美國典型艦載機光電系統發展現狀分析

王清海，藍 天

(1.中國人民解放軍海軍駐洛陽地區航空軍事代表室，河南 洛陽 471009;2.中航工業洛陽電光設備研究所，河南 洛陽 471009)

0 引言

在作戰海域，航空母艦戰斗群一般會同時遇到來自空中、水面和水下的威脅。理論研究和戰爭實踐證明，航母艦載機是同時消滅這3種威脅最有力的手段。為此，航空母艦上就需要裝備3種不同的作戰飛機(直升機)，即戰斗機、攻擊機和反潛機。海灣戰爭實踐證明，由于科學技術的迅速發展，空中作戰力量固有的速度快、火力強、作用距離遠、機動靈活的多功能等優點得到極大的加強。作戰雙方誰擁有空中作戰力量的優勢，誰就擁有戰爭的主動權。未來的戰爭將是“空地一體戰”和“空海一體戰”，特別是在美國“空海一體戰”強調的“主動防御”措施中，飛機排第一位［1］，可見，由艦載機為主構成的航母戰斗群所具有的威懾力量，以及在完成國際政治任務中的獨特作用，都是其他兵力無法取代的。

機載光電系統是目前大多數作戰使用飛機(包括戰斗機、直升機和無人機)的標準配置，它利用安裝在飛機平臺上的一個(或多個)傳感器進行被動式探測，快速輸出目標威脅等級、目標位置等信息，有效提高飛機的戰場生存能力，是飛機平臺重要的防御設備。由于系統以無源方式工作，具有自身隱蔽性好、抗干擾能力強、探測目標范圍廣、定位精度高以及作用距離遠等特點，已經大量裝備包括艦載機在內的各種戰機［2］。

本文挑選了美國航空母艦上主要的3種艦載機:戰斗機(F/A－18E/F)、直升機(SH－60B)和無人機(MQ－8B)上配備的光電探測系統進行了分析，對它們各自的組成、特征和發展現狀進行了歸納和總結，并對3類艦載機的共性設計問題進行了探討。

1 典型艦載戰斗機F/A－18E/F上的光電系統

美國海軍的F/A－18E/F通過裝備先進的光電探測瞄準系統，作戰效能得到大幅度提升，除了用先進瞄準前視紅外系統(ATFLIR)吊艙提升精確對地攻擊能力之外，美國海軍正在準備裝備一種新型的紅外搜索與跟蹤(IRST)吊艙，以提升其空戰能力。

1.1 ATFLIR

ATFLIR吊艙的代號是AN/ASQ－228，是由雷神公司空間和機載系統部負責研制，是世界上第一種第3代瞄準前視紅外系統。它以半埋的方式掛載于F/A－18E/F戰機左側進氣道下方的掛架上，可以引導和投放JSOM、JDAM和“寶石路”系統激光制導炸彈等多種精確對地打擊武器，并具有執行空中監視、近距支援、低空全天候導航以及轟炸效果評估等任務的能力［3］。

ATFLIR吊艙容納著基于3～5 μm中波紅外640元×480元凝視焦平面陣列的瞄準前視紅外、電荷耦合器件電視攝像機和大功率抽運式二極管激光器。導航功能集成在連接吊艙與飛機的適配器中，而瞄準功能及激光夾角跟蹤器集成在吊艙中。

ATFLIR的一個關鍵特征是所有傳感器共用一個光路，前視紅外中心像素與激光束之間可以實現連續自動校靶。操作員可以從6°寬視場轉換到2.8°或0.7°窄視場。橫滾驅動裝置里的滑動環使吊艙能夠進行連續360°橫滾而不出現倒轉和重新截獲目標現象。ATFLIR可在50000 ft(1 ft=0.3048 m)以上的高度晝夜定位并指示距離大于40 nmile的目標。

圖1 ATFLIR吊艙Fig.1 ATFLIR pod

1.2 IRST

盡管F/A－18E/F上最新型APG－79有源相控陣雷達(AESA)具有很強的抗干擾能力，但是美國海軍仍然對X波段雷達電子對抗系統的擴散表示擔憂，這種電子對抗系統會降低美軍戰斗機雷達的作戰效能。因此，美國海軍希望為F/A－18E/F戰斗機再裝備一種新型的IRST，以增強它的空空作戰能力。

考慮到成本原因，F/A－18E/F戰斗機采用的是洛克西德·馬丁公司的AAS－42升級版，熱敏系統使用的是貨架產品。這種新型的IRST系統工作在8～12 μm的長波波段，探測距離遠。盡管該裝置不具備成像能力，但是可提供高質量的目標跟蹤數據，以彌補F/A－18E/F上另一個光電系統ATFLIR在遠程超視距空戰能力上的缺陷。

這種新型IRST系統采用吊艙形式，安裝在F/A－18E/F機腹1800 L副油箱的中軸線上。

2 典型艦載直升機SH－60B上的光電探測系統

SH－60B“海鷹”直升機是美國的一種反艦型直升機，它能夠全天候探測、識別、定位和封鎖水面艦只，就是依賴了一種光電探測系統——AN/AAS－44(V)(Infrared Laser Detecting-Ranging-Tracking Set)紅外激光探測跟蹤系統［4］。該系統安裝在SH－60B直升機的頭部，由美國雷神公司生產，其運動范圍方位是360°連續，俯仰為 －105°～ +60°，光電傳感器包括紅外熱像儀和激光測距/照射器，其中紅外熱像儀的寬視場為22.5°× 30.0°，中視場為 5.00°× 6.67°，窄視場為1.26°× 1.68°，電子變倍視場包括 2∶1(0.63°×0.84°)和4∶1(0.32°× 0.42°)，激光測距/目標照射器可制導“海爾法”反坦克導彈，光電轉塔的直徑為423 mm，高度為 473 mm，重量為 51.7 kg［5］。

圖2 AN/AAS－44(V)光電系統Fig.2 Eo system on AN/AAS －44(V)

3 典型艦載無人機MQ－8B上的光電系統－SAFAIRE II

美國海軍的基本型MQ－8B(火力偵察兵)無人機擁有的SAFIRE II光電/紅外傳感器是由FLIR系統公司研制的，它可以24 h右各種觀測和氣候條件下提供陀螺穩定遠距成像，三視場3～5 μm InSb FPA和18倍變焦CCD TV。主要特性:

1)轉臺尺寸質量為445.8 mm ×383.5 mm，44.5 kg;

2)掃描速率為60(°)/s;

3)最大空速為405 nmile/h;

4)IR探測器為像元數320×240 InSb 3～5 μm;

5)探測分辨率為像元數640×480(微掃描);

6)視場為窄0.8°×0.6°，中3.4°×2.6°，寬25.2°×18.8°;

7)可選寬視場為33.3°×25°;

8)致冷為循環制冷;

9)自動聚焦彩色CCD TV(可選)，0.2 lx，光學變焦為 ×16，電子變焦為 ×4，視場為24°～1.5°;

10)激光測距機(可選)，鉺玻璃激光(1.54 μm)，Ⅰ類(人眼安全)，距離精度為±5 m，最大距離為20 km;

11)CAL I激光照射器(可選，NVG兼容－寬面照明)，波長為810 nm，Ⅳ類;

12)激光照射器(可選，NVG兼容－目標指示)，波長為810 nm，Ⅲb類;

13)彈著點顯示器(可選)，彩色視頻PAL，視場0.4°×0.3°;

14)自動跟蹤器，目標識別激光照射器(可選)。

圖3 “火力偵察兵”無人機上裝備的SAFIRE II光電/紅外傳感器Fig.3 SAFIRE II EO/IR sensor on MQ －8B

4 艦載機光電探測系統的典型特征

4.1 使用環境的特征

艦載機的使用環境——海洋溫度晝夜變化很大，海洋上空濕度大、煙霧濃、霉菌多，環境相當惡劣，會對艦載機光電系統產生很大的影響。因此，針對艦載機的環境特點，艦載機光電系統的設計應重視三防設計。

環境因素對裝備的影響從來不是單一的，而是多種因素的復合作用。這種復合效應又常常高于單一因素的作用水平。如適當的溫度和濕度會易于霉菌繁殖，高溫和高濕會加速腐蝕和氧化，風雨易于形成鹽霧環境，高溫和沖擊振動相互激勵等。因此，海洋環境對艦載機機載裝備的實際環境影響具有綜合性、協同特征。

4.2 設計特征

1)采取多波段、多傳感器、多功能集成與融合，增強艦載機信息獲取能力。

美國3種類型艦載機上的光電系統，工作波段包括可見光、近紅外、中波紅外、長波紅外;傳感器有標準制式和高清晰度電視攝像機，微光電視攝像機，近紅外、中紅外、長波紅外成像儀，激光測距機，激光目標指示器，激光照射器;光學鏡頭有定焦、分檔變焦、連續變焦，還有電子焦距變倍器;承載轉臺有陀螺穩定的兩軸、三軸、四軸、五軸轉臺，還有被動與主動式振動與沖擊隔離裝置。所有上述部件的有機集成與融合，都是為了在晝/夜、全天候環境下，快速獲取海上和空中目標的高清晰實時動態圖像，以增強光電平臺信息獲取能力。

2)采用慣性穩定控制技術。

在機載環境下，載機的振動、姿態變化以及氣流擾動都將影響光電系統瞄準線的穩定，這將影響偵察圖像的質量，同時也會降低精確打擊任務中的目標命中概率，特別是在航空母艦這個大環境下，艦上各類飛機頻繁起降，使這一問題尤其突出。光電穩瞄系統一般采用慣性元件和伺服系統構成的陀螺穩定平臺來實現對瞄準線的穩定，當平臺的瞄準線因干擾力矩和載體姿態變化的作用而偏離原來的方向時，陀螺等慣性元件敏感平臺變化的姿態角或角速率，經過控制器輸出放大后驅動電機反向運動進行補償，使平臺上光學系統的視軸穩定，完成對外界場景的清晰穩定成像和對武器的精確引導，因此陀螺穩定平臺及控制技術是提高光電系統偵察和打擊能力的關鍵技術之一［6］。

3)海上特殊的背景對光電系統的探測和圖像處理提出了更高的要求。

海上氣候十分惡劣，經常會出現大風、臺風、海霧和潮汐等，這給光電系統的成像帶來了很大的問題，除了利用多光譜/超光譜和3D激光成像這些新的成像設備來改善圖像質量外，還需要對圖像處理算法進行改進，以獲得更清晰的圖像。

4)采取系統綜合優化設計技術，為艦載機減重作出貢獻。

由于艦載機的研制比同型陸基飛機難度大、周期長，并且艦載機的單價都要高于同型陸基飛機，因此在設計艦載機的機載光電系統時，也要把系統優化考慮在內。盡管這幾種艦載機的有效載荷各不相同，但一般都要求光電系統盡可能體積小、重量輕、功耗低，但是同時由于實戰中條件復雜多變又迫切需要將紅外熱像儀、電視攝像機、激光測距/照射器等多種探測器綜合使用，因此需要對整個光電系統的設計進行優化，以完成在最小的體積和重量的前提下安裝盡可能多的傳感器。

對于整個光電系統的優化設計，要盡可能采用微機電部件和高強度輕質材料以降低傳感器組件的體積和重量，通過將不同傳感器組件中的通用電子部分分離出來進行綜合設計也是提高集成度的一個重要措施［7］。

5 展望

近年來，隨著美國“空海一體戰”概念的提出，人們越來越關注空海力量協同的問題，特別是空軍的戰機和海軍航母上戰機的協同問題。作為空海戰機上都必備的一個裝備，機載光電系統在實際戰爭環境中的成功應用，使其成為現代部隊裝備中完成高精度的偵察、瞄準和攻擊任務最具有前途的技術之一。本文通過對3類艦載機上光電系統的分析，為了解美國“空海一體戰”中的一環，即航母戰斗群的“耳目”——艦載機光電系統的特征提供了幫助。

［1］HALLORAN R.Airsea battle［J］.Air Force Magazine，2010(8):45-48.

［2］王合龍，陳洪亮，何磊，等.機載光電探測與對抗系統發展淺析［J］.紅外與激光工程，2008，37:315-318.

［3］錢琨.黃蜂之眼:F/A－18E/F升級光電紅外傳感器系統［J］.國際航空，2007(7):28-29.

［4］崔翰明，許建華，曾慶吉，等.世界艦載直升機的現狀與發展［J］.直升機技術，2009(2):68-71.

［5］郭道平.國外艦載戰斗機發展現狀及其關鍵技術［J］.現代軍事，2007(3):24-33.

［6］賈平，張葆.航空光電偵察平臺關鍵技術及其發展［J］.光學精密工程，2003，11(1):82-88.

［7］李寧.美國無人機的光電轉塔與發展［J］.艦船電子工程，2008，(4):40-43.