小型高性能無人機載光電吊艙的發展現狀與方向

梁衛清，魏志強，袁紅偉，路建華

（1.中國人民解放軍63618 部隊，新疆 庫爾勒 841001；2.中國電子科技集團公司第三研究所，北京 100015）

0 引 言

無人機（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）是當今世界軍用及民用領域的發展熱點。20 世紀60 年代，美國首先將無人機用于軍事偵察，此后，無人機先后參與了多次戰爭，均發揮了重要的作用，在情報偵察、空中監視、目標指示、電子干擾、戰損評估等軍用及民用領域得到了廣泛應用，取得了令人矚目的業績[1-2]。同時，無人機在通信中繼、反恐維穩、搶險救災、農業植保、電力與石油管道巡線、地理測繪及勘測、環境監測、商業航拍等軍事及民用等領域得到廣泛應用。無論是情報信息搜集還是引導無人機實施定點清除行動，都離不開偵察設備。光電吊艙作為無人機重要的光學載荷，作為無人機的“眼睛”，給操控人員提供無人機空中采集的直觀畫面，為指揮決策提供重要依據[3-9]，發揮著非常關鍵的作用。

小型無人機受到自身重量及動力限制，能搭載的載荷相對較小。目前，小型無人機的供電主要有電池供電、燃油發電及油電混合方式，小型無人機的巡飛時間在幾十分鐘到數小時不等。對于使用電池供電的小型無人機，在滿足自身用電需求的情況下，其載荷越輕、功耗越小，巡飛時間越長，這就需要在保證光電吊艙具有高性能的前提下盡量實現質量輕、功耗小。

本文討論的小型光電吊艙特指質量在5 kg以下、適用于小型無人機的多光譜光電吊艙，配置可見光電視、紅外熱像儀、激光測距機或激光指示器等儀器。本文以國外典型高性能Epsilon 180、11EOIR4.5 光電吊艙為例，在介紹其功能、性能指標的基礎上，指出國內小型光電吊艙的發展現狀及不足，分析小型光電吊艙發展趨勢。針對現狀，從研制小型化光電吊艙實際出發，給出關鍵技術及發展思路。

1 國外小型高性能光電吊艙簡介

無人機對光電載荷的基本要求是看得到、看得遠、看得清。拉脫維亞章魚ISR 系統（Octopus ISR Systems）在2020 年陸續推出一系列小型光電吊艙，其中Epsilon 180 機載光電吊艙為典型的小型高性能光電吊艙，集成度高、體積小、質量輕。同樣，美國HoodTech 公司的11EOIR4.5 光電吊艙也具有優秀的性能指標。二者在各自官網分別列出的主要配置及指標如表1 所示。

表1 兩款典型小型光電吊艙的主要配置及指標

可見，兩款高性能小型光電吊艙均集成4 種光學傳感器于一身，最大的特點是均采用制冷型紅外熱像儀。而Epsilon 180 系統質量3.75 kg，直徑僅有180 mm，特別適合于小型無人機的光電載荷。Epsilon 180 系統還具備如下功能、特性：

（1）目標跟蹤、引導、目標指示；

（2）地理定位、實時目標定位；

（3）H264/H265 視頻壓縮與本地存儲，自帶32 GB 的SD 存儲卡；

（4）具備拍照、畫中畫雙路視頻顯示、圖像增強等功能；

（5）具備3 軸電子穩定功能、火炮發射校正軟件；

（6）IP64 防護等級，具有高密封性并充滿干燥氣體；

（7）采用先進的鎂合金結構，內部無任何3D 打印結構件，環境適應性好。

由于采用了制冷型紅外熱像儀，Epsilon 180 系統靈敏度高、作用距離遠，能提供高質量的紅外圖像，對1.7 m×0.5 m 大小目標的探測距離及識別距離分別達到8.6 km，2.9 km，對2.3 m×2.3 m 大小目標的探測距離及識別距離分別達到12.4 km，7.0 km。

Epsilon 180 系統在重量、尺寸、配置的紅外熱像儀、可見光電視以及激光測距機的指標上優于美國HOODTECH 公司的質量4.2 kg、直徑245 mm 的11EOIR4.5 光電吊艙相應功能及指標。Epsilon 180系統為目前見報的性能指標最好、質量最輕的光電吊艙。

2 國內光電吊艙發展現狀

國內小型無人機在飛速發展，眾多軍工、民企等研發了多款性能優異的小型無人機。對于電動無人機，其飛行距離及續航時間受到供電及通信鏈路等因素的限制。隨著新型電池技術及低功耗器件的不斷發展，小型無人機可以巡航的時間不斷增長，飛行距離從幾十公里提高到幾百公里。

國內與小型無人機相配套的光電吊艙設備技術水平與國外仍存在較大差距。根據調研，國內尚無上述Epsilon 180 及11EOIR4.5 技術水平的小型光電吊艙。目前國內光電吊艙若要達到上述配置并具備相應功能，則光電吊艙的質量不低于8 kg，體積也相對較大。換言之，國內5 kg 級的光電吊艙多數配置為非制冷型紅外熱像儀而不是制冷型紅外熱像儀，作用距離相對較近，配置的激光測距機測距能力多數在10 km 以下，且一般不具備慣導系統，功能相對簡單。

3 存在的問題

配置制冷型紅外熱像儀，是提升小型光電吊艙性能的重要環節之一，尤其在夜間或霧氣較大天氣情況下，對紅外熱像儀或制冷型紅外熱像儀的需求更加強烈，這也是特定應用場合下光電吊艙保證正常工作的基本要求。目前，國內制冷型紅外熱像儀的體積、質量相對較大。根據調研，目前國內紅外熱像儀生產廠家生產的與Epsilon 180 系統中同等性能的制冷型紅外熱像儀質量基本在1 kg 左右甚至更重，為維持相應的穩定精度，其光具座加重，伺服驅動電機功率、扭矩隨之增加，整機設備質量隨之增加。另外，國內小型光電吊艙功能相對單一，集成度不高、性能指標相對較低，競爭力不高，不能滿足小型無人機對高性能、輕量化、低成本、多功能光電吊艙的實際需求，主要表現在以下方面。

（1）光學設計技術不足。光學鏡頭是影響光學傳感器作用距離的重要因素之一。光學鏡頭的設計需要兼顧視場和分辨率，在變焦過程中不應出現圖像不清晰、目標丟失的情況，提高人機功效[10]。一定條件下，光學鏡頭焦距越長，作用距離越遠。而國內設計的光學長焦鏡頭一般體積較大、質量較重，進而導致光學傳感器整機質量及體積大，限制了其在小型化高性能光電吊艙中的應用。

（2）設備集成能力不高。光電吊艙內部，不同光學傳感器控制、圖像處理、伺服控制、慣性導航系統之間缺乏統一規劃及集成，阻礙了設備的高集成性。

（3）功能不夠豐富。目前，國內小型光電吊艙的功能相對單一。未來光電吊艙不僅需具備晝夜視頻采集、拍照、目標搜索、跟蹤、識別、測距等功能，還需對目標具備更遠的作用距離，具有目標地理定位、系統導航、武器引導、數字地圖、信息共享、網絡通信等功能，具備更強的信息處理能力及更好的環境適應能力。

（4）小型化結構設計及機加裝配能力不足。小型化結構設計涉及電機、位置及速率傳感器等器件的小型化、輕量化，因此，在滿足高性能的同時，各器件的體積、質量指標越小越好。同時，高精尖的加工技術、裝調工藝相對落后[11]，也限制了小型化設計的有效實施。

隨著機載平臺作戰需求的提高、作戰模式的改變以及民用領域需求的不斷提高，未來光電吊艙會不斷向多功能、集成化、小型化、輕量化及智能化等方向發展[12]。

4 關鍵技術及發展思路

隨著國內光電核心器件、圖像處理技術、伺服控制技術、光學設計、裝配工藝等技術的不斷發展，小型光電吊艙的功能和性能指標將得到大幅提升，也會不斷縮小與國外的差距。對此，本文從需求迫切的小型高性能光電吊艙研制實際出發，給出發展思路。

4.1 光學載荷的多樣化與融合

同等體積、質量下集成的光學載荷越多、功能越強大，光電吊艙設備的競爭力及適應力越高。光電吊艙對各組成部件的單個光學載荷性能指標提出了較高的要求，在滿足各自指標的前提下，重量、體積越小越好。

體積小、重量輕，也就為光學載荷的多樣化與融合打下基礎。未來，光學成像載荷不僅局限于可見光及紅外波段，更會擴展到包括近紅外在內的多光譜以及波段較多的高光譜。這樣，獲取的目標細節更豐富，態勢感知能力更強，信息更全面、可靠。

4.2 提升設備集成能力

紅外熱像儀等固定結構件可以與吊艙本身的光具座實現一體化設計，減少質量。伺服控制電機的負載、功率、力矩估算準確，擇優選擇最適合的電機型號，亦可減少傳動軸系環節的質量，實現小型化設計[13]。

圖像處理、伺服控制、光學鏡頭及光學傳感器控制等系統可采用總線形式，實現集中控制，功能更集成，可以減少電路板的數量，減小設備體積。

4.3 模塊化結構設計

高性能光電吊艙對結構整體架構、布局提出了更高要求。尤其是小型光電吊艙，其結構形式由其穩定精度指標以及所搭載的傳感器種類和數量決定，因此其體積、重量及整機的結構形式會有所不同。在結構設計、散熱設計、結構選材、機加裝配、減振機構設計選型等環節，要根據實際需求進行迭代擇優。

光電吊艙的整體造型設計，要結合吊艙使用要求和飛行要求綜合考慮，在滿足結構穩定性、剛度要求的前提下，還應滿足光學視場探測范圍的需要，做到造型美觀，對關鍵零部件進行力學仿真校核，實現結構緊湊、剛度高的小型化、輕量化設計[14-15]。同時，模塊化結構設計也可方便根據不同用戶的需求靈活配置相應的光學傳感器。

4.4 低成本設計

在滿足功能、性能指標的前提下，低成本始終是設備研制需要考慮的重要因素。為減少質量，結構材料上可以選用質量較輕的鎂合金，但相應結構件在質量減少三分之一的同時，成本也會提升兩倍以上。

因此，在設計結構時，合理確定哪些件可采用鋁合金或碳纖維材料，哪些結構件采用輕質鎂合金材料，也需要在成本、結構剛度及設備質量之間折中考慮。

5 結 語

隨著小型化無人機的廣泛應用，小型電動無人機對體積小、質量輕、功耗低、性能高的光電吊艙需求迫切，這為小型光電吊艙設計提出了更高的要求。本文在介紹國外典型高性能光電吊艙Epsilon 180、11EOIR4.5 的功能及性能指標基礎上，指出國內小型光電吊艙的現狀與存在的問題，結合小型光電吊艙發展趨勢，提出關鍵技術及發展思路。隨著我國核心器件、工藝、加工、裝調水平的不斷提升，國內小型化光電吊艙的技術水平、競爭力也會不斷提升。