小型高性能无人机载光电吊舱的发展现状与方向

梁卫清，魏志强，袁红伟，路建华

（1.中国人民解放军63618 部队，新疆 库尔勒 841001；2.中国电子科技集团公司第三研究所，北京 100015）

0 引 言

无人机（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）是当今世界军用及民用领域的发展热点。20 世纪60 年代，美国首先将无人机用于军事侦察，此后，无人机先后参与了多次战争，均发挥了重要的作用，在情报侦察、空中监视、目标指示、电子干扰、战损评估等军用及民用领域得到了广泛应用，取得了令人瞩目的业绩[1-2]。同时，无人机在通信中继、反恐维稳、抢险救灾、农业植保、电力与石油管道巡线、地理测绘及勘测、环境监测、商业航拍等军事及民用等领域得到广泛应用。无论是情报信息搜集还是引导无人机实施定点清除行动，都离不开侦察设备。光电吊舱作为无人机重要的光学载荷，作为无人机的“眼睛”，给操控人员提供无人机空中采集的直观画面，为指挥决策提供重要依据[3-9]，发挥着非常关键的作用。

小型无人机受到自身重量及动力限制，能搭载的载荷相对较小。目前，小型无人机的供电主要有电池供电、燃油发电及油电混合方式，小型无人机的巡飞时间在几十分钟到数小时不等。对于使用电池供电的小型无人机，在满足自身用电需求的情况下，其载荷越轻、功耗越小，巡飞时间越长，这就需要在保证光电吊舱具有高性能的前提下尽量实现质量轻、功耗小。

本文讨论的小型光电吊舱特指质量在5 kg以下、适用于小型无人机的多光谱光电吊舱，配置可见光电视、红外热像仪、激光测距机或激光指示器等仪器。本文以国外典型高性能Epsilon 180、11EOIR4.5 光电吊舱为例，在介绍其功能、性能指标的基础上，指出国内小型光电吊舱的发展现状及不足，分析小型光电吊舱发展趋势。针对现状，从研制小型化光电吊舱实际出发，给出关键技术及发展思路。

1 国外小型高性能光电吊舱简介

无人机对光电载荷的基本要求是看得到、看得远、看得清。拉脱维亚章鱼ISR 系统（Octopus ISR Systems）在2020 年陆续推出一系列小型光电吊舱，其中Epsilon 180 机载光电吊舱为典型的小型高性能光电吊舱，集成度高、体积小、质量轻。同样，美国HoodTech 公司的11EOIR4.5 光电吊舱也具有优秀的性能指标。二者在各自官网分别列出的主要配置及指标如表1 所示。

表1 两款典型小型光电吊舱的主要配置及指标

可见，两款高性能小型光电吊舱均集成4 种光学传感器于一身，最大的特点是均采用制冷型红外热像仪。而Epsilon 180 系统质量3.75 kg，直径仅有180 mm，特别适合于小型无人机的光电载荷。Epsilon 180 系统还具备如下功能、特性：

（1）目标跟踪、引导、目标指示；

（2）地理定位、实时目标定位；

（3）H264/H265 视频压缩与本地存储，自带32 GB 的SD 存储卡；

（4）具备拍照、画中画双路视频显示、图像增强等功能；

（5）具备3 轴电子稳定功能、火炮发射校正软件；

（6）IP64 防护等级，具有高密封性并充满干燥气体；

（7）采用先进的镁合金结构，内部无任何3D 打印结构件，环境适应性好。

由于采用了制冷型红外热像仪，Epsilon 180 系统灵敏度高、作用距离远，能提供高质量的红外图像，对1.7 m×0.5 m 大小目标的探测距离及识别距离分别达到8.6 km，2.9 km，对2.3 m×2.3 m 大小目标的探测距离及识别距离分别达到12.4 km，7.0 km。

Epsilon 180 系统在重量、尺寸、配置的红外热像仪、可见光电视以及激光测距机的指标上优于美国HOODTECH 公司的质量4.2 kg、直径245 mm 的11EOIR4.5 光电吊舱相应功能及指标。Epsilon 180系统为目前见报的性能指标最好、质量最轻的光电吊舱。

2 国内光电吊舱发展现状

国内小型无人机在飞速发展，众多军工、民企等研发了多款性能优异的小型无人机。对于电动无人机，其飞行距离及续航时间受到供电及通信链路等因素的限制。随着新型电池技术及低功耗器件的不断发展，小型无人机可以巡航的时间不断增长，飞行距离从几十公里提高到几百公里。

国内与小型无人机相配套的光电吊舱设备技术水平与国外仍存在较大差距。根据调研，国内尚无上述Epsilon 180 及11EOIR4.5 技术水平的小型光电吊舱。目前国内光电吊舱若要达到上述配置并具备相应功能，则光电吊舱的质量不低于8 kg，体积也相对较大。换言之，国内5 kg 级的光电吊舱多数配置为非制冷型红外热像仪而不是制冷型红外热像仪，作用距离相对较近，配置的激光测距机测距能力多数在10 km 以下，且一般不具备惯导系统，功能相对简单。

3 存在的问题

配置制冷型红外热像仪，是提升小型光电吊舱性能的重要环节之一，尤其在夜间或雾气较大天气情况下，对红外热像仪或制冷型红外热像仪的需求更加强烈，这也是特定应用场合下光电吊舱保证正常工作的基本要求。目前，国内制冷型红外热像仪的体积、质量相对较大。根据调研，目前国内红外热像仪生产厂家生产的与Epsilon 180 系统中同等性能的制冷型红外热像仪质量基本在1 kg 左右甚至更重，为维持相应的稳定精度，其光具座加重，伺服驱动电机功率、扭矩随之增加，整机设备质量随之增加。另外，国内小型光电吊舱功能相对单一，集成度不高、性能指标相对较低，竞争力不高，不能满足小型无人机对高性能、轻量化、低成本、多功能光电吊舱的实际需求，主要表现在以下方面。

（1）光学设计技术不足。光学镜头是影响光学传感器作用距离的重要因素之一。光学镜头的设计需要兼顾视场和分辨率，在变焦过程中不应出现图像不清晰、目标丢失的情况，提高人机功效[10]。一定条件下，光学镜头焦距越长，作用距离越远。而国内设计的光学长焦镜头一般体积较大、质量较重，进而导致光学传感器整机质量及体积大，限制了其在小型化高性能光电吊舱中的应用。

（2）设备集成能力不高。光电吊舱内部，不同光学传感器控制、图像处理、伺服控制、惯性导航系统之间缺乏统一规划及集成，阻碍了设备的高集成性。

（3）功能不够丰富。目前，国内小型光电吊舱的功能相对单一。未来光电吊舱不仅需具备昼夜视频采集、拍照、目标搜索、跟踪、识别、测距等功能，还需对目标具备更远的作用距离，具有目标地理定位、系统导航、武器引导、数字地图、信息共享、网络通信等功能，具备更强的信息处理能力及更好的环境适应能力。

（4）小型化结构设计及机加装配能力不足。小型化结构设计涉及电机、位置及速率传感器等器件的小型化、轻量化，因此，在满足高性能的同时，各器件的体积、质量指标越小越好。同时，高精尖的加工技术、装调工艺相对落后[11]，也限制了小型化设计的有效实施。

随着机载平台作战需求的提高、作战模式的改变以及民用领域需求的不断提高，未来光电吊舱会不断向多功能、集成化、小型化、轻量化及智能化等方向发展[12]。

4 关键技术及发展思路

随着国内光电核心器件、图像处理技术、伺服控制技术、光学设计、装配工艺等技术的不断发展，小型光电吊舱的功能和性能指标将得到大幅提升，也会不断缩小与国外的差距。对此，本文从需求迫切的小型高性能光电吊舱研制实际出发，给出发展思路。

4.1 光学载荷的多样化与融合

同等体积、质量下集成的光学载荷越多、功能越强大，光电吊舱设备的竞争力及适应力越高。光电吊舱对各组成部件的单个光学载荷性能指标提出了较高的要求，在满足各自指标的前提下，重量、体积越小越好。

体积小、重量轻，也就为光学载荷的多样化与融合打下基础。未来，光学成像载荷不仅局限于可见光及红外波段，更会扩展到包括近红外在内的多光谱以及波段较多的高光谱。这样，获取的目标细节更丰富，态势感知能力更强，信息更全面、可靠。

4.2 提升设备集成能力

红外热像仪等固定结构件可以与吊舱本身的光具座实现一体化设计，减少质量。伺服控制电机的负载、功率、力矩估算准确，择优选择最适合的电机型号，亦可减少传动轴系环节的质量，实现小型化设计[13]。

图像处理、伺服控制、光学镜头及光学传感器控制等系统可采用总线形式，实现集中控制，功能更集成，可以减少电路板的数量，减小设备体积。

4.3 模块化结构设计

高性能光电吊舱对结构整体架构、布局提出了更高要求。尤其是小型光电吊舱，其结构形式由其稳定精度指标以及所搭载的传感器种类和数量决定，因此其体积、重量及整机的结构形式会有所不同。在结构设计、散热设计、结构选材、机加装配、减振机构设计选型等环节，要根据实际需求进行迭代择优。

光电吊舱的整体造型设计，要结合吊舱使用要求和飞行要求综合考虑，在满足结构稳定性、刚度要求的前提下，还应满足光学视场探测范围的需要，做到造型美观，对关键零部件进行力学仿真校核，实现结构紧凑、刚度高的小型化、轻量化设计[14-15]。同时，模块化结构设计也可方便根据不同用户的需求灵活配置相应的光学传感器。

4.4 低成本设计

在满足功能、性能指标的前提下，低成本始终是设备研制需要考虑的重要因素。为减少质量，结构材料上可以选用质量较轻的镁合金，但相应结构件在质量减少三分之一的同时，成本也会提升两倍以上。

因此，在设计结构时，合理确定哪些件可采用铝合金或碳纤维材料，哪些结构件采用轻质镁合金材料，也需要在成本、结构刚度及设备质量之间折中考虑。

5 结 语

随着小型化无人机的广泛应用，小型电动无人机对体积小、质量轻、功耗低、性能高的光电吊舱需求迫切，这为小型光电吊舱设计提出了更高的要求。本文在介绍国外典型高性能光电吊舱Epsilon 180、11EOIR4.5 的功能及性能指标基础上，指出国内小型光电吊舱的现状与存在的问题，结合小型光电吊舱发展趋势，提出关键技术及发展思路。随着我国核心器件、工艺、加工、装调水平的不断提升，国内小型化光电吊舱的技术水平、竞争力也会不断提升。