國外全向凝視光電系統發展現狀與趨勢

李德棟，謝曉方，張龍杰，肖楚琬

(海軍航空工程學院兵器科學與技術系，山東煙臺264001)

1 引言

在現代戰場環境中，平臺防御面臨新的問題。美國空軍一項研究表明，從二戰到20世紀90年代之前，有70%的飛機在被擊落前飛行員未曾感知到威脅［1］。在高性能武器快速發展的背景下出現上述現象，與現有作戰平臺的探測范圍密切相關。以戰斗機為例，在機載雷達、光電設備、平臺告警系統等構成的探測系統中，機載射頻雷達、光電雷達主要面向前半球空間，無線電無源全向告警不能應對紅外導引武器，光電吊艙、吊塔可以監測機身下半球空域，但僅適合安裝在下機身不能兼顧上方，并且機型受限。水面艦艇也面臨同樣的問題，受海雜波影響，在探測逼近本艦的超低空掠海導彈，或其他快速入侵物(FAIC)時，艦載雷達受到限制，并影響到需要雷達引導的其他設備。

任一方在態勢感知上的漏洞，都可能打破“隱蔽接敵，突然襲擊”的戰術原則，并給對手可乘之機。為消除探測盲區，產生了各種輔助設備，但設備加改裝又帶來二次集成以及對隱身、載荷的不利影響。由此可以推斷:以平臺為中心，采用高度集成系統對臨近區域實現全向無縫實時探測，滿足近距離自防御中的信息－感知－決策要求，應是下一場戰爭來臨之前，在防御層面亟需解決的問題。基于這種認識，美國、法國、以色列等國家在全向凝視光電探測領域開展了有針對性的研究。

2 基本原理

以傳感器配置方式可將全向凝視光電探測系統分為兩種類型:完全凝視型和步進凝視型。

完全凝視型是在飛機上布置若干傳感器構成固定陣列，傳感器合成的總視場覆蓋以飛機為中心、以傳感器作用距離為半徑的球形范圍，簡稱“4π”空間［2］。傳感器系統與飛機平臺集成，對圖像綜合處理、獲取信息，用于全向實時告警、紅外搜索和跟蹤等多種用途，如圖1所示。國外研究機構進一步驗證了采用頭盔系統的全向視景顯示、遠距探測飛機和導彈技術，國內有關單位和學者對此進行了跟蹤研究［3－6］，并出現了采用全反射鏡頭實現全向凝視探測的方法理論研究［7］。

圖1 DAIRS概念模型Fig．1 DAIRS conceptmodel

步進凝視型是將單個線陣或焦平面傳感器安裝在平臺上，由伺服系統驅動傳感器周期性掃描。通過控制伺服機構與圖像采集處理設備協同工作獲得全景圖像，實現一定程度上的全向監視。

完全凝視型傳感器采用高等級傳感器和先進計算技術，布局靈活、監視區域可調，適用于飛行器并可移植到艦艇、車輛平臺上，步進凝視型傳感器則主要適用于艦艇平臺。

3 典型系統

全向凝視探測可以擴大作戰平臺的總瞬時視場，消除特定情況下的探測盲區，為態勢感知、指揮決策提供關鍵信息，對平臺隱蔽性破壞較小。

3．1 機載類系統

3．1．1 AN/AAQ －37 系統

AN/AAQ－37由Northrop Grumman公司為F－35研制，如圖2(a)所示。6套配備92°視場魚眼鏡頭的制冷型中紅外波段探測器，安裝在F－35前上部、頭錐、背脊、腹部并與機身融合，總視場覆蓋“4π”空間，而且探測器鏡頭支持窄視場凝視［8］，利用頭盔顯示可全方位監視機外環境，如圖2(b)所示。

AN/AAQ－37可對來自任意方位的紅外特征實時告警，并通過威脅庫比對、判定目標屬性，通過預處理得到目標精確方位，獲取敵方打擊意圖。

圖2 AN/AAQ－37實物圖及監視區域Fig．2 AN/AAQ －37 diagram and detection area

3．1．2 ADAS 系統

先進分布式孔徑系統(Advanced Distributed Aperture System，ADAS)以陸軍UH－60直升機作為載體，選用OpeVPX開放平臺，最多可管理6路中、近紅外雙色探測器，滿足在低空、地表區域的任務需求，如圖3所示。

圖3 ADAS傳感器Fig．3 Sensor of ADAS

圖4 DAEVX傳感器Fig．4 Sensor of DAEVX

2011年4月，ADAS完成系統集成并達到“聯合能力技術驗證”要求，但各通道圖像亮度、色彩匹配還存在差異［9］。Raytheon公司根據系統缺陷，采用CPU、GPU異構圖像處理系統，完善了中、近紅外圖像融合和夜間飛行指示。與AN/AAQ－37不同的是，ADAS屬于加裝系統、傳感器采用外掛方案，對武器載荷有一定影響。

3．1．3 DAEVX 系統

分布式孔徑視覺增強系統(Distributed Aperture Enhanced Vision System，DAEVX)出自美國 SELEX Galileo公司，如圖4所示。系統采用4組非制冷遠紅外相機，成組或分布安裝于機體。嵌入式模塊可對多通道圖像幾何校正、對比度動態匹配、無縫拼接融合，監視飛機水平方向360°區域，支持平顯、頭顯、下顯和位置、速度、高度的疊加顯示。可與網格地形數據集成，支持低能見度甚至零能見度下的態勢感知［10］。采用SigMA－B開放式體系結構，模塊化程度高，支持傳感器、用戶數和載機平臺的定制需求。

3．2 艦載類系統

3．2．1 SilentWatch 系統

SilentWatch是AN/AAQ－37系統向艦艇平臺的移植產品，如圖5(a)和圖5(b)所示。系統對傳感器布局、數據總線轉換、威脅數據庫、數據處理算法進行再設計，與艦艇綜合作戰管理系統(Integrated Combat Management System，ICMS)、綜合橋接系統集成，適用于水面艦艇和海戰環境［11］。

圖5 SilentWatch實物圖及監視區域Fig．5 SilentWatch diagram and detection area

2012年完成功能驗證:系統對多組傳感器圖像進行無縫拼接，生成全方位、全天候、高分辨率、近實時圖像，覆蓋以艦艇為中心的上半球空間。能夠自主探測、跟蹤水面艦艇、飛機、導彈以及小型掠海飛行目標，可監視港口、為本艦提供全天導航，并通過ICMS將圖像傳至友軍。適用于有人和無人水面平臺、潛艇平臺、驅逐艦、瀕海戰斗艦，為自防御提供關鍵信息。

3．2．2 Sea Spotter系統

Sea Spotter系統由以色列Rafael公司研制，如圖6(a)和圖6(b)所示。兩套傳感器組件采用銻化銦中紅外凝視陣列，分置艦艇左右或前后兩側，視場覆蓋艦艇上半球區域。出于對威脅因素的充分考慮，Sea Spotter系統通過圖像處理算法，可分類判定地－地導彈、掠海飛行導彈、戰斗機、滑翔炸彈、反輻射導彈、直升機、艦船、類似于潛望鏡的小物體以及快速侵入船只。

圖6 Sea Spotter實物圖及監視區域Fig．6 Sea Spotter diagram and detection area

系統關鍵特征包括:(1)采用智能算法將虛警率降低到每24 h一次，優于上一代IRST系統，做到被動探測的“See without being seen”效果［12］;(2)與SilentWatch有所區別:由于受頂部攻擊的概率較低，故重點放在低空和水面，尤其強調對掠海飛行導彈的探測能力。

3．3．3 EOMS －NG 系統

法國研制的EOMS－NG系統屬于步進凝視系統，如圖7所示。

圖7 EOMS－NG傳感器Fig．7 Sensor of EOMS － NG

EOMS－NG系統在傳感器中集成了紅外探測器、電視、激光測距器，獨特之處在于除具備全景監視、晝夜紅外搜索、識別與跟蹤、海上取證功能外，還能作為艦炮防空、反艦火控系統，可快速完成探測和交戰任務，實時性強［13］。

法國Floreal級導彈護衛艦、阿聯酋6艘Baynunah級輕型護衛艦、DCNS公司Gowind近海巡邏艇“靈巧”號、澳大利亞海軍新型LHD直升機航母、防空驅逐艦、“安扎克”級護衛艦均配備 EOMSNG［14］，是目前列裝數量最多的全向凝視系統。

3．3 車載類系統

持續多年的反恐行動使車輛廠商意識到全向態勢感知能力的重要性，自2009年之后相繼推出類型繁多的車載全向探測系統，其原理與上述幾種系統相似［15］，不再贅述。

3．4 對比分析

表1是幾類典型全向凝視系統的主要參數。從中可看出:(1)現有系統監視區域水平方向均可覆蓋360°范圍，垂直方向可定制，故存在球形、半球形或指定區域范圍三種情形，由使用環境決定。(2)針對目標輻射多樣性，探測器采用遠、中、近紅外和可見光四類頻譜，以中、遠紅外為主。(3)在傳感器搭載方式上，除AN/AAQ－37內置機身外，其余系統均采用外置、外掛方案，對于艦艇其影響可忽略不計，但對飛機載荷與隱身性能造成明顯影響。(4)DAEVX允許多名機組成員獨立接收視頻，支持多用戶，可最大程度發揮機組效率，其他幾型系統僅向主要操作對象提供服務。

表1 典型系統性能Tab．1 Typical system performance

4 發展趨勢

現代戰場體系對抗特征明顯，武器信息化、精確化、隱身化、智能化水平不斷提高，攻防對抗更加激烈。全向凝視探測可提高戰場透明度，為頂層指揮系統爭取反應時間和空間，有利于近距攻防對抗。從提出EODAS概念開始，多光譜探測器、圖像處理、并行計算、高級人機接口等技術逐步與作戰平臺集成，在軍事應用領域逐漸形成一種突破。在總體發展趨勢上表現為:

(1)采用新型探測器和成像機制提升探測質量。DAIRS和MIDAS將探測器像素提升到1024×1024，奠定了對不可辨目標識別的基礎。而新一代大面陣、小型化、低成本、多/超光譜紅外探測器的應用［15］，顯著降低了目標輻射特性差異和紅外抑制措施的影響。自適應以及超寬視場編碼孔徑等計算成像技術，在大視場高分辨率成像領域消除了均勻采樣模式無法在無人機等緊湊型平臺應用的弊端［16］。

(2)與作戰平臺緊密耦合衍生多類型飛行、作戰輔助功能。基于探測、識別、跟蹤等基本性能，全向凝視探測系統具備了火力監視、威脅預警、低能見度條件輔助導航等功能。但特殊的戰場需求仍會催生其他功能，新型火控攻擊方案指示、戰場搜救指示、低空線纜障礙物規避指示、戰場毀傷評估等功能會以模塊形式逐步嵌入全向凝視探測系統中。

(3)以開放式體系結構解決移植與擴容障礙。作為一種突破性手段，全向凝視探測系統是一種必然趨勢。現有二次集成模式犧牲了平臺的隱身、載荷性能，提高了成本。未來的全向凝視設備將采用開放式體系結構，其結果是從硬件上可最大限度的利用COTS商品，在擴充傳感器通道、嵌入新型功能、升級計算能力和兼容作戰平臺中降低成本和難度，與平臺系統緊密耦合，實現系統軟、硬件功能模塊的“即插即用”。

5 結語

美國國家研究理事會編寫的《駕駛光:21世紀光科學和工程》提到:“將來光學系統必將是全新類型防務應用的基礎，這些應用將再次改變戰爭的方式”。作戰平臺在現代戰場中對全向監視的迫切需求，隨著全向凝視探測系統的出現得到了緩解。外軍全向凝視探測技術的研究與發展，為我們提供了可借鑒之處。國內在圖像處理、寬試場低畸變鏡頭、全景成像機制、總線集成、態勢感知領域有大量研究基礎，應與作戰平臺結合，縮短與外軍同型裝備的代差。

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