【装备分析】国外军用无人机光电载荷发展分析

   2023-12-26 1080
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前  言

近二十年来,无人机热潮席卷全球。其具备机动灵活、不怕伤亡、隐蔽性强、效费比高等优点,能够快速部署到军队无法或不便涉足的恶劣环境中,长时间、高强度地执行各种复杂、艰巨的作战和保障任务。军用无人机的作战效能经历了阿富汗、伊拉克、也门、利比亚、加沙以及最近的俄乌战争的实战检验,已成为现代战场中不可或缺的重要装备。高、中、低空和远、中、近程等各型军用无人机可根据需求执行情报收集、侦察监视、跟踪定位、目标打击、毁伤评估、中继通信、信息对抗、战场搜救等战略和战术任务,从空中监视,到察打一体,再到舰载起降,其军事使命和作战领域在不断拓展。


作为无人机的“眼睛”和部分“头脑”,光电载荷是实现战场信息获取、态势感知和制导武器引导的关键装备,在重量和成本上均占据了较大比重。其工作方式高效多样,可以在战场上空进行高速扫描,也可低速飞行或者悬停凝视,为部队提供实时情报支持。


光电载荷利用目标和背景反射或辐射光波的差异来实现对导弹、飞机、军用车辆、作战部队等军事目标的持久性大范围实时监视、目标识别、打击评估等多样化需求,具有隐蔽性强、分辨率高、谱段广、对隐身目标探测能力强、搭载平台多样、体积小、重量轻、功耗低等技术优势。其从探测波段上可分为可见光、红外、激光等,现役装备大多采用多波段复合模式,通过不同波段的传感器配合,可以在作战中达到协同探测、协同识别和协同导引的目的。


典型的外军现役无人机载光电装备包括了美国FLIR公司的Star SAFIRE光电侦察转塔、雷神公司的“全球鹰”光电侦察载荷和AN/AAS-52多光谱瞄准系统、洛马公司的“军团”和“狙击手”先进瞄准吊舱、Logos技术公司的SPRITE轻型多模式侦察吊舱、加拿大L3Harris WESCAM公司的MX-15/20/25多传感器转塔、以色列拉斐尔公司的RecceLite侦察吊舱、Elbit公司的AMPS NG多传感器载荷等。

Star SAFIRE HD光电侦察转塔

图1 Star SAFIRE HD光电侦察转塔

美国FLIR系统公司生产的Star SAFIRE HD光电侦察转塔最多可以同时装载8种传感器,包括1280×720中波InSb红外焦平面传感器、1920×1080高清彩色可见光传感器、微光传感器、短波红外传感器、人眼安全激光测距仪、夜视镜兼容宽覆盖激光照明器、激光指示器和数字组合惯性测量组件(GPS /IMU)。其中可见光和红外成像可以实现×120倍光学连续变焦(视场分别为 29°~0.25°和40°~0.35°),满足大视场搜索与小视场目标识别的需求。通过增加传感器组件,Star SAFIRE侦察系统升级为BRITE StarⅡ瞄准转塔,军用编号为AN/AAQ-22E,已装备MQ-8B“火力侦察兵”无人直升机。

“全球鹰”光电侦察载荷

图2 “全球鹰”光电侦察载荷

“全球鹰”侦察系统由综合传感器套件(EISS)以及光电接收单元(EERU)构成,综合传感器套件借助气象合成孔径雷达和移动目标指示器、高清可见光相机、第三代红外传感器和通用的信号处理器提供侦察图像,可以满足白天、夜晚、甚至恶劣天气情况下区分各类型车辆、飞行器、人员、导弹的需求。其中的光电载荷具有广域搜索侦察与目标精确定位能力,采用全反射式双波段共孔径光学系统成像,并利用高精度两轴稳定平台和快速反射镜全数字复合控制技术,实现广域扫描搜索、目标检测、高精度稳像及像移补偿。

SPRITE轻型多模式侦察吊舱

图3 SPRITE轻型多模式侦察吊舱

Logos技术公司研发的轻型多模式“战术光谱和侦察成像”(SPRITE) 吊舱集成了超轻型“红风筝”广域运动成像(WAMI)传感器、高清侦察相机和短波红外高光谱传感器,在3km飞行高度上的对地分辨率分别为0.4 m、0.05 m和2 m,其中WAMI传感器可对8.7平方公里的区域进行成像。短波红外高光谱传感器为640×480的铟镓砷焦平面阵列,光谱分辨率大于130波带每波段。吊舱还配备了一个手掌大小的“多模式边缘处理器”(MMEP) ,能以极高速度(广域运动图像每秒10亿像素、高光谱图像每秒300万光谱)处理不同类型数据,使3种传感器可以相互指示,大幅提高了无人机发现、识别、跟踪目标的能力。SPRITE吊舱还可集成激光测距仪、激光雷达、信号情报传感器等其他装备,未来将配装美国海军RQ-21A“黑杰克”小型战术无人机,通过搭载不同配置的SPRITE吊舱,以灵活多变的无人机集群方式,完成战场情报、监视与侦察任务。

WESCAM MX-20光电侦察转塔

图4 WESCAM MX-20光电侦察转塔

L3Harris WESCAM公司的MX系列侦察转塔包括MX-15/20/25等型号,采用了五轴稳定和部件分隔等措施实现镜头的稳定性。以MX-20为例,转塔内部最多可安装7种高性能传感器,包括1个1080p高清中波红外传感器、1个8.6-154mm连续变焦1080p高清彩色可见光相机、1个日光传感器、1个微光传感器、1个激光测距仪和2个激光照明器。所有传感器共享同等水平的稳定性能,且在替换现场可更换单元(LRU)时无须校准。2020年2月,通用原子航空系统公司和L3Harris WESCAM公司成功将MX-20光电转塔集成到了MQ-9捕食者B系列无人机上,以提供先进的ISR解决方案。MX-15D还曾配装土耳其Bayraktar TB2无人机。

俄罗斯“猎户座”光电吊舱

图5 俄罗斯“猎户座”光电吊舱

“猎户座”具有两个有效载荷舱。前机身内部舱段中的陀螺稳定平台上配备了侦察瞄准光电系统,该系统包括两个热成像仪,一个广角电视摄像机和一个激光测距仪目标指示器。机身中央内部舱段的电磁波穿透罩内安装了紧凑型Phazotron MF-2X波段多功能雷达,信号情报系统、及用于电子战的干扰器。这让猎户座无人机作战半径达到了250km,并可在低能见度的天候条件下,全天候正常工作。

RecceLite XR光电吊舱

图6 RecceLite XR光电吊舱

以色列拉斐尔公司的RecceLite侦察吊舱提供多光谱、多用途、实时防区内外侦察,已被集成到苍鹭1和死神无人机上。2021年底,拉斐尔公司完成第三代RecceLite XR模型的开发和现场测试,探测范围扩展到80km以上,具有防区内和防区外操作模式。它有一个增强的传感器套件,具有四种波长传感器:可见光、近红外、中波红外和短波红外,提高了图像分辨率,具有实时视频、先进的视线稳定功能,并配备先进的图像处理算法和AI功能,支持广域持续监视。

先进多传感器有效载荷系统

图7 先进多传感器有效载荷系统(AMPS NG)

以色列Elbit系统公司推出的新一代先进多传感器有效载荷系统(AMPS NG),在现有的日间可见光传感器上增加了短波红外传感器,并采用了双前视红外传感器设计,以克服高湿度、烟尘或灰尘环境的干扰。在2020年初的飞行测试中,新系统能够在距离25km以外的中波红外通道中生成足球比赛的高分辨率图像,并在数十公里的短波红外通道中对Hermes 900无人机进行空中目标跟踪。AMPS NG完全符合极端运行条件的要求,目前正在欧洲空军的无人机上进行最后的整合和飞行测试。

小  结

光电载荷是为提升无人机的作战性能服务的,其发展方向与无人机的战场生存能力息息相关。未来军用无人机的核心特征是人工智能、高察打概率、高速长续航、隐身、低成本可消耗、蜂群作战、有人机/无人机协同作战以及作为空天地海全域态势感知的空中中坚力量,因此光电载荷面临着前所未有的挑战:


1.成像系统方面:为满足“看得广、看得远、看得清、跟得准”等要求,并提高全天时全天候(尤其是夜晚、雨、雾、雪、霾等恶劣环境 )和复杂目标特性(弱小、高速、伪装等) 条件下的探测和识别能力,光电传感器需要向着多波段、多光谱、大面阵、高灵敏度、高帧频等方向发展。


2.伺服机构方面:成像系统需要工作在稳定的平台上才能发挥最大效能,因此光电载荷必须具有超强的隔离载机扰动能力和高精度稳像能力。另外,通过与内置的GPS/IMU组合惯导模块配合,实现高精度自主地理引导,目标位置、速度和运动方向等特征测量,自动目标跟踪,多视轴自动校准等功能也需要伺服机构的性能升级。


3.信息处理方面:随着搜集到的数据量呈现井喷式增长,光电载荷需要快速对海量多维数据进行分析处理,并从中提炼出有价值的信息,准确辨别出目标并进行稳定的跟踪导引。多光谱成像、三维成像、单光子成像、偏振成像、压缩感知、超材料等新兴探测体制的应用也意味着对信息处理能力的要求愈发严苛。


4.轻型化、低成本方面:随着光电装备技术体制和传感器种类的更迭,其体积、重量、成本也在快速增长,一方面限制了在无人机上的搭载应用,另一方面阻碍了整个平台总体性能的提高。开展新体制和光机电一体化总体设计和制造技术研究,是未来装备发展的重要方向。


5.智能化、综合化方面:为了适应目标多样化、环境复杂化、任务多样化带来的严峻挑战,光电载荷将以全景感知、光电对抗、自主收集、传递和处理情报、多机网络化协同为特征,向着多任务综合化(监视侦察、探测预警、告警对抗、目标搜索识别、目标定位跟踪、目标瞄准打击、打击效果评估等)和行动决策智能化方向发展。


随着载机平台作战性能和作战模式的进步,军用无人机的光电载荷将向着精准化、轻小型化、智能化、综合化方向发展,成为重要的信息收集、分析、处理和执行节点。


(天津津航技术物理研究所 张洁)

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