光電傳感器在戰(zhàn)場(chǎng)偵察車上的應(yīng)用與發(fā)展

1、光電傳感器在戰(zhàn)場(chǎng)偵察車上的應(yīng)用與發(fā)展（機(jī)械參數(shù)測(cè)試技術(shù)課程論文）學(xué) 院： 機(jī) 電 工 程 學(xué) 院班 級(jí): 2014級(jí)濟(jì)軍工程碩士姓 名: 李 然 然學(xué) 年 學(xué) 期：2014-2015學(xué)年第一學(xué)期學(xué) 號(hào): 報(bào)告完成日期： 二一五年一月十二日總 成 績：光電傳感器在戰(zhàn)場(chǎng)偵察車上的應(yīng)用與發(fā)展 目前, 世界各國均已認(rèn)識(shí)到, 戰(zhàn)爭將是在核威懾條件下常規(guī)武器戰(zhàn)爭向數(shù)字化戰(zhàn)爭發(fā)展, 作戰(zhàn)方式和作戰(zhàn)手段將發(fā)生重大變化, 且精確制導(dǎo)武器已被大量應(yīng)用, 武器的射程、命中率和殺傷率都已達(dá)到極高水平的作戰(zhàn)模式。在戰(zhàn)場(chǎng)瞬息萬變的情況下, 為充分發(fā)揮部隊(duì)和武器的最大作戰(zhàn)效能, 實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地了解戰(zhàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)、敵方戰(zhàn)區(qū)和全縱深內(nèi)

2、的戰(zhàn)略及重要戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)的有關(guān)圖像信息顯得越來越重要。因此,各國都在發(fā)展先進(jìn)的偵察車以爭取贏得戰(zhàn)爭的勝利。若按操控分類,目前的戰(zhàn)場(chǎng)偵察車可以分為有人偵察車和無人偵察車2大類, 其主要用途都是利用偵察車上的偵察設(shè)備對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)視和偵察, 在晝夜任何時(shí)間和復(fù)雜條件(包括雨、雪、霧、煙 幕、屏障和強(qiáng)烈光源干擾等情況)下, 對(duì)目標(biāo)進(jìn)行搜索、探測(cè)、識(shí)別和監(jiān)視。無人偵察車的發(fā)展與應(yīng)用可使部隊(duì)面臨的風(fēng)險(xiǎn)降到最小,還可使作戰(zhàn)手段多樣化,增強(qiáng)指揮官的應(yīng)變能力,把人從武器系統(tǒng)中解放出來,降低了防護(hù)要求,縮小了車輛的體積,提高了作戰(zhàn)平臺(tái)的生存能力和作戰(zhàn)效能。因此, 從戰(zhàn)略意義上來說, 無人偵察車必將產(chǎn)生極其深遠(yuǎn)的影

3、響。無論是有人還是無人偵察車,其受到青睞和賞識(shí)的最主要的原因都是偵察平臺(tái)傳感器。通過傳感器的偵察系統(tǒng),實(shí)施晝夜全天候偵察,可以提高武器系統(tǒng)性能 15%150%,并提高武器的單獨(dú)作戰(zhàn)能力和戰(zhàn)術(shù)性能。一、國外傳感器系統(tǒng)在偵察車上的應(yīng)用狀況 過去, 在自動(dòng)化技術(shù)成熟之前, 各國對(duì)所需要的偵察傳感器從來沒有很好地解決,仍然依靠人控制的平臺(tái)實(shí)施偵察。據(jù)稱,美國陸軍在國家訓(xùn)練中心進(jìn)行的演習(xí)中,其偵察兵遇到真正對(duì)抗時(shí),信息丟失率竟高達(dá)50%,究其原因是偵察平臺(tái)性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足數(shù)字化戰(zhàn)場(chǎng)的需要。因此,這給各先行部隊(duì)偵察車帶來了重要的課題,必須對(duì)偵察車進(jìn)行 重大的革命性改進(jìn)。以美國為首的許多國家已投入了大量的高

4、技術(shù)力量,對(duì)各種傳感器作了重點(diǎn)開發(fā)和研制,使其除了具有在空間和時(shí)間上進(jìn)行不間斷的警戒監(jiān)視、實(shí)時(shí)目標(biāo)識(shí)別、位置標(biāo)定和目標(biāo)狀態(tài)確定等功能之外, 還提高了各種傳感器的數(shù)據(jù)收集、自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別及處理功能,以及與其他數(shù)據(jù)進(jìn)行融合的人工智能傳感器的功能。因此, 多樣化、多功能、高效的傳感器正在越來越多地出現(xiàn)。例如, 歐洲和拉美國家已把新的集成傳感器用于奧地利和德國的“芬耐克”, 英、美的“垂寬”及捷克的“斯奈卡”等偵察車; 美國研制的遠(yuǎn)距監(jiān)視偵察系統(tǒng)(LRA S3)是一種美國陸軍偵察用的多傳感器系統(tǒng),具有晝夜目標(biāo)探測(cè)、分辨、識(shí)別和測(cè)距等能力,可在威懾區(qū)外執(zhí)行偵察任務(wù)。類似的還有俄羅斯研制Credo21s多傳

5、感器系統(tǒng),波蘭 98型BRDM22偵察車上的多傳感器系統(tǒng),德國研制的BAA傳感器RGV,捷克Snezka偵察車裝備的一種新型多傳感器, 加拿大RV SS偵察車上的監(jiān)視系統(tǒng),南非A S2000 增強(qiáng)型炮兵觀察系統(tǒng),瑞典的球型光電傳感器地面?zhèn)刹煜到y(tǒng),荷蘭和德國聯(lián)合研制的“郭狐”偵察車,美、英聯(lián)合研制的“追蹤者”戰(zhàn)場(chǎng)偵察車多傳感器系統(tǒng)。傳感器有如偵察車的眼睛和耳朵,因此合理選擇傳感器就顯得格外重要。目前各國根據(jù)經(jīng)濟(jì)狀況 和使用條件等要求, 在偵察車上配置了檔次高低不 同、數(shù)量不一的傳感器, 但大致不外乎選用可見光 觀瞄鏡、夜視鏡、激光測(cè)距機(jī)等一般光電傳感器。隨 著高科技的迅速發(fā)展, 高性能的傳感器將

6、不斷開發(fā) 和應(yīng)用, 如英、美“垂寬” (TRACER)gFSCS 將裝備一套先進(jìn)的 C4I系統(tǒng)和一個(gè)先進(jìn)的可升降的全天 候多光譜傳感器系統(tǒng)(包括長距離的第三代傳感 器) , 可自動(dòng)進(jìn)行目標(biāo)探測(cè)和識(shí)別; 另外還有一組先 進(jìn)的數(shù)據(jù)融合、顯示器件, 采用激光指示目標(biāo)定位, 并自動(dòng)傳輸目標(biāo)信息。美國遠(yuǎn)距離監(jiān)視偵察系統(tǒng) (LRA S3)傳感器包括二代前視紅外熱像儀、微光 電視、人眼安全激光測(cè)距機(jī)、全球定位系統(tǒng)(GPS)、 數(shù)字指南針等多傳感器, 其中采用地平線技術(shù)集成的 HT IgSGF 熱傳感器可在任何戰(zhàn)場(chǎng)條件和惡劣 天氣條件下全天 24 小時(shí)進(jìn)行偵察。捷克是最早將升降式多傳感器用于戰(zhàn)場(chǎng)的國家之一,

7、其“斯奈卡”(Snezka) 偵察車的13m升降桅桿上裝有一部“太 斯拉”BR2140Ig J 波段戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)視雷達(dá), 在其下邊有 一個(gè)光電傳感器, 包括一個(gè)激光測(cè)距機(jī), 一個(gè)探測(cè) 距離為7km (窄視場(chǎng)情況下為 9 km )的熱像儀和3臺(tái)768576像素的CCD晝夜電視攝像機(jī)(一臺(tái)二代mcp像增強(qiáng)器, 對(duì)坦克的探測(cè)距離為1.6 km; 另外兩臺(tái)為近紅外晝間攝像機(jī), 對(duì)坦克的探 測(cè)距離分別為10 km和5 km )。“羅太爾”車上的一個(gè)11.5 m可升降液壓桅桿頂端裝有一個(gè)長距 離變焦晝間電視攝像機(jī)和一個(gè)帶變焦功能的三代 像增強(qiáng)器。瑞典“薩伯” (Saab)推出了由機(jī)載SEOS球形光電傳感器衍生的

8、一種陸用型產(chǎn)品, 它的頭部 包括一個(gè)4框架萬向架穩(wěn)定平臺(tái), 裝有“皮爾金盾” (Pilkington) Synergi812m 熱像儀、兩臺(tái)近紅外CCD攝像機(jī)、一臺(tái)晝光彩色電視和一臺(tái)激光測(cè)距機(jī)。SEOS被稱為“真正的多傳感器系統(tǒng)” , 不同 的傳感器同時(shí)運(yùn)行, 利用傳感器融合技術(shù)協(xié)調(diào)它們?cè)谝粋€(gè)屏幕上的輸出, 內(nèi)置操作手裝置可以在屏幕上給出目標(biāo)指示, 以提示操作手切換入熱像儀或建立平行圖像的分屏顯示。俄羅斯“科萊多” (Credo) 在BRT280 88車上裝有一部J波段雷達(dá), 能探測(cè)到15km外的士兵或炮彈爆炸及 40km外的裝甲車輪; 在雷達(dá)下面有一臺(tái)激光測(cè)距機(jī), 一臺(tái)晝光電視攝像機(jī), 對(duì)士

9、兵和車輛的觀察范圍分別為6km和10km , 識(shí)別范圍分別為 3km和6km; 另外還有一臺(tái)熱像儀, 對(duì)士兵和車輛的觀察距離分別為3 km和6 km。整套裝置裝在一個(gè)可折疊的12m桅桿上, 光學(xué)系統(tǒng)采用穩(wěn)定系統(tǒng)。針對(duì)現(xiàn)有偵察車存在的問題, 美、英開始聯(lián)合研制FSCS偵察車, 它裝有一套先進(jìn)的C4I系統(tǒng)、一個(gè)先進(jìn)的升降式一體化全天候多頻譜傳感器系統(tǒng)、一個(gè)自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別系 統(tǒng)以及能夠融合顯示數(shù)據(jù)的裝置, 大大提高了遠(yuǎn)距 離探測(cè)、定位、激光指示、自動(dòng)目標(biāo)轉(zhuǎn)換及精確的目 標(biāo)交戰(zhàn)能力。美國國防部正在研制的Demog地面無人偵察車, 配有一臺(tái)單色小視場(chǎng)CCD 攝像機(jī)、一臺(tái)768484像素的中視 CCD 攝像

10、機(jī)、一臺(tái)256256 像素的紅外熱像儀(用fg2.3光學(xué)系統(tǒng)提供1毫秒的積分時(shí)間和外部鎖定能力)、激光測(cè)距機(jī)及 激光雷達(dá)(可提供60次g s、12864像素掃描的三維圖像, 可測(cè)距離為150m )和一臺(tái)頻率為77 GHz 的調(diào)制連續(xù)波雷達(dá)。美國陸軍還在研制裝 在可折疊升降 45 m 桅桿上的超寬波段合成孔徑 成像雷達(dá)。 二、傳感器的選擇和發(fā)展 選擇合理的傳感器是比較困難的工作, 對(duì)不同 的使命、用途、條件而有不同的選擇, 不可一概而 論、千篇一律。從上述材料可以看出, 不同的國家所 采用的傳感器組合也不盡相同。未來作戰(zhàn)系統(tǒng)具有機(jī)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)指揮、控制、通信和計(jì)算機(jī)處理等功能。1、晝光攝像機(jī) 嚴(yán)格地講

11、, 紅外攝像儀能夠在白天使用, 可提供基本的可見光標(biāo)準(zhǔn)圖像。一般情況下,圖像的分辨率和邊緣的清晰度相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)圖像有一定的衰 減。此外,為了獲得所需要的距離, 要安裝一個(gè)適當(dāng)尺寸的紅外望遠(yuǎn)鏡, 且成本高昂。而晝光CCD攝像機(jī)采用了電荷耦合的成熟技術(shù),分辨率很高,價(jià)格較低,在氣候和能見度等條件較好的情況下, 可用 于白天監(jiān)視和偵察。有的偵察車上采用單色攝像機(jī),有的采用彩色攝像機(jī)。一般情況下, 單色攝像機(jī)的分辨率和灰度等級(jí)比彩色的高(個(gè)別情況除外, 如南非DENEL集團(tuán)LEO2g2A 39產(chǎn)品中, 彩色攝像機(jī)的分辨率為750TV線, 有源像素為750H582V) ,自動(dòng)跟蹤性能優(yōu)于彩色攝像機(jī),用于對(duì)

12、空目標(biāo)時(shí)較為理想;但人眼對(duì)彩色較敏感, 真實(shí)感較強(qiáng), 因此彩色攝 像機(jī)用于觀察地面目標(biāo)時(shí)優(yōu)于單色攝像機(jī)。另外,系統(tǒng)傳感器組合時(shí)常用彩色大視場(chǎng)或中視場(chǎng), 在高速行駛中觀察遠(yuǎn)距離目標(biāo)時(shí)用單色小視場(chǎng)。為了實(shí)現(xiàn)多傳感器的圖像融合, 有時(shí)也在車上 同時(shí)使用多臺(tái)單色和彩色攝像機(jī), 以便獲得更多的 目標(biāo)信息。選取攝像機(jī)時(shí), 應(yīng)充分考慮到成本、分辨率、尺寸、重量、所需功率、傳感器敏感度、傳感器積分時(shí)間、與多個(gè)攝像機(jī)同步的能力、控制增益、孔徑大小以及是否能配上達(dá)到視場(chǎng)要求的透鏡等因素。2、 微光夜視儀和微光電視 隨著時(shí)間的推移, 紅外熱成像技術(shù)的發(fā)展將使像增強(qiáng)器技術(shù)遲早被淘汰, 但近幾年來, 由于夜視技術(shù)的迅速

13、發(fā)展, 像增強(qiáng)器的成本降低, 性能和質(zhì)量不斷提高(如現(xiàn)有的三代管比早期的三代管性能提高了約2倍, 成本降低了1倍, 四代管在美國軍隊(duì)也已應(yīng)用) ,微光夜視儀器的價(jià)格較熱像儀便宜, 而且體積小、重量輕、后勤保障和維修也較容易, 因此在一定時(shí)期內(nèi), 微光夜視儀仍將作為各國軍隊(duì)偵察車上的裝備之一。 國外許多國家把CCD攝像機(jī)與像增強(qiáng)器耦合, 用于車載微光電視系統(tǒng)。它可在夜間使用,進(jìn)行開路傳輸和實(shí)時(shí)處理遠(yuǎn)距離視頻圖像、濾除噪聲、 提高反差、改善信噪比, 以增加觀察和瞄準(zhǔn)距離, 進(jìn) 行夜間自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別和微光圖像自動(dòng)跟蹤。例如, 美國的“夜視窗、”法國的湯姆遜CSF、CANDSTA、 D IV T13B、

14、德國的 PZB200、瑞士的 2704 等微光電 視系統(tǒng), 已裝備在豹1主戰(zhàn)坦克、 M248主戰(zhàn)坦克、大山貓裝甲偵察車等坦克和偵察車上。 隨著新技術(shù)的開發(fā), 夜視技術(shù)取得了巨大的突 破, 微光夜視系統(tǒng)的I2技術(shù)與紅外和激光器等技術(shù)的融合增加了儀器的作用距離, 如美國利用紅外 系統(tǒng)與微光直視 I2 技術(shù)相融合, 使目標(biāo)識(shí)別性能 和作用距離可以提高23倍。 3、熱像儀 熱像儀的工作原理是利用目標(biāo)與背景之間的溫差形成的熱點(diǎn)或圖像來探測(cè)、識(shí)別、瞄準(zhǔn)和跟蹤 目標(biāo), 能夠在晝夜工況條件下工作。它具有穿透煙 霧和人工障礙以及抗光學(xué)干擾的能力, 具有分辨率 高、探測(cè)和識(shí)別距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)。隨著熱成像技術(shù)的發(fā)展,

15、熱像儀從一代、二代發(fā)展到三代, 性能不斷提高, 如南非DEN EL集團(tuán)的LEO2g2A39三代35m焦平面熱像儀(768H576V )就是各項(xiàng)性能指標(biāo)均很高的熱像儀。由于三代在規(guī)定的性能范圍內(nèi)尺寸可以比二代減小一半, 成本也因沒有掃描器而降低, 因此將廣泛應(yīng)用于監(jiān)視和偵察系統(tǒng)。目前在偵察車上究竟采用何種波段的熱像儀, 國外已在20世紀(jì)8090年代對(duì)選擇紅外波長問題作了大量的研究。研究結(jié)果表明, 遠(yuǎn)程紅外傳感 器的最佳波段主要取決于目標(biāo)特性、技術(shù)和環(huán)境條件。就目前的探測(cè)技術(shù)而言, 除了高溫、高濕目標(biāo)外, 812m 波段的熱像儀對(duì)各種目標(biāo)的探測(cè)性能都較高。35m 波段技術(shù)具有很大的改進(jìn)潛力, 該波

16、 段除了在較干燥或煙霧較多的大氣中優(yōu)勢(shì)不明顯外, 在熱帶海洋環(huán)境中, 只要目標(biāo)足夠大(像素尺寸) , 對(duì)于水平光路上接近背景溫度的遠(yuǎn)距離探測(cè)極限目標(biāo)表現(xiàn)出其較明顯的優(yōu)越性。對(duì)于較熱的目標(biāo), 3 5m 系統(tǒng)在較短距離或?qū)π∧繕?biāo)表現(xiàn)出優(yōu)越性。對(duì)于斜光路來說, 8 12m 波段 系統(tǒng)對(duì)除了高溫目標(biāo)以外的所有目標(biāo)都表現(xiàn)出較好的性能。因此, 在選擇熱像儀波段時(shí), 必須根據(jù)實(shí) 際情況進(jìn)行選擇。 4、激光測(cè)距機(jī)和激光雷達(dá) 關(guān)于激光測(cè)距機(jī)的現(xiàn)狀, 許多國家使用的是人眼安全激光測(cè)距機(jī), 常見的有波長為 1.54m 的 喇曼激光器。 隨著近年來激光雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展, 有關(guān)人員正 在不斷開辟其新的應(yīng)用領(lǐng)域。激光雷達(dá)的

17、工作原理 是使用一個(gè)超穩(wěn)定的激光發(fā)射機(jī), 像雷達(dá)系統(tǒng)一樣 來詢問目標(biāo), 然后接收目標(biāo)反射回的能量并進(jìn)行處 理, 收集距離和速度數(shù)據(jù), 最后生成一個(gè)高分辨率 的距離圖像。它可用于大氣監(jiān)測(cè)、障礙回避、化學(xué)戰(zhàn) 劑、干擾、偵察和監(jiān)視等領(lǐng)域。 作為光學(xué)傳感器的激光雷達(dá), 由于它可以獲取 包括距離信息、目標(biāo)物和地形等的三維精密圖像, 在自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別中具有較高的識(shí)別幾率, 并將在 C4 ISR 中起到重要的作用。 激光雷達(dá)距離信息與 FL IR 的傳感器圖像疊 加, 可以準(zhǔn)確地獲得出現(xiàn)在 FL IR 上的目標(biāo)大小。 因此, 從傳感器的發(fā)展來看, 今后必須加強(qiáng)我 國偵察車上激光雷達(dá)的研究和開發(fā)工作。 一是多光

18、譜技術(shù)。為了提高偵察系統(tǒng)反偽裝、反隱蔽、反欺騙的能力以幫助偵察系統(tǒng)在不同波段上辨識(shí)偽裝或隱 蔽的各種目標(biāo), 可采用多光譜技術(shù)。多光譜技術(shù)是 通過處理在同時(shí)、同地獲得的紫外到紅外波長的光 學(xué)圖像, 來實(shí)現(xiàn)從自然景物提取人為景物的技術(shù)。 它對(duì)光、霧、煙霧等具有較好的抗干擾性, 通過利用 可同時(shí)探測(cè)紅外、可見光等波長的多重傳感器及傳 感器數(shù)據(jù)的融合, 可避免噪聲和干擾, 提高對(duì)目標(biāo) 的探測(cè)能力。目前, 美國和日本等國已對(duì)多光譜技 術(shù)進(jìn)行了大量的研究, 美國“賽爾斯”光電偵察系統(tǒng) 采用固體焦平面陣列, 能在 7 個(gè)頻帶上搜集信息和 拍攝多光譜圖像。二是多傳感器圖像融合技術(shù)。成像傳感器的輸出增加或數(shù)據(jù)合并, 為使用者提供了大量的信息, 這一過程通常被稱為傳感器圖 像融合。目前常采用圖像預(yù)處理技術(shù)關(guān)聯(lián)處理和配 準(zhǔn)算法、象素級(jí)融合處理的數(shù)學(xué)模型和算法、空間 濾光處理、圖像增強(qiáng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與顯示等技術(shù), 把多傳感器的圖像信息融合在一起, 以便獲得高清 晰度圖像。 圖像處理使用全數(shù)字視頻標(biāo)準(zhǔn)或利用光學(xué)系 統(tǒng)數(shù)字化的許多特征, 可以大大減輕操作員的偵察、監(jiān)視負(fù)擔(dān)。 三是桅桿的應(yīng)用和分析。光電傳感器可直接安裝在固定或可升降平臺(tái) 或三腳架上, 但為了便于在崎嶇地形、林地或有障 礙物處工作, 增大傳感器作用距離, 擴(kuò)大偵察覆蓋 地域, 實(shí)現(xiàn)以少