖5所示。

圖4 方位向掃描位置曲線Fig. 4 Azimuth-oriented scanning position curves

圖5 俯仰向位置曲線Fig. 5 Pitch-oriented scanning position curve

圖4（a）為光電搜索瞄準(zhǔn)指示系統(tǒng)方位向掃描軌跡，在初始階段首先通過地理調(diào)轉(zhuǎn)進(jìn)入掃描起始位置，加速到設(shè)定掃描速度后開始勻速掃描，在指定掃描范圍內(nèi)進(jìn)行往復(fù)掃描運(yùn)動(dòng)。圖4（b）為勻速掃描過程中瞄準(zhǔn)線的軌跡，曝光成像階段為粗穩(wěn)定平臺(tái)勻速掃描，而快調(diào)反射鏡以特定的速度反向運(yùn)動(dòng)，從而在探測器上達(dá)到物空間的相對(duì)靜止，探測器在此階段曝光成像，可保證成像清晰。圖5 表示光電搜索瞄準(zhǔn)指示系統(tǒng)進(jìn)入掃描的整個(gè)俯仰向掃描軌跡，在初始階段首先通過地理調(diào)轉(zhuǎn)進(jìn)入掃描起始位置，然后根據(jù)載機(jī)狀態(tài)解算進(jìn)行反向補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)地理穩(wěn)定。

3.2 中波紅外通道反掃補(bǔ)償成像測試試驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)室對(duì)中波紅外通道反掃補(bǔ)償進(jìn)行成像測試試驗(yàn)，分別在凝視和掃描狀態(tài)下對(duì)中波紅外通道最小可分辨溫差（MRTD）進(jìn)行對(duì)比測試，在掃描狀態(tài)下，粗平臺(tái)以10 °/s 掃描速度轉(zhuǎn)動(dòng)，反掃鏡反向轉(zhuǎn)動(dòng)補(bǔ)償，被測靶標(biāo)空間頻率為6.67 cy/mrad，在凝視狀態(tài)下中波紅外通道測試MRTD 為0.16 K，掃描狀態(tài)下MRTD 為0.19 K，試驗(yàn)結(jié)果表明中波紅外通道探測性能下降至凝視狀態(tài)的84.2%，能夠滿足使用要求，結(jié)果如圖6 所示。

圖6 中波紅外通道凝視和掃描狀態(tài)下MRTD 測試對(duì)比Fig. 6 Comparison of MRTD tests in gaze and scanning states in mid-wave infrared channel

3.3 電視通道反掃補(bǔ)償成像測試試驗(yàn)

在凝視和掃描狀態(tài)下對(duì)電視通道分辨率對(duì)比測試，測試平行光管焦距為2 073 mm，掃描狀態(tài)時(shí)，粗平臺(tái)以10 °/s 掃描速度轉(zhuǎn)動(dòng)，快調(diào)反射鏡反向轉(zhuǎn)動(dòng)補(bǔ)償，測試結(jié)果如圖7 所示。從圖7 可知，凝視狀態(tài)下電視通道能夠分辨5-2 靶標(biāo)，對(duì)應(yīng)的空間頻率為54 cy/mrad，掃描狀態(tài)下電視通道能夠分辨5-1 靶標(biāo)，對(duì)應(yīng)的空間頻率為48 cy/mrad，試驗(yàn)結(jié)果表明電視通道探測性能下降至凝視狀態(tài)的88.9%。圖8（a）和圖8（b）是電視探測通道外場凝視和掃描對(duì)比圖像，從圖中可以看出，成像細(xì)節(jié)上略有損失，和靶標(biāo)測試結(jié)果相符，能夠滿足使用要求。

圖7 電視通道凝視和掃描狀態(tài)下分辨率測試對(duì)比Fig. 7 Comparison of resolution tests in gaze and scanning states in visible television channel

圖8 電視通道凝視和掃描狀態(tài)下外場成像對(duì)比Fig. 8 Comparison of outfield imaging in gaze and scanning states in visible television channel

3.4 跑車狀態(tài)下廣域掃描成像測試試驗(yàn)

在地面跑車擾動(dòng)條件下，采用基于地理穩(wěn)定結(jié)合快調(diào)反射鏡光學(xué)像移補(bǔ)償?shù)膹V域掃描控制技術(shù)對(duì)被偵察區(qū)域進(jìn)行掃描，光電搜索瞄準(zhǔn)指示系統(tǒng)粗穩(wěn)平臺(tái)以10 °/s 速度掃描，快調(diào)反射鏡反向轉(zhuǎn)動(dòng)補(bǔ)償，掃描拼接效果如圖9 所示。圖9（a）為每個(gè)條帶30 幅圖像，共8 個(gè)條帶的拼接圖；圖9（b）為每個(gè)條帶9 幅圖像，共6 個(gè)條帶的拼接圖。通過試驗(yàn)證明：在地面跑車擾動(dòng)條件下，光電搜索瞄準(zhǔn)指示系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)廣域掃描穩(wěn)定清晰成像和實(shí)時(shí)拼接，驗(yàn)證了地理穩(wěn)定結(jié)合快調(diào)反射鏡光學(xué)像移補(bǔ)償?shù)膹V域掃描控制技術(shù)。

圖9 廣域掃描拼接圖Fig. 9 Splicing image of wide-area scanning

4 結(jié)論

為了滿足信息化戰(zhàn)爭對(duì)目標(biāo)偵察、監(jiān)視和指示的功能要求，光電搜索瞄準(zhǔn)指示系統(tǒng)需要同時(shí)具備隱身、廣域偵察、凝視監(jiān)視、激光測距、激光照射等功能。為了使光電搜索瞄準(zhǔn)指示系統(tǒng)適應(yīng)內(nèi)埋式外廓，又在原有功能上兼具廣域掃描功能，本論文介紹了一種適用于內(nèi)埋式光電搜索瞄準(zhǔn)指示系統(tǒng)的廣域掃描控制技術(shù)。論文首先介紹了該內(nèi)埋式光電搜索瞄準(zhǔn)指示系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計(jì)形式，該共口徑光學(xué)系統(tǒng)中集成了快調(diào)反射鏡組件，根據(jù)光學(xué)特點(diǎn)設(shè)計(jì)了地理穩(wěn)定結(jié)合快調(diào)反射鏡光學(xué)像移補(bǔ)償?shù)膹V域掃描控制算法，對(duì)基于該技術(shù)研制的樣機(jī)在實(shí)驗(yàn)室和外場開展了試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明，該內(nèi)埋式樣機(jī)可實(shí)現(xiàn)二維無縫廣域掃描搜索功能，可以滿足信息化戰(zhàn)爭的要求。