國外無人機機載廣域監視系統發展分析

近年來，由于戰爭需求的牽引和技術發展的推動，無人機的發展勢頭尤為迅猛，并在幾場局部戰爭中被廣泛應用于執行空中偵察、戰場監視和戰斗毀傷評估等任務。特別是隨著當前恐怖襲擊事件數量的攀升，軍方迫切需要無人機具備在苛刻環境下對廣闊區域進行長時間晝夜高精度監視的能力。但是，當前無人機上通常裝備的光電傳感器覆蓋范圍窄、分辨率低。因此，美國以及一些歐洲國家開始著手開發并積極裝備新的無人機機載廣域監視系統，這種新的系統不僅具有更大的覆蓋范圍，而且還具有很高的分辨率，使其能夠在更大的作戰區域內及時靈活地為戰役指揮決策和戰術作戰提供情報支持。

國外機載廣域監視系統發展和應用

無人機機載廣域監視系統通常由以下3部分組成：高分辨率成像子系統、圖像/信號處理子系統（機載或地面）、通信/分發子系統。其中，高分辨率成像系統通常采用可見光和/或紅外傳感器。為了兼顧大視場和高分辨率，現有的機載廣域監視系統普遍采用的是多個傳感器組合的方式，結合圖像/處理子系統不僅可以提供時概略的全景圖像或視頻，而且還可以提供局部的詳細信息。這些圖像或視頻信息通過通信/分發子系統可以傳送給相應的作戰單位和人員，為作戰提供支持。

從2007年前后開始，美國國防預研局（DARPA）以及空軍、陸軍開始積極推動機載廣域監視系統的發展。目前，最具有代表性的產品有以下3種：自動實時地面全覆蓋成像監視系統（ARGUSIS）、自動實時地面全覆蓋紅外監視系統（ARGUS-IR）、“女怪凝視”系統，這些產品均已在無人機、直升機上進行了飛行試驗。美國軍方沒有透露前兩種系統的裝備情況，而后一種已經實際裝備在“死神”無人機上。同時，DARPA還在積極開發適合于機載廣域監視系統用的高分辨率攝像機。

ARGUS-IS

2007年，DARPA啟動ARGUS-IS研制計劃，旨在為A160T“蜂鳥”（Humming bird）無人直升機提供持久監視有效載荷，用于探測、定位、跟蹤和監視戰場上和城區中的目標和事件。ARGUS-IS系統由3個子系統組成：15幀/s的18億像素的晝用攝像機，每秒可提供270億像素的視頻圖像；機載處理器，每秒可運行1012次；地面處理系統，用于記錄、顯示機載處理器傳送信息。高分辨率攝像機安裝在一個6軸穩定的萬向架上，配有4個伸縮式光學系統，每個光學系統對應92個500萬像素的探測器（類似于手機用的攝像頭）。總共368光電探測器集成在一起的總像素數達到了18.4億。整個系統的視場為60°（一般光電攝像機的窄視場只有幾度），其覆蓋范圍達到了9.6km×9.6km，分辨率約為0.30m。幀頻為12～15幀/s，數據傳輸率為424Gb/s。ARGUS-IS可以從5334m的高空探測出地面行人所用的手機型號。

ARGUS-IS最少擁有65個獨立視頻窗口，并且這些視頻窗口最終將用于實時移動目標指示，使用戶可以跟蹤傳感器整個視場內的車輛。2009年10月，項目的主承包商——BAE系統公司將ARGUS-IS安裝到美國陸軍“黑鷹”（Black Hawk）直升機上進行首次飛行試驗，成功驗證了該系統的對車輛和士兵進行多視頻窗口不間斷區域監視和跟蹤的能力。2012年，ARGUS-IS集成到A160T“蜂鳥”無人直升機進行了飛行試驗和演示。

ARGUS-IR系統

2 010年9月，DA R PA開始研究ARGUS-IR系統，開發一種能夠安裝在無人機上的紅外機載廣域監視系統，以滿足夜間進行持續、大范圍、高分辨率監視的需求。DARPA對ARGUS-IR系統的功能和定位與ARGUS-IS類似，用于對戰場及城區目標和事件進行大范圍的、實時的、高分辨率探測、定位、跟蹤和監視，其幀速和分辨率足以探測和跟蹤夜晚城市中的行人。兩者之間最大的差異在于ARGUS-IR系統要能夠24h晝夜工作，且必須適合安裝到“捕食者”或其他更小的無人機上。

ARGUS-IR系統由寬視場紅外傳感器系統和傳感器處理系統組成。寬視場紅外傳感器系統工作在長波紅外和中波紅外波段，其最低分辨率必須達到20萬像素，在項目第三階段升級到60萬像素；傳感器的重量必須低于181kg，功耗必須低于1kW。傳感器處理系統必須能夠處理來自于紅外焦平面陣列的2億像素，并且具有以下2種基本的工作模式：視頻開窗和移動目標指示。系統可直接進行傳感器數據的處理，并能夠以最低5幀/s的速度為遙控操作員傳送命令和數據。操作員能夠控制最少65個獨立的、可控制的視頻流。ARGUS-IR項目為期32個月，共分為8個階段。系統的主承包商仍然是BAE系統公司，將負責設計、研發、制造和測試ARGUS-IR機載處理器子系統（APS），并將其與高分辨率紅外傳感器子系統相集成。該項目首先要解決與各種無人機之間的兼容性問題，同時還要考慮與原有ARGUS-IS系統的數據融合問題，從而更好地實現全天候廣域監視。

“女怪凝視”機載持久廣域監視系統

除DARPA外，美國空軍、陸軍和海軍路戰隊都對機載廣域監視系統表現出了濃厚的興趣。2008年，美國空軍啟動了名為“女怪凝視”機載持久廣域監視系統（WAAS）研制計劃，并于2010年裝備MQ-9“死神”無人機，作為現有MTS-B系統的補充，跟蹤后者視場外的目標。“女怪凝視”系統由內華達山脈公司（Sierra Nevada）研制，能夠連續以凝視的方式對廣域（城市大小）進行監視。整個系統由傳感器轉塔、聯網的圖像/視頻分發系統以及數據處理系統（地面站）組成，重量為454kg。傳感器采集的整體或局部區域的圖像或視頻信息可以傳送給地面不同的用戶，如裝備手持式OSRVT或ROVER系統的地面部隊或地面站。系統還采用了基于云的內容管理系統進行地理數據的相互關聯。

“女怪凝視”系統可以為前方戰術區域的情報、監視與偵察（ISR）行動進行專門定制，能夠同時為承擔不同任務的用戶提供不同類型的視頻信息。這些信息的內容可以分為3種：概略式的全景式信息；中等分辨率的局部區域信息；最高分辨率的更小區域的信息。這些不同類型的信息不僅可以實現高分辨率的區域監視，而且還可以滿足實時的戰術作戰需求。基于30天的任務數據文檔還可以用于對行動方式以及后期活動進行辨析和預測。

2014年5月，負責提供傳感器轉塔的埃克斯利斯公司（Exelis，隸屬于ITT公司）獲得合同，為“女怪凝視”項目再提供5個紅外傳感器。此前，該公司已經為“女怪凝視”項目提供了6套光電/紅外系統以及6套只有紅外的系統。光電/紅外系統工作時間累計已經超過10000h。“女怪凝視”系統此前已經完成了一次升級，新的傳感器轉塔集成了5個晝用黑白光電攝像機和4個熱像儀，覆蓋范圍為4km×4km，新的紅外系統將把覆蓋范圍提高到8km×8km。傳感器能夠以12次/s的頻率從多個視角采集同一區域的圖像，并將其組合成一幅完整的圖像，并將其傳送給地面站。與以前型號相比，新的傳感器不僅將覆蓋范圍提高了4倍，而且分辨率也更高，能夠為作戰人員提供更多細節的數據，從而有助于更快地做出關鍵決策。一直以來，美國空軍都在尋求擴大這種廣域監視系統的覆蓋范圍，并曾經考慮在其中集成ARGUS-IS系統，從而把覆蓋范圍擴大到10km×10km。

美國陸軍和海軍陸戰隊的機載廣域監視系統

美國陸軍也在積極開發和引進機載廣域監視系統，增強無人機對目標的跟蹤和識別能力。陸軍已經裝備了名為“恒鷹”的機載廣域監視系統，同時海軍陸戰隊裝備了“恒鷹”的升級版——“天使之火”系統。2010年，美國陸軍圍繞傳感器融合技術、廣域搜索傳感器（WAS）技術和一項名為Triclops的多傳感器技術進行了新型無人機傳感器融合技術的原理驗證。這種技術有望通過戰術和戰略傳感器的融合減少無人機的使用數量，降低使用成本。所有傳感器有效載荷將補充和提高陸軍的全面空中ISR概念，并將持續發展應對敵軍不斷變化的戰術和技術。

高分辨率光電有效載荷的發展

作為機載廣域監視系統的核心，高分辨率光電有效載荷的發展也受到軍方和工業界的重視。2012年2月，美國計劃啟動圖像重構及利用先進寬視場架構（Advanced Wide Field of View Architectures for Image Reconstruction and Exploitation， AWARE）項目，旨在利用新的方法開發能夠克服當前攝像機尺寸、視場、像素和波長限制的技術，實現高分辨率、大視場、多波段、寬波段多功能攝像機技術，從而在更遠的距離對目標進行探測、識別和辨別，提升惡劣條件下的環境感知能力。該項目的一項重要工作是由杜克大學開發一種十億像素級晝用攝像機。最后開發出的AWARE 10系統的角分辨率為25mrad，在視場角100°的場景下分辨率超出人眼分辨能力10倍。AWARE 10演示了以光學極限分辨率成像的可行性，為了獲取場景的完整信息，需要攝像機的工作幀頻超過10000幀/s，色彩種類超過100，對焦范圍數量超過10。研究人員可通過物理層壓縮方法實現這些目標，對像素數據進行模擬編碼可降低讀出圖像所需的帶寬。目前，研究人員還在研究壓縮時間和焦距采樣的途徑，從而降低所需帶寬。這種壓縮方法的壓縮因子為100～1000，配以并行讀出電路和壓縮模-數轉化電路，有望實現信息處理能力達每秒鐘十億像素極限速度的攝像機。研究人員在美國海軍研究實驗室成功試驗了14億和9.6億像素級攝像機。這些十億像素級攝像機由100～150臺采用球形鏡頭的小型攝像機組成，小型攝像機具備機內局部畸變校正和自動對焦功能，能夠獲得極高的圖像分辨率，同時體積小于傳統的寬視場鏡頭攝像機系統。

美國空軍“女怪凝視”系統的成功應用還引起了英國等歐盟國家的興趣，也希望具有相似的能力。為了滿足這些要求，埃克斯利斯公司在2014年5月國際無人系統協會（AUVSI）舉辦的會議上推出了一種與“女怪凝視”系統傳感器轉塔類似的產品——“烏鴉星座之眼”1500。“烏鴉星座之眼”1500系統集成有4個2900萬像素的彩色光電相機，這些傳感器被安裝在一個直徑為38.1cm的萬向架上，在白天可以監視周長3km的區域。如果希望在整個大的視場上聚焦到選擇的區域上，操作員可以在機載廣域監視系統上打開10個窗口，并將其放大，從而更詳細地觀察多個目標。但是，這種新機載廣域監視系統的開發并不是完全以“女怪凝視”系統為基礎，因此不能簡單地將其視為后者覆蓋范圍更加適中的縮小版。新的傳感器轉塔的重量為34kg，要比“女怪凝視”系統提供的類似產品更輕，更適合于出口。埃克斯利斯公司已經獲得美國官方的批準，可以將“烏鴉星座之眼”系統銷售給英國、法國、德國等近12個國家。2014年9月，埃克斯利斯公司計劃推出紅外版的“烏鴉星座之眼”1500系統——“烏鴉星座之眼”1500 CN。隨后甚至有可能推出適合于安裝在伸縮桅桿上或浮空器上其他型號。

與“烏鴉星座之眼”1500類似的產品是羅格斯技術公司（Logos）的輕型遠征機載持久監視系統（LEAPS）。該系統集成到一個直徑為25.4cm的轉塔，重量約為25kg，目前安裝在RQ-7B“影子”無人機上。

不足與挑戰

目前，機載廣域監視系統的應用并不多見，這是因為機載廣域監視系統還存在著以下一些不足：

（1）覆蓋范圍還足夠大，目前已知的最大覆蓋范圍也只有10km×10km左右；

（2）傳感器獲得的數據不能在機載平臺上及時有效地進行處理和分發，仍需要回傳到地面站進行處理；

（3）信息處理的自動化和智能化程度不高，需要大量的分析人員。

為了解決這些問題，機載廣域監視系統在技術上需要在以下3個方面實現突破：

開展創新設計，推動大規格探測器技術發展

目前，機載廣域監視系統中普遍采用的傳感器有兩類：晝用的光電攝像機和夜用的紅外熱像儀。晝用光電攝像機采用的光電探測器的規格已經達到了幾千萬甚至更高。目前，美國正在通過AWARE等計劃開發可以與人眼視覺能力以及傳統膠卷攝像機相媲美的數字晝用光電攝像機。AWARE計劃下一步的目標是開發分辨率高達100～500億像素的攝像機，這一分辨率已經超出了人眼所能識別的范圍。利用與并行處理器超級計算機類似的原理，這種圖像重構及利用先進寬視野架構攝像機可通過并行多級微型攝像機獲得寬視場全景圖像。

與晝用光電探測器相比，紅外探測器的發展相對滯后，像素尺寸大，像素規格低。同等規格的探測器成本高居不下。為了縮小紅外探測器與光電傳感器之間的差距，顯著提高其探測和識別距離，國外正在致力于提高探測器的規格，即增加像素數。紅外探測器的規格將越來越高，成像越清晰，這也就意味著相應的紅外熱成像系統的空間分辨率也就越高，對目標的探測和識別能力更強。提高探測器規格有兩種途徑：一種是現有像素尺寸不變，增大探測器陣列尺寸；另一種是在一定尺寸的芯片內通過縮小像素中心距來增加像素數量。襯底材料晶片尺寸很難大幅度提高，因此第一種途徑難度較大。縮小像素中心距將提高對器件制備工藝的要求。這就需要對材料、結構設計以及工藝等進行優化。目前，國外正在進行分子束外延、干法刻蝕以及新的混合工藝的研究。此外，紅外探測器發展的另一個重要趨勢是將更多的信號處理功能集成到焦平面陣列芯片中，從而實現像素級或近像素級的信號預處理。這種紅外探測器就是所謂的“靈巧”或“智能”型焦平面陣列，這種設計可以簡化系統設計，降低裝配和集成難度，提高系統工作的可靠性。加強了信號預處理功能的紅外探測器實際上已經不是簡單意義上的探測器，而是一個集信號探測、讀出、處理與控制等多功能于一體的片上系統（System on Chip，SoC）或可編程片上系統（System-on-ProgrammableChip，SoPC），通過加載不同的算法實現不同的功能，從而大大簡化后續圖像處理系統的設計，便于系統的微型化、微功耗化，也簡化了焦平面接口的設計。隨著技術的進一步發展，圖像處理系統甚至可以與焦平面陣列相結合實現系統級封裝（System in a Package，SiP）。系統級封裝可以將微處理器、存儲器、FPGA、電阻器、電容和電感器合并在一個容納多達4或5個芯片的封裝中。系統級封裝的優勢不僅在于尺寸方面，它能夠在更小的占用空間里提供更多的功能，并降低開發成本和縮短設計周期。設計師可以使用SiP實現子系統，以及采用SoC技術無法實現的、或以前在PCB上執行的系統。此外，SiP技術可以在互連級別上降低功耗和噪音，在混合和配對集成電路技術上更有彈性，并且可以通過采用無源元件減小電路板尺寸。相對于目前基于SoC的解決方案，SiP模塊功能可以通過FPGA和相關板級電路進行必要的前期驗證工作，開發更省時。

開發更先進的圖像處理和信息融合軟硬件

利用無人機執行偵察監視以及其他任務越來越頻繁。2009年，美軍計劃將無人機在伊拉克和阿富汗上空全天時的巡邏次數從現在的35次增加到50次。但是，所需的數據處理能力卻沒有相應的提升，限制制約了無人機效能的發揮。特別是隨著十億像素級機載廣域監視系統的使用，空中監視數據將大幅增加。據稱，ARGUS-IS每天可以輸出約100萬TB（普遍計算機一般硬盤容量為1～2TB）的視頻內容，這樣的視頻數據量相當于高清視頻5000h的錄制量。為了應付這種局面，將從空軍調派2500名分析員從事相關的情報分析工作。蘭德公司2012年曾經表示需要10萬名分析員才能完成無人機數據分析工作。

當前部隊面臨的問題不是缺少數據，而是如何更有效地將大量原始數據轉換成及時、相關、適合和易于理解的信息或情報，通過與原有知識的有效結合更好地幫助軍事決策，提高部隊指揮控制的自動化水平，降低人員負擔，提高部隊作戰效率。為了解決當前的信息過載問題，就需要開發更復雜的計算機算法或改進軟件分析能力，并采用更先進的處理器硬件，以完成復雜的數據處理、過濾、相關、輔助目標識別和融合，從而合成為有關目標、態勢、威脅的信息。大部分信息處理和融合應該在機載平臺上完成，從而以近乎實時的方式為戰役指揮決策和戰術行動提供情報支持，而不需要等到傳送到地面站再進行后期處理。如果說傳感器決定了原始數據的質量，而處理器則通過對原始數據的深度挖掘以及對多種數據進行信息融合來提高信息的精確性和可信度。特別是對于今后機載廣域監視系統來說，處理器的作用甚至開始超過傳感器。目前，DARPA正在資助IBM公司研發一種全新的仿大腦芯片。該芯片的工作方式類似于大腦神經系統，通過分散處理數據和計算過程，并以異步方式處理和傳輸需要的信息，可以實現更精確的態勢感知能力和更準確的威脅識別能力，同時減少系統操作人員的工作量。此外，量子計算機等前沿技術的發展同樣有助于提高對廣域偵察監視系統所獲數據的處理能力，提高其在戰場上的適用性和作戰效能。

提高頻譜利用效率，開發新的通信手段

由于現有片上數據處理能力的制約，機載廣域監視系統獲得的大量原始數據大都是需要回傳地面站，并由相關人員來完成后續處理工作。這種工作方式效率低下，給通信和網絡系統造成了很大的負擔。雖然數據處理和數據壓縮降低了對帶寬的需求，但是沒有海量數據傳輸依然沒有從根本上得到解決。為了在網絡化的作戰環境下充分發揮機載廣域監視系統的技戰術優勢，一方面要提高現有無線電頻譜的利用效率，另外一方面要尋求替代的通信手段。目前，美國軍方正在尋求通過對頻率、時間和空間等資源的動態頻譜分配，在不干擾頻譜擁有方使用的情況下，使美軍通信的頻譜利用率和實用率提高10～20倍，便于更快地構建網絡而不必等待分配頻譜。同時還在積極開展光學和無線電頻率組合鏈路試驗，期望能夠將高帶寬光學通信與無線電頻率通信系統相結合，以演示驗證結構緊湊、耐用和高帶寬的軍用移動通信系統，最終有望實現頻帶更寬、更可靠的高數據速率通信。

未來發展和應用前景

獲取信息優勢已成為奪取現代戰爭主動權并最終贏得戰爭的重要前提和保障，而獲取信息優勢的前提是擁有先進的戰場偵察手段，能夠及時而可靠地獲取各種戰場信息。空中偵察監視作為軍事偵察監視的重要組成部分，具有時效性強、機動靈活等特點，不僅可以在短時間內同時發現多個目標，向各級指揮官提供實時的情報信息，而且還可對目標進行跟蹤識別，因而在未來的戰爭中將繼續發揮著巨大的作用。從未來的作戰模式來看，空中偵察監視特別是空中機動偵察監視能力對于支持地面部隊順利完成各種作戰任務將變得越來越重要。因此，機載廣域監視系統具有非常好的應用前景。機載廣域監視系統未來總的發展方向是作用距離更遠、覆蓋范圍更高、分辨率更高、處理和分發速度更快，能夠更精確更有效地對移動目標進行跟蹤和識別，整個系統自動化水平和智能化程度更高。

為了適應未來作戰方式的轉變，各種偵察監視裝備的配置方式將逐漸從以平臺為中心向以傳感器為中心轉變，機載廣域監視系統在有效載荷和體系結構上將更加通用，不僅適合于無人機，而且未來也可以用于固定翼飛機甚至是飛艇/浮空器。安裝在這些平臺上的廣域監視系統將通過網絡與整個作戰體系相連，從而為部署部隊提供通用、遠程、靈活和可升級的以網絡為中心的空中ISR裝備體系。目前，以光電傳感器為主的機載廣域監視系統還將與雷達進行互補和協同。雷達覆蓋范圍廣，全天候作戰能力強，但是通常分辨率不高。與雷達相比，光電傳感器體積更小、重量更輕，可以在行動開展之前為作戰人員提供更加明確的信息，可以確定某個目標是否是一個真正的威脅。因此，雷達發現的目標可以利用機載廣域監視系統中的高分辨率光電傳感器進行跟蹤和識別，并為后續的精確打擊提供支持。

機載廣域監視系統更重要的意義是體現在戰役和戰術層面，特別是隨著機上處理能力的提高，機載廣域監視系統將為地面作戰部隊實時提供詳實的圖像和視頻信息，使得部隊能夠機動靈活地開展作戰行動。如果再在系統中集成激光指示器等裝備，那么就可以引導空中部隊和地面部隊對目標進行實時火力打擊。機載廣域監視系統的應用將大幅縮短“傳感器-射手”的時間，進一步加快戰爭節奏，為地面戰場以及城區作戰方式帶來革命性的變化。

（責任編輯：黃貞靜）