多傳感器光電火控系統(tǒng)的發(fā)展

多傳感器光電火控系統(tǒng)的發(fā)展

0光電火控系統(tǒng)目前，已經(jīng)采用了許多先進(jìn)的技術(shù)，但由于技術(shù)頻率低、分辨率低、抗磁干燥性差、偽裝性差等固有限制，以及成像技術(shù)低、無(wú)法成像、難以直觀識(shí)別目標(biāo)、抗反射輻射導(dǎo)彈的作戰(zhàn)能力已成為制約雷達(dá)火控系統(tǒng)的重要因素。同時(shí),高技術(shù)戰(zhàn)爭(zhēng)及新型軍事裝備的發(fā)展對(duì)軍事偵察與監(jiān)視的能力和水平提出了越來(lái)越高的要求,雷達(dá)探測(cè)受到了來(lái)自多方面的挑戰(zhàn),而光電探測(cè)由于自身某些優(yōu)越的特性在火控系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用和長(zhǎng)足的發(fā)展。光電火控系統(tǒng)是一種新型火控系統(tǒng),其突出特點(diǎn)是采用光電傳感器探測(cè)和跟蹤目標(biāo),因而具有測(cè)量精度高、命中概率高、隱蔽性和抗電磁干擾能力強(qiáng)、低仰角跟蹤能力強(qiáng)、可對(duì)付低空和地面目標(biāo)等優(yōu)點(diǎn)。目前,世界上各先進(jìn)的火控系統(tǒng)幾乎都配有光電裝置:從地炮和高炮的光電坐標(biāo)儀、坦克的夜視瞄準(zhǔn)具、海軍用的光電反導(dǎo)系統(tǒng)到空軍的光電制導(dǎo)平臺(tái)和吊艙。短短幾十年的發(fā)展,光電探測(cè)技術(shù)從雷達(dá)系統(tǒng)的輔助技術(shù)發(fā)展為與之具有同等重要地位的關(guān)鍵技術(shù),甚至有取而代之的趨勢(shì)。1新型光電火控系統(tǒng)基本組成光電探測(cè)系統(tǒng)一般由光學(xué)系統(tǒng)、激光測(cè)距機(jī)、電視跟蹤儀、紅外跟蹤儀和控制部件組成,可用于搜索、發(fā)現(xiàn)、截獲和自動(dòng)跟蹤空中目標(biāo),并且在自動(dòng)跟蹤時(shí)進(jìn)行激光測(cè)距,在搜索目標(biāo)時(shí),它以被動(dòng)探測(cè)的方式工作。光電火控系統(tǒng)是指借助光電跟蹤測(cè)量傳感器,跟蹤并測(cè)量目標(biāo)的方位和距離等參數(shù),通過火控計(jì)算機(jī)(或指揮儀)計(jì)算射擊諸元,用以指揮控制軍事裝備將目標(biāo)摧毀的系統(tǒng)。光電火控系統(tǒng)的戰(zhàn)術(shù)功能是及時(shí)發(fā)現(xiàn)、捕捉和識(shí)別目標(biāo),精確跟蹤并測(cè)量目標(biāo)的方位、距離,計(jì)算射擊諸元并及時(shí)做出射擊反應(yīng)。和傳統(tǒng)的雷達(dá)火控系統(tǒng)一樣,光電火控系統(tǒng)的主要組成是光電傳感器和火控計(jì)算機(jī)。光電火控系統(tǒng)因配裝的武器平臺(tái)不同,可分為高炮火控系統(tǒng)、地炮火控系統(tǒng)、坦克火控系統(tǒng)、機(jī)載火控系統(tǒng)和艦載火控系統(tǒng)。不管哪種火控系統(tǒng),其光電傳感器不外乎激光測(cè)距機(jī)(或激光雷達(dá))、光電測(cè)角儀、電視跟蹤儀紅外跟蹤儀。新型光電火控系統(tǒng)的基本組成如圖1所示,主要包括兩大部分:偵察部分和指揮控制部分。偵察部分主要包括戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)視及目標(biāo)捕獲裝置和測(cè)距裝置,指揮控制部分主要包括數(shù)據(jù)處理裝置(火控計(jì)算機(jī))和通信設(shè)備。光電火控系統(tǒng)的工作原理為:電視跟蹤儀和紅外跟蹤儀等戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)視及目標(biāo)捕捉裝置發(fā)現(xiàn)并鎖定目標(biāo)后,調(diào)整轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)中央位置,按下激光測(cè)距機(jī)和光電測(cè)角儀測(cè)量按鈕發(fā)射激光測(cè)定目標(biāo)距離和方位信息,同時(shí)通過數(shù)據(jù)線傳到火控計(jì)算機(jī),火控計(jì)算機(jī)結(jié)合接收到的數(shù)據(jù)、戰(zhàn)場(chǎng)的氣象條件、戰(zhàn)場(chǎng)軍事裝備和戰(zhàn)斗隊(duì)形數(shù)值計(jì)算出目標(biāo)的開始射擊諸元,通過有線或無(wú)線方式傳至軍事裝備終端機(jī),由終端機(jī)計(jì)算裝定射擊諸元并傳至伺服系統(tǒng),裝定射擊諸元實(shí)施射擊。戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)視及目標(biāo)捕獲裝置主要由紅外熱像儀、電視跟蹤儀和紅外跟蹤儀等光電成像設(shè)備構(gòu)成,主要任務(wù)是偵察戰(zhàn)場(chǎng)前沿?cái)撤疥嚨鼐幊?、火力配系和筑城工?搜索、發(fā)現(xiàn)、識(shí)別和確定敵暴露及隱蔽目標(biāo)的坐標(biāo),監(jiān)視敵方重要目標(biāo)的活動(dòng)情況,并將所偵察到的景象實(shí)時(shí)傳給前方指揮員和偵察情報(bào)網(wǎng),為射擊指揮員和合成指揮員做出正確的決策提供依據(jù)。測(cè)距裝置主要由激光測(cè)距機(jī)構(gòu)成,主要任務(wù)是迅速準(zhǔn)確地測(cè)定目標(biāo)的距離參數(shù)。為了適應(yīng)多種戰(zhàn)斗條件,測(cè)距機(jī)要能全天候工作,還要增加穿透戰(zhàn)場(chǎng)煙塵和云霧的能力,同時(shí)必須對(duì)人眼安全,以保護(hù)我方操作人員。測(cè)角機(jī)構(gòu)主要由光電測(cè)角儀構(gòu)成,主要任務(wù)是快速測(cè)定目標(biāo)的磁方位角、坐標(biāo)方位角和高低角,提供目標(biāo)的方位參數(shù)。數(shù)據(jù)處理裝置主要由火控計(jì)算機(jī)構(gòu)成,能根據(jù)激光測(cè)距機(jī)、光電測(cè)角儀、電視跟蹤儀和紅外跟蹤儀等設(shè)備傳來(lái)的數(shù)據(jù)計(jì)算出目標(biāo)的地理坐標(biāo)和平面直角坐標(biāo),根據(jù)存儲(chǔ)的射表數(shù)據(jù)決定開始射擊諸元。2光能火控系統(tǒng)的特點(diǎn)光電探測(cè)所具有的特點(diǎn)使光電火控系統(tǒng)成為重要的研究和發(fā)展方向,相對(duì)傳統(tǒng)火控系統(tǒng)而言,光電火控系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)。2.1目標(biāo)跟蹤光電火控系統(tǒng)采用電視跟蹤儀和紅外跟蹤儀對(duì)目標(biāo)進(jìn)行搜索、跟蹤,都是通過被動(dòng)地接收目標(biāo)形狀、亮度和熱輻射等信息實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的搜索跟蹤,其工作原理屬于被動(dòng)工作方式,只有跟蹤到目標(biāo)后進(jìn)行測(cè)距時(shí)才對(duì)目標(biāo)發(fā)射激光。這種工作方式在無(wú)線電靜默時(shí)可作為值更設(shè)備使用,避免了雷達(dá)等主動(dòng)工作方式下裝備容易暴露自己的弊端,故抗電子干擾能力比較強(qiáng)。2.2高目標(biāo)識(shí)別能力光電火控系統(tǒng)具有多種光電成像設(shè)備,可以實(shí)現(xiàn)晝夜觀察,還可以直觀顯示目標(biāo)的幾何圖像或熱圖像,同時(shí)由于目標(biāo)輪廓清晰,容易識(shí)別敵隱蔽目標(biāo)和偽裝目標(biāo),具有全天候、全時(shí)間偵察功能和高目標(biāo)識(shí)別能力。2.3雷達(dá)應(yīng)等的影響目標(biāo)在低空運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)電子探測(cè)系統(tǒng)干擾較強(qiáng)烈,同時(shí)多路徑效應(yīng)等的影響使雷達(dá)形成了一定的盲區(qū)。光電火控系統(tǒng)由于對(duì)目標(biāo)測(cè)距的激光束很窄,在探測(cè)低空目標(biāo)時(shí)不存在多路徑效應(yīng)干擾問題,而且具備較強(qiáng)的抗電子干擾能力,能有效地探測(cè)低空目標(biāo)。2.4光電探測(cè)設(shè)備的探測(cè)精度光電火控系統(tǒng)紅外、電視跟蹤儀跟蹤精度通常為0.2~0.5mrad,激光測(cè)距精度小于±5m,而火控雷達(dá)的跟蹤精度通常大于1mrad,測(cè)距精度約幾十米,無(wú)論是測(cè)角精度還是測(cè)距精度,光電探測(cè)設(shè)備都要高于雷達(dá)的探測(cè)精度。2.5光電探測(cè)設(shè)備的應(yīng)用受紅外線和可見光在大氣中傳輸時(shí)受能見度和不良?xì)庀?陰天、雨和霧)影響較大,同時(shí)也影響激光的傳輸,所以光電作用距離不如雷達(dá)遠(yuǎn),這個(gè)特點(diǎn)也限制了光電探測(cè)設(shè)備只能在中、近距離使用?？梢?光電探測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)和光電探測(cè)技術(shù)的應(yīng)用可以切實(shí)提高軍事裝備的作戰(zhàn)效能,增強(qiáng)抗干擾能力和戰(zhàn)場(chǎng)生存能力。3tss系統(tǒng)構(gòu)成美國(guó)光電火控系統(tǒng)的發(fā)展處于世界領(lǐng)先地位,其第3代戰(zhàn)斗機(jī)和攻擊機(jī),如F-l4、F-15、F-16、F-18等飛機(jī)上,均配備了光電火控系統(tǒng)。2009年6月,洛克希德·馬丁公司交付的首套光電火控目標(biāo)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)(TSS)是為美國(guó)海軍陸戰(zhàn)隊(duì)的AH-1Z“眼鏡蛇”直升機(jī)研制的多傳感器火控系統(tǒng)(AN/AAQ-30“鷹眼”),它是目前世界上先進(jìn)的光電火控目標(biāo)瞄準(zhǔn)系統(tǒng),代表了未來(lái)光電火控系統(tǒng)的發(fā)展方向。TSS采用了先進(jìn)的傳感器技術(shù),增強(qiáng)了目標(biāo)采集、跟蹤和識(shí)別能力。該系統(tǒng)位于AH-1Z機(jī)鼻的光電旋轉(zhuǎn)塔內(nèi)(見圖2),內(nèi)含第3代前視紅外傳感器、高分辨率電視攝影機(jī)、激光目標(biāo)指示/測(cè)距儀、激光照射追蹤儀、慣性測(cè)量組件、視軸模塊和電子組件。每個(gè)傳感器自動(dòng)與其他傳感器及AH-1Z的雙嵌入GPS/慣性導(dǎo)航系統(tǒng)保持視軸一致。TSS系統(tǒng)是目前世界上最先進(jìn)的光電偵察搜索系統(tǒng)之一,其第3代前視紅外成像傳感器的最大搜索距離為32km,目標(biāo)識(shí)別距離為18.7km,敵我識(shí)別距離為9.3km。TSS系統(tǒng)具有專門的影像處理運(yùn)算技術(shù),使用時(shí)目標(biāo)識(shí)別距離可進(jìn)一步延伸至26km,敵我識(shí)別距離可延伸至14.5km。AH-1Z的集成航電系統(tǒng)能夠控制傳感器指向數(shù)字地圖上的任何指定目標(biāo)。此外,索尼公司制造的電視攝影機(jī)具有3個(gè)電荷耦合器件檢測(cè)器陣列,覆蓋可視波段和近紅外波段。攝影機(jī)安裝了一個(gè)2.5倍擴(kuò)束透鏡,放大倍率最高為18倍。攝影機(jī)的兩個(gè)視場(chǎng)與前視紅外的兩個(gè)視場(chǎng)相匹配,能夠在紅外雷達(dá)與電視攝影機(jī)間無(wú)縫變焦、切換視野。激光目標(biāo)指示/測(cè)距儀源自AN/AAQ-14“藍(lán)盾”(LANTIRN)目標(biāo)指示吊艙,對(duì)眼睛無(wú)害。電視攝影系統(tǒng)能夠同時(shí)追蹤13個(gè)目標(biāo),3個(gè)通過當(dāng)前視場(chǎng)跟蹤,瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的慣性測(cè)量組件跟蹤另外10個(gè)目標(biāo)?！昂柗ā睂?dǎo)彈8s就可以指向目標(biāo)。TSS系統(tǒng)的主要性能參數(shù)及功能如下:(1)8.55in(1in=2.54cm)口徑、4倍變焦中波凝視紅外前視系統(tǒng)(見圖3)以保證最大化圖像的分辨率和系統(tǒng)的探測(cè)距離,最大分辨率高達(dá)640×480;(2)多模式、多目標(biāo)跟蹤功能;(4)跟蹤內(nèi)部測(cè)試單元用來(lái)降低振動(dòng)引起的圖像模糊,提供精準(zhǔn)的指向、目標(biāo)地理位置和多目標(biāo)跟蹤;(5)采用640×512規(guī)格的InSb紅外焦平面探測(cè)器;(6)配備高性能圖像處理器以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的目標(biāo)識(shí)別距離;(7)高變倍比、連續(xù)變焦的電視攝影機(jī),并與前視紅外系統(tǒng)的視場(chǎng)相匹配,分辨率高達(dá)769×494;(8)模塊化設(shè)計(jì)便于將來(lái)的擴(kuò)展。由TSS系統(tǒng)的功能和配置可以看到:未來(lái)的光電火控系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)功能多樣化。除完成目前已具備的目標(biāo)探測(cè)、目標(biāo)定位與跟蹤、武器發(fā)射與制導(dǎo)等基本功能外,還要具有目標(biāo)獲取、敵我識(shí)別、電子對(duì)抗、故障診斷和自動(dòng)維修、戰(zhàn)損評(píng)估等多種功能,形成多功能集成的綜合火控系統(tǒng)。光電火控系統(tǒng)的總趨勢(shì)是向各光電系統(tǒng)光軸合一、進(jìn)一步提高多目標(biāo)跟蹤和處理能力的方向發(fā)展。3.1攔截火控系統(tǒng)跟蹤座與攔截火控系統(tǒng)跟蹤座的結(jié)構(gòu)比選,主要從以下兩種獨(dú)立光電系統(tǒng)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)是激光、電視、紅外各有自己的光學(xué)鏡頭,并分置于光電座俯仰軸的左右兩側(cè)。這種結(jié)構(gòu)回轉(zhuǎn)半徑大、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大、質(zhì)量大、機(jī)動(dòng)性差,而攔截火控系統(tǒng)跟蹤座的要求是機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、反應(yīng)快、能跟蹤高速度和高加速目標(biāo),該種分立結(jié)構(gòu)難以滿足攔截火控系統(tǒng)跟蹤座的要求。因此,光學(xué)系統(tǒng)將向電視、紅外、激光3個(gè)傳感器光軸合一的方向發(fā)展,即這3個(gè)傳感器共用主鏡和主光路,并用分光、反光鏡將其接收的光信號(hào)引至相應(yīng)的傳感器上,這樣就克服了三軸分離的缺點(diǎn),但同時(shí)由于各種探測(cè)裝置的光學(xué)系統(tǒng)對(duì)光軸的穩(wěn)定性要求不一,也帶來(lái)了光軸穩(wěn)定的實(shí)時(shí)性優(yōu)化問題。3.2目標(biāo)跟蹤影響電視跟蹤探測(cè)距離的主要因素是對(duì)比度。全相關(guān)跟蹤電視將從各個(gè)傳感器所得到的目標(biāo)對(duì)比度進(jìn)行綜合優(yōu)化相關(guān)分析,具有比統(tǒng)計(jì)相關(guān)跟蹤電視更強(qiáng)的目標(biāo)識(shí)別能力,更適應(yīng)于對(duì)復(fù)雜背景中的目標(biāo)跟蹤和多目標(biāo)跟蹤。像增強(qiáng)器件和CCD器件的發(fā)展及成熟,使成像光譜范圍從可見光波段向紅外波段延伸,意味著電視跟蹤向晝夜型方向發(fā)展成為可能。電視跟蹤系統(tǒng)還可以與其他光電子系統(tǒng)結(jié)合,向多功能、全天候、復(fù)合化的復(fù)雜系統(tǒng)發(fā)展。4光學(xué)系統(tǒng)的展望我國(guó)激光、電視、紅外傳感器通過近幾十年的發(fā)展日趨成熟,為光電系統(tǒng)的開發(fā)、研制提供了較成熟的條件,目前還沒有形成整體的光電火控系統(tǒng)。面對(duì)這一新課題,如何能夠最大限度地發(fā)揮光學(xué)傳感器的優(yōu)勢(shì),實(shí)現(xiàn)對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)目標(biāo)的快速偵察定位和快速實(shí)施射擊是需解決的問題。我國(guó)光