無人機光電任務載荷成像傳感器分析

航空工業洛陽電光設備研究所，河南省 洛陽市 471009

結合國外無人機光電任務載荷成像傳感器發展情況，對可見光傳感器、長波紅外傳感器、中波紅外傳感器和短波紅外傳感器的特點進行了分析，對光電任務載荷成像傳感器的未來進行了展望。

無人機光電任務載荷主要采用成像傳感器收集目標/背景輻射或反射的信號，通過模擬或數字處理生成供人眼觀察的圖像，具有被動探測、抗電磁干擾，提供的圖像情報直觀、實時、分辨率高等特點，能夠有效增強飛機平臺的態勢感知能力。目前，光電任務載荷成像傳感器主要包括可見光和紅外兩種類型。隨著技術的不斷發展，成像傳感器在探測波段、分辨率、體積重量等方面取得的長足發展，為提升光電任務載荷的探測能力起到了非常大的促進作用。

可見光傳感器

可見光傳感器也稱為電視攝像機，其工作波段一般在0.5～1μm之間，包含了人眼可響應的波段。可見光傳感器主要觀測目標的光譜反射輻射特性，依賴太陽光照明，通過增加和減少有效的采集時間來適應環境光的變化。可見光傳感器獲取的圖像感觀上與人眼直接觀察的圖像相同，圖像細節豐富，非常有利于人的視覺系統識別目標，紅外探測雖然白天也可以使用，但也不能替代可見光探測。由于復雜天氣下可見光的穿透能力有限，同時夜間目標反射的可見光十分微弱，因此可見光傳感器在復雜天氣和夜間使用受到限制。

可見光探測器件已由膠片、模擬制式的線列探測器向大面陣數字制式方向發展，CCD/CMOS器件的成像質量已經趨于完美，分辨力與膠片基本相當。早期可見光傳感器主要輸出灰度圖像，視頻分辨率普遍不高，隨著技術的發展目前能夠輸出彩色高清圖像，能夠很好的利用目標顏色特征完成對目標的識別，這對搜救和近距火力支援方面有很大的幫助。美國“捕食者”無人機目前裝備的雷神公司MTS-B光電系統包含可見光彩色傳感器，最小視場達到0.11°×0.08°，可見光傳感器成像效果如圖1所示。

紅外傳感器

紅外傳感器是光電任務載荷實現晝夜探測能力的主要傳感器，主要分為長波紅外傳感器、中波紅外傳感器和短波紅外傳感器。其中，長波紅外傳感器工作在8～12μm，中波紅外傳感器工作在3～5μm，短波紅外傳感器工作在1～3μm。長波紅外傳感器和中波傳感器主要利用物體(目標/背景)自身發射的紅外波段的輻射完成對目標的探測，完全不依賴周邊環境的光源，可在晝夜條件下使用，是其他傳感器不可替代的光學探測通道。短波紅外傳感器主要利用目標反射環境中的短波紅外輻射來實現探測，能夠提供可見光、中波紅外和長波紅外所不能提供的信息，對在紅外波段全面獲取目標的信息具有重要意義。

長波/中波紅外傳感器

圖1 可見光彩色傳感器成像圖

圖2 中波紅外傳感器成像圖

長波/中波紅外傳感器也稱為長波/中波紅外熱像儀，主要探測目標的熱輻射，長波傳感器在早期機載光電偵察系統中應用十分廣泛，主要采用線列+機械掃描方式實現對目標的成像，由于地面目標在長波波段輻射強度較大，同時長波探測器能夠很好的克服戰場環境下火焰等目標的干擾。因此，早期無人機光電任務載荷中得到了應用，但由于制冷型碲鎘汞長波探測器存在成本高、穩定性較差和大面陣制備難度大等問題，隨著銻化銦技術的進步，中波紅外探測器面陣規模不斷擴大，通過增加積分時間等手段，獲得了很好的成像效果，在無人機光電任務載荷中得到了很好的應用，例如美國FLIR系統公司研制的Star SAFIRE380-HLD采用1280×720銻化銦探測器，最小視場達到0.35°，能夠輸出高清紅外圖像。中波紅外傳感器成像效果如圖2所示。

短波紅外傳感器

圖3 短波紅外傳感器透過汽車玻璃成像效果圖

短波紅外傳感器利用目標反射環境中的短波紅外輻射來實現探測，能夠在霧霾和風沙等惡劣氣象條件下正常工作，由于其工作波段與激光器工作波段重合，能夠探測激光光斑的同時，也可以與激光組成選通成像系統，實現對目標的全天時遠距主動探測成像。此外，短波紅外傳感器能夠穿透玻璃觀測目標，例如看到汽車內部情況(見圖3)，這將對警用和軍用偵察任務方面提供很大的幫助。目前，采用銦鎵砷材料制備的短波紅外傳感器無需制冷，在0.9～1.7μm波段具備很高的探測靈敏度，在無人機光電任務載荷中得到了廣泛的應用，幾乎目前所有先進的無人機光電任務載荷均配備了短波紅外傳感器，L-3 WESCAM公司的MX-25光電系統短波紅外傳感器最小視場達到0.2°，能夠對幾十千米外地面車輛清晰成像，FLIR系統公司研制的Star SAFIRE380-HLD系統短波紅外傳感器能夠對激光光斑成像(如圖4)。短波紅外傳感的應用是光電任務載荷發展的一個十分重要的方向。

光電成像傳感器的發展

無人機光電任務載荷通過光電成像傳感器提供實時大范圍區域的高分辨率圖像，在警用、軍用等多個領域發揮了關鍵作用，隨著使用需求的發展和光電技術的進步，光電成像傳感器的發展將呈現以下趨勢。

空間分辨能力不斷向高分辨率發展

光電成像傳感器的空間分辨率決定了系統的作用距離和操作人員對目標的辨識能力，而空間分辨率取決于光學系統焦距和探測器像元尺寸，隨著光學設計、加工工藝及光學裝調技術的發展和大陣列探測器制備技術的發展，使得光電成像傳感器的空間分辨率不斷提高，也提升了對目標的作用距離。例如，L-3 WESCAM公司的MX-25光電系統采用1280×1024中波紅外探測器和長焦距光學系統實現了0.86°極窄探測視場，單個像元空間分辨率達到近14μrad，能夠對遠距目標實現高分辨率成像，提升目標的探測距離。

圖4 Star SAFIRE380-HLD系統短波紅外傳感器對車輛和激光光斑成像圖

圖5 不同空間分辨率對目標探測效果影響對比圖

多傳感器綜合使用提升感知能力

無人機光電任務載荷將可見光、長波紅外、中波紅外和短波紅外等多種傳感進行集成，通過不同傳感器的組合使用能夠充分發揮各自優勢，提升系統的性能，如利用紅外與可見光圖像的特點進行融合實現對目標的有效探測識別；利用短波紅外與激光照射器組合實現對激光光斑的實時探測和修正，確保激光光斑照射在目標上，提高對武器系統的引導精度；根據人眼視覺特性利用圖像增強算法對圖像進行處理，由“看見目標”向“看清目標”方面發展，降低操作人員觀察目標過程中的工作強度。

展望

由于機載環境對光電任務載荷體積、重量和功耗限制，在未來可以預見光電成像傳感器將向著綜合化、小型化和模塊化方向，在此前提下不斷提升性能指標，包括探測器面陣規模、光學焦距、探測波長范圍，主要目的仍然是滿足戰場任務瞬息變化和多樣性的要求。未來無人機可能將逐步取代攜帶光電任務載荷執行任務的有人直升機，中等尺寸的無人機可以執行同樣的識別和瞄準任務，而且成本較低，同時沒有人員傷亡的風險。