分布孔徑紅外系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

分布孔徑紅外系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

1紅外傳感器系統(tǒng)分布dai系統(tǒng)是軍動勢力系統(tǒng)研究領(lǐng)域的一個新概念，也是21世紀(jì)初軍事力器系統(tǒng)發(fā)展的一個新方向。DAIRS采用一組精心布置在飛機(或其它軍用平臺)上的傳感器陣列實現(xiàn)全方位、全空間敏感,并采用各種信號處理算法實現(xiàn)空中目標(biāo)遠(yuǎn)距離搜索跟蹤,導(dǎo)彈威脅逼近告警,態(tài)勢告警,地面海面目標(biāo)探測、跟蹤、瞄準(zhǔn),戰(zhàn)場殺傷效果評定,武器投放支持及夜間與惡劣氣候條件下的輔助導(dǎo)航、著陸等多種功能,從而能夠用一個單一的系統(tǒng)完成以前要用多個單獨的專用紅外傳感器系統(tǒng)(如紅外搜索跟蹤系統(tǒng)、導(dǎo)彈逼近告警系統(tǒng)、前視紅外成像跟蹤系統(tǒng)、前視紅外夜間導(dǎo)航系統(tǒng))完成的功能。DAIRS所采用的紅外傳感器使用了二維大面陣紅外焦平面陣列,這些傳感器是固定在飛機上的,這就消除了紅外搜索跟蹤系統(tǒng)、前視紅外成像跟蹤系統(tǒng)等所采用的高成本的瞄準(zhǔn)與穩(wěn)定機構(gòu),這樣一個典型的紅外傳感器設(shè)計的質(zhì)量、體積與功耗將遠(yuǎn)低于現(xiàn)有的機載紅外傳感器系統(tǒng)。因此,DAIRS不僅是一個高性能的多功能一體化綜合傳感器系統(tǒng),而且是一個高性能/價格比、高可靠性、高可支持性、可生存性的系統(tǒng),其質(zhì)量、體積、功耗也比現(xiàn)有的機載紅外傳感器系統(tǒng)低得多,這正是新一代軍用航空電子綜合系統(tǒng)所期望的特征,因而近年來美國NorthropGrumman公司開始全力發(fā)展這種采用全新的處理機驅(qū)動設(shè)計理念的DAIRS,并且取得了一定的進展。2dairs管理策略過去30年來,軍用被動紅外系統(tǒng)已經(jīng)取得了巨大的進步,基于第一代通用組件長波紅外探測器陣列的第一代前視紅外成像系統(tǒng)已廣泛地裝備了多種軍用平臺,基于第二代紅外焦平面陣列的前視紅外成像系統(tǒng)、紅外成像導(dǎo)引頭、機載及艦載紅外搜索與跟蹤系統(tǒng)以及導(dǎo)彈逼近告警系統(tǒng)也已成為現(xiàn)實。隨著紅外焦平面陣列探測器技術(shù)的發(fā)展,第三代軍用紅外傳感器正在成為現(xiàn)實,這種傳感器采用了多達100萬(1000×1000)個探測器單元的二維大面陣焦平面陣列,這樣,一個基本的紅外傳感器系統(tǒng)現(xiàn)在可以只包括光學(xué)、探測器陣列及某些簡單的電路,而無需高成本的、復(fù)雜的瞄準(zhǔn)與穩(wěn)定機構(gòu)與光機掃描機構(gòu),這種新傳感器為重新思考電光系統(tǒng)的設(shè)計思想創(chuàng)造了條件。為此,美國NorthropGrumman公司在研究第一代凝視紅外傳感器概念起就開始探求發(fā)展新的系統(tǒng)概念,DAIRS就是由NorthropGrumman公司提出的一種全新的處理機驅(qū)動的設(shè)計概念。DAIRS采用一組精心布置在軍用飛機上的傳感器陣列實現(xiàn)全方位、全空間(4π立體角)覆蓋,并利用一個單獨的中央處理系統(tǒng)采用各種信號處理算法實現(xiàn)多種功能。一組6個傳感器是完成全方位、全空間覆蓋的最低要求,這是因為由于光學(xué)設(shè)計的限制,每個傳感器的視場只能略大于90°×90°。DAIRS是一個處理量巨大的系統(tǒng),可以把它看作一個產(chǎn)生單一的高數(shù)據(jù)率數(shù)據(jù)庫的傳感器陣列,由一個中央處理機從數(shù)據(jù)庫中抽取相關(guān)的數(shù)據(jù)以得到DAIRS要求解的多個功能解(見圖1)。傳感器處理集中在功能處理中以確保由功能需求驅(qū)動傳感器設(shè)計,各個功能算法分別完成紅外搜索跟蹤、導(dǎo)彈逼近告警、圖像識別與跟蹤等各種功能,但有些處理(如運動補償、標(biāo)準(zhǔn)柵格變換等)是由各個功能算法共享的。DAIRS的技術(shù)基礎(chǔ)是大面陣紅外焦平面陣列技術(shù)與高速大容量信息處理技術(shù)。由于DAIRS同時集成了與戰(zhàn)斗機平臺任務(wù)相關(guān)的遠(yuǎn)距離空中目標(biāo)搜索與跟蹤,地面海面目標(biāo)探測、識別、跟蹤,導(dǎo)彈逼近告警、攻擊效果評定,夜間輔助導(dǎo)航著陸等多種功能,不僅要求其紅外傳感器能實現(xiàn)全方位、全空間覆蓋,同時還要求其紅外傳感器有足夠高的空間分辨率以實現(xiàn)對各種目標(biāo)的準(zhǔn)確的跟蹤、定位,而且要有足夠高的數(shù)據(jù)采樣率以保證跟蹤高速飛行的飛機、彈道導(dǎo)彈和巡航導(dǎo)彈和必需的目標(biāo)航跡測量、估計精度,因此必須采用大面陣的紅外焦平面陣列。DAIRS要采用一個中央處理機對6個以上的紅外傳感器(采用超過1000×1000個探測器單元的二維紅外焦平面陣列)所獲取的大量的數(shù)據(jù)進行處理,從中抽取有用的信息并實現(xiàn)各種功能,其信息處理與存儲要求很高,因此必須采用高速大容量的信息處理機。DAIRS的研制工作始于90年代初期,當(dāng)時NorthropGrumman公司電子傳感器系統(tǒng)部研制了一種分布孔徑紅外焦平面陣列以實現(xiàn)連續(xù)的高分辨率全空間覆蓋,其多種功能包括導(dǎo)彈逼近告警、紅外搜索與跟蹤、前視紅外型目標(biāo)瞄準(zhǔn)指示、殺傷效果評定及導(dǎo)航,系統(tǒng)可與頭盔瞄準(zhǔn)系統(tǒng)耦合以使飛行員能下視、側(cè)視或后視。NorthropGrumman公司還采用512×512焦平面陣列研制了一個實驗性傳感器并采用微掃描技術(shù)使其分辨率提高了1倍(達到1024×1024元陣列的分辨率)。在DAIRS的基礎(chǔ)上,NorthropGrumman公司目前正在開發(fā)多功能紅外分布孔徑系統(tǒng)(MIDAS),MIDAS將采用6個小的拱形紅外傳感器,每個覆蓋90°×90°的視場,探測器陣列至少為1000×1000元以便采用單視場光學(xué)系統(tǒng)實現(xiàn)高分辨率,可能還將包括一個高性能目標(biāo)瞄準(zhǔn)傳感器。目前美國已研制出了1024×1024元的中波HgCdTe焦平面陣列。NorthropGrumman希望先在其BAC飛行試驗臺上進行相關(guān)技術(shù)的初步飛行驗證,以驗證其概念與初步設(shè)計,然后在TAV-8B上對最終設(shè)計的系統(tǒng)進行飛行試驗。一個完整的系統(tǒng)要耗費50萬美元,而采用多個傳感器分別完成不同的功能,則要耗費500萬美元或更多。如果分辨率達到光學(xué)系統(tǒng)所能允許的極限,DAIRS所能提供的功能還可進一步提高,現(xiàn)有的寬視場光學(xué)設(shè)計可以支持高達4000×4000陣元的探測器陣列,但這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了近期內(nèi)探測器陣列的最高水平。而對于DAIRS可能應(yīng)用的戰(zhàn)斗機平臺——JSF,采用1000×1000陣元的探測器陣列是一個現(xiàn)實的選擇。雖然采用這樣規(guī)模的探測器陣列不能得到實現(xiàn)JSF性能目標(biāo)所需的空間分辨率,但NorthropGrumman公司已經(jīng)發(fā)展了一種稱之為微掃描技術(shù)的信號處理算法,采用微掃描技術(shù)可以使傳感器的有效分辨率至少提高2倍,如果可以得到更高的處理能力,采用現(xiàn)有的光學(xué)系統(tǒng)與探測器,其分辨率可提高4倍。除了實現(xiàn)超分辨率的微掃描技術(shù)外,NorthropGrumman公司還在研究DAIRS的過程中解決了大面陣焦平面陣列輸出的非均勻性校正(NUC)問題及時間幀積累問題,非均勻性校正與時間幀積累相結(jié)合可使靈敏度提高12倍,這是實現(xiàn)導(dǎo)彈逼近告警及IRST的最大距離性能的關(guān)鍵。歐洲三國(荷蘭、意大利、法國)近來提出了一項搜索、跟蹤與威脅識別(START)計劃,旨在研究新一代紅外搜索與跟蹤(IRST)系統(tǒng)的系統(tǒng)概念與新穎的技術(shù)。START計劃提出了3種系統(tǒng)概念,其中一個概念稱為“MOSAIC”,是一個分布式凝視傳感器系統(tǒng)。如圖2所示,這種分布式系統(tǒng)凝視傳感器系統(tǒng)包括6個搜索頭(SH)與一個威脅識別頭(TRH)。對每個傳感器頭,通過移動一個或兩個平面鏡(而不是通過掃描系統(tǒng)光機掃描)采用步進凝視的工作方式實現(xiàn)360°全空間覆蓋。每個SH均為雙波段(3~5μm,8~12μm)。采用兩個凝視紅外焦平面陣列(3~5μm,1024×1024,8~12μm,512×512),視場20°×20°。TRH工作于3~5μm波段,采用一個1024×1024元凝視紅外焦平面陣列。從所提出的系統(tǒng)概念來看,MOSAIC與DAIRS類似,但MOSAIC采用步進凝視而不是微掃描途徑來解決大視場與高分辨率的矛盾。3dairs圖像與高分辨率傳感器3.1DAIRS在先進戰(zhàn)斗機中的應(yīng)用DAIRS應(yīng)用可大致分為成像應(yīng)用與未分辨目標(biāo)(如遠(yuǎn)距離導(dǎo)彈或飛機)探測兩大類,前者的目的是使景物(目標(biāo))的細(xì)節(jié)最清晰,而后者的主要目的是提高靈敏度且抑制干擾,使探測距離更遠(yuǎn),虛警率更低。成像應(yīng)用包括夜視/夜航、導(dǎo)航、態(tài)勢告警、地面海面目標(biāo)瞄準(zhǔn)及攻擊效果評定的信息支持,未分辨目標(biāo)探測應(yīng)用包括導(dǎo)彈逼近告警與IRST。3.1.1成像應(yīng)用對夜視/夜航應(yīng)用而言,DAIRS與顯示系統(tǒng)及飛行員的人機交互關(guān)系決定了對DAIRS的要求。此時要求放大率為1,以便為飛行員提供與白天所看到的真實外景類似的環(huán)境圖像。根據(jù)對現(xiàn)有的夜間導(dǎo)航前視紅外的使用經(jīng)驗,0.5~1.0mrad的分辨率似乎是可以接受的最低分辨率,由于飛機振動對飛行員視場的影響會造成視覺分辨力下降,實現(xiàn)人眼的分辨極限(0.15mrad)是不必要的。為了克服座艙顯示系統(tǒng)(平顯)的視界限制,最好采用頭盔顯示(HMD)。但為了避免使用HMD時出現(xiàn)的假象,必須有一個無失真的無間隙圖像,DAIRS的全方位、全空間覆蓋能力就可以實現(xiàn)這一目標(biāo)。采用DAIRS與HMD還能使JSF在VSTOL模式下降時具有看到甲板的能力。此外,飛行員還能看到鄰近的飛機,使用電子可操縱后視鏡提高態(tài)勢告警能力。如果HMD是透明型的,就可以看到與所敏感的場景迭加在一起的真實場景,為此必須進行精確的配準(zhǔn),所以必須在DAIRS中引入分辨率為輸出采樣分辨率的幾分之一的標(biāo)準(zhǔn)柵格(用飛機的IMU校正到這一程度),并將像素投影到標(biāo)準(zhǔn)柵格上以消除所有的失真,這就要求實時完成圖像變形算法運算。標(biāo)準(zhǔn)柵格也能用于DAIRS圖像與高性能瞄準(zhǔn)傳感器的放大圖像之間的配準(zhǔn)。將放大圖像的一部分插入到1倍率的圖像中就可以為幫助飛行員捕獲與識別目標(biāo)的放大圖像提供關(guān)聯(lián)信息。戰(zhàn)場攻擊效果評定(BDA)最好采用超高分辨率傳感器完成,然而DAIRS可以通過提供連續(xù)的全方位全空間的覆蓋提供有用的數(shù)據(jù),并補償其有限的分辨率,因為時間歷史事件是重要的線索(時間歷史事件包括沖擊爆炸、延遲爆炸或武器所產(chǎn)生的熱氣體噴出的尾焰或碎片以及武器命中目標(biāo)后的燃燒)。對于這些情形,DAIRS是一個可以替代高分辨率傳感器的功能BDA傳感器。關(guān)鍵要求是要有足夠高的動態(tài)范圍以敏感到這些高強度的但非常短暫的事件,而不會出現(xiàn)現(xiàn)有的系統(tǒng)所出現(xiàn)的過載或長恢復(fù)時間問題?？梢圆捎眯路f的控制策略以優(yōu)化DAIRS的BDA應(yīng)用,使動態(tài)范圍提高到60~70dB(在外景物基礎(chǔ)上),從而實現(xiàn)超過90dB的內(nèi)景物動態(tài)范圍。3.1.2未分辨目標(biāo)探測應(yīng)用遠(yuǎn)距離空中目標(biāo)紅外搜索與跟蹤(IRST)與導(dǎo)彈逼近告警屬于對未分辨目標(biāo)的探測問題,是DAIRS的兩個功能子集。機載IRST的主要功能是在與機載武器系統(tǒng)及機載雷達相適配的遠(yuǎn)距離處,在存在雜波背景輻射及其它干擾的戰(zhàn)場環(huán)境中準(zhǔn)確、可靠地自動搜索、探測、定位并連續(xù)跟蹤所搜索的大范圍空域中的多個機動空中目標(biāo),機載導(dǎo)彈逼近告警系統(tǒng)(MAWS)的主要功用是采用幾個(4~6個)基于凝視紅外焦平面陣列的大視場紅外傳感器,對載機進行全方位覆蓋,從而從盡可能遠(yuǎn)的距離上探測并定位來襲地空、空空導(dǎo)彈,并將導(dǎo)彈達到方向(AOA)信息反饋給紅外干擾系統(tǒng)以便實施更有效的干擾。顯而易見,對目標(biāo)/威脅的最大探測距離與雜波、干擾抑制水平是IRST與MAWS的最關(guān)鍵的問題。因此DAIRS能否有效地實現(xiàn)這兩個功能子集,主要取決于DAIRS能否達到專用的IRST與MAWS系統(tǒng)的最大探測距離與雜波抑制水平。對目標(biāo)/威脅的最大探測距離是由靈敏度決定的,這就是“睛空距離”,它與瞬時視場(IFOV)成反比,但通過時間積累可以進一步提高探測距離,當(dāng)然由于目標(biāo)尚未探測到,而且還會相對于慣性背景運動,因此通過直接目標(biāo)配準(zhǔn)實現(xiàn)時間積累是不現(xiàn)實的。因而在DAIRS中采用了陣列速率濾波器對在一定的視線角速率范圍的目標(biāo)進行積累。由于采用了時間幀積累,再加上對焦平面陣列的非均勻性校正,可使靈敏度提高12倍?！熬站嚯x”通常是學(xué)術(shù)界感興趣的,因為實際的探測距離要受雜波造成的虛警限制。對晴空背景,目標(biāo)信噪比(SNR)為3~5就可得到可接受的虛警,而要從城市雜波等地雜波環(huán)境中探測出典型的飛機,則可能要使檢測門限提高到50~100倍SNR,以實現(xiàn)可接受的虛警率,這樣就使探測距離減少到1/3~1/6,對MAWS而言,由于云及地面雜波的影響,也會使實際的探測距離大打折扣。因此雜波抑制是未分辨目標(biāo)檢測的最關(guān)鍵的問題。目前美國LockheadMartin電子與導(dǎo)彈公司、NorthropGramman公司、Hughes飛機公司等已針對IRST與MAWS開發(fā)了多種行之有效的雜波抑制技術(shù),如自適應(yīng)CFAR門限檢測、空間濾波、空時自適應(yīng)濾波三維辨別處理、目標(biāo)航跡關(guān)聯(lián)濾波、速度濾波與多光譜濾波。由于這些技術(shù)已成功地應(yīng)用到了機載IRST與MAWS系統(tǒng)中,無疑也可通過進一步的改進移植到DAIRS的相應(yīng)的功能算法中,而由于DAIRS采用了高幀頻凝視焦平面陣列,可以顯著地提高速度濾波這種雜波抑制技術(shù)的有效性。3.2DAIRS在其它作戰(zhàn)平臺中的應(yīng)用DAIRS除了可能用于JSF等先進戰(zhàn)斗機外,還可用于其它軍用作戰(zhàn)平臺,如旋翼飛機、艦船及坦克。旋翼飛機可以從DAIRS的高幀頻中獲得收益,因為貼地飛行時場景的相對運動速度很快。對裝甲戰(zhàn)車,為了對付自上而下的攻擊需要在現(xiàn)有的戰(zhàn)車上增加早期告警能力,這樣通過將DAIRS與干擾結(jié)合使用就可以避免攻擊武器到達薄弱的頂裝甲。此外,DAIRS所能提供的功能等價于現(xiàn)有的指揮長觀察儀、瞄準(zhǔn)具與駕駛手觀察儀而減少了坦克特征,且無需陀螺穩(wěn)定瞄準(zhǔn)機構(gòu)。艦載防御系統(tǒng)(用于對反艦導(dǎo)彈與威脅飛機進行防御)對被動電光系統(tǒng)有非常強烈的需求,為此國外幾大軍事強國均研制了多種艦載紅外搜索與跟蹤系統(tǒng)、艦載光電火控系統(tǒng),因為它們比射頻、微波雷達的空間分辨率高得多。但以前用于艦載防御的光機掃描型紅外搜索跟蹤系統(tǒng)非常笨重、昂貴,而且對安裝空間有很多要求,以致于不能更有效地用于其它功能,而DAIRS則由于其體積小,且無需陀螺機構(gòu),可以比掃描系統(tǒng)節(jié)省60%~70%的質(zhì)量與成本,而且可以與其它桅桿安裝系統(tǒng)共存。4對對民用被光設(shè)計的初步思考在可見的將來,軍用被動電光系統(tǒng)將繼續(xù)沿著多功能一體化和信息處理驅(qū)動的方向發(fā)展,DAIRS概念的提出無疑將有力地促進軍用被動電光系統(tǒng)的多功能一體化,并由探測器驅(qū)動轉(zhuǎn)向信息處理驅(qū)動。關(guān)于前一點在前文中已有闡述,這里主要對第二點進行闡述。軍用被動電光系統(tǒng)的發(fā)展由探測器驅(qū)動轉(zhuǎn)向信息處理驅(qū)動是一個重大的突破,因為同基于HgCdTe材料的大面陣紅外焦平面陣列的發(fā)展相比,基于硅材料的信息處理機的發(fā)展速度要快得多,后者基本上遵循摩爾定律,每隔3年集成度增加4倍,特征尺寸縮小到12√12。這樣我們就可以不斷采用最先進的信息處理機來實現(xiàn)以往必須采用更大規(guī)模的探測器陣列或更加復(fù)雜的多視場光學(xué)系統(tǒng)才能實現(xiàn)的多種功能能力。信息處理速度與容量的迅速提高將促進DAIRS向著超分辨率、高幀頻、多光譜的方向發(fā)展。4.1dairs自動說采用針對DAIRS發(fā)展的超分辨率技術(shù)(微掃描技術(shù)),將允許采用簡化的單一大視場光學(xué)設(shè)計實現(xiàn)以往必須采用復(fù)雜的多視場光學(xué)系統(tǒng)才能實現(xiàn)的最佳的搜索、探測、識別與武器引導(dǎo)、投放功能,某些功能所需要的高分辨率可以通過微掃描技術(shù)實現(xiàn)。采用大視場DAIRS設(shè)計可以消除復(fù)雜、笨重的陀螺穩(wěn)定、瞄準(zhǔn)機構(gòu),這對機載平臺將會帶來很大的益處。雖然DAIRS傳感器的能力仍然受到大面陣焦平面陣列的規(guī)模的限制,因為要同時實現(xiàn)大視場,高分辨率必須采用高達4090×4090元的大面陣紅外焦平面陣列。但通過采用高速大容量信息處理,采用超分辨率技術(shù)也可以實現(xiàn)更高的分辨率,為此需要采用更先進的處理方法(如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))與大容量數(shù)據(jù)庫,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)超分辨率處理技術(shù)可以使光學(xué)分辨率比由衍射效應(yīng)限制的物理極限提高2倍以上。4.2近0.0k的工業(yè)模式以靈敏度也受探測器物理效應(yīng)及物理規(guī)模的限制。光伏探測器的動態(tài)范圍受電荷存儲容量的限制,紅外景物對動態(tài)范圍的要求由景物等效溫度幅度與傳感器的噪聲等效溫差(NETD)決定。環(huán)境溫度通常有高達80~100K的景物內(nèi)動態(tài)范圍,這會導(dǎo)致非攻擊條件下的短暫飽和,而且戰(zhàn)場條件下會經(jīng)常飽和?，F(xiàn)有的傳感器已經(jīng)實現(xiàn)了近0.010K的NETD并且正向?qū)崿F(xiàn)0.001K的NETD的方向努力。所要求的動態(tài)范圍為104(14bit/溫和環(huán)境)到106(20bit/戰(zhàn)場環(huán)境)范圍內(nèi),現(xiàn)有的陣列多個探測器可存儲107個電子,少于12bit動態(tài)范圍(對高背景IR傳感器,動態(tài)范圍受電子存儲容量的平方根的限制),現(xiàn)在已經(jīng)制成了每個探測器存儲2.5×107個電子的實驗陣列),實現(xiàn)20bit的動態(tài)范圍要求將電子存儲能力提高105倍,這是很困難的。而提高幀頻并采用后讀出積累則是可行的選擇,其結(jié)果是對有百萬個探測器的陣列以每秒幾百