构建光电系统综合实验平台适应军队装备发展

韩艳丽，郭晓军，任建存

（海军航空工程学院控制工程系，山东烟台 264001）

光电系统以其“分辨率高、图像信息丰富和信息容量大”在军事领域得到了广泛的应用，军用光电系统对武器系统和作战指挥系统的“赋能”和“倍增”作用也在世界范围内得到了认可。先进的高精尖技术总是最先应用在军事上，而军用光电系统是一个集先进的光、机、电技术于一体的高自动化装备。军用光电系统按功能可以划分为光电预警与探测系统、光电侦察与监视系统、光电火控与瞄准系统、光电对抗系统、光电精确制导系统和光电辅助飞行系统等。军用光电系统种类、型号繁多，装备数量有限，这些都为院校装备课的教学、实验与实作带来困难。如何紧密结合现实需求，构建科学合理的专业综合实验实作平台，为面向战场办学培养基础扎实、专业突出、实践创新能力强的合格人才，是一个值得军队院校教学保障部门和专业教员深思与研究的课题［1］。

1 光电系统类课程实践教学现状

经过2期的“2110工程”建设，我院光电工程实验室建设得到了较快的发展，建立了光电子技术实验室、图像处理实验室、光电对抗实验室和成像型精确制导性能评估平台。然而，由于军队院校装备与教学保障管理体制和部队装备发展的实际情况，使得相关的装备课教学的实验、实作、实操仍然无法满足基本需求。近年来随着基于各类成像型探测器的光电武器装备陆续列装部队，各层次的培训任务迅速增加，特别是各类任职培训，要求紧密结合典型、新型装备开展教学。光电装备型号众多、价格昂贵且数量有限，院校不可能申请到相应的实装。在既无实装又没有模拟训练器材的情况下，装备课中的实作和实操项目教学难以达到人才培养方案的要求。在综合一体化技术成为军用光电系统基本特征的今天，光电装备课教学脱离了实验实作和实际装备就如同纸上谈兵，即使运用了先进的多媒体技术，图片、视频、动画等也远远比不上一台实际设备所能带来的教学效果。

随着我军信息化进程的加快，武器装备不断更新，要求教员密切跟踪新技术、新装备的发展，及时更新、添加教学内容，保持其知识的先进性，确保院校专业课教学始终站在武器装备发展的前沿。就光电类专业而言，迫切需要解决部队武器装备迅速发展和院校专业实践教学条件无法满足的矛盾。

支撑专业装备课教学的实验不同于专业基础课，要具有系统性、功能性和综合性，是一个与专业密切相关的系统综合实验，是军队院校从事装备课实践性教学和科研的实体，是学科专业建设与发展的基础。为了适应部队装备建设发展对人才培养的需求，有必要对军用光电装备系统进行分析研究，提出一种切实可行的建设方案，构建一个光电系统综合实验平台，使其不仅能满足多种光电装备原理性教学和实验实作以及装备使用与维护操作，还为本科生毕业设计、研究生课题研究和科研及技术服务提供必要的研究实验平台。

2 光电系统综合实验平台的建设原则

“军队院校专业实验室以进行专业性的实验为主，其利用率一般都不高，只能进行某一门课程，甚至是某一装备的操作实验，使用条件受到限制，有的综合性实验室，使用代价较高，除了组织次数不多的综合演练外，最多的就是用于接待各级领导和相关部门的参观”［2］。为了避免此类情况的继续发生，我们本着专业特色突出、系统典型、技术先进、资源共享和综合建设的指导思想，探索了一条装备教学与专业实验统筹兼顾的建设思路，即构建同时满足光电类专业的各类装备课实作实操和专业课实验教学，以及科研探索的光电系统综合实验平台。在充分研究了多种光电装备组成结构和技术性能的基础上，提出了共性环节首先建设，特性、个性模块考虑实验室现有资源是否可以利用，再根据其重要性和使用效益逐步解决的建设方案。

专业综合实验平台的建设应该具有一定的专业前沿性，在形成完整的专业实验教学体系的同时，专业综合实验平台应具备科学研究实验的条件［3－4］。作为我院为光电系统与光电信息获取相关专业教学与科研服务的综合实验平台，建设目标应该立足于高起点、高水平，面向靶场光测和光电武器系统2个方向，建设教学实用、规模合理、设备先进、具有鲜明专业特色的综合实验平台，使其在全面培养学员的专业实践技能和创新能力的同时，成为学科发展的基础、科学研究的平台和与军内外交流合作的窗口。为了避免重复建设，确保平台在较长的时期内保持其先进性，同时又能适应未来装备的发展，光电系统综合实验平台的建设应坚持以下原则:

（1）通用性。有2层含义:一是指该平台能满足各类光电装备课程的原理性和实践性环节的教学；二是该平台还能成为相关专业基础课和科研的实验平台。

（2）开放性。系统平台接口具有开放性，不仅能够显示、处理和跟踪不同波段的各种背景环境和目标，满足不同专业课的教学实践，还能够与其他系统连接构成大的组训平台。

（3）系统的可扩展性。平台要具有可扩展性，可以方便地组合不同波段和不同工作模式的传感器，以构成多种传感器组合方式，适应多传感器复合的光电武器系统发展趋势。

（4）机动性。根据军用光电系统的特点，该光电系统综合实验平台在满足实验室落地安置的同时，还能适应多种承载平台要求，可以舰载、车载，落地或不落地使用，以分别实现光电火控或光电侦察、光电对抗、光电测控等，满足室外相关专业岗位技能实操培训和组训功能。

（5）可持续性。实验平台的建设在满足专业课程设置的实验与实践项目和内容的基础上，更要满足设计性、研究性及创新性实验的需求，坚持可持续发展的建设原则，适应部队未来武器装备的发展和人才培养。

3 光电系统综合实验平台的构建

3.1 军用光电装备特性分析

军用光电系统种类繁多、用途各异，系统构成亦有所不同。用于光电测控与实况记录的设备，安装有红外、可见光摄像机或胶片式摄影机，具有较高的角速度和角加速度，以跟踪捕获快速运动目标。加装激光测距机后，可以提供目标的角度和距离信息，具有单站定位能力，若再配备高速摄像系统，就可以成为一台实况记录设备；军用光学指向器是在安装了激光指示或无线电指示系统后，引导导弹攻击被指示目标的光电跟踪系统；光电火控系统配备了红外、激光或微光电视，具有扫描功能，用来发现并跟踪目标，引导火炮或导弹瞄准目标，当该系统配备小型目标指示雷达后，自身也可构成一个完整的火控引导系统；光电侦察装备通常配备红外、微光和激光测距系统和可见光电视系统，结合定位定向系统，能够灵活机动地全天候提供感兴趣地区的目标图像和位置、距离等信息，用于战场敌情侦察和反恐侦察；用于告警的光电系统是通过光学与声、磁等传感器配合，一旦某一种传感器发现异常目标，系统马上转向该位置进行详细侦察并识别目标，将图像信息传给控制中心［5－6］。

由此可见，绝大多数军用光电装备在结构和系统组成上共性成分居多，使得构建一个满足多种功能的光电系统综合实验平台成为可能。以教学中使用频率较高的典型光测设备——光电经纬仪为例。光电经纬仪主要由如下几部分组成:主摄影系统、瞄准系统、测角系统、记录系统、跟踪架、跟踪系统、激光跟踪测量系统、电视跟踪测量系统、红外跟踪测量系统、微型计算机控制和处理系统。其中，跟踪架、伺服控制系统、测角系统、记录系统、微型计算机控制和处理系统是所有跟踪式光电装备必不可少的部分。不同用途的光电设备其结构、体积、指标、传感器工作波段和数量等有所不同，就承载使用的平台来说，有陆基、空基、海基和深空环境，而工作方式有手动、自动、数字引导，操控方式有机上和机下，另外，有的光电系统还要求提供信号源（如光测装备的编码钟终端）、自校准和定位等功能。

3.2 光电综合实验平台结构组成

随着多种光电探测传感器的综合应用，多种干扰激光器的并存使用，系统主机机械结构技术显得尤为重要。光电装备的主机机械结构即跟踪架，用来承载多个光电探测传感器、测角装置、导电环、跟踪系统执行机构和机上控制系统，是光电系统的关键部件，也是构建光电系统综合实验平台的主体，是首先要建设的内容。光电装备跟踪架的基本形式有2种，即地平式和极轴式。地平式跟踪架可应用重力场进行调平，在外场的展开和校正比较容易、快捷和精确，同时符合人们的操作和心理习惯。在靶场测量、火控系统和光电干扰防护等系统中，一般都选用地平式跟踪架。

目前选用最多的地平式跟踪架有2种配置，即U型架和T 型架。在精度要求高的靶场光测和光电干扰防护系统中首选U 型架，而T 型架适用于火控系统中的光电跟踪仪以及部分战术光电武器装备。两者相比，T 型架的优点是体积小、质量轻，可减小系统的转动惯量和提高系统刚度，提高系统跟踪角速度和角加速度。从教学、科研使用以及机动灵活的角度考虑，跟踪架的小型化很重要，指标可以适当降低，不必与实装一致，因此采用了T 型架结构［7］。

为了使该机动式光电综合实验平台具备自主定位、定向功能以确定自身的坐标，采用了GPS定位和电子罗盘粗定向、天文测星精定向技术，实现了光电平台的自主定位、定向。操控方式考虑到安全性和普遍性，将操控模块置于机下控制台。为了同时满足光电类装备课和专业基础课的实验、实作和实操项目的教学需求，该光电综合实验平台严格按照模块化的指导思想来建设。

不同用途的军用光电系统中光学镜头视场大小差异较大，市面上普通标准镜头的视场一般在45°～55°左右，可用于监视、侦察等系统，而用于搜索跟踪的视场通常为3°～4°，必须专门设计加工。光学系统主要采用反射式以提高系统的作用距离，真正做到“面向战场办学”的教学实践和科研条件。

为了适应机动性和将来光电系统的发展趋势，研制了基于PXI总线的伺服和通讯系统，将计算机控制和数据采集及伺服控制集成在一起。同时，研制了功率电源和功率放大器集成在一起的伺服控制功率系统，为光电跟踪平台的模块化设计提供了基础。图1为光电系统综合实验平台的结构原理图。

图1 光电系统综合实验平台结构原理图

4 光电综合实验平台的应用

具有自主定位、定向和自稳定功能的机动通用多光谱光电跟踪综合实验平台，不仅能满足我院光电工程教研室诸多课程的教学需求，亦可解决多门光电装备课教学，特别是各类任职培训既无装备又无模拟训练器材的难题，同时也为本科学员探索性学习和高层次人才培养提供了一个教学、实验、研究和验证平台。该平台的使用功能主要体现在以下3个方面:

（1）支撑各类本科、士官和任职培训等相关专业以及研究生有关课程的教学和实验。

（2）作为一个典型的光电跟踪系统，可替代海军多种现役光电侦察、火控和测控等实装进行实操教学，如各种型号的光电经纬仪、光电望远镜、光电侦察告警系统、导弹瞄准仪、舰船光电跟踪仪等，以解决相关专业装备课教学无实装的难题。

（3）为教员和研究生开展多光谱光电探测、目标背景光学特性研究、信息融合技术研究、光电干扰防护技术研究、自主光学导航和光电精确制导技术研究提供了信息获取和算法及技术验证平台。

5 结束语

在光电综合实验平台的建设实践中，形成了具有专业特色的实验平台建设模式，探索了一条装备教学与专业实验统筹兼顾的建设思路，为其他专业实验室建设提供了参考。“教而不研则浅，研而不教则空”这句话特别适合专业课教学。专业教学必须体现其特色，结合相关的研究课题，将科研成果有机地融合到专业教学与实验中，将最先进的技术发展现状呈现给学员［8］。我院综合实验楼面朝大海，优越的地理位置吸引了众多军内外工业部门，为合作开展海面舰船目标光学特性研究提供了得天独厚的实验环境，该平台建成后，其人才培养、经济效益和军事意义巨大。

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［1］肖泽龙，王静，胡泰洋，等.军工特色专业实验建设思考［J］.实验室研究与探索，2011，30（10）:190－191.

［2］胡登高，陈希真，陈宏文.军队院校专业实验室效益探究［J］.实验室研究与探索，2011，30（6）:365－367.

［3］卢艳军，张晓东，徐涛.探测制导与控制专业实验室建设的探索与实践［J］.实验室科学，2010，13（2）:135－137.

［4］马传峰.实验室资源的开发与开放［J］.实验技术与管理，2012，29（2）:1－3.

［5］何照才，胡保安.光学测量系统［M］.北京:国防工业出版社，2002.

［6］刘演龙，王斌.小口径火炮示踪瞄准火控系统设计［J］.水面兵器，2010，19（4）:17－19.

［7］叶盛祥，杨虎，谢德林.光电干扰防护系统技术［M］.北京:国防工业出版社，2005.

［8］毛晓翔，戚湧，陈亚玲.研究型大学科研类实验室体系建设问题研究［J］.实验技术与管理，2012，29（12）:210－213.