距离选通激光主动成像技术在直升机中的应用

赵 云，姚有文，张 斌

(1.总参陆航部驻景德镇地区军事代表室，江西 景德镇 333001；2.61213部队，山西 临汾 041000)



距离选通激光主动成像技术在直升机中的应用

赵 云1，姚有文1，张 斌2

(1.总参陆航部驻景德镇地区军事代表室，江西 景德镇 333001；2.61213部队，山西 临汾 041000)

以提高直升机作战性能为出发点，综述了距离选通激光主动成像技术和稳瞄技术的现状，分析了距离选通激光主动成像技术应用于直升机稳瞄系统的可行性和先进性。距离选通激光主动成像技术是提高直升机整体性能的重要技术手段，是直升机稳瞄系统的发展方向。

直升机；距离选通；激光成像

0 引言

直升机作为陆军航空兵的主战装备，具有快速机动、精确打击、侦察预警、信息作战、电子对抗等作战能力，已成为现代战争中夺取低空制空权的利器，在遂行非军事行动中也发挥着越来越重要的作用。

光电稳瞄系统是直升机的眼睛，是直升机的重要系统之一。它主要实现战场搜索、目标瞄准、跟踪、激光测距和激光指示，为火控系统武装发射提供瞄准线指向功能，是直升机升级换代和信息化改造的重中之重。现代武装直升机机载光电稳瞄系统一般配有电视跟踪、红外探测和激光测距功能，基本能够满足飞行员的需要。但电视和红外探测属于被动探测，易受自然条件和敌方的干扰；激光测距只能获得敌方的距离信息，功能单一。为适应未来战场态势的需要，必须对稳瞄系统的光电探测技术进行不断的探索。本文对将距离选通激光主动成像技术应用于直升机稳瞄系统进行了简要分析。

1 距离选通激光主动成像技术

1.1 工作原理

基于距离选通的激光主动成像技木(GVT)原理[1]如图1所示。距离选通激光主动成像系统(GVS)利用高峰值功率的脉冲激光器照射目标，利用高精度门控电路延时触发窄快门面阵成像探测器(一般为像增强型CCD，即ICCD)，接收目标反射光并成像。由于激光在往返途中探测器快门关闭，可以有效地抑制背景噪声和杂波干扰，因而能有效提高对小、暗、远目标的识别能力。另外，所得目标图像对应了一定的距离深度，可以通过图像处理得到目标的三维信息，并且有距离选通和分辨率高的特点。

图1 距离选通激光主动成像系统工作原理

1.2 系统组成

从距离选通激光主动成像技术的工作原理可以看出，它有三个基本特征：采用脉冲激光照明；采用窄快门脉冲成像器件；由门控电路实现高精度延时控制。因此，GVS一般由激光器、选通型ICCD摄像机和延迟同步控制电路等构成。GVS器件的选择不尽相同：激光照明多种多样，主要有532nm的YAG激光器、人眼安全的1.57um激光器和半导体阵列激光器等；成像器件一般选用超二代ICCD、三代ICCD、电子轰击CCD(EBCCD)等；门控电路的控制方法和精度需根据不同的应用场合选用不同的同步时序方法。

2 直升机光电技术应用现状

2.1 发展历程[2]

目前，光电技术在直升机中的应用具有代表性的主要有瞄准线稳定系统、侦察系统、夜间飞行导航系统、光电对抗系统等，其中以稳瞄系统最具有代表性。直升机稳瞄系统按性能和时间可以大致分为三代：

第一代直升机稳瞄系统主要在20世纪70年代末至80年代初装备使用，如美军的AH-l“眼镜蛇”直升机的M65稳瞄系统、法国“小羚羊”直升机M397稳瞄系统等。这一阶段主要是白天型，全部采用直视光学通道观察瞄准。

第二代直升机稳瞄系统在20世纪90年代初期装备使用，在此期间武装直升机获得了飞速发展，如美军的AH-64“阿帕奇”、OH-58D“基奥瓦”、意大利的A-129“猫鼬”、南非的AH-2A“茶隼”、前苏联的米-28“浩劫”和卡-50“黑鲨”等一批世界著名的武装直升机。与此同时，红外技术也获得飞速发展，这些直升机稳瞄系统均加装了红外热像仪，形成昼夜两用型稳瞄系统。

第三代稳瞄系统主要在20世纪90年代后期至今，随着红外、激光技术与信息处理技术的飞速发展，先进国家纷纷在第二代稳瞄技术的基础上进行更新换代，其主要特点是采用三代大面阵热像仪、连续变倍光学系统、半导体泵浦双模激光指示/测距仪、多目标跟踪、信息融合等先进技术，如 AH-64D“长弓阿帕奇”攻击直升机“箭头”稳瞄系统、AH-1Z“蝰蛇”TSS稳瞄系统等。

RAH-66“柯曼奇”是美国研制的最新型武装侦察直升机，尽管目前已下马，但其装备的EOSS稳瞄系统不仅装有当前最高水平的各种光电传感器，而且其总线技术、信息处理与融合、隐身、一体化稳定平合等技术都代表着直升机光电系统当前最高技术水平。

2.2 存在的不足

虽然目前直升机装备了融合电视、红外和激光等先进技术的稳瞄系统，可以“打得更准、看得更远”，但制约其光电系统发挥作用的因素仍然很多。

电视系统即可见光成像系统，属于被动成像系统，它是利用可见光探测器感知目标反射的日光进行成像。由此可见，其性能很大程度上受到环境和目标本身的影响。在雾、霾、雨、雪等恶劣天气条件下很难发挥作用；目标本身对电视系统的影响也很大，如果目标处在黑暗或对日光反射率极低的条件下，电视系统的作用就会大大降低。

红外成像技术主要是靠场景温度和目标辐射率的变化来提供图像信息，虽然能够克服电视系统夜晚条件下不能对目标探测识别的不足，但仍属于被动成像系统，同样受天气和目标的影响较大，当探测目标与环境温度温差很小甚至没有温度变化时，就不能很好地进行探测与识别，红外系统作用的发挥就会受到极大的限制。此外，大气对红外线的传输具有窗口效应和衰减效应，红外系统的探测距离有限。

目前，激光技术虽然已经应用到直升机稳瞄系统当中，但其作用仅限于测距和导弹指引等，还没有将激光的成像技术进行应用。

3 GVT在直升机中的应用分析

3.1 先进性分析

距离选通激光主动成像技术具有明显的技术优势，在天气条件恶劣、强介质散射等情况下，可有效避免后向散射光的干扰；可在低照度、背景复杂的条件下，获取目标的强度像和距离像，并且还可以生成高分辨率的三维图像。激光主动成像技术可以有效弥补电视和红外探测技术的短板，将GVT与电视、红外技术进行有效融合，对直升机的整体战技术水平的提高具有重要意义。

对距离选通激光主动成像系统而言，调制对比度是激光成像系统的重要评价参数之一[3]。调制对比度Cr定义为：

式中，Etarget和Ebac分别表示探测器上接收到的激光能量和背景能量。实际工程中要求探测器靶面Cr≥0.1。

设τe=τr-Toptics，可得探测器接收到的目标反射的激光能量为：

Ep为激光发射能量；Toptics为光学系统传递函数；σ为目标LRCS(目标激光散射截面)；Dr为光学系统口径；Tatm为激光大气透过率，Tatm=exp(-σextR)，σext为大气消光系数；θt为激光发散角；R为系统探测距离。

在ICCD距离选通门控时间内，探测器接收到的背景能量为：

Ez为太阳在目标处的照度Eλ和大气层发射的背景噪声Eb之和，取日地平均距离时，Eλ=630W/m2um，Eb=0.3×Eλ=189W/m2um，则Ez=Eλ+Eb=819W/m2um；Δλ为光学滤波片波段；Δτ为ICCD距离选通门宽度。

调制对比度限制时，可得最大作用距离[4]为：

参考实际情况，取Toptics=0.6，Δλ=50nm，Δτ=100ns，σext=0.1km-1(1.06um)/0.25km-1(0.532um)，分别选取1.06um激光和0.532um激光成像系统，在系统不同发散角条件下，对系统作用距离与激光发射能量之间的关系进行了仿真，结果如图2、图3。

图2 1.06um激光探测距离与能量关系曲线

图3 0.532um激光探测距离与能量关系曲线

从仿真分析结果看，距离选通激光主动成像系统在激光发射能量达3mJ(1.06um)和40mJ(0.532um)时，作用距离可达10km。

国内外对激光主动成像技术进行了技术研究和样机验证。

国外对距离选通激光主动成像技术的研究进行得较早，取得了相当的进展，国外研究机构依托其雄厚的制造工艺实力，在成像器件水平上具有突出优势。美国的INTEVAC公司致力于成像器件的研究，该公司研制的LIVAR4000系统在实验室获得了28km远处激光主动成像目标图像。英国SELEXS&AS公司研制的激光主动成像系统利用YAG激光器可对10km远目标成明亮图像。俄罗斯、加拿大、瑞典等国家在GVT方面的研究也取得了非常好的效果。

国内系统总体性能较国外的差距较大。国内的长春光机所、哈尔滨工业大学、浙江大学等都在进行距离选通激光主动成像技术方面的研究。装备学院于2006年开始进行大气条件下距离选通激光主动成像探测技术研究，进行了大量试验，获得了从距离5m到约20km范围目标的成像试验结果，距离精度达到0.1m。

而在能见度大于15km的条件下，红外探测系统探测公里数仅在个位数量级[5]。

从仿真分析和国内外研究成果来看，距离选通激光主动成像技术具有一定的技术优势，达到了一定的实用条件。

3.2 可行性分析

一般的稳瞄系统由稳瞄转塔、电子控制单元、操纵部件以及数据处理显示单元等构成，如图4所示。转塔内装有电视观瞄具、热像观瞄具、激光指示器/测距机等传感器，电子控制单元是信息处理和控制中心，用于接收数字、模拟、视频信息，输出系统状态信息、控制命令和视频图像，实现稳瞄系统的各项功能。

图4 光电稳瞄系统一般结构

将距离选通激光主动成像技术应用于直升机，对现有稳瞄系统进行技术改进，即只要对现有稳瞄转塔中的激光测距机部分进行改进即可，将激光测距机的激光探测器更换为带选通门的ICCD探测器，电子控制单元加入时序控制等，后续对图像显示处理单元进行相应改进。

高功率小型化激光器是距离选通激光主动成像技术应用于直升机稳瞄系统的关键器件，目前国内外对高功率小型化激光器的研究进入了全新的阶段。2005年，美国IPG公司推出了17kw级高功率光纤激光器[6]。虽然国内高功率激光器发展水平还低于国外，但近年来也取得了很大的进步。西安应用光学研究所[7]研究的高功率LD阵列泵浦的小型化激光器平均单脉冲能量为96mJ(脉冲能量波动小于6%)，脉宽为10ns。激光发射功率的不足，可以用提高接受光学系统口径和降低激光发散角的办法加以弥补；探测器件ICCD，国外的技术水平比较成熟，军用ICCD早已达到三代水平(分辨率在60lm/mm以上)，国内水平较低，分辨率水平停留在640×480左右的水平[8],基本能够满足应用的需求，但仍需花大精力进行研究和突破。发射和接收光学系统以及时序控制电路可根据系统的性能要求进行开发设计。从以上分析可见，距离选通激光主动成像技术在直升机中的应用具有一定的可行性。

3.3 发展前景

激光主动成像技术应用于直升机稳瞄系统，可有效弥补电视、红外系统的不足，同时兼具激光测距和激光照射功能，在现有稳瞄技术上进行改进就可以实现。未来激光照明成像技术还有很大的发展空间：1)成像器件和激光器进一步升级，从而促进系统的小型化和可靠性提升，更加有利于直升机的应用；2)进行多光束、多波长激光照明成像技术研究，利用目标对不同波长激光反射率的差异，抑制散斑效应的影响，提高成像分辨率；3)进行偏振激光照明成像探测技术研究，提高特定目标、隐蔽目标探测识别能力；4)进一步提高数据处理速度和精度。这些技术的发展和突破，对激光主动成像技术在直升机中的应用都有很大的促进作用。

4 总结

本文介绍了距离选通激光主动成像技术工作原理和系统组成，介绍了直升机稳瞄系统的现状和局限性，分析了距离选通激光主动成像技术应用于直升机的可行性和先进性。系统地开发和研制需要进一步深入研究。随着激光主动成像技术的发展，距离选通激光主动成像技术必将成为直升机稳瞄系统发展的趋势。

[1] 郭惠超,孙华燕,范有成.大气条件下距离选通激光主动成像技术发展现状[J].激光与光电子学进展,2013(8):1-2.

[2] 纪 明,许培忠,徐飞飞. 武装直升机光电系统发展与对策[J].应用光学,2010(1):2.

[3] 戴得德,等.激光主动成像系统目标图像质量评价参数研究[J]. 激光与红外,2009(9):989.

[4] 李迎春,唐黎明,孙华燕. 空间目标的激光主动成像系统性能分析[J].装备指挥技术学院学报,2008(2):68.

[5] 中国直升机设计研究所,编.X型机使用手册[Z]. 中国直升机设计研究所，2010.

[6] 张劲松.高功率光纤激光器发展概况[J].光通信技术,2009(12).

[7] 张 彪,高 玮,杨照金,等.高功率LD阵列泵浦激光器小型化研究[J],应用光学,2009(4).

[8] 高性能数字式ICCD制作与性能分析[D].北京：北京理工大学,2014(2):5.

Analysis on the Application of Range-Gated Laser Active Imaging Technology in Helicopter

ZHAO Yun1, YAO Youwen1, ZHANG Bin2

(1.The PLA General staff’s Army Aviation Military Office in Jingdezhen Region, Jingdezhen 333001, China;2.Unit 61213 PLA, Linfen 041000, China)

In order to improve the operational performance of a helicopter as the starting point, Range-Gated laser active imaging technology and stabilization technology were reviewed. And also analyzed the feasibility and advanced of the application of Range-Gated laser active imaging technology in the helicopter stabilization. Range-Gated laser active imaging technology was an important approach to improve the performance of a helicopter and the development direction of stabilized sighting system.

helicopter; Range-Gated; laser imaging

2015-04-20

赵 云(1984-)，男，安徽南陵人，硕士，工程师，主要研究方向：航空电子。

1673-1220(2015)04-020-04

V243

A