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    【專家觀點】先進機載光電/紅外成像系統
    來源:新光電 | 作者:西安應用光學研究所 安東 | 發布時間: 2019-06-03 | 900 次瀏覽 | 分享到:

    目前,光電/紅外成像系統在不斷發展,集成商將日益增多的更高性能傳感器裝備到穩定轉塔上,廣泛用于各種軍用平臺。其中,機載光電/紅外成像系統取得長足進步,國外已研制出多種先進機載光電/紅外成像系統,很好地完成空中情報、監視與偵察任務。


    大多數最新光電/紅外系統的典型裝置包括高清(HD)電視攝像機、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、激光測距機和激光指示器)。這些最新光電/紅外系統還可與多攝像機大范圍運動圖像技術相集成,提供一種持久性多情報任務系統。


    多年來,對光電/紅外傳感器系統的主要批評之一就是這些系統的視場太小,常常被比喻成“透過飲料管”觀察戰場。對于遠程觀察和單個目標交戰,尤其是遠程應用,這種窄視場是不錯的選擇。然而,對于大范圍(廣域)持久觀察任務,這一視場是不夠用的。越來越多的集成式多傳感器廣域運動成像(WAMI)系統逐漸解決了這一問題,通過可將多個傳感器圖像無縫拼接在一起的軟件,這種系統實現了廣域運動成像。其中最新系統之一是埃爾比特系統公司SkEye廣域持久監視(WAPS)系統,用于諸如中空長航時(MALE)無人機的空中情報、監視和偵察(ISR)平臺。


    以下將給出目前最新的幾種機載光電/紅外成像系統,詳細介紹系統組成單元及技術特點,并綜述這一領域的關鍵技術和發展趨勢。


    1.  先進光電/紅外成像系統


    隨著光電/紅外傳感器技術的不斷進步,以及廣域監視、全景成像和圖像/視頻處理等先進技術的發展,目前出現了一批先進的機載光電/紅外成像系統,它們在前任機載光電/紅外成像系統的基礎上,加入最新相關技術,使新型機載光電/紅外成像系統不僅可以通過組合多個高清多光譜傳感器和激光器完成遠程分辨、跟蹤和交戰多個目標以及情報、監視與偵察任務,而且可以通過廣域運動成像等新技術,實現近實時廣域探測、識別和認清難以發現的目標,而無需大量后期任務處理,用于諸如中空長航時(MALE)無人機的空中情報、監視和偵察(ISR)平臺。


    以下分別介紹目前國外最新的4種機載光電/紅外成像系統。


    1.1  L3 WESCAM公司MX-25/ 25D


    L3 WESCAM公司MX系列光電/紅外/激光系統。


    L3 WESCAM公司的MX系列目前推出了全數字、高清MX-25/25D超遠程多傳感器多光譜成像與目標瞄準系統,可搭載在固定翼飛機、無人機和浮空氣球上,執行高空長航時情報、監視與偵察以及目標指示任務(MX-25D)。其中,MX-25可選擇組合7個傳感器,MX-25D可選擇組合9個傳感器。


    MX-25/MX-25D的技術特點包括采用真正的高清攝像機、先進的圖像處理技術、固態IMU(慣性測量單元)內置技術(5軸主動穩定)、短波紅外成像技術、多個激光器負載和激光目標指示器以及MX-GEO第三代軟件包,并具有MX系列產品的通用性。


    1.2  Safran(賽峰)集團新一代EUROFLIR 410


    Safran(賽峰)集團在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(特種任務飛機、直升機、飛艇和無人機等)的單個在線可更換單元(LRU)高性能穩定多傳感器轉塔,可用于情報、監視與偵察(ISR)、目標瞄準、防護、干預及搜救等各項任務。


    早期版本的EUROFLIR410已經服役于NH工業公司NH90直升機和法國海軍空中客車AS565黑豹(Panther)直升機。EUROFLIR410是直徑16in、重量約53kg的大型轉塔,是采用大量傳感器的高集成度模塊化系統,因此,Safran(賽峰)集團稱,該產品是同系列中性能最佳的轉塔。特色為采用極高分辨率攝像機,可以晝夜透過煙霧、灰塵、濃霧和鹽霧等遮擋物,在更遠距離上使目標探測和認清性能最大化;還進行了人機性能和顯示器的改進,有助于在高工作載荷條件下做出決策;采用標準接口,保證與飛機座艙內的其它機載系統或無人機地面控制站進行正常通信。


    EUROFLIR 410可以容納多個傳感器,從而具備多光譜成像能力。其中的電視傳感器工作在0.4μm~0.7 μm光譜波段,采用1920×1080像素探測器芯片,并結合變焦鏡頭,提供25°~0.33°視場。


    EUROFLIR 410還采用了一臺工作在0.7μm~0.95 μm光譜段的近紅外熱像儀,這臺近紅外熱像儀使用與電視傳感器相同的探測器芯片,并使用一臺主動照射器,通過0.39°窄視場完成低能見度下遠程偵察和目標分辨任務。


    EUROFLIR 410采用了工作在0.95μm~1.7 μm波段的640×512像素短波紅外探測器,這一探測器可在各種變差的目視環境下成像,并能觀察戰場上的激光光斑。這一短波紅外傳感器通過透鏡提供0.55°視場。


    EUROFLIR 410采用的第4個成像傳感器是3μm~5 μm中波紅外熱像儀,利用1280×720像素探測器和變焦鏡頭,提供33.3°-1.2°視場。與EUROFLIR410中的其它熱像儀類似,也具有4倍電子變焦功能。


    EUROFLIR 410還裝有4臺激光器:830nm3B級激光照射器、與照射器工作波段相同的激光指向器、測距范圍高達20km的1.54μm 1M級激光測距機以及遵從STANAG3733標準的1.06μm 4級激光指示器。


    工作軟件包括內嵌式決策輔助(采用具有增強現實功能的運動地圖來改善態勢感知能力)和自動目標探測特征(含移動目標指示(MTI)和熱點探測),以及有助于認清目標的分辨率增強和圖像融合。


    被Safran(賽峰)集團譽為“最完整”的新型EUROFLIR410將成為該集團正為法國陸軍開發的Patroller戰術無人機系統不可分割的一部分。


    在2017年巴黎航展上,EUROFLIR 410不僅在靜態展示區搭載在PATROLLER無人機上進行展示,而且還參與了動態演示。


    1.3  洛馬公司新型INFIRNO系統


    光電/紅外成像系統設計的重要發展趨勢明顯見于洛馬公司的新型INFIRNO系統。INFIRNO系統是一種高度穩定的直徑為15in的多傳感器轉塔,可用于機載、艦載和陸基用途。該系統的高穩定性能保證高清成像傳感器和激光器在完成情報、監視與偵察任務之外,還可遠程分辨、跟蹤和交戰多個目標。


    這套轉塔采用模塊化結構,保證可以在外場更換關鍵部件,從而更易于在使用場地附近進行維護,減少需維護的工作量。還保證了現場升級無需從搭載這套轉塔的飛機、艦船或車輛上卸下整套系統。這套轉塔高21.3in、重140lbs(磅),操作時方位角不限,俯仰范圍為120°~-30°,在收藏時俯仰角降到-90°。其中,熱像儀的核心是高清中波紅外波段(3~ 5μm)1280×1024像素焦平面陣列,它產生1280×720像素輸出,與透鏡相連,實現2°~ 27°連續變焦及電子變焦。


    高清彩色電視攝像機基于CMOS探測器,采用1920×1080像素探測器陣列,工作波段為0.4~ 0.7μm,產生1920×720像素輸出。這一裝置與光學連續變焦透鏡相連接,提供1°~ 7.4°視場,還具有電子變焦功能。


    電視攝像機的視場可以與熱像儀的相匹配,對準場景保證實現人工或自動圖像混合或疊加,有效地組合這兩套傳感器的輸出。


    INFIRNO還裝備了各類激光器——1.06μm北約標準激光指示器和1.54μm人眼安全激光測距機,以及觀察光斑瞄線對準傳感器(see-spot boresight alignment sensor)。作為備選,INFIRNO還可裝備830nm紅外指向器和窄視場高清短波紅外觀測儀。2016年該系統搭載在西科斯基公司H-60黑鷹直升機頭部位置,完成了首次飛行。


    1.4  埃爾比特系統公司SkEye廣域持久監視(WAPS)系統


    SkEye利用一個集成多臺攝像機的有效負載提供10億像素大小的圖像。


    2017年埃爾比特系統公司推出了一種稱為SkEye的先進系統,該系統安裝在空中有人和無人平臺上執行廣域持久監視(WAPS)任務。


    SkEye是一種新型系統,能夠使安防部隊或軍隊持久密切監控約80平方公里的關注區域。關注區域的實際尺寸由傳感器高度決定。SkEye系統利用集成有多臺攝像機的單一有效負載,提供10億像素的圖像。


    SkEye可實時、高分辨率監控整個區域,并可同時監控多達10個關注區域。此外,它還為操作人員和分析人員提供對跟蹤事件及時回溯的能力,便于研究相關運動和事件的起源。


    與傳統的光電負載不同,SkEye可在實時觀察時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?。?,用戶可以同時觀察10個以上關注區域(ROI),在任何時候都可以“及時回放”,便于分析態勢的發展。


    埃爾比特系統公司SkEye不能取代傳統負載,但可提供廣域持久監視能力,以更短時間提供更清晰的圖像,極大提高決策信任度。在觀察大范圍關注區域(AOI)時,操作人員可以同時放大多個關注區,了解它們之間的聯系。


    SkEye系統的核心是機載部分,由光電傳感器單元、高級圖像處理單元、大容量存儲單元及分析軟件組成,通過視頻圖像地理定位和視頻運動探測(VMD)技術,并利用多目標跟蹤器來增強圖像。


    通過嵌入式數據鏈,相關信息從飛機傳輸到位于固定位置的SkEye控制和管理中心(SCMC),或傳輸到標準(國際標準化組織ISO)的20ft(英尺)掩體中。地面部分包括通信、處理和顯示系統及保存短暫歷史數據的局域數據庫。固定設施可以訪問歷史數據以便進行深入分析。地面部分可獨立運行,也可以與客戶的其它指揮與控制(C2)系統集成。該系統還可以與地面監視系統一起使用,實現70°~90°覆蓋范圍內的多傳感器地面監視,并提供高分辨率全景觀察能力,支持在整個區域內對8個關注區域和視頻進行回溯。


    SkEye系統的軟件采用了一種可編程告警系統,通過設置這一系統,通知指揮官特殊預定事件或其它異常事件。這些功能補充和增強了SkEye系統的持久監視能力,為操作員提供一種定位和監控不同地點的特殊方案。


    SkEye已在幾個國家的無人平臺(如Hermes900和Hermes450)及各種輕型有人飛機上使用。有人駕駛飛機通常用于無人系統訪問受限的城市中。


    2.  關鍵技術及發展趨勢


    縱觀國外最新機載光電/紅外成像系統的技術特點及其應用,可總結出目前光電/紅外成像領域的關鍵技術和發展趨勢如下:


    1) 機載廣域運動成像技術已經成為發展趨勢


    目前,機載廣域運動成像技術成為發展趨勢。以色列軍工巨頭埃爾比特系統公司SkEye廣域持久監視系統通過可將多個傳感器圖像無縫拼接在一起的軟件,實現了廣域運動成像。美國防務巨頭一直在與廣域運動成像技術方面的領軍企業合作。雷聲公司與Logos技術公司一起研發了一種組合雷聲公司高清多光譜成像系統(MTS)與Logos技術公司廣域運動成像傳感器的多情報源情報、監視和偵察系統。計劃將這些傳感器集成到一種模塊化輕型系統中,這種系統適用于還可搭載其它傳感器的多種平臺。多情報源系統除了包含全運動視頻(FMV)和廣域運動成像傳感器之外,只要平臺的尺寸、重量和功率條件允許,還支持超光譜成像系統、激光雷達和信號情報傳感器。這一方案就是保證軍方可近實時利用多情報源數據,廣域探測、識別和認清難以發現的目標,而無需大量后期任務處理。


    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)系統和INFIRNO系統的組成單元可發現,這些系統都采用了中波紅外波段百萬像素焦平面陣列,提供高分辨率紅外成像能力,從而有助于完成遠程廣域監視任務。


    3) 不斷研發多傳感器多光譜成像與目標瞄準系統


    多傳感器多光譜成像與目標瞄準系統,可搭載在固定翼飛機、無人機和浮空氣球上,執行高空長航時情報、監視與偵察以及目標指示任務,已成為各國研發機載光電/紅外成像系統的發展趨勢。這種系統通過組合多個高清多光譜傳感器和激光器完成遠程分辨、跟蹤和交戰多個目標以及情報、監視與偵察任務,而且可以通過廣域運動成像等新技術,實現近實時廣域探測、識別和認清難以發現的目標,用于諸如中空長航時(MALE)無人機的空中情報、監視和偵察(ISR)平臺。


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