航空光电侦察技术发展研究

王惠林，宁 飞，刘吉龙

（西安应用光学研究所，陕西西安710065）

引言

在未来的高技术局部战争条件下，制信息权已经成为赢得战争的首要条件。制信息权主要包括获取我方和敌方的有效信息，以及保证我方信息不被敌方获取[1]。航空侦察一直是信息获取的主要方式，它能克服地面侦察设备受地形障碍物和地球曲率的限制，是各国军事侦察的重要手段。航空光电侦察具有隐蔽性强、直观性好、分辨率高等优点，能够实现全天时、大范围的战场监视、目标捕获、武器制导和告警对抗，已经成为战场夺取信息优势的重要手段[2-5]。

1 航空光电系统的分类

根据航空光电侦察的作战任务需求，将机载光电系统主要分为凝视观瞄、情报侦察监视、红外搜索与跟踪以及告警与对抗四大类。

1.1 凝视观瞄

凝视观瞄光电系统能够实现战役级战场侦察、目标识别、定位、武器制导以及毁伤效果评估，通常安装有电视摄像机、红外热像仪、激光测照器、激光光斑跟踪器等多种光电传感器，具有实时性强、作用距离远、瞄准精度高等特点。按其搭载不同飞机平台特点，可分为配装于常规飞机的TURRET 型凝视观瞄吊舱、配装于战斗机的POD 型凝视观瞄吊舱以及配装于隐身飞机的内埋式保形低RCS 光电搜索瞄准系统。典型的产品有Raytheon公司研制的MTS-B 多光谱瞄准系统，Lockheed Martin 公司研制的Sniper XR 吊舱和EOTS 光电瞄准系统[6-7]，如图1所示。

图1 典型的凝视观瞄光电产品Fig.1 Typical products of electro-optical targeting system

MTS-B 多光谱瞄准系统采用多谱段传感器集成技术，极小视场采用多波段共孔径光学设计形式，电视、热像中大视场进行独立模块设计，选用1 280×1 024 像素锑化铟中波红外探测器和640×512像素短波红外探测器，集成光斑跟踪器、激光标示器，稳定方面则采用平台与反射镜复合的二级稳定，主要装备于美国空军MQ-9“捕食者”B 无人攻击机和美国海军MQ-4C“人鱼海神”无人机[8]。

1.2 情报侦察监视

情报侦察监视光电系统能够实时覆盖大范围地/海面侦察区域，以足够的分辨力执行目标鉴别并进行战场态势评估，具有距离远、侦察范围广、图像分辨率高等特点[9-10]。典型的产品有Goodrich公司研制的DB-110 长焦倾斜相机和Raytheon 公司研制的ERU 光电系统，如图2所示。

图2 典型的情报侦察监视光电产品Fig.2 Typical products of intelligence and reconnaissance surveillance system

ERU 装备在美国RQ-4“全球鹰”无人机上，是一种具有广域搜索侦察与目标精确定位能力的长焦距双波段高精度机载光电载荷。其采用全反射式双波段（中波红外和近红外）共孔径光学系统，安装在两轴稳定框架的内环中，通过高精度两轴稳定平台和快速反射镜（fast steering mirror,FSM）复合控制技术，在横滚、俯仰轴上按照规律运动，以实现无缝地理扫描，以步进凝视拍摄和图像实时拼接方式，形成幅宽10 km 以上的侦察态势图，每昼夜监视范围可达180 000 km2。

1.3 红外搜索与跟踪

红外搜索与跟踪光电系统用于对中远距离空中目标的搜索和预警，主要强调对弱小目标的探测能力和低虚警率，典型产品有欧洲台风战机装备FLIR/IRST 搜索跟踪系统和俄罗斯Su 系列战斗机装备的OLS-35 光雷达，如图3所示。

图3 典型的红外搜索与跟踪光电产品Fig.3 Typical products of infrared searching and tracking system

OLS-35 光雷达将扫描型红外传感器、电视摄像机、激光测距机、目标指示器集成式稳定，信息综合显示输出。其功能是对目标进行全方位的搜索、探测、捕获、识别和跟踪测距，将角度坐标和距离数据输出给光电瞄准和导航系统，为中程空空导弹和集成火炮系统的异步射击提供目标指示[11]。

1.4 告警与对抗

告警与对抗光电系统能够对来袭导弹进行探测、威胁判断、威胁告警和对抗，具有作用距离远、探测概率高、虚警率低、调转速度快等特点[12]，典型产品有Northrop Grummma 公司研制的Nemesis对抗系统和英国Selex Galileo 公司研制的Eclipse对抗系统，如图4所示。Eclipse 对抗系统采用两轴定天镜方案，将激光和热像进行共光路设计，快速调转速度超过1 200°/s，加速度为4 000°/s2[13]。

图4 典型的告警与对抗光电产品Fig.4 Typical products of missile warning and countermeasures system

2 航空光电侦察技术的发展

“看得远、图像稳、大范围感知”是航空光电侦察的核心要求，推动着航空光电系统在光学实现、稳定平台演进、瞄准线稳定和态势感知等方面的关键技术不断进步[14]。

2.1 光学实现

如何在有限的包络空间和重量的约束下实现更广的使用范围和更远的作用距离，是机载光电系统永恒的追求主题。传统的光电系统由结构相互独立的光电传感器模块组成，各模块之间交联关系明确、互换性强、后期维护成本低，典型产品有FLIR公司研制的BRITE Star 系列光电系统，如图5所示。

图5 BRITE Star 光电系统Fig.5 BRITE Star electro-optical system

更广的使用范围和更远的作用距离要求更多类型光电传感器、更长焦距、更大光学孔径，互相独立的光电传感器模块均需要独立的光学系统、结构部件和电子单元，这导致光电系统的体积和重量急剧增大、适装性变差。因此，在光学实现上采用多波段共光路方式，通过不同的光路设计、分光方式满足不同波段的成像质量和透过率需求。典型产品有Raytheon 公司研制的MTS-B 多光谱瞄准系统，其共光路光学示意图如图6所示。

图6 MTS-B 共光路光学示意图Fig.6 Schematic diagram of MTS-B common optical path

2.2 稳定平台演进

稳定平台架作为光电系统的核心，为光电传感器提供可靠支撑，隔离载机振动，从而实现伺服稳定[15]。稳定平台的发展历经4 个阶段，其实现形式如图7所示。

图7 稳定平台的发展历程图Fig.7 Development process of stabilized platform

第1 代平台稳定性能好，但是机构复杂、控制带宽低，从而导致运动特性差，常用于影视拍摄，不适用于军用环境；第2 代平台机构简单，运动特性有所提升，可满足低速军用平台集成环境应用；第3 代平台与第2 代平台相比，通过增加有限行程高带宽内环架来提升运动特性和稳定性，满足大部分军用平台集成环境应用，但中心空间利用率有限，限制了长焦距大口径光学载荷的设计；第4 代平台采用柔性阵列支撑替代内环架物理轴系，采用周边交叉布置音圈力矩器组来扩展内环架运动自由度，提升控制带宽和中心空间利用率，稳定精度高，适用于Step-Stare 成像，满足大部分军用平台集成环境应用。

2.3 瞄准线稳定

“看得远、看得清、瞄得准”的侦察需求，对光电系统的瞄准线稳定提出更高的要求。瞄准线稳定的方式主要有反射镜稳定、质量稳定、二级复合稳定和基于惯性伪星参考单元稳定。

反射镜稳定结构如图8所示，广泛应用于车载光电系统、航空相机和红外搜索与跟踪等方向。其特点是控制带宽高、响应速度快、机构紧凑，稳定精度可达20μrad，但俯仰角小于90°，限制了其侦察范围。

图8 反射镜稳定结构示意图Fig.8 Schematic diagram of mirror stabilization structure

质量稳定结构如图9所示，广泛应用于凝视观瞄光电系统。其特点是回转范围大、负载能力强、稳定性能与反射镜相当，但光学传感器空间受限，整体体积重量大。

图9 质量稳定结构示意图Fig.9 Schematic diagram of mass stabilization structure

二级复合稳定结构如图10所示，稳定精度高，可达5μrad，广泛应用于国内外新型光电系统如激光武器、远距凝视观瞄和广域监视系统等，并可用于大扫描速度下的像移补偿-“反扫补偿”，用于配合大面阵凝视成像探测器的步进凝视，解决了快速扫描过程中清晰成像的问题[16-18]。

图10 二级复合稳定结构示意图Fig.10 Schematic diagram of two-level stabilization structure

在大口径长焦距光学系统中，环架上集成的成像传感器光学元件发生相对微小位移，造成图像抖晃，这是前述3 种稳定方式都无法克服的。国内外研究者们提出了基于惯性伪星参考单元（inertial pseudo-star reference unit,IPSRU）的稳 定 结 构，如图11所示。与传统二级稳定相比，在陀螺平台一级稳定的基础上引入物空间稳定参考光。测量光学元件抖动引起的图像抖晃，使快反镜对图像抖晃进行补偿，稳定精度优于1μrad，目前主要应用于国外新型稳瞄系统，如MTS-B 多光谱瞄准系统、太空望远镜等[19-21]。

图11 基于惯性伪星参考单元的稳定结构示意图Fig.11 Schematic diagram of stabilization structure based on inertial pseudo-star reference unit

2.4 态势感知

全面准确地掌握战场态势，是正确决策和占据战场主动的基础。航空光电侦察作为战场态势的重要手段，由单纯成像感知向基于多源信息融合的综合化智能感知发展。

根据美国三军组织-实验室理事联合会（JDL）数据融合组提出的数据融合模型[22]，如图12所示，航空光电侦察通过多源图像融合和目标融合定位、实时目标图像地理注册和可视化区域分层态势显示与控制，获取了丰富的多维战场态势信息，实现对战场区域内各类特征的多源目标数据进行智能融合处理，生成包含多类作战要素的可视化综合战场态势图。同时也实现了目标评估、态势评估、影响评估和智能辅助决策等功能，为战场态势感知提供了全方位的信息支撑。

图12 数据融合模型Fig.12 Data fusion model

航空光电侦察融入侦察监视体系，实现全面战场态势感知，能促进作战效能提升。美国空军为实现“全球警戒”作战能力，运用体系结构和综合集成方法，通过构建信息栅格，发展分布式通用地面 站 系 统（distributed common ground system,DCGS），加强对现有各级各类侦察监视资源的整合利用，实现全球一体化情报侦察监视作战，增强ISR 系统与指挥控制系统、作战单元之间的网络化链接，提升体系作战能力。

3 航空光电装备的发展

3.1 基于SWaP 的远距离高分辨力目标辨识

随着任务需求的发展，航空光电系统不仅要求体积小、重量轻、成本低、功耗小，而且要求多光电传感器集成和远距离高分辨力目标辨识。航空光电系统的设计由基于结构的模块化向基于功能的模块化转变，通过采用微机电、新材料技术、共用光学系统、伺服控制、图像处理、任务管理一体化综合，实现基于SWaP 的远距离高分辨力目标辨识。以色列Elbit 公司研制的SPECTRO-XR 光电系统，如图13所示，在50 kg 的重量限制下、φ380 mm的球形包络内，集成9 种光电传感器，共光路部件焦距为2 200 mm，达到百公里级高分辨力目标辨识。

图13 SPECTRO-XR 光电系统Fig.13 SPECTRO-XR electro-optical system

3.2 多任务协同

信息化、网络化是现代战争的重要特点，各种武器平台之间一体化协同作战是一种重要的作战模式，航空光电系统扮演着重要角色，主要包含多平台多任务协同和单一载荷多任务综合。

从早期利用激光光斑跟踪进行空地协同攻击，到蜂群无人机机群作战，都是多平台多任务协同的典型代表。高性能作战飞机虽然综合性能高，但存在成本高、数量受限、战损代价大的不足；无人机蜂群成本低，整体抗损伤的冗余度大，可大范围、大面积覆盖，态势感知能力强成为新兴的作战模式，如图14所示。低成本可消耗和基于分布式感知信息融合处理形成集群侦察感知体系，获得了更大的感知范围、更丰富的目标信息和更高的定位精度，成为蜂群光电系统的重要发展方向。

图14 蜂群无人机集群作战示意图Fig.14 Schematic of cluster combat by swarm UAV

针对不同作战任务需求，载机需要配装多种类型光电系统，这增大了飞行员操控难度和后勤压力。随着新技术的应用，机载光电系统多任务综合成为重要发展趋势，主要体现在凝视观瞄、情报侦察监视、红外搜索与跟踪等功能一体化方面。F-35 综合光电载荷由两部分组成：光电瞄准系统（electro-optical targeting system,EOTS）和分布孔径光电传感器系统（electro-optical distributed aperture system,EODAS），如图15所示[23-24]。

图15 F-35 综合光电载荷Fig.15 Diagram of F-35 integrated electro-optical payload

EOTS 集成了前视红外、红外搜索与跟踪和激光指示瞄准等功能，相当于将传统的光雷达、前视红外吊舱和瞄准吊舱的功能融为一体，提供高分辨率成像、红外搜索与跟踪、激光测距指示和激光点跟踪功能，具有对高空远程目标探测、搜索、识别、跟踪、威胁告警、定位、瞄准，以及引导制导武器精确打击等能力。

EODAS 采用多传感器分布设计和数据融合技术，综合红外搜索与跟踪、导弹告警、红外成像跟踪系统、前视红外夜间导航等，实现全方位远程空中目标搜索跟踪、态势感知、威胁告警、地面海面目标探测、辅助导航等功能。通过后台数据的融合为飞行员提供一个球形视野，具有全景态势感知和目标搜索探测能力。

3.3 基于开放式系统架构的机载光电装备敏捷制造

军用装备专用性强，接口复杂，研制周期长且成本高。以FACE Consortium 为例，将典型的军用飞机和民用飞机的研制复杂性进行比较，如图16所示，美军军用飞机的研发成本和周期远高于民用飞机，导致下一代的开发代价巨大，甚至无法承受。采用基于开放式系统架构（open systems architecture,OSA）的敏捷制造，是解决这一问题的重要手段。2021年10月12日，美国传感器开放式系统架构联盟公布首套军用传感器技术标准。

图16 军用飞机与民用飞机研制复杂性比较Fig.16 Comparison of development complexity between military aircraft and civil aircraft

开放式系统架构能充分实现接口、服务和格式开放，并能在最小更改条件下在广泛的系统间运用适当的工程组件架构。其特点是定义良好，使用广泛，有非专有接口协议，采用由业界认可的标准开发，能定义系统接口的各方面，对扩展或升级有明确规定。

机载光电装备作战任务使命相对固定，但由于配装的机型种类多、要求不同，导致各接口关系复杂、通用性不强。开展基于开放式系统架构的机载光电装备敏捷制造，依据任务需求将机载光电系统主要功能模块化，对通信模块、视频模块、光电传感器模块、态势感知模块等通用功能模块采用通用接口协议，明确扩展功能，实现光电设备“即插即用”，可大幅降低研发成本、缩短研制时间，提高新技术应用迭代频率。加拿大Wescam 公司研制的MX-25 系列光电系统，如图17所示，采用开放式架构模块设计，具备6 种以上构型配置，具有多种数字视频接口和通信控制接口，可根据不同需求实现与GIS 地理信息系统、雷达、探照灯、微波数据链、机载GPSINS 信息交互。

图17 MX-25 光电系统Fig.17 MX-25 electro-optical system

4 结束语

在微电子、人工智能、云计算等新一代信息技术发展的推动下，战争形态从传统以“火力、机动力”为核心的平台中心战演变为以“智力、算力”为核心的认知中心战。不断升级的光学实现和稳定形式，以及更高的稳定性能推动着航空光电侦察向着远距离、大范围、高分辨率不断迈进。光电多任务综合、态势智能感知和敏捷制造促进了体系化协同作战能力形成，这将是航空光电侦察技术未来的重点发展方向。