海军光电装备技术的发展分析*

(海军驻锦州地区军事代表室 锦州 121000)

海军光电装备技术的发展分析*

石永山

(海军驻锦州地区军事代表室 锦州 121000)

海军光电装备激光对潜通信技术在现代战争中发挥着越来越重要的作用。文章介绍了国外海军光电装备技术的发展历程以及装备的研制、改进情况,指出了在现代战争中发展海军光电装备技术的优势和重要性,重点探讨了几种海军光电装备信技术的性能及其特点,最后论述了海军光电装备技术的发展动向。

海军光电装备;发展分析

ClassNumberTN97

1 引言

信息战是现代海战的重要作战形式,信息化装备已成为舰船的必需装备。在舰船信息化装备中,光电信息装备以其独有的功能和特点,越来越成为海军装备信息化的关键内容。本文就海军光电装备、发展动向、发展分析等,作进一步的研究和探讨[1]。

2 海军光电装备

海军光电装备主要包括:光电探测、光电防御、光电进攻、光通信等[2]。

2.1 光电探测

1)红外搜索跟踪系统(IRST)。舰载IRST系统通过探测目标的红外辐射发现导弹、飞机等。它不辐射电磁波,隐蔽性好,是舰艇探测反舰导弹的可靠装备。

2)光电侦察与火控设备。光电探测设备还广泛应用于火控、观瞄、侦察等舰载武器装备中。由于光电成像设备分辨率高,目标指向精确,在舰船上常把光电火控设备与火控雷达安装在同一平台上。这种火控设备由光电成像和激光测距两部分组成,由雷达引导光电设备进行精确跟瞄的火控体制,提高了武器的射击精度。

3)舰载激光告警。激光告警系统可以探测照射到舰船上的激光测距、激光目标指示、激光制导导弹等武器的激光信号,并根据预定义的威胁数据库识别威胁源,发出告警,引导舰船启动相应的措施。

4)激光雷达。激光雷达装备在飞机上,可以对水下目标成像,从而识别水雷,并引导机载武器摧毁水雷。机载激光探雷系统是高速机动性强的扫雷装备,其效率比扫雷舰艇高得多,可以在很短的时间内扫清航道

2.2 光电防御

1)隐身战舰。舰船采用的隐身技术主要包括:减小结构和材料的雷达散射截面,消除镜面反射;涂覆吸波材料;降低红外辐射;抑制和减弱作战平台的电磁信号;降低本身的可见光目标特征;消除噪声源和减弱噪声;消除和减弱舰艇的磁场强度。例如,美国洛克希德公司研制的海影号隐身舰。该舰上体表面由多个梯形或矩形平面封闭而成;同时舰上还贴敷了能吸收雷达波的涂层,并采取了控制水下噪声和红外辐射的措施。美国海军新一代驱逐舰DD(X)通过上层建筑材料的选择和被动空气冷却发动机排气等减少全舰的热信号,出于对性能、质量和费用的综合考虑,减少了红外材料的使用量,对主涡轮发电机的替代品进行排气抑制效果试验。法国海军现役的拉斐特级护卫舰,是第一艘投入实用的、具有较出色隐身效果的隐身战舰。它综合采用了多项隐身技术,总体性能达到国际领先水平。瑞典、英国、德国、俄罗斯等国海军对隐身舰艇也进行了多年的探索和研制,相继推出自己的隐身舰艇。

2)红外干扰机。定向红外干扰机采用强光或激光对准导弹的导引头实施干扰,干扰效果明显,是对抗红外制导导弹的有效装备。

3)无源对抗设备。舰载无源干扰系统是舰船电子战的重要武器。在未来舰船电子战中的地位也十分稳固。如美国MK36SRBOC系统(舰外超快速散开无源干扰系统)是美国海军现役的典型舰载箔条/红外诱饵发射系统,一直广泛装备美国各类舰艇。该系统配有红外、箔条及红外/箔条组合弹,对雷达制导、红外寻的和雷达/红外复合制导的反舰导弹进行干扰。干扰方式有质心、转移和冲淡式三种。发射装置按舰艇吨位大小可分为两座装和四座装配置。诱饵弹最大射程4km。箔条弹的作战使用为接力式连续发射,每30s一次,诱使导弹不断偏离目标。红外辐射强度大于2000W/sr,燃烧时间大于40s,干扰波段为3m～5m,反应时间6s,用于威胁最大方向。

美国航母、巡洋舰、驱逐舰、两栖作战舰艇等都装备了该系统。

英国超级防栅诱饵系统(Super Barricade)是英国防栅(Barricade)诱饵系列中的最新产品,是在Barricade MK、MK的基础上改进而来的。已对多个国家出口,该系统主要特点是:通过提供多层软杀伤防御能力来保护舰艇安全,它能够以远程迷惑方式、中程冲淡和转移方式、近程质心方式工作,对抗处于不同飞行阶段的反舰导弹。由于英阿马岛战争中无源干扰设备的成功应用,新型无源干扰系统的发展方向是:系统智能化,自动响应空中威胁,能自动发现哑弹并及时采取最佳替代措施,能自动检查和识别诱饵弹,还可以自动定期检测系统故障等;装备规范化、模块化和标准化,各型舰载诱饵系统正力求达到更高层度的规范化和标准化,对各型诱饵投放系统及弹药进行系列化、组合化改进,以达到各类装载平台系统设备的通用化;诱饵弹复合化,如红外/毫米波复合诱饵弹、多功能红外烟幕弹等。诱饵运动化。将诱饵弹加装发动机或采用拖曳的办法,使诱饵在工作期间具有与保护平台相近的运动速度。

2.3 光电进攻

激光作为一种主动式对抗技术,将会在光电对抗中发挥日趋重要的作用,它可干扰、致盲甚至破坏敌方侦察、制导、火控、导航及C3I系统中的光电设备,并可损伤致盲人眼,因此激光武器是现代海战中重要的光电对抗武器。

目前,具有杀伤能力的舰载激光武器主要分为三种:用来损伤无激光防护的敌方人员视觉的激光武器,用来干扰、致盲、致眩敌方光电仪器的激光武器,以及用来摧毁敌方光电仪器的敏感元件和结构部件及其载体的高能激光武器。

例如,美国海军在核动力航母上已经装备了目标-1和目标-2两种型号的舰载激光武器。目标-1武器将用于对付反舰导弹的导引头和飞行器上的光电装备,以及敌方观察和目标指示用的光电和红外装置;目标-2是对付空中目标,例如摧毁导弹上的光电和雷达导引头的整流罩,该武器被安装在中等排水量的舰船上。

2.4 光通信

光通信的收发天线体积小,而且定向性好,发散角小,可靠性高,甚至不受核爆炸的影响。因此,利用激光进行通信的保密性很好,不易被侦收和测向。

例如,美国海军电子中心利用二氧化碳激光器,在17.6km通信距离上,实现了可通信率为99%的准全天候通信。一定程度上标志着激光通信正在向实现舰队全天候通信的方向发展。与海面激光通信相比,对潜艇的激光通信发展速度较快。利用蓝绿激光在海水中传输损耗小的特点,进行对潜激光通信,不会暴露潜艇位置,是海军的重要研究投资方向之一。

目前,舰载高速光纤网已广泛应用于航母、驱逐舰、潜艇等各类舰艇。全舰光纤局域网技术仍是美海军实现主战舰艇装备信息化重点发展的关键技术。光纤水听器是利用光纤技术探测水下声波的器件,它与传统的压电水听器相比,具有极高的灵敏度、极大的动态范围,并且抗电磁干扰,无阻抗匹配要求,系统湿端质量轻,结构灵活。光纤水听器是应付潜艇静噪技术的关键器件,是国防技术重点开发项目之一。近年来,美国已对全光纤水听器及其阵列的各种应用场合进行了多次成功的试验。

2.5 光导航

光纤陀螺没有运动部件,结构稳定,无磨损问题。其动态范围大,测量范围可达数千度每秒,尤其突出的是其测量精度高。光纤陀螺不仅能装备在海军舰船、潜艇,而且还能装备在全部的飞机、导弹、卫星和宇宙飞船上。

1)从光纤陀螺自身来看,从光源技术、光纤环技术等方面降低成本。

2)从保偏和去偏技术方面提高精度,进一步减小温度漂移,是光纤陀螺的技术发展方向,也是光纤陀螺推广速度的动力源泉。

3)从导航系统的角度看,光纤陀螺将逐渐由单轴为主,向多轴传感发展,这有助于继续拓宽光纤陀螺的应用范围,光纤多轴传感器是许多平台的需要,与全球定位系统的耦合也是光纤陀螺重要发展方向之一。

3 发展动向

1)BAE系统公司向英国皇家海军交付首套“山猫”直升机的光电头盔显示仪。美国海军技术网2010年11月22日报道:BAE系统公司向英国皇家海军交付第一套新型光电头盔瞄准系统,供“山猫”Mk8直升机使用。皇家海军“山猫”直升机能力项目经理证实已接收首套Q-Sight机枪手远距离瞄准系统[3]。

Q-Sight头盔显示仪是一种低成本、轻型、夹持式系统,只需用一个小型驱动单元连接在直升机的主电源即可工作,也可以依靠电池组工作。系统采用了一种可快速连接/断开的猪尾式导线,不会影响乘员的紧急通过。皇家海军将在“山猫”直升机上使用该系统现有的热成像瞄准具有增强舱门处的机枪手的态势感知能力。

BAE系统公司早在2010年3月就交付了最初的Q-Sight系统供论证和训练。

2)法国海军欲采购“海眼镜蛇”光电监视与追踪系统。英国《简氏防务周刊》网站2011年9月13日报道:基于目前十分迫切的作战需求,法国海军决定向英国Chess Dynamics公司采购9套“海眼镜蛇”光电监视与追踪系统[4]。

“海眼镜蛇”光电监视与追踪系统由英国陆军的“眼镜蛇”系统演变而来,该系统最终将装备在法国海军的9艘A69型轻型护卫舰以及4艘“迪朗斯河”级综合补给舰/指挥舰上。除了执行近岸巡逻任务、反海盗行动以及其他海上安全任务之外,“海眼镜蛇”系统还能够部署在商船上。

在今年1月的一次国际竞标中,法国舰艇建造商DCNS公司选中了“海眼镜蛇”系统。签订的合同(包括零部件及相关保障维护)总金额超过200万欧元(2.7亿美元)。Chess Dynamics公司于9月13日在国际防务安全装备展(DSEi)上公布了这一合同,公司表示“海眼镜蛇”系统“已经研发完毕并将按时交付”,还称该系统目前已经在法国海军的两级军舰上通过了海试。

3)Aurrion公司为美国国防高级研究计划局开发光电多元件/部件集成技术。美国《军事与航空航天电子学》2011年11月13日报道:2011年11月10日,美国Aurrion公司获得了美国国防高级研究计划局价值1390万美元的光电多元件/部件集成(E-PHI)项目合同,将为其开发军用微电子技术。这项技术可用于制造多种光电子微系统,如电信业使用的收发机、激光雷达传感器和激光通信上使用的相干光学系统、光学随机波形发生器、带有集成图像处理和读出电路的多波段成像仪等[5]。

根据光电多元件/部件集成项目合同,Aurrion公司将开发新型技术和新型结构,以便能够在普通硅衬底上制造芯片级光电/混合信号集成电路。光电多相集成项目是国防高级研究计划局多种元件/部件集成(DAHI)大型计划的一部分,这项计划旨在为电子、光电和微机电系统等多种材料和器件领域开发可制造的器件级技术,在普通硅衬底上制造出复杂的结构。这些技术应当显著改善先进高带宽射频和混合信号芯片集成系统的光学陀螺、测向、光学通信和频率基准同步的性能。

根据光电多元件/部件集成项目项目,Aurrion公司的专家首先将开发制造和器件技术,在硅CMOS兼容衬底上集成多种不同的光学和光电材料;然后将研究多种材料以及电子和光电器件异质集成的结构和设计方法;最终将对连续波和脉冲激光光源、射频光电信号源等微系统进行演示。

4)赛峰公司和泰利斯公司签署光电领域合作协议。法国《航宇防务》2011年12月21日报道:法国赛峰公司和泰利斯公司于12月20日签署了建立各自持有相同股份的光电系统与装备合资公司的谅解备忘录,法国国防部长隆盖出席了签字仪式[6]。

通过这一合资公司,泰利斯和赛峰将联合各自在光电领域的专业能力,扩展其提供的产品和服务,以满足包括现代化项目和原始设备在内的新的防务系统需求。目前考虑中的新系统包括用于现代化的“大西洋-2”海上巡逻机的光电吊舱、用于即将到来的英法联合研制的中空长航时无人机的图像系统、用于陆军地面车辆的模块化光电系统,以及用于未来直升机的光电设备。

这两家公司的合作将采取成立合资公司的方式,该合资公司覆盖技术、商业和项目领域,而工业资产仍由两家母公司控制。

通过这项合作,泰利斯和赛峰以增强法国在红外探测器领域的国家技术基础为目标,其成本有效性是竞争力的关键。这两家公司还希望增强双方各持股40%的Sofradir公司,该公司的目的是为了满足双方的战略需求,并扩大其在国际开放市场上的存在,而且仍是确保其技术的经济生命力的关键。

赛峰和泰利斯最终将把双方各自正在开发的红外探测器技术转移到这一新的合资公司中。

泰利斯公司董事长兼首席执行官维涅隆赞扬这是一项双赢的合作,将为客户提供一流的技术,并提升双方在国际市场上的地位。赛峰公司董事长兼首席执行官赫特曼表示,这项合作将使双方避免重复投资,并能整合双方在光电领域的最佳技术,并促进双方团队的动态协作。

5)法国泰勒斯公司在光电与通信领域的新举措。法国《泰勒斯公司》网站2012年8月8日报道:法国泰勒斯公司将通过同欧洲防务企业建立新的合资企业并签订合作协议扩大其防务与安全产品范围。泰勒斯已同法国萨吉姆公司成立合资企业OPTROLEAD,双方将通过OPTROLEAD公司实现在光电系统领域的市场和技术的融合。这是泰勒斯为巩固并增强法国光电产业协同效应的重要举措[7]。

泰勒斯公司表示,OPTROLEAD公司将负责未来光电系统的销售,特别在国防领域,将参与大型国防项目,包括法国海军“大西洋”2海上巡逻机的光电载荷的升级项目、英法对中空长航时无人机成像系统的联合制造以及陆军战车的模块化光电系统和未来直升机的光电产品研制。OPTROLEAD公司将有效地结合两家母公司的领先技术。

除此之外,泰勒斯正加强同美国思科公司在网络和通信创新领域的合作。包括以思科的技术为基础开发泰勒斯的解决方案,在移动和宽带无线网络开发防务与安全市场的机会。

6)萨基姆公司获得新一代光电多功能系统订单。法国《航宇防务》2013年3月1日报道:萨基姆公司与法国海军法国舰艇建造局签订了一份新一代光电多功能系统(EOMS-NG)合同。海军法国舰艇建造局是该系统的主承包商,系统将于2014年在法国海军4艘大型两栖/投送舰、3艘“米斯特拉尔”级投送指挥舰和“闪电”级登陆艇运输舰上安装,每艘安装两部[8]。

该系统由萨基姆公司开发,是一种全天候、多功能、陀螺稳定的光电系统,能够面向360°范围提供红外监视、识别、跟踪、激光测距和火控功能。

该系统受位于密封的近防空舰桥内协同工作的两台显控台的控制,用于协助评估舰艇直接环境、控制自防御武器和增强直升机作战的安全性。该系统基于全景射击的概念,其观测能力相当于100台固定摄像头。

此外,该系统还将安装在6艘法国海军“花月”级监视护卫舰和6艘阿联酋的“贝努纳”级巡洋舰上。

7)BAE系统公司为美国海军电磁导轨炮研制高速弹丸。《简氏防务评论》2013年11月25日报道:BAE系统公司正在为美国海军电磁导轨炮研制高速弹丸。海军研究办公室于9月与BAE系统公司签订了电磁导轨炮高速弹丸第一阶段研制合同。电磁导轨炮高速弹丸的研制分三阶段完成:2013年9月～2014年5月,开展折衷研究和概念设计,缩小模块化和通用性方面的概念设计范围;2014年5月～2015年4月,开展初步设计和详细设计工作;2015年5月～2017年4月,完成最后研制工作,包括生产、测试和试飞弹丸。海军正在探索高速弹丸和常规炮弹之间的通用性,使高速弹丸能够应用于常规火炮,最终研制出低成本通用弹丸[9]。

BAE系统公司并不是参与高速弹丸项目的唯一公司。在美国海军电磁导轨炮样炮初始研制阶段,海军研究办公室设想,电磁导轨炮的射程至少为96.2km,最大可达到407km。

高速弹丸的独特之处在于,离开炮口后不需要火箭发动机推进或引导弹丸。海军研究办公室为火炮系统制定的目标是,将弹丸加速到7242～9012km/h,使弹丸取得32兆焦的炮口动能。

海军研究办公室表示,电磁导轨炮利用舰载脉冲电源系统供电,一个电脉冲产生的电磁力使弹丸加速到7.5Ma,弹丸利用超高速动能杀伤目标,动能战斗部消除了舰船上携带高爆弹药,以及战场上出现未爆军械的危害。

高速弹丸需承受的过载力远高于常规火炮发射的弹丸。例如,BAE系统公司目前在研制的127mm炮弹,使用Mk45舰炮发射时的过载为6000g,高速弹丸则需承受20000～30000g的过载。

尽管高速弹丸能够以极高速飞行,美国海军仍希望其射速与常规火炮相似。如安装在DDG 1000驱逐舰上的先进火炮系统发射远程对陆攻击弹丸时的射速为10发/秒。尽管高速弹丸与常规炮弹之间不存在明显区别,但是美国海军正在探索两者之间的通用性,使高速弹丸能够应用于常规火炮。海军的目标是研制出低成本通用型弹丸,像普通炮弹那样可用于Mk45式127mm舰炮或155mm舰炮,甚至是地面火炮系统。

4 发展分析

海军光电装备的发展趋势:设备小型化、采用复合光学通道、选择先进的红外焦平面阵列探测器件、采用目视安全激光测距仪、采用模块化结构等[10]。

1)设备小型化。发展研制舰载光电设备小型化,具有:(1)高效能,是指性能进一步提高。其战术使命还包括执行早期警戒、自动搜索、探测浮雷、夜间导航等多项功能。另外,对目标的探测、跟踪和识别距离也有较大提高。整个系统,不仅抗干扰能力强,而且更加可靠耐用;(2)轻型,是指减轻重量和减小体积。小型光电瞄准设备的头部重量较轻,甚至仅有60kg,回转半径约200mm,外形多呈球状或锥状,可安装在中小型护卫舰等舰船上;(3)桅杆载,是指装在舰船桅杆上。这样做不仅不与其他设备争甲板上的“寸金之地”,而且有利于发挥自身性能,并减少舰上其他热源设备和电子设备的干扰。

2)采用复合光学通道。对光电跟踪仪来说让电视、红外和激光三个探测器共用一个复合通道,即“三光合一”,而不是过去普遍采用的三个独立的光学通道。对红外搜索和跟踪系统来说,则是中红外波段探测器和长红外波段探测器共用一个通道,即“二光合一”通道,光学通道的减少势必导致重量和体积的减少。当然,复合光学通道的材料选取和设计更为复杂,这也是整个系统的设计难点之一。

3)选择先进的红外焦平面阵列探测器件。使用红外焦平面阵列探测器有非常高的探测率和灵敏度,从而保证在性能相当的情况下,可大大减小红外通道的通光口径,并可采用工作温度较高的小型致冷器,这都有利于减小探测头的重量和体积。

采用不用致冷器的非致冷型红外热像仪,这将会进一步大大减小重量和体积。采用红外焦平面阵列器件,可实施复合光学通道。

光电跟踪仪采用3～5μm中波段热像仪。3～5μm热像仪,主要采用硅化铂探测器或锑化铟探测器,其特点是适合于在炎热和潮湿条件下使用,而且对高速反舰导弹的探测距离比8～12μm热像仪更远;在使用上,它可以并放在8～12μm一侧,或干脆将后者取而代之。

4)采用目视安全激光测距仪。法国激光工业公司和瑞典爱立信公司已研制出工作波长为1.54μm的喇曼频移型Nd∶YAG目视安全激光测距仪,对人眼没有损伤,现已装备部队。

5)采用模块化结构。可根据需要灵活组装,采用红外探测器、电视,激光测距仪、智能型数字自动跟踪仪等,从而可满足一体化的不同要求。例如,法国萨吉姆公司研制的VIGY105桅杆式全景瞄准具。该系统探测头外壳呈锥形,重约60kg,可与30毫米或100毫米火炮配用。VIGY-105采用组件结构,通常可有三种组合结构。该系统还采用红外焦平面阵列探测器和目视安全激光测距仪。现已装在“戴高乐”号航母、5艘护卫舰和几艘两栖舰上。

法国SAT公司研究的“旺皮尔”MB双波段模块式红外搜索和跟踪系统。该系统探测头重150千克,可装在桅杆顶部。它采用了4个288×4元的红外焦平面阵列和“二光合一”光学通道。法海军定购7套“旺皮尔”MB系统,已装在“戴高乐”号航母和5艘防空护卫舰上。

以色列光电公司的MSIS光电火控系统。该系统探测头呈球状,重仅60千克,可装在桅杆上。MSIS系统曾于海湾战争中装在美国舰船上作过试验,此后进行了多次改装。据称该系统的最大缺点是未采用目视安全激光测距仪,因此在国际竞争中受到一些影响。

英国雷达迈克公司的“系统2500”型舰用光电系统也很有特色。其指向仪外壳呈球状,最大特点是除装有目视安全激光测距仪外,还装有一台3～5μm热像仪。在炎热条件下,探测距离是8～12μm热像仪的3倍。

美国海军采购了300套光电瞄准和跟踪系统以及200套红外搜索和跟踪系统。美海军的舰用光电设备不仅质量上有很大提高,而且装舰数量上也居各国之首。

5 结语

海军光电信息装备极大地提高了舰艇的生存能力和攻击能力,已成为舰载武器装备的重要发展方向之一。光电探测、光电防御、激光武器、通信导航等技术都有了飞速的进步;光电探测将向高处理速度、远探测距离、光谱感知、自动威胁识别的方向发展;光电防御措施将更加完善,舰船的光电隐身能力将向宽频带、全方位、全天候、智能化的方向发展;复合诱饵、多功能烟幕等技术将继续拓展其应用领域;舰载激光武器技术将逐步走向成熟,并用来对付导弹、飞机、卫星等各种目标;激光通信将形成对潜通信装备;海军舰载光电信息装备与系统都在不断向模块化、多功能、高精度、一体化的方向发展,以达到快速准确的资源共享,并形成高效的反应能力。在光电技术不断进步的今天,光电信息装备将越来越成为海军武器装备中的重中之重[11]。

[1]黄猛,张葆,沈宏海,等.海上光电监视系统的设计与研究[J].红外与激光工程,2007,36(6):849-852.

[2]李连学,曹秋生.光电跟踪仪的自主捕获技术研究[J].激光与红外,2006,36(12):1142-1145.

[3]BAE系统公司向英国皇家海军交付首套“山猫”直升机的光电头盔显示仪[N].每日防务快讯,2010-11-26.

[4]法国海军欲采购“海眼镜蛇”光电监视与追踪系统[N].每日防务快讯,2011-09-28.

[5]Aurrion公司为美国国防高级研究计划局开发光电多元件/部件集成技术[N].每日防务快讯,2011-11-17.

[6]赛峰公司和泰利斯公司签署光电领域合作协议[N].每日防务快讯,2011-12-27.

[7]法国泰勒斯公司在光电与通信领域的新举措[N].每日防务快讯,2012-08-09.

[8]萨基姆公司获得新一代光电多功能系统订单[N].每日防务快讯,2013-03-06.

[9]BAE系统公司为美国海军电磁导轨炮研制高速弹丸[N].每日防务快讯,2013-12-05.

[10]乔健.舰载光电成像系统探测能力分析[J].光学精密工程,2013,21(10):2520-2526

[11]赵妙娟,车宏.军用光电系统作用距离分析[J].红外与激光工程,2008,37(增):501-503.

DevelopmentAnalysisofNavalOptoelectronicEquipmentTechnology

SHI Yongshan

(Navy Force Representative Bueau in Jinzhou, Jinzhou 121000)

The naval optoelectronic equipment technology plays more and more important roles in the war today. The process of development of the naval optoelectronic equipment technology abroad and equipments in all countries over the world and their modification are described. The technique performance and properties of several the naval optoelectronic equipment technology seekers are analyzed;and development of the the naval optoelectronic equipment technology are discussed.

naval optoelectronic equipment, development analysis

2013年11月6日,

:2013年12月20日

石永山,男,高级工程师,研究方向:电子工程。

TN97DOI:10.3969/j.issn1672-9730.2014.05.003