先進(jìn)光電紅外成像系統(tǒng)

1、目前，光電/紅外成像系統(tǒng)在不斷發(fā)展，集成商將日益增多的更高性能 傳感器裝備到穩(wěn)定轉(zhuǎn)塔上，廣泛用于各種軍用平臺(tái)。其中，機(jī)載光電/紅外成像系統(tǒng)取得長(zhǎng)足進(jìn)步，國(guó)外已研制出多種先進(jìn)機(jī)載光電/紅外成像系統(tǒng)，很好地完成空中情報(bào)、監(jiān)視與偵察任務(wù)。大多數(shù)最新光電/紅外系統(tǒng)的典型裝置包括高清（HD）電視攝像機(jī)、高 清近紅外（NIR）和中波紅外傳感器、短波紅外（SWIR）傳感器以及多種類 型激光器（激光指向器、激光照射器、激光測(cè)距機(jī)和激光指示器）。這些最 新光電/紅外系統(tǒng)還可與多攝像機(jī)大范圍運(yùn)動(dòng)圖像技術(shù)相集成，提供一種持 久性多情報(bào)任務(wù)系統(tǒng)。多年來，對(duì)光電/紅外傳感器系統(tǒng)的主要批評(píng)之一就是這些系統(tǒng)的視場(chǎng) 太小，常

2、常被比喻成“透過飲料管”觀察戰(zhàn)場(chǎng)。對(duì)于遠(yuǎn)程觀察和單個(gè)目標(biāo)交 戰(zhàn)，尤其是遠(yuǎn)程應(yīng)用，這種窄視場(chǎng)是不錯(cuò)的選擇。然而，對(duì)于大范圍（廣域） 持久觀察任務(wù)，這一視場(chǎng)是不夠用的。越來越多的集成式多傳感器廣域運(yùn)動(dòng) 成像（WAMI）系統(tǒng)逐漸解決了這一問題，通過可將多個(gè)傳感器圖像無縫拼接 在一起的軟件，這種系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了廣域運(yùn)動(dòng)成像。其中最新系統(tǒng)之一是埃爾比 特系統(tǒng)公司SkEye廣域持久監(jiān)視（WAPS）系統(tǒng)，用于諸如中空長(zhǎng)航時(shí)（MALE） 無人機(jī)的空中情報(bào)、監(jiān)視和偵察（ISR）平臺(tái)。以下將給出目前最新的幾種機(jī)載光電/紅外成像系統(tǒng)，詳細(xì)介紹系統(tǒng)組 成單元及技術(shù)特點(diǎn)，并綜述這一領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展趨勢(shì)。1. 先進(jìn)光電/紅

3、外成像系統(tǒng)隨著光電/紅外傳感器技術(shù)的不斷進(jìn)步，以及廣域監(jiān)視、全景成像和圖 像/視頻處理等先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，目前出現(xiàn)了一批先進(jìn)的機(jī)載光電/紅外成像系統(tǒng)，它們?cè)谇叭螜C(jī)載光電/紅外成像系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，加入最新相關(guān)技術(shù)， 使新型機(jī)載光電/紅外成像系統(tǒng)不僅可以通過組合多個(gè)高清多光譜傳感器 和激光器完成遠(yuǎn)程分辨、跟蹤和交戰(zhàn)多個(gè)目標(biāo)以及情報(bào)、監(jiān)視與偵察任務(wù)， 而且可以通過廣域運(yùn)動(dòng)成像等新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)近實(shí)時(shí)廣域探測(cè)、識(shí)別和認(rèn)清難 以發(fā)現(xiàn)的目標(biāo)，而無需大量后期任務(wù)處理，用于諸如中空長(zhǎng)航時(shí)（MALE）無 人機(jī)的空中情報(bào)、監(jiān)視和偵察（ISR）平臺(tái)。以下分別介紹目前國(guó)外最新的4種機(jī)載光電/紅外成像系統(tǒng)。1.1 L3 WES

4、CAM 公司 MX-25/ 25DL3 WESCAM公司MX系列光電/紅外/激光系統(tǒng)。L3 WESCAM公司的MX系列目前推出了全數(shù)字、高清 MX-25/25D超遠(yuǎn)程 多傳感器多光譜成像與目標(biāo)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，可搭載在固定翼飛機(jī)、無人機(jī)和浮空 氣球上，執(zhí)行高空長(zhǎng)航時(shí)情報(bào)、監(jiān)視與偵察以及目標(biāo)指示任務(wù)（MX-25D）。 其中，MX-25可選擇組合7個(gè)傳感器，MX-25D可選擇組合9個(gè)傳感器。MX-25/MX-25D的技術(shù)特點(diǎn)包括采用真正的高清攝像機(jī)、先進(jìn)的圖像處 理技術(shù)、固態(tài)IMU （慣性測(cè)量單元）內(nèi)置技術(shù)（5軸主動(dòng)穩(wěn)定）、短波紅外 成像技術(shù)、多個(gè)激光器負(fù)載和激光目標(biāo)指示器以及MX-GEO第三代軟件包，并

5、具有MX系列產(chǎn)品的通用性。1.2 Safran （賽峰）集團(tuán)新一代 EUROFLIR 410Safran（賽峰）集團(tuán)在2017年巴黎航展上公布了其新一代 EUROFLIR410， 這是意欲裝備各種類型空中平臺(tái)（特種任務(wù)飛機(jī)、直升機(jī)、飛艇和無人機(jī)等） 的單個(gè)在線可更換單元（LRU）高性能穩(wěn)定多傳感器轉(zhuǎn)塔，可用于情報(bào)、監(jiān) 視與偵察（ISR）、目標(biāo)瞄準(zhǔn)、防護(hù)、干預(yù)及搜救等各項(xiàng)任務(wù)。早期版本的EUROFLIR410已經(jīng)服役于NH工業(yè)公司NH90直升機(jī)和法國(guó) 海軍空中客車AS565黑豹（Panther）直升機(jī)。EUROFLIR410是直徑16in、 重量約53kg的大型轉(zhuǎn)塔，是采用大量傳感器的高集成度模

6、塊化系統(tǒng)，因此， Safran （賽峰）集團(tuán)稱，該產(chǎn)品是同系列中性能最佳的轉(zhuǎn)塔。特色為采用極 高分辨率攝像機(jī)，可以晝夜透過煙霧、灰塵、濃霧和鹽霧等遮擋物，在更遠(yuǎn) 距離上使目標(biāo)探測(cè)和認(rèn)清性能最大化；還進(jìn)行了人機(jī)性能和顯示器的改進(jìn)， 有助于在高工作載荷條件下做出決策；采用標(biāo)準(zhǔn)接口，保證與飛機(jī)座艙內(nèi)的 其它機(jī)載系統(tǒng)或無人機(jī)地面控制站進(jìn)行正常通信。EUROFLIR 410可以容納多個(gè)傳感器，從而具備多光譜成像能力。其中 的電視傳感器工作在0.4um0.7 um光譜波段，采用1920 X 1080像素探 測(cè)器芯片，并結(jié)合變焦鏡頭，提供250.33視場(chǎng)。EUROFLIR 410還采用了一臺(tái)工作在0.7 口

7、 m0.95 um光譜段的近紅外 熱像儀，這臺(tái)近紅外熱像儀使用與電視傳感器相同的探測(cè)器芯片，并使用一臺(tái)主動(dòng)照射器，通過0.39窄視場(chǎng)完成低能見度下遠(yuǎn)程偵察和目標(biāo)分辨任 務(wù)。EUROFLIR 410采用了工作在0.95um1.7 um波段的640 X512像素 短波紅外探測(cè)器，這一探測(cè)器可在各種變差的目視環(huán)境下成像，并能觀察戰(zhàn) 場(chǎng)上的激光光斑。這一短波紅外傳感器通過透鏡提供 0.55視場(chǎng)。EUROFLIR 410采用的第4個(gè)成像傳感器是3um5 um中波紅外熱像 儀，利用1280 X720像素探測(cè)器和變焦鏡頭，提供33.3 -1.2視場(chǎng)。與 EUROFLIR410中的其它熱像儀類似，也具有4倍電

8、子變焦功能。EUROFLIR 410還裝有4臺(tái)激光器：830nm3B級(jí)激光照射器、與照射器工 作波段相同的激光指向器、測(cè)距范圍高達(dá) 20km的1.54um 1M級(jí)激光測(cè)距 機(jī)以及遵從STANAG3733標(biāo)準(zhǔn)的1.06um 4級(jí)激光指示器。工作軟件包括內(nèi)嵌式?jīng)Q策輔助（采用具有增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)功能的運(yùn)動(dòng)地圖來改 善態(tài)勢(shì)感知能力）和自動(dòng)目標(biāo)探測(cè)特征（含移動(dòng)目標(biāo)指示（ MTI）和熱點(diǎn)探 測(cè)），以及有助于認(rèn)清目標(biāo)的分辨率增強(qiáng)和圖像融合。被Safran （賽峰）集團(tuán)譽(yù)為“最完整”的新型EUROFLIR410將成為該集 團(tuán)正為法國(guó)陸軍開發(fā)的Patroller戰(zhàn)術(shù)無人機(jī)系統(tǒng)不可分割的一部分。在2017年巴黎航展上，E

9、UROFLIR 410不僅在靜態(tài)展示區(qū)搭載在 PATROLLER無人機(jī)上進(jìn)行展示，而且還參與了動(dòng)態(tài)演示。1.3 洛馬公司新型INFIRNO系統(tǒng)光電/紅外成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要發(fā)展趨勢(shì)明顯見于洛馬公司的新型 INFIRNO系統(tǒng)。INFIRNO系統(tǒng)是一種高度穩(wěn)定的直徑為 15in的多傳感器轉(zhuǎn) 塔，可用于機(jī)載、艦載和陸基用途。該系統(tǒng)的高穩(wěn)定性能保證高清成像傳感 器和激光器在完成情報(bào)、監(jiān)視與偵察任務(wù)之外，還可遠(yuǎn)程分辨、跟蹤和交戰(zhàn) 多個(gè)目標(biāo)。這套轉(zhuǎn)塔采用模塊化結(jié)構(gòu)，保證可以在外場(chǎng)更換關(guān)鍵部件，從而更易于 在使用場(chǎng)地附近進(jìn)行維護(hù)，減少需維護(hù)的工作量。還保證了現(xiàn)場(chǎng)升級(jí)無需從 搭載這套轉(zhuǎn)塔的飛機(jī)、艦船或車輛上卸下

10、整套系統(tǒng)。這套轉(zhuǎn)塔高21.3in、重1401bs （磅），操作時(shí)方位角不限，俯仰范圍為120-30,在收藏時(shí) 俯仰角降到-90。其中，熱像儀的核心是高清中波紅外波段（3- 5 口m） 1280 X 1024像素焦平面陣列，它產(chǎn)生1280 X720像素輸出，與透鏡相連， 實(shí)現(xiàn)227連續(xù)變焦及電子變焦。高清彩色電視攝像機(jī)基于CMOS探測(cè)器，采用1920 X 1080像素探測(cè)器陣 列，工作波段為0.4 0.7 口m,產(chǎn)生1920 X720像素輸出。這一裝置與光學(xué) 連續(xù)變焦透鏡相連接，提供17.4視場(chǎng)，還具有電子變焦功能。電視攝像機(jī)的視場(chǎng)可以與熱像儀的相匹配，對(duì)準(zhǔn)場(chǎng)景保證實(shí)現(xiàn)人工或自 動(dòng)圖像混合或疊加

11、，有效地組合這兩套傳感器的輸出。INFIRNO還裝備了各類激光器一一1.06 口 m北約標(biāo)準(zhǔn)激光指示器和1.54 m人眼安全激光測(cè)距機(jī)，以及觀察光斑瞄線對(duì)準(zhǔn)傳感器（see-spot boresight alignment sensor ）。作為備選，INFIRNO 還可裝備 830nm 紅外 指向器和窄視場(chǎng)高清短波紅外觀測(cè)儀。2016年該系統(tǒng)搭載在西科斯基公司 H-60黑鷹直升機(jī)頭部位置，完成了首次飛行。1.4 埃爾比特系統(tǒng)公司SkEye廣域持久監(jiān)視（WAPS）系統(tǒng)SkEye利用一個(gè)集成多臺(tái)攝像機(jī)的有效負(fù)載提供10億像素大小的圖像。2017年埃爾比特系統(tǒng)公司推出了一種稱為 SkEye的先進(jìn)系統(tǒng)

12、，該系統(tǒng) 安裝在空中有人和無人平臺(tái)上執(zhí)行廣域持久監(jiān)視（WAPS）任務(wù)。SkEye是一種新型系統(tǒng)，能夠使安防部隊(duì)或軍隊(duì)持久密切監(jiān)控約 80平 方公里的關(guān)注區(qū)域。關(guān)注區(qū)域的實(shí)際尺寸由傳感器高度決定。 SkEye系統(tǒng)利 用集成有多臺(tái)攝像機(jī)的單一有效負(fù)載，提供 10億像素的圖像。SkEye可實(shí)時(shí)、高分辨率監(jiān)控整個(gè)區(qū)域，并可同時(shí)監(jiān)控多達(dá)10個(gè)關(guān)注區(qū)域。止匕外，它還為操作人員和分析人員提供對(duì)跟蹤事件及時(shí)回溯的能力， 便于研究相關(guān)運(yùn)動(dòng)和事件的起源。與傳統(tǒng)的光電負(fù)載不同，SkEye可在實(shí)時(shí)觀察時(shí)以特定分辨率和放大率 記錄和顯示圖像?；诓煌^察角和放大率（放大或縮小），用戶可以同時(shí) 觀察10個(gè)以上關(guān)注區(qū)域（R

13、OI），在任何時(shí)候都可以“及時(shí)回放”，便于分 析態(tài)勢(shì)的發(fā)展。埃爾比特系統(tǒng)公司SkEye不能取代傳統(tǒng)負(fù)載，但可提供廣域持久監(jiān)視能 力，以更短時(shí)間提供更清晰的圖像，極大提高決策信任度。在觀察大范圍關(guān) 注區(qū)域（AOI）時(shí)，操作人員可以同時(shí)放大多個(gè)關(guān)注區(qū)，了解它們之間的聯(lián) 系。SkEye系統(tǒng)的核心是機(jī)載部分，由光電傳感器單元、高級(jí)圖像處理單元、 大容量存儲(chǔ)單元及分析軟件組成，通過視頻圖像地理定位和視頻運(yùn)動(dòng)探測(cè) （VMD）技術(shù)，并利用多目標(biāo)跟蹤器來增強(qiáng)圖像。通過嵌入式數(shù)據(jù)鏈，相關(guān)信息從飛機(jī)傳輸?shù)轿挥诠潭ㄎ恢玫?SkEye控制 和管理中心（SCMC），或傳輸?shù)綐?biāo)準(zhǔn)（國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO）的20ft （英尺

14、） 掩體中。地面部分包括通信、處理和顯示系統(tǒng)及保存短暫歷史數(shù)據(jù)的局域數(shù) 據(jù)庫(kù)。固定設(shè)施可以訪問歷史數(shù)據(jù)以便進(jìn)行深入分析。地面部分可獨(dú)立運(yùn)行，也可以與客戶的其它指揮與控制（C2）系統(tǒng)集成。該系統(tǒng)還可以與地面監(jiān)視 系統(tǒng)一起使用，實(shí)現(xiàn)70 90覆蓋范圍內(nèi)的多傳感器地面監(jiān)視，并提供高 分辨率全景觀察能力，支持在整個(gè)區(qū)域內(nèi)對(duì)8個(gè)關(guān)注區(qū)域和視頻進(jìn)行回溯。SkEye系統(tǒng)的軟件采用了一種可編程告警系統(tǒng)，通過設(shè)置這一系統(tǒng)，通 知指揮官特殊預(yù)定事件或其它異常事件。這些功能補(bǔ)充和增強(qiáng)了SkEye系統(tǒng)的持久監(jiān)視能力，為操作員提供一種定位和監(jiān)控不同地點(diǎn)的特殊方案。SkEye已在幾個(gè)國(guó)家的無人平臺(tái)（如 Hermes900

15、和Hermes450）及各種 輕型有人飛機(jī)上使用。有人駕駛飛機(jī)通常用于無人系統(tǒng)訪問受限的城市中。2. 關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)縱觀國(guó)外最新機(jī)載光電/紅外成像系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)及其應(yīng)用，可總結(jié)出 目前光電/紅外成像領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展趨勢(shì)如下：1）機(jī)載廣域運(yùn)動(dòng)成像技術(shù)已經(jīng)成為發(fā)展趨勢(shì)目前，機(jī)載廣域運(yùn)動(dòng)成像技術(shù)成為發(fā)展趨勢(shì)。以色列軍工巨頭埃爾比特 系統(tǒng)公司SkEye廣域持久監(jiān)視系統(tǒng)通過可將多個(gè)傳感器圖像無縫拼接在一 起的軟件，實(shí)現(xiàn)了廣域運(yùn)動(dòng)成像。美國(guó)防務(wù)巨頭一直在與廣域運(yùn)動(dòng)成像技術(shù) 方面的領(lǐng)軍企業(yè)合作。雷聲公司與 Logos技術(shù)公司一起研發(fā)了一種組合雷 聲公司高清多光譜成像系統(tǒng)（MTS）與Logos技術(shù)公司

16、廣域運(yùn)動(dòng)成像傳感器 的多情報(bào)源情報(bào)、監(jiān)視和偵察系統(tǒng)。計(jì)劃將這些傳感器集成到一種模塊化輕 型系統(tǒng)中，這種系統(tǒng)適用于還可搭載其它傳感器的多種平臺(tái)。多情報(bào)源系統(tǒng)除了包含全運(yùn)動(dòng)視頻（FMV）和廣域運(yùn)動(dòng)成像傳感器之外，只要平臺(tái)的尺寸、 重量和功率條件允許，還支持超光譜成像系統(tǒng)、激光雷達(dá)和信號(hào)情報(bào)傳感器。 這一方案就是保證軍方可近實(shí)時(shí)利用多情報(bào)源數(shù)據(jù)，廣域探測(cè)、識(shí)別和認(rèn)清難以發(fā)現(xiàn)的目標(biāo)，而無需大量后期任務(wù)處理。2）采用百萬像素中波紅外焦平面陣列獲得高分辨率全景紅外成像能力由上述的MX-25（25D）系統(tǒng)和INFIRNO系統(tǒng)的組成單元可發(fā)現(xiàn)，這些系 統(tǒng)都采用了中波紅外波段百萬像素焦平面陣列，提供高分辨率紅外

17、成像能 力，從而有助于完成遠(yuǎn)程廣域監(jiān)視任務(wù)。3）不斷研發(fā)多傳感器多光譜成像與目標(biāo)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)多傳感器多光譜成像與目標(biāo)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)， 可搭載在固定翼飛機(jī)、無人機(jī)和 浮空氣球上，執(zhí)行高空長(zhǎng)航時(shí)情報(bào)、監(jiān)視與偵察以及目標(biāo)指示任務(wù)，已成為 各國(guó)研發(fā)機(jī)載光電/紅外成像系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。這種系統(tǒng)通過組合多個(gè)高清 多光譜傳感器和激光器完成遠(yuǎn)程分辨、 跟蹤和交戰(zhàn)多個(gè)目標(biāo)以及情報(bào)、監(jiān)視 與偵察任務(wù)，而且可以通過廣域運(yùn)動(dòng)成像等新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)近實(shí)時(shí)廣域探測(cè)、 識(shí)別和認(rèn)清難以發(fā)現(xiàn)的目標(biāo)，用于諸如中空長(zhǎng)航時(shí)（MALE）無人機(jī)的空中情 報(bào)、監(jiān)視和偵察（ISR）平臺(tái)。1）圖像融合技術(shù)。圖像融合技術(shù)是指將不同類型光電傳感器獲取的同一景物影像數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何配準(zhǔn)