軍用光電檢測設備模塊化發展分析

沈曉彥，朱 懿，李煒娜，杜夢影

（中國兵器工業標準化研究所，北京 100089）

0 引言

“模塊化設計”的概念源于20世紀50年代的歐美，被定義為“在對產品進行功能分析的基礎上創建并設計出一系列的功能模塊，并通過模塊的選擇和組合構成不同的產品來滿足市場的不同需求”。模塊化設計的優點在于：1）能有效解決客戶個性化需求和大批量生產之間的矛盾；2）有利于產品快速設計，并節約生產成本；3）有利于產品的更新換代和新產品的開發；4）有利于提高產品質量和可靠性；5）模塊互換性強，便于實現標準化和通用化。20世紀90年代后，模塊化設計已被廣泛應用于軍事領域。美國“海狼”號攻擊型核潛艇是世界上第1艘全部采用模塊化設計和建造的核潛艇。2017年4月，美國國防部高級研究計劃局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）繼續支持Hydra項目第2階段的工作，研發具備提供情報、監視與偵察（Intelligence, Surveillance, and Reconnaissance，ISR）和反水雷等重要能力的模塊化有效載荷。特別是近年來，裝備維修保障模塊化的理念已被美俄等外軍采用。

隨著我軍現代化水平不斷提升，新型光電裝備陸續列裝部隊。光電裝備從以前單一化和簡單化的模式逐漸向復雜化和集成化方向發展，由簡單單體裝備向復雜系統裝備方向發展。光電裝備是運用各類光電傳感器，結合相應光電技術，實現偵測敵方信息、傳遞保密消息，以及感知自身姿態等功能的武器系統。而其對應的光電檢測設備是一個集測試、控制和數據處理為一體的集成化應用系統，用于完成光電儀器的性能檢測、狀態監控和故障診斷等諸多任務。目前我軍光電檢測設備大都基于特殊檢測裝備或者任務配備，導致檢測設備日益增多且維護和升級難度加大，故迫切需要引入模塊化的理念。所謂光電檢測設備模塊化是指針對光電裝備檢測性能指標參數，將光電檢測功能設計成一系列模塊，并通過功能模塊的組合，滿足不同光電裝備的檢測需求。本文分析外軍光電檢測設備最新發展動態，提出光電檢測設備模塊化建設思路，為我軍光電檢測設備研制與發展提供借鑒。

1 外軍光電檢測設備介紹及分析

1.1 外軍光電檢測設備

美國、以色列和法國等國家研制的光電檢測產品多為面向多種類型光電儀器的通用化檢測設備，已被廣泛應用于軍用光電裝備的主要性能檢測。本文選擇法國HGH紅外系統公司的通用光電儀器測試系統（Comprehensive O ptoelectronics I nstrument Test System，COPI）、以色列CI System公司的模塊化光電測試系統（Modular E lectro-Optical T est System，METS）、美國SBIR公司的未來光電檢測設備（Future Electro-Optical Test Device，FEO）和便攜式多光譜測試設備（Portable Multi-spectral Test System，PMTS），以及 AAI公司的先進校軸設備（Advanced Bore-sight Equipment，ABE）等具有代表性的產品進行介紹，分析外軍光電檢測設備模塊化結構和技術特點。

1.1.1 通用光電儀器測試系統

HGH紅外系統公司研制的通用光電儀器測試系統（COPI）的工作波段為0.5～14 μm，可實現可見光、微光、激光、電視和紅外熱像等光電儀器的光學性能和光電性能的全方位綜合評價與測試。COPI由3個主要模塊組成：1）光學準直模塊，包含1塊大口徑離軸拋物面反射鏡，反射鏡口徑為150 mm，能夠滿足絕大部分單兵便攜式光電儀器的檢測需求。在檢測不同波段光電儀器時，通過電控旋轉反射鏡可選擇可見光光源、激光光源和差分面源黑體。根據測試需要，也可選配 CCD相機、亮度計、能量計和激光光束質量分析儀等傳感器。2）電源控制模塊，主要用于控制目標光源、切換靶標和校準光軸，同時為被測裝置（Unit-Under-Test，UUT）提供電源與控制信號。3）數據處理模塊，主要是預裝自診斷軟件的圖形工作站，用來遠程控制光源、選取靶標以及全方位評估 UUT的光學性能和光電性能參數。COPI外觀與檢測過程圖見圖1。

圖1 C OPI外觀與檢測過程圖

1.1.2 模塊化光電測試系統

CI System公司研制的光電測試設備既涵蓋便攜小型的光電檢測模塊，也具備功能強大的光電綜合測試系統。2019年CI System推出了模塊化光電測試系統（METS）。METS主要包括高度集成化的光學準直模塊、數據處理軟件和電源控制系統。光學準直模塊將離軸拋物面主鏡、面源黑體和積分球等通過電動靶輪有機整合在一起，配備在生產車間、光學實驗室或后方修理工間，可滿足不同波段光電裝備光學性能、光電性能以及軸線一致性的檢測。METS內部結構圖見圖2。

圖2 M ETS內部結構圖

為滿足通用化測試的要求，METS初步實現了檢測設備的模塊化和系列化。METS光學準直系統的口徑和焦距可根據不同測試對象和測試任務進行組配以滿足所有傳感器孔徑的要求。在數據處理軟件方面，CI System設計的自動測試軟件可通過預編程，對短波紅外、可見光以及激光儀器的主要性能參數進行測試。

1.1.3 未來光電檢測設備

美國國防部制定的下一代自動測試系統研究計劃，主要目的是制定下一代自動測試系統（Automatic Testing Systems，ATS）開放式體系架構與相關標準，明確美軍下一代自動測試系統(Next Generation A TS，NGATS)的發展方向。SBIR公司提供的未來光電檢測設備（FEO）是NGATS的重要組成部分。

FEO數據處理軟件采用專用模塊研制、與貨架產品相結合的硬件開發策略以及開放的系統軟件架構，能夠在最大限度降低成本的前提下，加快研制滿足多種類型光電儀器主要性能指標檢測的保障設備，同時其模塊化設計思路也極大拓展了FEO的技術升級和產品迭代能力。此外，FEO數據處理軟件采用 IR W indows部署軍事測試程序集（Test Program S et，TPS）的光電測試開發和執行環境，能夠極大縮短TPS的開發和調試時間。FEO外觀圖見圖3。

圖3 FEO外觀圖

FEO所有測試模塊均集成在1個標準機柜中，其核心部件為1個口徑為183 mm的離軸拋物面主鏡，大孔徑和長焦距光學準直系統的設計能夠使其滿足美陸軍便攜式光電裝備、大型裝甲車輛晝夜瞄準系統，以及多傳感器武器發射與跟蹤傳感器的主要性能指標的檢測需求。為便于安裝 UUT，FEO的前面板安裝有不同的適配接口，能夠利用專用夾具可靠連接UUT，并將其光學窗口和FEO的準直器進行光學準直，從而方便又快捷地完成檢測任務。另外，不同波段的目標光源和分劃圖案可在程序控制下自動定位在FEO準直器的焦平面上。根據不同UUT的光學特性，電控調整紅外黑體、可見光光源、激光能量探測器和激光距離模擬傳感器，以實現不同波段光電裝備的主要性能檢測。

1.1.4 便攜式多光譜測試設備

SBIR和Lockheed Martin公司聯合研制，提供給美國海軍的一種基于模塊化設計的、便攜小型的第3代測試裝置（Third Echelon Test Set，TETS），屬于便攜式多光譜測試設備（PMTS）。PMTS采用模塊化設計，分為光學準直系統、電源系統和目標光源3個模塊，使用時可實現快速組裝，測試完成后可快速拆解，便于運輸或攜帶。PMTS的測試對象包括美國海軍各型可見光、紅外熱像和激光系統。PMTS功能模塊圖見圖4。

圖4 多光譜測試設備外觀圖

1.1.5 先進校軸設備

多光軸一致性檢測是確保武器系統打擊精度的重要保證，AAI公司在美國國防部支持下從20世紀90年代就開始研究基于慣性原理的校軸方法，解決了以往大口徑平行光管無法完成的大間距機械軸線與光電軸線一致性測量的問題。研制的先進校軸設備（ABE）累計訂購160余套，保障了20余種高技術兵器的打擊精度。AAI公司研制的310A型 ABE采用慣性測量技術，無須架設平臺或三腳架、不用將被測對象頂起及調整水平位置，可應用于多任務平臺。圖5為310A型ABE設備組成情況，主要包括動態慣性測量裝置、基準慣性測量裝置、數據處理運算裝置、基準框架、手持式顯示控制器，以及一系列校靶轉接鏡。

圖5 310A 型ABE設備組成情況

1.2 外國軍隊光電檢測設備模塊化結構分析

外國軍隊（尤其是美軍）裝備實行的是部隊級和基地級2級維修體制。根據部隊級維修檢測和基地級維修檢測不同的條件和需求，外國軍隊研制了適用于不同場景的光電檢測設備。HGH紅外系統公司的COPI，CI System公司的METS以及SBIR公司為美軍NGATS研制的FEO均可作為基地級光電檢測設備，一般配屬在后方修理工間，具有檢測范圍廣和檢測精度高等優點。SBIR公司的 PMTS、AAI公司公司的ABE，以及CI System公司的CTU等光電檢測設備，因體積小巧、操作簡單、檢測質量穩定，主要配備于基層部隊使用。但不論是基地級檢測設備還是部隊級檢測設備，在結構上均體現了模塊化。表1總結了上述5種軍用光電檢測設備的模塊化結構。

表1 軍用光電檢測設備的模塊劃分

1.3 外國軍隊光電檢測設備模塊化技術分析

外國軍隊光電檢測設備無論是小型便攜的部隊級檢測設備，還是測試范圍更廣的基地級檢測設備，都是依據實際任務需求開展功能分析與設計研制的。外國軍隊部隊級光電檢測設備多為完成特定功能檢測而研制，如光軸一致性的檢測。光電檢測模塊通常包括可見光、微光、激光和紅外等光源模塊，以及光學準直模塊等。外國軍隊基地級光電檢測設備一般采用開放式的架構和可共享的光學平臺，搭配通用模塊和專用檢測模塊進行多光譜多參數的測量。

外國軍隊光電檢測設備模塊化技術的特點如下：

1）遵循模塊化設計理念，根據檢測原理，適當劃分功能模塊。光電裝備的檢測原理比較成熟，可分為成像式和非成像式。對于成像式光電裝備，一般都需要為UUT提供無窮遠目標，因此，可劃分出光源模塊、準直模塊、數據采集模塊和電源模塊。光源模塊提供特定波段的光線，照亮模擬靶標，然后通過準直模塊形成平行光，再經過 UUT的數據采集模塊收集和處理檢測信息，最終得到檢測結果。成像式光電裝備被檢參數包括分辨率、光軸一致性和畸變等。對于非成像式光電裝備，一般只需提供相應的接收測量模塊，如亮度計、能量計和光束質量分析儀等，測量復雜度相比成像式較為簡單。非成像式光電裝備的被檢參數包括激光的能量、發散角和脈沖參數等。

2）在波長不同、檢測參數相同的情況下，可以共用同一模塊。最典型的是核心部件光學準直模塊，其光譜作用范圍需要覆蓋可見光、微光、激光、中波紅外和長波紅外波段。因此，一般采用離軸拋物面作為主反射鏡的反射式光學結構，其優點在于光譜作用范圍寬，能夠涵蓋所有需要用到的波段，且由于金屬拋物面鏡良好的反射特性，可有效避免色差對檢測結果的影響。此外，反射式光學準直系統設計還可大大減小檢測設備的體積和重量。其他模塊也或多或少具有該特點，如黑體光源可同時提供可見光和紅外光，集成化的多光譜靶標可同時對多種光譜光電裝備進行光軸一致性檢測。

3）不同的檢測參數可共用同一模塊。凡是需要使用平行光作為輸入進行檢測的參數，都需要用到光學準直模塊，如分辨率、視場和畸變等參數。同理，同一光源模塊和相機模塊也可用于多種參數的檢測。數據處理模塊是大多數參數檢測不可缺少的組成部分。

4）大量創新技術的應用加快了光電檢測設備的升級換代。如在校軸設備研制方面，慣性自準直技術、光路折轉技術和分光技術的應用，大大提高了檢測設備的通用化水平，使得研制一種檢測設備即可滿足多型號或同類型裝備的技術保障要求成為可能。

5）在光電檢測設備的論證設計方面，充分考慮了不同層級修理任務的實際需求。美軍現行維修體系包括部隊級和基地級維修作業體系，為滿足不同任務需求，光電檢測設備在總體方案設計上更具有針對性，不但有適應陸軍基地級維修的FEO系統，也有能夠快速部署且便攜機動的小型專用檢測裝置。

2 借鑒和啟發

軍用光電檢測設備對武器裝備迅速恢復偵察打擊等作戰性能至關重要。未來的軍用光電檢測設備應向模塊化和系列化發展。爭取做到檢測功能的通用化和系列化、檢測技術的自動化和智能化，以及模塊結構的標準化。軍用光電檢測設備的研制重點包括3點：

1）開放式的結構

為滿足不同任務需求，光電檢測設備在總體方案設計上應具有開放式架構。結構上的硬件必須滿足可操作性、可移植性和可互換性等基本要求，這樣有利于系統維護、擴展和升級。將用途相同的共性功能統一整合，形成可共享的光學平臺，它是任何一套光電檢測設備都應具備的部分。將不同的功能檢測形成不同類型的模塊實現。多樣化的專用模塊與通用模塊組合，可形成適用于各種檢測對象的不同檢測設備。只要是符合標準化、模塊化設計，在機械結構、接口等方面與光學平臺兼容的模塊，均能夠接入到檢測系統當中。軟件的設計必須多方面考慮，采用框架化、模塊化和多層次化的處理方法，把數據和測試程序分開（如 FEO），從而實現測試軟件的通用性和靈活性。根據不同的檢測應用，將軟件劃分成通用軟件、管理軟件與應用軟件，通用軟件連接對應的應用軟件進行運作。

2）模塊化的設計

檢測模塊的設計需要為檢測指標（模塊功能）和模塊結構進行解析和劃分。軍用光電裝備的檢測內容相對比較簡單，一般涉及分辨率、光軸一致性和成像質量等。以分辨率檢測舉例，檢測對象涉及可見光和紅外光，這2種波長分辨率的檢測原理相同。光源（可見光或黑體）通過分辨率靶標和光學系統（透鏡或金屬反射鏡），進入電荷耦合器件（Charge Coupled Device，CCD）或互補金屬氧化物半導體（Complementary M etal Oxide Semiconductor，CMOS）成像系統，由傳感器采集數據后在軟件系統上處理。CCD成像系統或CMOS成像系統是較為成熟的貨架產品，可作為模塊來看待。可見光及黑體可設計成光源模塊。靶標和光學系統有2種模塊設計方案。方案1將分辨率靶標和透鏡組合成模塊1用于檢測可見光，并將分辨率靶標和金屬反射鏡組合成模塊2用于檢測紅外光。方案1的優點是光學系統相對穩定、成像質量好，以及方便攜帶；缺點是模塊體積相對較大和測試功能單一。方案1適用于部隊級檢測。方案2將靶標做成模塊1（可以是靶標輪的形式），將透鏡和金屬反射鏡組合成模塊2。方案2的優點在于：（1）靶標輪可插裝多種靶標，進而實現多種指標檢測，如視場、畸變和均勻性等。（2）可通過改變靶標圖案，做成系列化靶標，以檢測不同分辨率精度。根據武器系統可見光和紅外檢測波長的要求，通過切換可測波長，以及改變透鏡鍍膜特性等方式，形成系列化光學系統。（3）此種模塊體積相對較小，可根據檢測任務快速更換，適用于光學平臺。根據上述分析，方案2適用于基地級檢測。

3）標準化的要求

軍用光電裝備的功能結構各異，為提高檢測設備的通用性和靈活性，縮減檢測維修設備種類，需要對不同功能模塊的性能指標分配和安裝基礎等提出標準化要求。在研究制定軍用光電裝備檢測設備模塊相應標準規范時，可根據功能用途劃分為通用模塊和專用模塊。通用模塊大致包括共享光學平臺、軟件、光源和接口；專用模塊則可按波段劃分為可見光、激光和紅外檢測模塊，并在需要時開展進一步的模塊細化標準研究。通過對軍用光電檢測設備提出模塊及模塊化共性要求，規范模塊設計研制。

3 結論

結合軍用光電裝備檢測任務的特點，引進模塊化檢測設備的研制方法，既有利于提高軍用光電檢測設備的可靠性，又有利于檢測設備的更新換代和新產品的開發，可在費用合理的前提下以盡可能小的經濟代價獲取裝備維修保障效益的最大化提升。因此，有必要對軍用光電檢測設備的模塊化設計相關關鍵技術及其應用開展進一步研究，為研制單位實施檢測模塊化提供通用的和可操作的技術方法。