光电侦察平台的技术发展概况和发展趋势综述

薛 丹

（洪都航空工业集团,南昌 330024）

0 引 言

由于航空侦察具有时效性强、准确度高、侦察范围广、机动灵活、针对性强的特点，既可克服地面侦察受地球曲率和地形障碍物对视线的限制和较强的危险性，又可弥补卫星侦察的细节和时效不足，所以目前它仍是获取战术情报的基本、有效的手段。

航空侦察以光电传感器为主，如各种胶片相机、实时传输相机、可见光与红外相机、激光器等。这些机载集成的传感器被装在可以自由运动的平台里，就构成了机载光电侦察平台。在飞行器的头部或下部，我们常常可以看到一个转动的凸出物体，它就是飞行器观察周围情况、获取图像的“眼睛”——机载光电侦察平台。

通过机载光电侦察平台可以执行多种军事任务，主要包括照相侦察、撒传单、信号情报收集、撒布雷达干扰箔条、防空火力诱饵、防空阵地位置标识、直升机航路侦察、为武器系统提供目标定位和目标指示、目标动态监视和目标毁伤评估的实时情报等。近年来,在商用救助、灾情防救、边防稽私等方面也有其重要作用。在此仅对光电侦察平台的相关技术及其发展进行讨论。

1 光电侦察平台的发展概况

航空侦察起源于18世纪末，当时用气球进行目视侦察。19世纪50年代开始出现了航空照相，当时人们试图用风筝、气球（1858年）将照相机带到空中对地面拍摄，绘制地形图，这也成为机载平台最早的雏形。1911年底至1912年初，意大利首先用飞机进行了目视和照相侦察。1915年末开始有专用的航空摄影机用于航空侦察。在一战中期，战争情况发生了很大变化，作战纵深增大了，军队的技术装备有了很大改进，双方对重要的军事目标也都采用了伪装措施。这时，地面侦察和空中目视侦察已不能满足需要，于是空中照相侦察被提到了重要的地位，飞机逐渐成为航空侦察的主要工具。在第二次世界大战中，主要交战国以飞机照相侦察为主，航空相机成为机载平台的一种。第二次世界大战以后，航空相机这种机载平台虽然有它非常重要的军事价值，但是由于其不能实时判读，不能满足战场实时性的要求，人们开始开发新型的机载光电侦察平台，其目的是可以实时地提供战场情况给指挥员，从而根据战场情况做出新的判断。

随着遥感等科学技术的进步，尤其是微电子学的发展，无人侦察机的研制呈现出新高潮，并成为世界各国军备竞赛的新热点，其中的主要侦察设备光电侦察平台的研制也日益受到重视。光电侦察平台是近十年来发展极为迅速的一种新型实时图像侦察设备，已经由单一的光学照相向多光谱照相、红外成像、微波成像和可见光成像等多方面延伸。下面简单介绍几种常用类型的光电侦察平台[1]：

1）单载荷光电侦察平台

机载单载荷光电侦察平台，由于受到体积、重量、成本和战术任务需要等方面的限制，只能装载一种传感器，如C C D电视、前视红外等。这类光电侦察平台的特点是小型化，主要用于无人机。随着无人机用于实战，单载荷光电侦察平台得到了快速的发展。无人机具有体积小、雷达反射截面小、造价低和不必考虑人员安全等特点，非常适合于战场侦察。目前，虽然单载荷光电侦察平台的用途受到限制，但仍然有着不可低估的作用。随着新型材料的出现及技术的不断进步，单载荷光电侦察平台已经发展到超小型、载荷快速插拔、快速互换，不仅能传回视频图像，还能完成跟踪的功能，达到轻便、易维修、更容易投入战场使用的目的。

2）双载荷光电侦察平台

单载荷光电侦察平台因为只能在白天或者夜间工作，不能实现全天候的使用要求，从而出现了双载荷光电侦察平台。它既可以在白天工作，也可以夜间使用，不用更换任务载荷，极大地提高了使用效率。目前，机载双载荷光电侦察平台通常有2种结构形式：两框架两轴结构和四框架四轴结构。后者由于能够有效隔离风阻对任务载荷的影响，所以稳定精度要比前者高很多，更利于侦察与跟踪。THALES公司的EOTS-31双载荷光电侦察平台采用了四框架两轴的结构形式，任务载荷为CCD电视和前视红外。双载荷光电侦察平台因其体积和重量相对较小，能够昼夜工作，目前已在中轻型无人机及直升机上得到广泛使用。

3）多传感器光电侦察平台

在过去20年中，技术和工业上的飞速进步催生出一系列体积小、重量轻、功耗低的高性能集成机载传感器，使机载光电侦察平台获得飞速发展。先进的探测器材料、大型焦平面阵列、传动装置、组装工艺、读出技术、信号处理技术以及数据链路、数据压缩、联网、信息安全等相关技术日新月异，再加上生产能力的提高，使得机载光电侦察平台多载荷集成成为现实，可以在同一平台下实现可见光、前视红外、激光指示、激光测距等多种功能。

美国、以色列、加拿大、南非、法国、英国、俄罗斯、意大利等国都己研制出多种型号产品装备部队。如以色列的ESP-600C型无人机载光电侦察平台，采用三框架两轴稳定结构形式，方位转动范围无限(360°x n)，俯仰转动范围+10°～ -110°，最大角速度50°/S，最大角加速度 60°/S2，视轴稳定精度为15μrad。又如以色列的MOSP型无人机载光电侦察平台，采用四框架两轴稳定结构形式，方位转动范围无限(360°x n)，俯仰转动范围+15°～ -110°，最大角速度30°/S，视轴稳定精度为25μrad。上述两种光电侦察平台分别代表了各自框架结构形式的无人机载光电侦察平台的国际先进水平。表1和表2分别为国外和国内几种型号航空光电侦察平台的主要性能。

从表1可以看出,平台的有效载荷一般都有可见和红外探测器,以保证全天时工作。配上电视跟踪器和激光测距仪,又可实现目标跟踪和定位的功能。平台的框架形式二框架二轴稳定、三框架三轴稳定、四框架两轴稳定等,依据稳定精度、搜索范围的要求而定。为了保证良好的飞机气动特性,造型多为球柱,外形美观、质量轻、功能全、结构紧凑、布局合理、通用性强、稳定精度高。

国内无人机载光电侦察平台的研制起步较晚，90年代初开始研制无人机载电视侦察平台。近年来,国内航空光电侦察平台也有较大发展,无论在平台质量,还是有效载荷、稳定精度方面都取得较大进步。国内航空光电侦察平台的研制情况如表2所示。

从表1和表2可以看出,国内在航空光电侦察平台研制方面与国外相比还有较大差距,尤其在体积和质量方面,其原因主要在于框架形式、材料以及其材料,以及光学结构的小型化设计和制造技术水平存在较大差距。

表1 国外航空光电侦察平台的参数

表2 国内航空光电侦察平台的参数

2 光电侦察平台的发展趋势

未来，侦察监视仍然是无人机的主要任务，因此光电侦察平台仍将在无人机的作战应用中扮演重要角色。随着许多关键技术不断取得突破，各种设计成本合理、通用性强、模块化、小型化的光电侦察监视载荷将成为发展的主流[2]。

1)随着航空侦察朝着空间的立体化、情报信息的实时化、手段的多样化、侦察与打击一体化，提高装备生存能力方向发展，要求光电侦察平台技术先进、手段多样、空间广延、时间连续、信息传递快速。因此机载光电侦察平台会越来越复杂化和多样化，而四框架两轴平台因为其众多的优点，必然会越来越受到青睐，有着广阔的发展空间。

2)机载光电侦察平台系统数字化。机载光电侦察平台系统必须实现数字化，才能加强系统的功能和有效性。数字化侦察图像具有以下几方面的优点:

（1）图像增强。通过数字化对比度处理，使图像清晰度更好。

（2）辨认和抽取感兴趣的区域。可将场景以多种视角和尺寸显示出来，数字工具能够测算感兴趣的目标。

（3）采用数据压缩和错误校正编码，便于图像分析。目前CCD相机、红外热成像和激光测距机等技术已基本实现了数字化。

3）稳像技术向着更精确、更灵活、体积小以及价格低、能耗小、易于操作的方向发展。

4）任务载荷的“即插即用”技术。无人机技术越来越复杂，其价格也正在攀升，用户也要求无人机提供多种任务能力，因此模块式任务载荷的概念正在得到越来越多的关注，它可以使无人机上的单个或多个传感器根据每项任务或一系列任务的需要进行改变。

5）发展多光谱和超光谱成像技术。普通的光电成像器件在探测目标时，主要依靠图像对比度和空间分辨率来区别目标与背景。而光谱成像传感器以目标与背景的固有光谱为基础，在不同的波段上辨别各种目标，提高系统的反伪装、反隐蔽和反欺诈能力。光谱分辨率为0.01的超光谱成像系统可在几百个频带上对目标进行超高分辨率或超精细观察，最佳用途是对照自然背景发现人工制造的目标。这种观察设备工作的波段为0.4～1.5μm，能区分绿色帆布或坦克上的伪装涂料颜色。光谱分辨率为0.001的极光谱系统能在上千个频带上观察和记录目标，其光谱测量范围为中红外至远红外，主要用于分析类似气体的物质，特别适合用来探测分析烟缕的成分或空气中是否存在神经性毒剂等。

美军《2005～2310无人飞行器系统路线图》中明确提出将100谱带的超光谱成像传感器作为2010～2015年无人机具备的能力，而2020～2030年将使用1 000谱带的超光谱成像设备[3]。这两种成像传感器已在飞机和卫星上使用，现正在“全球鹰”和“捕食者”无人机上进行装备试验。美国的民用和商用领域已经对多光谱/超光谱成像的研究建立了 “现象库”，这将大大简化这类传感器应用于无人机的难度。

6）研发微型无人机光电传感器技术。微型无人机可由士兵携带，能完成常规侦察手段难以实现的近距离低空侦查监视以及对隐蔽处和有障碍的细节目标的探测，具有其它侦察设备无法比拟的优势。美军已将开发微型无人机光电传感器技术列为微型无人机发展的重要战略内容。Raytheon公司已经开始研制第四代前视红外技术（灵巧焦平面阵列技术），计划将其用于微型无人机。它采用碲镉汞传感器和先进的信号处理融合技术，可以覆盖整个可见光波段和近、中、远红外波段，体积小，质量轻，探测能力强，可能会成为近距、低成本的成像侦察设备的首选[1]。

3 结 语

无人机光电系统在实际战争环境中取得的成功使得它成为现代部队装备中最具有前途的技术之一。为了支持高精度的侦察、瞄准和打击任务，无人机上将集成大量的光电系统。由于市场的牵引，国外近年在光电侦察平台技术发展很快,向着平台质量更轻、传感器更多更小、稳定精度更高的方向发展。

[1]杨英.无人机的侦查、监视用有效载荷现状与发展动向[J].飞航导弹，2007.

[2]贺作豪.无人机任务载荷发展趋势（上）（下）[J].无人机，2003.

[3]邵福才.美军无人机发展情况综述 [J].外军信息战，2006.