舰载光电跟踪仪应用及发展

罗 兵,冯 瑜,金晓宇

(海军蚌埠士官学校兵器系,安徽 蚌埠 233012)



·综述与评论·

舰载光电跟踪仪应用及发展

罗 兵,冯 瑜,金晓宇

(海军蚌埠士官学校兵器系,安徽 蚌埠 233012)

介绍了舰载光电跟踪仪的应用,对配备了光电传感器(激光测距仪、电视跟踪仪、红外跟踪仪)的舰载光电跟踪仪的特点进行了分析。并初步探讨了舰载光电跟踪仪的发展趋势。

光电跟踪仪；电视跟踪仪；激光测距仪；红外跟踪仪

1 引 言

在现代海战中,面对日趋复杂和恶劣的电磁环境,面对低空突防技术和电子对抗技术广泛而有效的应用,以及受到反辐射导弹的重大威胁,无线电探测跟踪设备往往难以正常工作。在此背景下,研制和发展新的探测跟踪手段和设备以弥补雷达探测跟踪设备的不足成为客观而紧迫的需求。

舰载光电跟踪仪正是为了满足这一需求,在光电子技术发展的基础上,综合利用光学技术、光电子技术、电子技术、自控技术、计算机和精密机械等技术,研制和发展起来的高技术装备。目前国际上的新型舰艇纷纷装备光电跟踪仪,老舰也在加装光电跟踪仪。其主要用途之一就是配合近程副炮使用,作为舰艇末端防御的重要手段。

舰载光电跟踪仪是以舰艇为装载平台,以激光、红外、微光、电视和各种光电器件等为主体,按照一定的系统结构和联系方式,组成具有光电综合功能的有机整体,实现海上特殊条件下对目标的探测跟踪和目标点坐标值的实时测定。特别是与舰载雷达相比,具有精度高、信息量大、保密性好、抗电磁干扰能力强、低角跟踪性能好等独特优点,因而成为现代舰炮武器系统的重要组成部分[1]。

2 舰载光电跟踪仪应用及光电传感器特点分析

舰载光电跟踪仪通常作为舰炮火控系统的一种跟踪子系统使用,可独立形成光电火控通道完成舰炮武器的射击。典型的舰载光电跟踪仪都具备两项基本功能,一是对目标实施跟踪定位,二是能够实时测定目标的点坐标值。在舰炮火控系统中,光电跟踪仪根据目标指示系统的目标指示,自动或人工辅助捕获和跟踪目标,实时测定高低角、舷角、距离及角速度、角加速度等目标坐标信息,将这些坐标数据实时传送给火控系统的中心计算机。中心计算机对目标坐标数据进行平滑处理,并根据舰艇姿态、弹道和气象数据,自动解算出射击诸元,通过随动系统控制舰炮转向和射击。此外,可以通过电视或红外监视器观察弹着分布,修正弹着偏差,以获得最佳射击效果[2-4]。

光电跟踪仪作为舰载近程反导武器系统的探测跟踪设备,从20世纪70年代至今,在外国海军舰载武器系统中得到了广泛的应用,出现了多种型号的光电跟踪仪,典型的有法国的“眼镜蛇”(NAJA)、“红外眼镜蛇”(NAJIR)、“火山”(VOLCAN)；英国的“海射手30(SeaArcher30)；美国的975、985型；意大利的LINCE、NA18、NA30型；瑞典的9LV系列；荷兰的LIOD；西德的OFLA-M；以色列的MSIS等。我国从1975年开始光电跟踪仪的研制工作并经历了快速的发展,目前已有多种型号的光电跟踪仪应用于新型的舰载武器系统中,发挥着不可替代的作用。

舰载光电跟踪仪从功能角度来看主要由光电传感器(电视跟踪仪、红外跟踪仪、激光测距仪)、控制计算机和跟踪随动系统组成，如图1所示。本文主要对光电传感器原理、特点进行分析。

图1 舰载光电跟踪仪功能组成框图

(1)电视跟踪仪

电视跟踪仪是根据目标与背景的亮度反差或有关物理特征的不同而实现对目标的探测、识别和自动跟踪的。作为电视跟踪,首先利用视频特征信号增强技术对电视摄象机捕捉的带有被跟踪目标视频特征信号的全电视信号进行预处理,以增强并提取目标视频特征信号,经转换成为电信号,又经放大、补偿处理后,与复合同步电压和十字线按一定比例构成视频信号传送给测偏器,计算出目标位置对于视场中心的误差量,控制随动系统工作,使目标以一定误差始终保持在视场中心,从而实现对目标的自动跟踪。另一方面,视频信号也送给监控台以直观显示目标的图象供目标识别用；在射击时,可以对弹着点进行评定和校正。

现代战争要求电视跟踪仪具有作用距离远、跟踪精度高、响应速度快、动态范围宽、体积小、重量轻等性能。在电视跟踪仪的性能参数中,最主要的是跟踪距离和跟踪精度,电视跟踪仪的性能不仅决定于其自身的技术水平,而且与目标性质、目标与背景的对比度及气象条件等紧密相关。按电视跟踪仪现有的性能水平,作用距离对掠海导弹是几千米到几十千米,与雷达相比较近,但已能够满足近程反导武器系统的要求；而跟踪精度可达到0.2 mrad,优于雷达跟踪精度0.9 mrad。电视跟踪仪在光波波段以被动方式工作,与雷达相比较具有抗电磁干扰能力强、保密性和隐蔽性好、低角跟踪无多路径效应和海面杂波干扰等优点,同时直观显示目标图象,更易于识别目标。因此,电视跟踪成为近程武器系统探测跟踪低空目标的重要手段。

(2)红外跟踪仪

红外跟踪仪依靠接收目标的热辐射而对目标实施自动跟踪,其核心是红外探测器。与其他任何跟踪器材一样,红外跟踪仪的全部工作过程是围绕解决如何使视场中心与被跟踪目标重合的问题进行的。一般地,红外跟踪仪利用背景抑制技术消除背景辐射干扰,增强和提取目标热辐射,检测分析目标在视场中的位置误差,利用误差信号通过随动系统驱动带有传感器的跟踪座使跟踪轴线对准目标,将目标始终保持在视场中以实现对目标的自动跟踪。

红外跟踪的作用距离是目标辐射能量以及目标与背景温差的函数,与探测器灵敏度也是函数关系。因此,采用先进技术提高红外探测器的灵敏度,同时采用先进的图象处理技术、扫描技术、自动选取技术提高红外跟踪仪在跟踪过程中排除假目标及其他干扰的能力,是增大红外跟踪仪作用距离的有效途径。现有红外探测器可探测的最小温差为0.01 ℃,跟踪距离典型值为6～10 km。

与电视跟踪仪相同,红外跟踪仪以被动方式工作,因而也是具有隐蔽性好、不易受电磁干扰、低角跟踪不受海浪杂波影响等优点。不同的是,红外跟踪具有全天候工作的特点,能够昼夜探测跟踪目标,且穿透烟雾能力较强。

(3)激光测距仪

激光测距仪是通过向目标发射并接收被目标反射的激光而测出目标距离的测量设备。激光测距机的工作原理与微波测距机相似,但由于激光测距机采用了高功率、高相干性、单色性好、方向性强的激光作为光源,使激光测距比普通光学测距和微波测距具有速度快、精度高、测距精度不随距离改变等优点,同时由于激光束极窄、没有散射,能有效排除地物或海浪的杂波干扰和多路回波干扰。现有激光测距仪的测距精度大多数已达到±5 m左右,而激光测距仪的最主要性能作用距离,在能见度为10 km的情况下,对0.1 m2截面的导弹,作用距离可达2.5～4.9 km；对2 m2截面的攻击机,最大作用距离可达9 km,能够满足作战的要求。

在舰载光电跟踪仪的跟踪传感器中,只有激光测距仪是主动工作方式。为确保测距的有效性和保密性,激光测距仪发射激光的时机是严格受系统控制的。

3 舰载光电跟踪仪的发展趋势

光电子技术以其独特优点迅速渗透到现代武器系统中,广泛应用于现代舰艇、飞机、坦克等武器平台及其探测跟踪、通信、导航等系统中,发挥着倍增武器系统作战能力、提高精度、反应能力和抗干扰能力,扩展作战时域、空域和频域的重要作用,也毫不例外地深刻影响舰载光电跟踪仪的变革和发展,特别是激光、红外、光纤、光学集成、半导体微电子技术以及数字信号处理技术、自动控制与显示技术的发展和突破,使舰载光电跟踪仪向适应复杂作战环境、提高整体作战性能、增强一体化和智能化水平、提高可靠性及减小体积降低成本的方向发展。可以对舰载光电跟踪仪的发展趋势做如下展望:

(1)光轴合一的设计

舰载光电跟踪仪的传统设计是激光、电视、红外各有自己的光学镜头,并分置于光电指向器的左右两侧，如图2所示。

图2 某型光电跟踪仪指向器示意图

这种结构回转半径大、转动惯量大、质量大、机动性差,而近程副武器系统对跟踪器的要求是机动性强、反应快、能跟踪高速度和高加速度的目标,该种分立结构难以满足系统对跟踪器的更高要求。因此,光电跟踪仪将向电视、红外、激光3个传感器光轴合一的方向发展,即这3个传感器共用主镜和主光路,并用分光、反光镜将其接收的光信号引至相应的传感器上,这样就克服了三轴分离的缺点,但同时由于各种探测装置的光学系统对光轴的稳定性要求不一,也带来了光轴稳定的实时性优化问题。

激光、电视和红外共用同一窗口,改变以往多数系统多窗并存的复杂重复的结构形式。多光谱共用窗口方式使电视和红外的瞄准线与激光束高度共轴,消除了采用多窗口带来的光轴间误差,同时激光、红外和电视可共用一个通道,简化了系统的结构,也减小了系统体积和重量[5]。

(2)全相关、多目标、昼夜合一电视跟踪的实现

影响电视跟踪探测距离的主要因素是对比度。全相关跟踪电视将从各个传感器所得到的目标对比度进行综合优化相关分析,具有比统计相关跟踪电视更强的目标识别能力,更适应于对复杂背景中的目标跟踪和多目标跟踪。像增强器件和CCD器件的发展及成熟,使成像光谱范围从可见光波段向红外波段延伸,意味着电视跟踪向昼夜型方向发展成为可能。电视跟踪系统还可以与其他光电子系统结合,向多功能、全天候、复合化的复杂系统发展。

(3)采用模块化设计和标准化部件

采用模块化结构和标准化通用部件进行设计,既可满足舰艇特殊条件下的使用要求,又使产品组装维修方便、生产周期短、成本低,更重要的是便于扩展或增加新的功能,使产品易于保持先进性和竞争能力。

(4)采用红外焦平面阵列技术

红外凝视焦平面阵列元件的发展和应用,能够简化或消除红外系统多元探测器的光机扫描机构、实现了机械扫描向电子扫描的转变,简化了系统的复杂程度,解决光电扫描给系统带来的诸如热负荷、噪声和可靠性等问题。同时,又能将多路传输路或电荷耦合型电子装置与焦平面探测器结台起来。因而,使新系统将具有作用距离更远、温度和空间分辨率更高、可靠性更高及尺寸小、成本低的特点[6-7]。

(5)采用光学集成回路

光学集成技术将激光发射器、接收器、激光阵列及光学回路与电子回路高度集成在一个基片,减少光电系统的尺寸和重量,提高系统的速度和可靠性,降低系统功耗。

(6)采用陀螺稳定瞄准线

与使用计算机等方法相比,采用陀螺稳定瞄准线,在性能上比较稳定可靠且方法简单,在进行高精度瞄准时,不受传感器大小及密封环的摩擦转矩的影响,而且采用高精度陀螺,可以使角速度测量无关于舰艇的纵横摇和航向变化。

(7)采用分布式微机和大规模数字电路技术

采用分布式微机和大规模数字电路是缩短系统反应时间的主要措施,同时能够明显地提高系统处理信息速度和数据量,更有效地解决跟踪、控制、目标位置和速度预测、各种系统误差修正、目标威胁分析等复杂问题。

(8)采用光电跟踪仪与武器直接组合方式

光电跟踪仪与武器直接组合能够简化系统结构,减小体积和重量,扩大系统适装舰艇的类型范围,但对系统设备的抗振性提出了非常高的要求。

4 结 论

我国激光、电视、红外传感器通过近几十年的发展日趋成熟,为舰载光电跟踪仪的开发、研制提供了较成熟的条件,如何能够最大限度地发挥光学传感器的优势,实现对战场目标的快速侦察定位和快速实施射击是舰炮武器系统重点需解决的问题。此外,在如何提高系统对不良气象条件和战场环境的适应性、如何提高系统的可靠性等方面仍有许多需要攻克的技术难关。但随着光电探测技术的进一步发展和高新技术在舰炮火控系统中的应用,舰载光电跟踪仪必将在现代战争中占据越来越重要的地位,发挥越来越重要的作用。

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Application and development of shipborne photoelectric tracker

LUO Bing,FENG Yu,JIN Xiao-yu

(Weapon Department,Bengbu Navy Petty Officer Academy,Bengbu 233012,China)

The application of shipborne photoelectric tracker is introduced.The characteristics of shipborne photoelectric tracker which is equipped with photoelectric sensors(laser rangefinder,TV tracking system and infrared tracking system)is analyzed.The development tendency of shipborne photoelectric tracker is discussed.

photoelectric tracker；TV tracker； laser rangefinder；infrared tracker

1001-5078(2015)10-1171-04

罗 兵(1983-),男,学士,讲师,研究方向为舰炮火控系统。E-mail:robin_531012@163.com

2014-11-25;

2015-03-26

TP212；E933

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.10.005