舰载直升机光电系统发展及其关键技术

沈君辉，杨 光，陶 忠，卜忠红

（1.武警新疆总队直升机大队，新疆 乌鲁木齐830017；2.西安应用光学研究所，陕西 西安710065）

引言

舰载航空兵作为海军的重要组成部分，在夺取和保持作战海域的制空权中扮演着关键角色。直升机发展于陆军，并已成为现代战争中一种必不可少的武器系统［1］。基于对航母反潜能力需求的提升以及直升机可以从战斗舰、巡洋舰、支援舰及驱逐舰等非航母舰船上直接起飞的优势，舰载直升机已经成为舰载机联队不可或缺的一部分，其可为整个舰队有效提供诸如：反潜巡逻、海面监视、水面／岸头作战、搜索营救、人员物质运输、反水雷等多种综合化作战支援任务。作为一种重要战术装备，舰载直升机的光电系统与雷达、声纳、电子支援系统等任务系统的有效协同为舰载直升机出色地完成反潜、海面监视、搜索、水上作战、战斗营救等任务提供了有力的保障，尤其是在海面目标的精确定位、识别、瞄准、自动跟踪，反舰导弹等武器系统精确制导方面发挥着关键作用，可显著提升舰载直升机的海上作战能力。

1 国外舰载直升机发展及光电系统作战任务

当前，直升机已被公认为是各国海军水面舰艇的基本武器装备。美国海军的直升机部署更是遍布航母和各型军舰。其中，欧洲的NFH－90和美国的MH－60R“海鹰”等“第三代”直升机，其综合作战效能甚至比军舰更为强大，可以直接充当“飞行护卫舰”的角色。以美军航母舰载机联队为例，典型的标准配置涵括战斗机中队1支，2～4支战斗攻击机中队，1支预警机中队，1支战术电子战中队，1支反潜直升机中队，1支海上控制中队以及一支无人机侦察中队。

舰载直升机出现于20世纪中期，起初扮演的角色是随舰活动投放声呐完成搜潜任务，为反潜作战服务。但是随着海上战场形势的变化，舰载直升机的战术作用也由单一搜潜向搜潜／反潜／反舰综合支援已经发展至今日的涵括水下作战、水面作战、海面监视、战斗支援及反水雷等多任务于一体的综合化作战支援。

1.1 外军舰载直升机发展现状

目前，为应对现代海上战争对舰载直升机“综合化作战支援”的战术需求，美国与欧洲均于20世纪80年代启动了舰载直升机研发计划，如图1所示。美军的“拉姆普斯”计划，其典型产品是“海鹰”SH－60BMKⅢ直升机；欧洲由法国、德国、意大利和荷兰共同研制中型多用途直升机NH90，号称“欧洲最大的直升机项目”，其中一种为“北约护卫舰型”，通常称为海军型NFH90，可在护卫舰上直接起降，能够单独执行反潜、反舰等任务，也可与母舰协同。

21世纪初，美军将“拉姆普斯”计划升级至“直升机作战概念”计划，其典型产品是MH－60型“海鹰”直升机。美海军“直升机作战概念”作为美军舰载航空军的经验总结，正在推动美海军直升机机队的转型和发展，也在改变着直升机队在海上的部署方式，代表着当今世界舰载直升机作战的最高水平及未来发展趋势。

1.2 美海军“直升机作战概念”计划

“直升机作战概念”中1个航母舰载空中联队要与2个总共配备19架直升机的直升机中队一起部署。这2个直升机中队分别是海上战斗直升机中队和海上打击直升机中队。海上战斗直升机中队装备8架MH－60S直升机，驻于航空母舰，执行飞机护卫、战斗营救、特种作战支援、后勤保障和防范小型水面威胁等任务。海上打击直升机中队装备11艘MH－60R直升机，但其中一些要分配到护航舰船上用于诸如反潜战和水面监视的海洋控制任务，剩下的MH－60R直升机则配置在航空母舰上执行此类任务。

图1 外军典型舰载直升机计划Fig.1 Program of typical shipborne helicopter for foreign army

美海军实施的“直升机总体规划”及其“直升机作战概念”如图2所示［2］。其核心思想是将现役的不同类型、模式、系统的直升机减少到 MH－60R和MH－60S两种机型。MH－60R是海军的下一代潜艇搜寻和水面攻击直升机，能够同时支援水面舰艇和航母，其作战任务主要包括海面监视、潜艇搜寻、潜艇识别以及水下作战和水面作战。MH－60S“海鹰”直升机是一种多任务战斗支援直升机，包括3种配置：战斗支援配置主要担负垂直补给与作战效用支援的任务；空中反水雷配置负责探测、定位和压制所有海中水雷，提供海军作战大队建制内的空中反水雷（OAMCM）能力。武装直升机型将提升战斗搜索和营救、海上遮断作战和水面作战方面的能力。

图2 美海军“直升机作战概念”示意图Fig.2 helicopter campaign concept of american navy

MH－60R和 MH－60S加入Link16数据链，提升二者的协同作战能力。Link16数据链可以向航空联队中的每个人提供态势感知，并将直升机上飞行员的态势感知传递给舰上的决策者，让整个航母大队共享直升机中队的态势感知信息。Link16数据链的强大功能可以使 MH－60R和MH－60S作为一个猎手—杀手小组一起行动，它装备了多种先进传感器，搜潜能力更出色的MH－60R担任猎手角色；装备了更多战斗武器，火力更强的MH－60S则主要担负杀手的角色。为了能在2种直升机平台上更出色地完成，以前需要6～11种直升机平台完成的各项作战任务，就需要根据不同的作战任务搭配执行不同功能的各种先进航电设备。图3给出了美海军MH－60R“海鹰”直升机的任务系统配置，包括光电系统（FILR）、电子支援系统（ESM）、多模式雷达（multi－mode radar）、投放式声纳（dipping sonar）及数据链系统，武器系统包括反潜鱼雷及“海尔法”导弹。

从美海军的“拉姆普斯”计划到“直升机作战概念”的演变过程及欧洲NFH90的研发背景可以看出：舰载直升机的发展趋势是通过高度集成涵括声呐、雷达、光电、电子支援等传感器系统，携带反潜艇鱼雷、反舰反坦克导弹等武器系统，成为一种多任务的作战平台。

图3 美海军MH－60R“海鹰”直升机任务系统配置Fig.3 Mission systems of MH－60R sea hawk helicopter

1.3 外军舰载直升机光电系统作战任务

光电系统在舰载直升机应用之初并未得到普遍认可，但随着舰载直升机战术功能向综合化作战支援的拓展，光电系统成为舰载直升机的标准配置之一。

多光谱目标定位系统 AN／AAS－44C（V）（也称MTS－A）是Raytheon公司研制的一款用于广域监视、目标获取、跟踪，测距及为“海尔法”导弹提供激光指示的光电系统，装备于美军新一代的舰载直升机 MH－60R及 MH－60S武装型。多光谱目标定位系统在MH－60R的反潜作战、水面作战中发挥着重要战术作用，如图4所示。

反潜作战包含搜潜和攻潜2个阶段。搜潜主要由低频声纳完成，该系统使用投吊式声纳完成对潜艇的探测、跟踪、定位和识别。多光谱目标定位系统配合海面监视雷达可在潜艇的通气管或潜艇望远镜露出海面时对声学搜潜方式形成补充。多光谱目标定位系统可对潜艇通气管或潜望镜进行目标精确识别。

水面作战包含海面监视和反舰作战。海面监视任务主要依靠多模式雷达和多光谱目标定位系统协同完成。多光谱目标定位系统随动于雷达，实现近距离、高分辨率、弱小目标的探测、识别和辨识。多光谱目标定位系统保证在昼夜间和复杂气候条件下为MH－60R提供被动识别和瞄准能力。多光谱目标定位系统在反舰作战中完成目标自动提示、潜在目标自动捕获、目标识别、精确瞄准、自动跟踪，并利用配备的激光照射器及光斑跟踪器为制导提供精确目标导引。例如激光指示器为AGM－114“海尔法”导弹照射目标。

MH－60S武装直升机装备的多光谱目标定位系统，提供精确的目标定位、识别、瞄准及自动跟踪，完成战斗搜索营救任务，并对目标进行激光指示，为“海尔法”及其他反舰导弹提供制导信号。

Euroflir 410是Sagem公司研发的集成红外热像、高清电视、低照度电视、激光指示器、激光测距机、激光照明器及光斑跟踪器于一体的光电系统，广泛装备于NFH90直升机及法国海军的AS565反潜直升机。Euroflir 410主要作战任务是在水面作战过程中，与“海洋眼”多模预警雷达AN／APS－143B（V）3协同完成对海面的监视，担负目标精确成像功能，完成对目标的探测、识别及辨识，并对目标进行激光指示，为“飞鱼”反舰导弹提供制导信号。

由上可见，多光谱目标定位系统在反潜作战、水面作战、战斗搜索营救等任务中承担以下作战任务：

图4 MH－60R作战方式示意图Fig.4 Campaign manner of MH－60R

2 国外舰载直升机光电系统性能

多光谱目标定位系统（图5所示）作为世界上现役的性能最为出色的海军中型舰载直升机机载光电系统，能够出色地应对海面复杂环境下海面监视及反潜、战斗搜索营救等任务。

为了出色地完成各项作战任务，多光谱目标定位系统引入先进的EO／IR技术及出色的图像处理技术，其主要技术参数如表1所示［3］。

NFH90海军型直升机装备的光电系统为Sagem公司研制的Euroflir 410［4］，挂载于直升机鼻隼下方。集成的传感器包括高清电视、微光电视、长波或者中波红外热像仪、人眼安全激光测距机、激光照射器及光斑跟踪器，尤其值得关注的是安装的红外热像仪具有光学自动变焦功能，电子变倍后最小视场可达0.16°。系统具备视频跟踪、地理跟踪、地理指示及地理定位功能。转塔质量不大于45kg。Euroflir 410对人物目标，探测距离为14km，识别距离6.5km，认清距离3km。对装甲车目标，探测距离18km，识别距离9.5 km，认清距离5.5km。

图5 多光谱目标定位系统Fig.5 Multiple spectrum targeting system

表1 某多光谱目标定位系统的主要技术参数Table 1 Main technology paremeters of an multiple spectrums targeting system

3 国外舰载直升机光电系统的主要特点及发展趋势

从上述对国外典型舰载直升机光电系统的分析可以看出：MH－60R直升机的多光谱目标定位系统与NFH90直升机的Euroflir 410陀螺稳定光电载荷系统功能及性能相当，而多光谱目标定位系统在某些细节上更胜一筹。以多光谱目标定位系统为例，国外舰载直升机光电系统的主要特点可以归纳如下：

1）多传感器共光路集成

配置了近红外电视和彩色电视摄像机、红外热像仪，二者配合可以完成在昼夜间和复杂气象条件下全天候的大范围监视和目标获取、跟踪。人眼安全测距机、激光照射器和光斑跟踪器则提升了系统导弹的制导能力与协同作战能力，保障武器系统的水上作战能力。共光路技术在多光谱目标成像系统中已得到成熟应用，也必将成为未来的发展趋势，可实现多传感器的高集成度设计。

2）光学视场多

电视和红外系统均具有宽视场、中宽视场、中视场、窄视场和极窄视场5种视场。电视和红外均具备2×和4×的电子变倍功能。多种光学视场更有利于识别海面上不同尺度的各种目标。在光学视场多的同时，突出宽视场大和窄视场小的特点。宽视场达到44°×33°；宽视场大有利于机载人员实现对周边环境更大范围的态势感知（警戒），提高目标搜索效率，电视观瞄具极窄视场0.27°×0.21°（具备4∶1倍电子变倍），热像观瞄具窄视场0.8°×0.6°（具备4∶1倍电子变倍）。窄视场小、探测器分辨率高，则探测器瞬时视场更小。光电探测／成像系统瞬时视场的减小，能够增大光电系统作用距离；在相同作用距离条件下，光电探测／成像系统瞬时视场减小，增大了小视场下目标在成像探测器上所占像素数，提高了人眼对小目标识别效率，同时提高了目标探测、识别和辨认的概率。探测器分辨率的提升也是发展的一个重要趋势。2012年7月，雷声公司为MTS系列的红外探测器从标清向高清的升级就从美国陆军获得了850万美元的合同，由此可以窥见探测器分辨率的提高对美军作战的重要意义。

3）图像处理能力强

引入先进的图像处理技术以解决海上气象条件复杂、海面监视区域广等挑战，采用了图像局部增强、图像融合及图像拼接技术。增加多波段图像融合功能，实现中波红外波段视频和可见光视频（彩色）的实时融合输出，如图6所示。通过图像融合功能，可以获得对同一场景目标更为准确、全面、可靠的图像描述，增加了图像细节，提高飞行员对外界场景的感知能力。

图像增强是指按特定的需要突出一幅图像中的某些信息，使图像的某些特性更加鲜明、突出。图像的局部增强功能可以改善传感器的电子透雾功能，在雨雾天气条件下能够显著提高光电系统作用距离，电子透雾效果如图7所示。

图6 图像融合效果图Fig.6 Image fusion effect

图7 图像增强效果图Fig.7 Image enhancement effect

图8 图像拼接效果图Fig.8 Image mosaic effect

矩阵图像拼接技术就是将一组相互间存在重叠区域的图像序列实施配准而融合成一幅包含各图像序列信息的宽视野、完整、高分辨的新图像。矩阵图像拼接技术在海面广域监视中的效果十分明显，可以根据光电系统不同海面区域的监视图像直接生成高分辨率的大范围图像，生成海面广域的全景图。图8给出了 MX－15系列由GEOScan模式下捕获图像拼接出的全景图。

4）具备惯性测量能力

在万向架上直接安装惯性测量单元增加目标定位和地理跟踪功能：① 通过地理跟踪功能可实现在大范围海域内对目标的快速锁定，使瞄准线始终瞄准目标，在机动攻击过程中可有效补偿载机机动带来的射手瞄准负担，提高瞄准效率；② 基于目标定位功能，可以实现对目标的精确定位，通过数据链可以实现编队内／编队间的快速目标协同。

多光谱目标定位系统代表着舰载直升机光电系统的未来发展趋势：集成多波段传感器；提升目标打击能力（涵括激光测距机、指示器、光斑跟踪器）；拓宽视场覆盖范围（突出大视场更大，小视场更小的特点）；提高探测器分辨率；增强图像实时综合处理能力（图像增强、图像融合、图像拼接、多目标自动提示、捕获及跟踪）；提高地理定位及地理跟踪精度。

4 舰载直升机光电系统的发展重点及关键技术

舰载直升机光电系统的主要作战目标为利用光电系统目标成像、识别，定位、瞄准线稳定、多目标自动提示、捕获、跟踪、激光测距／照射等功能、配合舰载直升机声纳、雷达、导航等任务系统，利用舰载直升机携带的武器系统，为舰载直升机形成综合化作战支援能力，包括反潜战、水面作战、海面监视，态势感知、目标搜索、战斗营救、特种作战支援等，提供强有力的保障。针对这一目标，舰载直升机光电系统主要实现海面广域监视、搜索；潜艇潜望镜状态搜潜／小目标搜救；海面目标成像、识别、定位；多目标自动提示、捕获、记忆跟踪；激光测距／指示及光斑跟踪功能，突出解决四类问题，发展4项关键技术。

4.1 发展重点

1）形成大范围无缝隙海面监视能力

在搜索雷达受到强烈的电磁干扰而不能正常工作的情况下，光电成像系统将是一种有效的海面监视手段。现有直升机光电系统只能够对特定区域扫描搜索，无法实现机载平台周围360°范围内无缝隙监视和显示的需求。

2）降低复杂海面背景下目标虚警率

复杂的海面背景中，移动的海面及连绵起伏的波浪使图像的信噪比和对比度等信息都随着浪高、距离的不同而不断变化；另一方面由于受到海面背景影响，目标轮廓和结构特征不明显，因此，对于海面目标的检测易出现虚警。因此降低复杂海面背景下目标虚警率对舰载直升机光电系统而言显得尤为关键。采用多波段传感器设计、图像增强、图像融合技术突出图像中的“有用”信息，能够充分利用多个波段传感器提供的冗余信息和互补信息，获得更为丰富的图像信息。三项技术的完美融合可以提高目标识别的正确率，降低目标虚警率，缓解由于虚警目标给飞行员造成的心里压力。

3）提高目标搜索效率

目标搜索效率在战斗支援、搜索营救等战术任务中扮演中重要角色，与其自身的传感器性能、图像处理能力及协同作战能力均密切相关。采用超小视场，增加探测器的分辨率可以提升人员对目标的识别效率。图像增强与图像融合的双重作用会大幅提升画面质量与目标显示效果。多目标捕获与自动跟踪可减少飞行员的工作量，并确保不遗漏关键目标信息。从传感器、图像处理能力及视频跟踪功能的改进在提升目标搜索效率的同时可降低飞行员的工作强度与压力。

4）提升协同态势感知与协同作战能力

舰载直升机态势感知能力的提升依赖于海面监视雷达、水下探测声纳及光电成像系统甚至作战团队中的舰船、固定翼侦察机形成的海面地图。基于地理定位的目标图像可以实现光电系统与雷达、声纳等传感器或者其他载机平台的图像信息的快速融合。基于地理定位和目标跟踪，舰载直升机可实现光电系统利用其他载机平台的目标信息打击目标，也可为其他载机平台打击目标提供精确的目标地理坐标与相关态势。

4.2 关键技术

舰载直升机光电系统的研发关键是基于国内现有直升机载光电系统的成熟技术，充分论证海上目标特性、海洋背景特点、海面大气环境传输特性，考虑海洋环境对光电系统的环境适应性要求，瞄准中型舰载直升机在海军作战中的任务需求，突破4项关键技术：

1）多视场／多波段传感器集成设计技术

舰载直升机的作战使命及海上作战环境决定了光电系统多视场、多波段需求，尤其是中波，长波双波段红外的集成［1，5］，短波红外［1，6］由于昼夜发现各种激光的能力也是未来发展的重要方向。从多光谱目标定位系统可以看出多波段的共光路技术是远距离探测识的必然趋势。因此多视场／多波段传感器集成设计是本方案的难点及关键。

2）高精度稳定技术

伴随系统作用距离的进一步提升，系统的瞬时视场会进一步减小，图像质量和打击精度都会对光电系统的稳定精度提出更高的要求。在平台稳定的基础上增加稳定反射镜组件的粗／精组合稳定方案，或者与惯导结合是实现高精度稳定的最佳途径［7］。

3）视频跟踪器图像综合处理技术

海上气候十分恶劣，经常会出现大风、台风、海雾和潮汐等，这给光电系统的成像带来了很大的问题，尤其是面临大面积海域监视的挑战。除了提高光电传感器的作用距离及成像质量外，还需要对图像处理算法进行改进，以获得更大海域、更清晰的图像。在图像处理后端采用弱小目标自动检测［8］、图像增强、多波段图像融合［1］及矩阵式图像拼接［9］技术，提升海面搜索海域覆盖范围及目标的识别概率。

4）系统小型化、轻量化综合优化设计技术

舰载直升机一般比同型的陆基直升机的质量要求更为苛刻，因此在设计舰载直升机的光电系统时，也要对系统进行综合优化，为舰载直升机减重作出贡献。舰载直升机一般要求光电系统尽可能体积下，质量轻、功耗低，但是现代战争条件又迫切需要多传感器、多电子单元集成使用，因此需要对整个光电系统的设计进行优化，以追求在最小体积和质量前提下安装尽可能多的传感器及信息处理单元。在设计过程中要考虑使用先进的微机电部件及高强度、高刚度轻质复合材料，并在方案设计阶段对传感器布局，结构拓扑形状进行总体规划［10］。

5 结束语

舰载直升机的作战任务已从最初的单一反潜作战向反潜、水面作战、战斗搜索营救及特种作战等综合化作战支援转变，通过集成声呐、雷达、光电、电子支援等传感器系统成为一种多任务作战平台。光电系统的目标精确成像、识别、捕获、提示、跟踪及激光指示功能为反潜、水面作战、战斗搜索营救等多种任务提供了重要手段，已成为舰载直升机的标准配置。

本文通过分析美海军“直升机作战概念”、北约“欧洲直升机计划”的产物MH－60“海鹰”舰载直升机、“北约护卫舰型”NFH90舰载直升机的技术特点及作战方式，论述了光电系统在舰载直升机中的战术作用。基于对MH－60“海鹰”直升机的多光谱目标成像系统、NFH90直升机的Euroflir 410主要特点及技术参数的分析，指出舰载直升机光电系统的发展趋势：传感器分辨率达到1 280像素×720像素，视场从大于40°覆盖至小于1°；采用共光路、二级稳定技术，稳定精度小于5μrad；集成图像增强、融合和拼接功能后图像延迟小于1帧；集成IMU将地理定位精度提高至5m（80km目标）。

围绕舰载直升机多任务作战的使命任务，舰载直升机光电任务系统未来需要重点解决“形成大范围无缝隙海面监视能力、降低复杂海面背景下目标虚警率、提高目标搜索效率及提升协同态势感知与协同作战能力”4类问题。

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