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【专家观点】先进机载光电/红外成像系统
来源:新光电 | 作者:西安应用光学研究所 安东 | 发布时间: 2019-06-03 | 3141 次浏览 | 分享到:

目前,光电/红外成像系统在不断发展,集成商将日益增多的更高性能传感器装备到稳定转塔上,广泛用于各种军用平台。其中,机载光电/红外成像系统取得长足进步,国外已研制出多种先进机载光电/红外成像系统,很好地完成空中情报、监视与侦察任务。


大多数最新光电/红外系统的典型装置包括高清(HD)电视摄像机、高清近红外(NIR)和中波红外传感器、短波红外(SWIR)传感器以及多种类型激光器(激光指向器、激光照射器、激光测距机和激光指示器)。这些最新光电/红外系统还可与多摄像机大范围运动图像技术相集成,提供一种持久性多情报任务系统。


多年来,对光电/红外传感器系统的主要批评之一就是这些系统的视场太小,常常被比喻成“透过饮料管”观察战场。对于远程观察和单个目标交战,尤其是远程应用,这种窄视场是不错的选择。然而,对于大范围(广域)持久观察任务,这一视场是不够用的。越来越多的集成式多传感器广域运动成像(WAMI)系统逐渐解决了这一问题,通过可将多个传感器图像无缝拼接在一起的软件,这种系统实现了广域运动成像。其中最新系统之一是埃尔比特系统公司SkEye广域持久监视(WAPS)系统,用于诸如中空长航时(MALE)无人机的空中情报、监视和侦察(ISR)平台。


以下将给出目前最新的几种机载光电/红外成像系统,详细介绍系统组成单元及技术特点,并综述这一领域的关键技术和发展趋势。


1.  先进光电/红外成像系统


随着光电/红外传感器技术的不断进步,以及广域监视、全景成像和图像/视频处理等先进技术的发展,目前出现了一批先进的机载光电/红外成像系统,它们在前任机载光电/红外成像系统的基础上,加入最新相关技术,使新型机载光电/红外成像系统不仅可以通过组合多个高清多光谱传感器和激光器完成远程分辨、跟踪和交战多个目标以及情报、监视与侦察任务,而且可以通过广域运动成像等新技术,实现近实时广域探测、识别和认清难以发现的目标,而无需大量后期任务处理,用于诸如中空长航时(MALE)无人机的空中情报、监视和侦察(ISR)平台。


以下分别介绍目前国外最新的4种机载光电/红外成像系统。


1.1  L3 WESCAM公司MX-25/ 25D


L3 WESCAM公司MX系列光电/红外/激光系统。


L3 WESCAM公司的MX系列目前推出了全数字、高清MX-25/25D超远程多传感器多光谱成像与目标瞄准系统,可搭载在固定翼飞机、无人机和浮空气球上,执行高空长航时情报、监视与侦察以及目标指示任务(MX-25D)。其中,MX-25可选择组合7个传感器,MX-25D可选择组合9个传感器。


MX-25/MX-25D的技术特点包括采用真正的高清摄像机、先进的图像处理技术、固态IMU(惯性测量单元)内置技术(5轴主动稳定)、短波红外成像技术、多个激光器负载和激光目标指示器以及MX-GEO第三代软件包,并具有MX系列产品的通用性。


1.2  Safran(赛峰)集团新一代EUROFLIR 410


Safran(赛峰)集团在2017年巴黎航展上公布了其新一代EUROFLIR410,这是意欲装备各种类型空中平台(特种任务飞机、直升机、飞艇和无人机等)的单个在线可更换单元(LRU)高性能稳定多传感器转塔,可用于情报、监视与侦察(ISR)、目标瞄准、防护、干预及搜救等各项任务。


早期版本的EUROFLIR410已经服役于NH工业公司NH90直升机和法国海军空中客车AS565黑豹(Panther)直升机。EUROFLIR410是直径16in、重量约53kg的大型转塔,是采用大量传感器的高集成度模块化系统,因此,Safran(赛峰)集团称,该产品是同系列中性能最佳的转塔。特色为采用极高分辨率摄像机,可以昼夜透过烟雾、灰尘、浓雾和盐雾等遮挡物,在更远距离上使目标探测和认清性能最大化;还进行了人机性能和显示器的改进,有助于在高工作载荷条件下做出决策;采用标准接口,保证与飞机座舱内的其它机载系统或无人机地面控制站进行正常通信。


EUROFLIR 410可以容纳多个传感器,从而具备多光谱成像能力。其中的电视传感器工作在0.4μm~0.7 μm光谱波段,采用1920×1080像素探测器芯片,并结合变焦镜头,提供25°~0.33°视场。


EUROFLIR 410还采用了一台工作在0.7μm~0.95 μm光谱段的近红外热像仪,这台近红外热像仪使用与电视传感器相同的探测器芯片,并使用一台主动照射器,通过0.39°窄视场完成低能见度下远程侦察和目标分辨任务。


EUROFLIR 410采用了工作在0.95μm~1.7 μm波段的640×512像素短波红外探测器,这一探测器可在各种变差的目视环境下成像,并能观察战场上的激光光斑。这一短波红外传感器通过透镜提供0.55°视场。


EUROFLIR 410采用的第4个成像传感器是3μm~5 μm中波红外热像仪,利用1280×720像素探测器和变焦镜头,提供33.3°-1.2°视场。与EUROFLIR410中的其它热像仪类似,也具有4倍电子变焦功能。


EUROFLIR 410还装有4台激光器:830nm3B级激光照射器、与照射器工作波段相同的激光指向器、测距范围高达20km的1.54μm 1M级激光测距机以及遵从STANAG3733标准的1.06μm 4级激光指示器。


工作软件包括内嵌式决策辅助(采用具有增强现实功能的运动地图来改善态势感知能力)和自动目标探测特征(含移动目标指示(MTI)和热点探测),以及有助于认清目标的分辨率增强和图像融合。


被Safran(赛峰)集团誉为“最完整”的新型EUROFLIR410将成为该集团正为法国陆军开发的Patroller战术无人机系统不可分割的一部分。


在2017年巴黎航展上,EUROFLIR 410不仅在静态展示区搭载在PATROLLER无人机上进行展示,而且还参与了动态演示。


1.3  洛马公司新型INFIRNO系统


光电/红外成像系统设计的重要发展趋势明显见于洛马公司的新型INFIRNO系统。INFIRNO系统是一种高度稳定的直径为15in的多传感器转塔,可用于机载、舰载和陆基用途。该系统的高稳定性能保证高清成像传感器和激光器在完成情报、监视与侦察任务之外,还可远程分辨、跟踪和交战多个目标。


这套转塔采用模块化结构,保证可以在外场更换关键部件,从而更易于在使用场地附近进行维护,减少需维护的工作量。还保证了现场升级无需从搭载这套转塔的飞机、舰船或车辆上卸下整套系统。这套转塔高21.3in、重140lbs(磅),操作时方位角不限,俯仰范围为120°~-30°,在收藏时俯仰角降到-90°。其中,热像仪的核心是高清中波红外波段(3~ 5μm)1280×1024像素焦平面阵列,它产生1280×720像素输出,与透镜相连,实现2°~ 27°连续变焦及电子变焦。


高清彩色电视摄像机基于CMOS探测器,采用1920×1080像素探测器阵列,工作波段为0.4~ 0.7μm,产生1920×720像素输出。这一装置与光学连续变焦透镜相连接,提供1°~ 7.4°视场,还具有电子变焦功能。


电视摄像机的视场可以与热像仪的相匹配,对准场景保证实现人工或自动图像混合或叠加,有效地组合这两套传感器的输出。


INFIRNO还装备了各类激光器——1.06μm北约标准激光指示器和1.54μm人眼安全激光测距机,以及观察光斑瞄线对准传感器(see-spot boresight alignment sensor)。作为备选,INFIRNO还可装备830nm红外指向器和窄视场高清短波红外观测仪。2016年该系统搭载在西科斯基公司H-60黑鹰直升机头部位置,完成了首次飞行。


1.4  埃尔比特系统公司SkEye广域持久监视(WAPS)系统


SkEye利用一个集成多台摄像机的有效负载提供10亿像素大小的图像。


2017年埃尔比特系统公司推出了一种称为SkEye的先进系统,该系统安装在空中有人和无人平台上执行广域持久监视(WAPS)任务。


SkEye是一种新型系统,能够使安防部队或军队持久密切监控约80平方公里的关注区域。关注区域的实际尺寸由传感器高度决定。SkEye系统利用集成有多台摄像机的单一有效负载,提供10亿像素的图像。


SkEye可实时、高分辨率监控整个区域,并可同时监控多达10个关注区域。此外,它还为操作人员和分析人员提供对跟踪事件及时回溯的能力,便于研究相关运动和事件的起源。


与传统的光电负载不同,SkEye可在实时观察时以特定分辨率和放大率记录和显示图像。基于不同观察角和放大率(放大或缩小),用户可以同时观察10个以上关注区域(ROI),在任何时候都可以“及时回放”,便于分析态势的发展。


埃尔比特系统公司SkEye不能取代传统负载,但可提供广域持久监视能力,以更短时间提供更清晰的图像,极大提高决策信任度。在观察大范围关注区域(AOI)时,操作人员可以同时放大多个关注区,了解它们之间的联系。


SkEye系统的核心是机载部分,由光电传感器单元、高级图像处理单元、大容量存储单元及分析软件组成,通过视频图像地理定位和视频运动探测(VMD)技术,并利用多目标跟踪器来增强图像。


通过嵌入式数据链,相关信息从飞机传输到位于固定位置的SkEye控制和管理中心(SCMC),或传输到标准(国际标准化组织ISO)的20ft(英尺)掩体中。地面部分包括通信、处理和显示系统及保存短暂历史数据的局域数据库。固定设施可以访问历史数据以便进行深入分析。地面部分可独立运行,也可以与客户的其它指挥与控制(C2)系统集成。该系统还可以与地面监视系统一起使用,实现70°~90°覆盖范围内的多传感器地面监视,并提供高分辨率全景观察能力,支持在整个区域内对8个关注区域和视频进行回溯。


SkEye系统的软件采用了一种可编程告警系统,通过设置这一系统,通知指挥官特殊预定事件或其它异常事件。这些功能补充和增强了SkEye系统的持久监视能力,为操作员提供一种定位和监控不同地点的特殊方案。


SkEye已在几个国家的无人平台(如Hermes900和Hermes450)及各种轻型有人飞机上使用。有人驾驶飞机通常用于无人系统访问受限的城市中。


2.  关键技术及发展趋势


纵观国外最新机载光电/红外成像系统的技术特点及其应用,可总结出目前光电/红外成像领域的关键技术和发展趋势如下:


1) 机载广域运动成像技术已经成为发展趋势


目前,机载广域运动成像技术成为发展趋势。以色列军工巨头埃尔比特系统公司SkEye广域持久监视系统通过可将多个传感器图像无缝拼接在一起的软件,实现了广域运动成像。美国防务巨头一直在与广域运动成像技术方面的领军企业合作。雷声公司与Logos技术公司一起研发了一种组合雷声公司高清多光谱成像系统(MTS)与Logos技术公司广域运动成像传感器的多情报源情报、监视和侦察系统。计划将这些传感器集成到一种模块化轻型系统中,这种系统适用于还可搭载其它传感器的多种平台。多情报源系统除了包含全运动视频(FMV)和广域运动成像传感器之外,只要平台的尺寸、重量和功率条件允许,还支持超光谱成像系统、激光雷达和信号情报传感器。这一方案就是保证军方可近实时利用多情报源数据,广域探测、识别和认清难以发现的目标,而无需大量后期任务处理。


2) 采用百万像素中波红外焦平面阵列获得高分辨率全景红外成像能力


由上述的MX-25(25D)系统和INFIRNO系统的组成单元可发现,这些系统都采用了中波红外波段百万像素焦平面阵列,提供高分辨率红外成像能力,从而有助于完成远程广域监视任务。


3) 不断研发多传感器多光谱成像与目标瞄准系统


多传感器多光谱成像与目标瞄准系统,可搭载在固定翼飞机、无人机和浮空气球上,执行高空长航时情报、监视与侦察以及目标指示任务,已成为各国研发机载光电/红外成像系统的发展趋势。这种系统通过组合多个高清多光谱传感器和激光器完成远程分辨、跟踪和交战多个目标以及情报、监视与侦察任务,而且可以通过广域运动成像等新技术,实现近实时广域探测、识别和认清难以发现的目标,用于诸如中空长航时(MALE)无人机的空中情报、监视和侦察(ISR)平台。