1 引 言
直升機(jī)按照用途可分為軍用、 警用和民用三類。 直升機(jī)要在空中完成對目標(biāo)的探測和跟蹤任務(wù)， 需要一個機(jī)載平臺和搭載一個在該平臺上由探測設(shè)備組成的集成系統(tǒng)， 在硬件表現(xiàn)形式上稱之為吊艙。 一般地說，吊艙 ( Pod ) 是指懸掛在運(yùn)動載體(如飛機(jī)、船舶)外的艙體有效載荷容器裝置。根據(jù)內(nèi)置設(shè)備的功能， 機(jī)載吊艙可以分為導(dǎo)航吊艙、 瞄準(zhǔn)吊艙、 紅外測量吊艙、 電子干擾吊艙及電子情報(bào)吊艙等。 直升機(jī)機(jī)載光電吊艙近 10 年來在國外發(fā)展很快，特別是在偵察告警、目標(biāo)指示、控制瞄準(zhǔn)和導(dǎo)航跟蹤等方面得到廣泛地重視。 目前直升機(jī)機(jī)載吊艙除用于武裝偵察直升機(jī)、 無人偵察機(jī)外， 還可用于目標(biāo)特性測量、光電制導(dǎo)武器模擬等方面，在電力巡線、海上緝私、環(huán)保監(jiān)測等民用方面也有廣泛的應(yīng)用。
2003 年 10 月 17 日公安部對外正式公布， 國務(wù)院和中央軍委已經(jīng)于 2003 年 9 月正式批準(zhǔn)各地公安機(jī)關(guān)對警用直升機(jī)的使用， 使得公安部成為我國第 5 個擁有航空器管理權(quán)的單位。 警用直升機(jī)市場在未來將會有大的發(fā)展。 光電吊艙是警用直升機(jī)完成搜索跟蹤任務(wù)的核心設(shè)備， 其需求量也的 PolyTech 系列、美國的 FLIR 系列吊艙。
目前， 我國直升機(jī)機(jī)載吊艙都是根據(jù)用戶的需求進(jìn)行加裝， 而且全部從國外進(jìn)口， 如瑞典且完全依靠進(jìn)口， 勢必影響安全領(lǐng)域的獨(dú)立建設(shè)和發(fā)展， 因此研究自己獨(dú)立產(chǎn)權(quán)的光電吊艙具有非常重要的意義。
2 系統(tǒng)組成及工作原理
2.1 系統(tǒng)組成
直升機(jī)光電吊艙基本組成分為吊掛球形轉(zhuǎn)塔和機(jī)上顯示控制處理系統(tǒng)，見圖 1 。從硬件組成上看，轉(zhuǎn)塔包括U型支架、 球型臺體載物臺、 測角系統(tǒng)、 電控驅(qū)動系統(tǒng)、 陀螺儀、 陀螺儀穩(wěn)定回路、 光電探測器、 TV 與紅外跟蹤器及接口電路等。從原理上看， 轉(zhuǎn)塔可分為穩(wěn)定平臺和光電有效載荷(探測器)兩大部分。 光電載荷安裝在穩(wěn)定平臺上， 通過陀螺穩(wěn)定平臺隔離載機(jī)的振動， 獲得相對慣性空間穩(wěn)定的平臺空間，并且在控制指令的驅(qū)動下，實(shí)現(xiàn)光電載荷對目標(biāo)的搜索、捕獲、跟蹤和定位。因此機(jī)載陀螺穩(wěn)定平臺實(shí)現(xiàn)兩大功能：一是空間穩(wěn)定，二是能夠跟蹤目標(biāo)。探測器(有效載荷)可根據(jù)擔(dān)負(fù)任務(wù)的不同而采用不同的組合搭配。對完成搜索跟蹤任務(wù)的機(jī)載吊艙來說， 一般包括可見光 / 微光攝像機(jī)、 紅外熱像儀和激光測距儀等。 此外，根據(jù)需要，有效載荷還可配置激光照明器、 激光指示器、 激光告警器及圖光譜儀等設(shè)備，其作用和特點(diǎn)詳見表 1 。
2.2 工作原理
光電吊艙的工作原理是采用可見光 ( TV ) 和紅外光成像傳感器作為閉環(huán)控制系統(tǒng)的位置誤差傳感器，輸出目標(biāo)方位信息或外引導(dǎo)信息， 由主控計(jì)算機(jī)或人工給出轉(zhuǎn)動指令對目標(biāo)區(qū)進(jìn)行搜索。 轉(zhuǎn)塔與所載跟蹤探測器形成閉環(huán)跟蹤后， 將輸出經(jīng)過處理的目標(biāo)方位和俯仰偏差變換成正比的控制信號， 作用于陀螺儀的力矩器上。力矩電機(jī)輸出與方位、俯仰誤差成正比的控制力矩使跟蹤架的光電探測器保持對目標(biāo)的跟蹤。此外， 通過加入相應(yīng)的傳感器和采用一定的算法， 吊艙還可以實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的相對定位。 定位方式有主動定位和被動定位兩種方式。 主動定位是用激光測距儀通過測量目標(biāo)相對飛機(jī)的距離得到精確的目標(biāo)相對位置和相對速度;被動定位是用電視 / 紅外成像測量傳感器平臺測量目標(biāo)的角度變化，得到粗略目標(biāo)距離。
3 發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢
3.1 軍用領(lǐng)域
世界上有許多國家如美、法，英和以色列研制并裝備了導(dǎo)航 / 瞄準(zhǔn)吊艙，如美國洛克希德 · 馬丁( Lockheed Martin ) 公司研制的 LANTIRN 導(dǎo)航和瞄準(zhǔn)系統(tǒng)、 “ 阻擊手 ( Sniper ) XR” 先進(jìn)目標(biāo)定位吊艙，雷神 ( Raytheon ) 公司研制的先進(jìn)前視紅外瞄準(zhǔn)吊艙 ATFLIR ， 以色列拉菲爾武器發(fā)展局與美國諾思羅普 · 格魯曼公司合作研制的 “ 藍(lán)盾 ”LITENING I 和 LITENING II 吊艙等。
武裝直升機(jī)機(jī)載光電吊艙近 10 年來在國外發(fā)展很快，其中比較有代表性的有美國 OH-58D 偵察直升機(jī)的前視紅外 ( FLIR ) 吊艙、 AH-64 武裝直升機(jī)的 TADS/PNVS 目標(biāo)捕獲與指示的瞄準(zhǔn)具 / 夜視傳感器吊艙，意大利Ａ -129 、英國Ｌ ynx-3 和以色列 Msis 等武裝直升機(jī)的紅外火探系統(tǒng)和夜間導(dǎo)航吊艙等 。
直升機(jī)載偵察設(shè)備一般都選用前視紅外、 電視攝像機(jī)和激光測距機(jī)等， 組成一個完善的偵察系統(tǒng)，可在多種氣候和夜間條件下實(shí)施綜合偵察。 目前電視攝像機(jī)和激光測距機(jī)已較為成熟， 各國將重點(diǎn)投向發(fā)展先進(jìn)的前視紅外裝置，以增強(qiáng)全天候能力和擴(kuò)大作用距離。 例如 RAH-66 “ 科曼奇 ” 直升機(jī)的光電目標(biāo)探測 / 指示系統(tǒng)( EOTADS ) 和夜視導(dǎo)航系統(tǒng)的前視紅外系統(tǒng)采用 4×480 焦平面陣列的第二代前視紅外系統(tǒng)，有三種視場： 2.0°×1.5° 、 8°×6° 和 30°×40° ， 能夠提供高分辨率、高清晰度的圖像。 此外，美國陸軍準(zhǔn)備裝備于 “ 阿帕奇 ” 直升機(jī)的二代前視紅外系統(tǒng) —— 美國洛克希德 · 馬丁公司的 “ 箭頭 ” 系統(tǒng)采用了針對 RAH-66“ 科曼奇 ” 直升機(jī)設(shè)計(jì)的前視紅外技術(shù)， 與第一代前視紅外系統(tǒng)相比分辨率提高了 67 %。 飛行員通過前視紅外系統(tǒng)能夠看到水中的樹影，甚至單片玻璃等細(xì)節(jié)。
3.2 警用領(lǐng)域
3.2.1 警用直升機(jī)的特殊要求
隨著全球恐怖主義的日益猖獗， 世界各國不得不研究各種反恐措施。 直升機(jī)在空中的配合可以大大提高警察部隊(duì)的機(jī)動作戰(zhàn)能力和辦案效率。 目前警用直升機(jī)大多承擔(dān)多項(xiàng)任務(wù)， 主要有： 空中警務(wù)執(zhí)法、 處理突發(fā)事件、 通信聯(lián)絡(luò)、 空中交通指揮、 搜索與救援、 消防、 公務(wù)運(yùn)輸、 押解罪犯和銀行運(yùn)鈔、 緊急醫(yī)療救護(hù)、配合海關(guān)緝私緝毒、保護(hù)自然資源、監(jiān)控環(huán)境等。根據(jù)其特殊用途， 警用直升機(jī)應(yīng)滿足以下要求：
1 ) 飛行速度不高，但低速飛行和懸停性能較好;
2 ) 主要在樓群、山谷、叢林、水面、沼澤、平臺等狹小地方起落，要有很好的爬升率;
3 ) 具備在復(fù)雜氣象情況下的夜航能力， 并可在高溫 ( 50 ℃ ) 、 高原寒冷地區(qū) (- 40 ℃ ) 、強(qiáng)風(fēng) ( 大于 40kn ) 和近海高溫環(huán)境下正常飛行;
4 ) 具有安裝警用器材的條件;
5 )最大飛行距離不能少于 500 km 。
3.2.2 警用直升機(jī)探測跟蹤設(shè)備
警用直升機(jī)任務(wù)設(shè)備為完成所賦予的任務(wù)必須安裝專用設(shè)備， 包括通信設(shè)備、 導(dǎo)航設(shè)備、 觀察設(shè)備、營救設(shè)備、緊急醫(yī)療設(shè)備、消防設(shè)備、 貨運(yùn)設(shè)備和保障設(shè)備等。機(jī)載光電吊艙是警用直升機(jī)的關(guān)鍵設(shè)備， 它可晝夜進(jìn)行巡邏和監(jiān)視， 隨時攝像取證并將信息傳輸?shù)降孛嬷笓]中心。 它可進(jìn)行 360 °回轉(zhuǎn)搜索，遠(yuǎn)距離發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。此外， 直升機(jī)還配備了 GPS 及電子地圖， 可確定地面逃逸車輛的準(zhǔn)確位置。 配備高頻和甚高頻電臺、 警用電臺、 應(yīng)答機(jī)、 無線電羅盤等多種通信導(dǎo)航設(shè)備， 隨時與地面指揮中心保持聯(lián)系。
3.2.3 警用直升機(jī)光電吊艙主要產(chǎn)品
目前國外警用直升機(jī)的光電吊艙主要有：
1) 瑞典 POLYTECH 公司 WhiteStar 275 I 執(zhí)法監(jiān)視系統(tǒng);
2) 美國 FLIR 公司機(jī)載吊艙系列，典型的如 Ultra 7500 、 Ultra 8500 。
3) 以色列飛機(jī)工業(yè)公司生產(chǎn)的 “ 插入式光學(xué)有效負(fù)載 ” 吊艙 POP200 ， 穩(wěn)定平臺可視情況搭載多種插
入式傳感器(如前視紅外裝置、 CCD 攝像機(jī)、激光測距儀等)組合。
各典型警用光電吊艙的綜合性能比較見表 2 。此外，在熱對比度很小甚至達(dá)到熱平衡的條件下(如水中目標(biāo)、 船上或金屬板上的標(biāo)號)， 熱像儀很難探測到目標(biāo)， 在允許條件下可以采用照明器照射目標(biāo)的方法搜索探測目標(biāo)。 典型的如加拿大的增強(qiáng)微光可視紅外警戒系統(tǒng)( EIVISS )， 它是一種帶距離門的有源成像系統(tǒng)，陰天的夜晚和不良天氣條件下更能體現(xiàn)其探測能力。
3.3 發(fā)展趨勢
1 )探測器性能不斷升級
吊艙的探測跟蹤性能說到底取決于有效載荷即探測器的性能， 如有效探測距離、 探測精度、 抗惡劣環(huán)境的能力等。 目前采用 CCD 成像的可見光微光攝像、激光測距等技術(shù)還在不斷朝著高精度化、 小型化、 數(shù)字化方向發(fā)展， 但對警用和準(zhǔn)軍用來說都已比較成熟， 而發(fā)展的重點(diǎn)主要在于紅外成像技術(shù)， 特別是以軍事應(yīng)用為背景的前視紅外( FLIR ) 技術(shù)。 當(dāng)前以軍事需求為先導(dǎo)的紅外成像設(shè)備價格都十分昂貴，指標(biāo)較高的設(shè)備對外出口都進(jìn)行異常嚴(yán)格的限制。
2 )信號探測組合化
光電綜合偵察探測設(shè)備常常集可見光、 微光、 紅外、 激光等幾種傳感技術(shù)于一體。 對光電綜合系統(tǒng)的一般要求是盡量采用共同光學(xué)系統(tǒng)， 進(jìn)行綜合穩(wěn)定 , 采用共同的目標(biāo)跟蹤和影像運(yùn)動補(bǔ)償系統(tǒng)等。 開發(fā)光電綜合探測跟蹤系統(tǒng)需要解決窗口材料、光學(xué)薄膜等相關(guān)技術(shù)問題。
3 )有效載荷模塊化
近年來， 光電系統(tǒng)功能越來越強(qiáng)， 該系統(tǒng)占直升機(jī)的總成本比例也一直穩(wěn)步上升， 雷達(dá)、 紅外、 數(shù)字圖像、 定位導(dǎo)航、 自動駕駛儀及數(shù)控引擎逐步引入， 而機(jī)載陀螺穩(wěn)定平臺的空間是有限的。 這就需要根據(jù)用戶需要， 能對有效載荷進(jìn)行靈活的配置。 采用插入式的光電有效載荷得到廣泛歡迎， 典型的如以色列 POP200 ，它能進(jìn)行三種配置， 即 FLIR+ 電視、 FLIR+ 激光測距儀、 FLIR + 電視 + 激光指示器。 系統(tǒng)模塊式設(shè)計(jì)中的許多具體技術(shù)問題如操作系統(tǒng)、 應(yīng)用軟件、 數(shù)字化處理、 封裝技術(shù)、 高速網(wǎng)絡(luò)及人機(jī)接口等需要不斷改進(jìn)， 以期獲得模塊化方法所能提供的全部效益。 今后的機(jī)載光電系統(tǒng)將朝著功能綜合化、體積小、重量輕小型化的方向發(fā)展。
4 )信息實(shí)時化
機(jī)載系統(tǒng)探測到的圖像距離等信息， 需要通信系統(tǒng)將其及時傳送到地面指揮控制中心。 機(jī)載通信系統(tǒng)一般采用空地?zé)o線電通信設(shè)備或衛(wèi)星通信設(shè)備。 傳輸數(shù)據(jù)量和實(shí)時性要求的矛盾日益突出， 一方面要求通信鏈路拓寬頻帶和提高信息傳輸容量， 另一方面要求吊艙系統(tǒng)在信號傳輸前做相應(yīng)的前端處理， 如數(shù)字圖像信號的綜合處理，信息融合等。
4 研究思路
4.1 基本思想
以警用直升機(jī)為基本使用背景， 并考慮多領(lǐng)域軍用偵察機(jī)及無人偵察機(jī)， 機(jī)載光電吊艙應(yīng)具有以下基本功能， 即： 全天候大范圍航空攝影、 交通管制、 監(jiān)控、 搜索， 目標(biāo)自動識別、 自動跟蹤和自動定位。 它完成以下 4 個主要任務(wù)： 1) 引導(dǎo)飛行。 GPS 和電子地圖的導(dǎo)航信息，攝像機(jī)、紅外熱像儀的圖像均可顯示， 引導(dǎo)飛行員駕駛。 2) 搜索目標(biāo)。 主要考慮對地搜索， 靠前視紅外和電視跟蹤儀提供圖像。 3) 識別目標(biāo)。 飛行員可以直接對可見光和紅外攝像儀提供的圖像進(jìn)行目標(biāo)識別， 系統(tǒng)通過圖像處理和識別算法也能自動提供目標(biāo)識別結(jié)果供飛行員參考決策。 4) 跟蹤目標(biāo)。通過光電跟蹤系統(tǒng)使得視場內(nèi)的當(dāng)前運(yùn)動目標(biāo)始終保持在視場中心。以上各功能對應(yīng)吊艙不同的工作模式，并且根據(jù)需要可以方便地進(jìn)行切換。
4.2 研究思路
4.2.1 模塊劃分
采用模塊化設(shè)計(jì)方法， 吊艙系統(tǒng)可分為三個子系統(tǒng)， 即轉(zhuǎn)塔子系統(tǒng)、 計(jì)算機(jī)顯示控制子系統(tǒng)及輔助子系統(tǒng)。 按功能可分成若干個獨(dú)立的功能單元模塊， 根據(jù)需要進(jìn)行組合： 1 ) 轉(zhuǎn)塔子系統(tǒng)： 光電有效載荷(可見光攝像機(jī)、 紅外攝像儀、 激光測距儀)、 穩(wěn)定平臺; 2 ) 計(jì)算機(jī)顯示控制子系統(tǒng)： 計(jì)算機(jī)控制單元、視景顯示單元、操縱單元、自動跟蹤單元及接口單元; 3 ) 輔助子系統(tǒng)：電源單元、環(huán)境控制單元。
4.2.2 硬件設(shè)計(jì)
可見光攝像儀、 紅外熱像儀、 激光測距儀均可按總體設(shè)計(jì)要求， 選購國內(nèi)外較為成熟的產(chǎn)品的機(jī)芯或功能模塊， 并進(jìn)行相應(yīng)的二次開發(fā)和系統(tǒng)集成。 從警用角度來說， 第一階段不追求單一探測器指標(biāo)的最優(yōu)， 以實(shí)現(xiàn)警用的基本功能為目標(biāo)， 主要考慮較優(yōu)的綜合性價比。 在具體設(shè)計(jì)中充分考慮今后的發(fā)展，并在后續(xù)改進(jìn)中不斷采用成熟的、性能更優(yōu)的探測器核心模塊。陀螺平臺、 接口、 操縱控制器、 光電自動跟蹤器等部件則需按技術(shù)性能指標(biāo)自行設(shè)計(jì)。 穩(wěn)定平臺的設(shè)計(jì)包括陀螺儀選型、 平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、 平臺控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。 接口是轉(zhuǎn)塔與機(jī)內(nèi)顯控系統(tǒng)之間的連接裝置，可在此將 GPS 、 探照燈、通信系統(tǒng)的信號引入吊艙系統(tǒng)。它主要包括導(dǎo)航接口(將 GPS 與電子地圖信號引入， 獲得導(dǎo)航位置信息)、 通信接口(將圖像視頻信號引出， 通過無線電微波通信或衛(wèi)星通信設(shè)備實(shí)時傳輸?shù)降孛婵刂浦行?及探照燈接口等。操作控制器控制平臺的轉(zhuǎn)動、 TV 與紅外圖像的切換、鏡頭的調(diào)焦等，需進(jìn)行操作面板和微處理器的軟硬件設(shè)計(jì)。轉(zhuǎn)塔子系統(tǒng)部件主要技術(shù)指標(biāo)內(nèi)容見表 3 。
4.2.3 軟件設(shè)計(jì)
為完成以上主要功能， 軟件設(shè)計(jì)上應(yīng)包括圖像處理、 目標(biāo)識別、 目標(biāo)跟蹤和目標(biāo)定位等部分。 對警用和軍用一般說來，目標(biāo)跟蹤是最終目的，圖像處理、目標(biāo)識別以及目標(biāo)定位是實(shí)現(xiàn)這一目的的必要手段。
1 )圖像處理
對于微光電視圖像實(shí)時處理系統(tǒng)， 關(guān)鍵在兩個方面： 一是高速的數(shù)字圖像處理器， 要考慮采用并行處理芯片; 二是實(shí)時圖像處理算法。 從實(shí)時性講， 還應(yīng)考慮數(shù)據(jù)的存儲和訪問技術(shù)以及圖象的顯示技術(shù)。
2 )目標(biāo)識別
圖像傳感器將攝取的目標(biāo)可見特征或熱特征的圖像信號送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像處理和分析， 從場景圖像中識別出目標(biāo)， 這就是自動目標(biāo)識別 ( ATR ) 。 目前提出的算法主要有： 基于參數(shù)分類的 ATR ， 基于模型的ATR ， 基于多傳感器融合的 ATR ， 基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的 ATR ， 基于知識的 ATR 圖像分割和特征提取技術(shù)。
3 )目標(biāo)自動跟蹤
目標(biāo)識別后， 系統(tǒng)經(jīng)過 Kalman 濾波確定出跟蹤線位置， 計(jì)算出誤差用以控制瞄準(zhǔn)線對準(zhǔn)目標(biāo)， 實(shí)現(xiàn)自動跟蹤。 基于多圖像傳感器的圖像跟蹤算法研究與實(shí)現(xiàn)是吊艙跟蹤系統(tǒng)的核心內(nèi)容。 目前有多種算法可用于目標(biāo)跟蹤，如形心跟蹤、質(zhì)心跟蹤、波門跟蹤、邊緣跟蹤、區(qū)域平衡跟蹤、相關(guān)跟蹤等。
4 )目標(biāo)自動定位
按照基于激光測距儀主動定位或圖像處理被動定位兩種定位方式獲得目標(biāo)的相對位置。
5 結(jié)束語
直升機(jī)機(jī)載光電吊艙技術(shù)涉及面廣， 涵蓋光學(xué)、 機(jī)械、 電子、 計(jì)算機(jī)、 自動控制和導(dǎo)航定位等多個學(xué)科。 國外這方面技術(shù)的研究已比較成熟，相關(guān)產(chǎn)品在軍用民用等領(lǐng)域得到了越來越多的應(yīng)用。 目前，國內(nèi)有關(guān)部門如電力、 公安系統(tǒng)等民用警用領(lǐng)域已在積極應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)， 預(yù)計(jì)將有較大的市場前景。 因此， 有針對性地開展機(jī)載光電吊艙相關(guān)技術(shù)的研究， 盡快研發(fā)產(chǎn)品， 將具有顯著的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。
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