直升机机载光电吊舱的发展现状及对策

1 引 言

直升机按照用途可分为军用、 警用和民用三类。 直升机要在空中完成对目标的探测和跟踪任务， 需要一个机载平台和搭载一个在该平台上由探测设备组成的集成系统， 在硬件表现形式上称之为吊舱。 一般地说，吊舱 ( Pod ) 是指悬挂在运动载体(如飞机、船舶)外的舱体有效载荷容器装置。根据内置设备的功能， 机载吊舱可以分为导航吊舱、 瞄准吊舱、 红外测量吊舱、 电子干扰吊舱及电子情报吊舱等。 直升机机载光电吊舱近 10 年来在国外发展很快，特别是在侦察告警、目标指示、控制瞄准和导航跟踪等方面得到广泛地重视。 目前直升机机载吊舱除用于武装侦察直升机、 无人侦察机外， 还可用于目标特性测量、光电制导武器模拟等方面，在电力巡线、海上缉私、环保监测等民用方面也有广泛的应用。

2003 年 10 月 17 日公安部对外正式公布， 国务院和中央军委已经于 2003 年 9 月正式批准各地公安机关对警用直升机的使用， 使得公安部成为我国第 5 个拥有航空器管理权的单位。 警用直升机市场在未来将会有大的发展。 光电吊舱是警用直升机完成搜索跟踪任务的核心设备， 其需求量也的 PolyTech 系列、美国的 FLIR 系列吊舱。

目前， 我国直升机机载吊舱都是根据用户的需求进行加装， 而且全部从国外进口， 如瑞典且完全依靠进口， 势必影响安全领域的独立建设和发展， 因此研究自己独立产权的光电吊舱具有非常重要的意义。

2 系统组成及工作原理

2.1 系统组成

直升机光电吊舱基本组成分为吊挂球形转塔和机上显示控制处理系统，见图 1 。从硬件组成上看，转塔包括U型支架、 球型台体载物台、 测角系统、 电控驱动系统、 陀螺仪、 陀螺仪稳定回路、 光电探测器、 TV 与红外跟踪器及接口电路等。从原理上看， 转塔可分为稳定平台和光电有效载荷(探测器)两大部分。 光电载荷安装在稳定平台上， 通过陀螺稳定平台隔离载机的振动， 获得相对惯性空间稳定的平台空间，并且在控制指令的驱动下，实现光电载荷对目标的搜索、捕获、跟踪和定位。因此机载陀螺稳定平台实现两大功能：一是空间稳定，二是能够跟踪目标。探测器(有效载荷)可根据担负任务的不同而采用不同的组合搭配。对完成搜索跟踪任务的机载吊舱来说， 一般包括可见光 / 微光摄像机、 红外热像仪和激光测距仪等。 此外，根据需要，有效载荷还可配置激光照明器、 激光指示器、 激光告警器及图光谱仪等设备，其作用和特点详见表 1 。

2.2 工作原理

光电吊舱的工作原理是采用可见光 ( TV ) 和红外光成像传感器作为闭环控制系统的位置误差传感器，输出目标方位信息或外引导信息， 由主控计算机或人工给出转动指令对目标区进行搜索。 转塔与所载跟踪探测器形成闭环跟踪后， 将输出经过处理的目标方位和俯仰偏差变换成正比的控制信号， 作用于陀螺仪的力矩器上。力矩电机输出与方位、俯仰误差成正比的控制力矩使跟踪架的光电探测器保持对目标的跟踪。此外， 通过加入相应的传感器和采用一定的算法， 吊舱还可以实现对目标的相对定位。 定位方式有主动定位和被动定位两种方式。 主动定位是用激光测距仪通过测量目标相对飞机的距离得到精确的目标相对位置和相对速度;被动定位是用电视 / 红外成像测量传感器平台测量目标的角度变化，得到粗略目标距离。

3 发展现状及趋势

3.1 军用领域

世界上有许多国家如美、法，英和以色列研制并装备了导航 / 瞄准吊舱，如美国洛克希德 · 马丁( Lockheed Martin ) 公司研制的 LANTIRN 导航和瞄准系统、 “ 阻击手 ( Sniper ) XR” 先进目标定位吊舱，雷神 ( Raytheon ) 公司研制的先进前视红外瞄准吊舱 ATFLIR ， 以色列拉菲尔武器发展局与美国诺思罗普 · 格鲁曼公司合作研制的 “ 蓝盾 ”LITENING I 和 LITENING II 吊舱等。

武装直升机机载光电吊舱近 10 年来在国外发展很快，其中比较有代表性的有美国 OH-58D 侦察直升机的前视红外 ( FLIR ) 吊舱、 AH-64 武装直升机的 TADS/PNVS 目标捕获与指示的瞄准具 / 夜视传感器吊舱，意大利Ａ -129 、英国Ｌ ynx-3 和以色列 Msis 等武装直升机的红外火探系统和夜间导航吊舱等 。

直升机载侦察设备一般都选用前视红外、 电视摄像机和激光测距机等， 组成一个完善的侦察系统，可在多种气候和夜间条件下实施综合侦察。 目前电视摄像机和激光测距机已较为成熟， 各国将重点投向发展先进的前视红外装置，以增强全天候能力和扩大作用距离。 例如 RAH-66 “ 科曼奇 ” 直升机的光电目标探测 / 指示系统( EOTADS ) 和夜视导航系统的前视红外系统采用 4×480 焦平面阵列的第二代前视红外系统，有三种视场： 2.0°×1.5° 、 8°×6° 和 30°×40° ， 能够提供高分辨率、高清晰度的图像。 此外，美国陆军准备装备于 “ 阿帕奇 ” 直升机的二代前视红外系统 —— 美国洛克希德 · 马丁公司的 “ 箭头 ” 系统采用了针对 RAH-66“ 科曼奇 ” 直升机设计的前视红外技术， 与第一代前视红外系统相比分辨率提高了 67 %。 飞行员通过前视红外系统能够看到水中的树影，甚至单片玻璃等细节。

3.2 警用领域

3.2.1 警用直升机的特殊要求

随着全球恐怖主义的日益猖獗， 世界各国不得不研究各种反恐措施。 直升机在空中的配合可以大大提高警察部队的机动作战能力和办案效率。 目前警用直升机大多承担多项任务， 主要有： 空中警务执法、 处理突发事件、 通信联络、 空中交通指挥、 搜索与救援、 消防、 公务运输、 押解罪犯和银行运钞、 紧急医疗救护、配合海关缉私缉毒、保护自然资源、监控环境等。根据其特殊用途， 警用直升机应满足以下要求：

1 ) 飞行速度不高，但低速飞行和悬停性能较好;

2 ) 主要在楼群、山谷、丛林、水面、沼泽、平台等狭小地方起落，要有很好的爬升率;

3 ) 具备在复杂气象情况下的夜航能力， 并可在高温 ( 50 ℃ ) 、 高原寒冷地区 (- 40 ℃ ) 、强风 ( 大于 40kn ) 和近海高温环境下正常飞行;

4 ) 具有安装警用器材的条件;

5 )最大飞行距离不能少于 500 km 。

3.2.2 警用直升机探测跟踪设备

警用直升机任务设备为完成所赋予的任务必须安装专用设备， 包括通信设备、 导航设备、 观察设备、营救设备、紧急医疗设备、消防设备、 货运设备和保障设备等。机载光电吊舱是警用直升机的关键设备， 它可昼夜进行巡逻和监视， 随时摄像取证并将信息传输到地面指挥中心。 它可进行 360 °回转搜索，远距离发现目标。此外， 直升机还配备了 GPS 及电子地图， 可确定地面逃逸车辆的准确位置。 配备高频和甚高频电台、 警用电台、 应答机、 无线电罗盘等多种通信导航设备， 随时与地面指挥中心保持联系。

3.2.3 警用直升机光电吊舱主要产品

目前国外警用直升机的光电吊舱主要有：

1) 瑞典 POLYTECH 公司 WhiteStar 275 I 执法监视系统;

2) 美国 FLIR 公司机载吊舱系列，典型的如 Ultra 7500 、 Ultra 8500 。

3) 以色列飞机工业公司生产的 “ 插入式光学有效负载 ” 吊舱 POP200 ， 稳定平台可视情况搭载多种插

入式传感器(如前视红外装置、 CCD 摄像机、激光测距仪等)组合。

各典型警用光电吊舱的综合性能比较见表 2 。此外，在热对比度很小甚至达到热平衡的条件下(如水中目标、 船上或金属板上的标号)， 热像仪很难探测到目标， 在允许条件下可以采用照明器照射目标的方法搜索探测目标。 典型的如加拿大的增强微光可视红外警戒系统( EIVISS )， 它是一种带距离门的有源成像系统，阴天的夜晚和不良天气条件下更能体现其探测能力。

3.3 发展趋势

1 )探测器性能不断升级

吊舱的探测跟踪性能说到底取决于有效载荷即探测器的性能， 如有效探测距离、 探测精度、 抗恶劣环境的能力等。 目前采用 CCD 成像的可见光微光摄像、激光测距等技术还在不断朝着高精度化、 小型化、 数字化方向发展， 但对警用和准军用来说都已比较成熟， 而发展的重点主要在于红外成像技术， 特别是以军事应用为背景的前视红外( FLIR ) 技术。 当前以军事需求为先导的红外成像设备价格都十分昂贵，指标较高的设备对外出口都进行异常严格的限制。

2 )信号探测组合化

光电综合侦察探测设备常常集可见光、 微光、 红外、 激光等几种传感技术于一体。 对光电综合系统的一般要求是尽量采用共同光学系统， 进行综合稳定 , 采用共同的目标跟踪和影像运动补偿系统等。 开发光电综合探测跟踪系统需要解决窗口材料、光学薄膜等相关技术问题。

3 )有效载荷模块化

近年来， 光电系统功能越来越强， 该系统占直升机的总成本比例也一直稳步上升， 雷达、 红外、 数字图像、 定位导航、 自动驾驶仪及数控引擎逐步引入， 而机载陀螺稳定平台的空间是有限的。 这就需要根据用户需要， 能对有效载荷进行灵活的配置。 采用插入式的光电有效载荷得到广泛欢迎， 典型的如以色列 POP200 ，它能进行三种配置， 即 FLIR+ 电视、 FLIR+ 激光测距仪、 FLIR + 电视 + 激光指示器。 系统模块式设计中的许多具体技术问题如操作系统、 应用软件、 数字化处理、 封装技术、 高速网络及人机接口等需要不断改进， 以期获得模块化方法所能提供的全部效益。 今后的机载光电系统将朝着功能综合化、体积小、重量轻小型化的方向发展。

4 )信息实时化

机载系统探测到的图像距离等信息， 需要通信系统将其及时传送到地面指挥控制中心。 机载通信系统一般采用空地无线电通信设备或卫星通信设备。 传输数据量和实时性要求的矛盾日益突出， 一方面要求通信链路拓宽频带和提高信息传输容量， 另一方面要求吊舱系统在信号传输前做相应的前端处理， 如数字图像信号的综合处理，信息融合等。

4 研究思路

4.1 基本思想

以警用直升机为基本使用背景， 并考虑多领域军用侦察机及无人侦察机， 机载光电吊舱应具有以下基本功能， 即： 全天候大范围航空摄影、 交通管制、 监控、 搜索， 目标自动识别、 自动跟踪和自动定位。 它完成以下 4 个主要任务： 1) 引导飞行。 GPS 和电子地图的导航信息，摄像机、红外热像仪的图像均可显示， 引导飞行员驾驶。 2) 搜索目标。 主要考虑对地搜索， 靠前视红外和电视跟踪仪提供图像。 3) 识别目标。 飞行员可以直接对可见光和红外摄像仪提供的图像进行目标识别， 系统通过图像处理和识别算法也能自动提供目标识别结果供飞行员参考决策。 4) 跟踪目标。通过光电跟踪系统使得视场内的当前运动目标始终保持在视场中心。以上各功能对应吊舱不同的工作模式，并且根据需要可以方便地进行切换。

4.2 研究思路

4.2.1 模块划分

采用模块化设计方法， 吊舱系统可分为三个子系统， 即转塔子系统、 计算机显示控制子系统及辅助子系统。 按功能可分成若干个独立的功能单元模块， 根据需要进行组合： 1 ) 转塔子系统： 光电有效载荷(可见光摄像机、 红外摄像仪、 激光测距仪)、 稳定平台; 2 ) 计算机显示控制子系统： 计算机控制单元、视景显示单元、操纵单元、自动跟踪单元及接口单元; 3 ) 辅助子系统：电源单元、环境控制单元。

4.2.2 硬件设计

可见光摄像仪、 红外热像仪、 激光测距仪均可按总体设计要求， 选购国内外较为成熟的产品的机芯或功能模块， 并进行相应的二次开发和系统集成。 从警用角度来说， 第一阶段不追求单一探测器指标的最优， 以实现警用的基本功能为目标， 主要考虑较优的综合性价比。 在具体设计中充分考虑今后的发展，并在后续改进中不断采用成熟的、性能更优的探测器核心模块。陀螺平台、 接口、 操纵控制器、 光电自动跟踪器等部件则需按技术性能指标自行设计。 稳定平台的设计包括陀螺仪选型、 平台结构设计、 平台控制系统设计等。 接口是转塔与机内显控系统之间的连接装置，可在此将 GPS 、 探照灯、通信系统的信号引入吊舱系统。它主要包括导航接口(将 GPS 与电子地图信号引入， 获得导航位置信息)、 通信接口(将图像视频信号引出， 通过无线电微波通信或卫星通信设备实时传输到地面控制中心)及探照灯接口等。操作控制器控制平台的转动、 TV 与红外图像的切换、镜头的调焦等，需进行操作面板和微处理器的软硬件设计。转塔子系统部件主要技术指标内容见表 3 。

4.2.3 软件设计

为完成以上主要功能， 软件设计上应包括图像处理、 目标识别、 目标跟踪和目标定位等部分。 对警用和军用一般说来，目标跟踪是最终目的，图像处理、目标识别以及目标定位是实现这一目的的必要手段。

1 )图像处理

对于微光电视图像实时处理系统， 关键在两个方面： 一是高速的数字图像处理器， 要考虑采用并行处理芯片; 二是实时图像处理算法。 从实时性讲， 还应考虑数据的存储和访问技术以及图象的显示技术。

2 )目标识别

图像传感器将摄取的目标可见特征或热特征的图像信号送入计算机进行图像处理和分析， 从场景图像中识别出目标， 这就是自动目标识别 ( ATR ) 。 目前提出的算法主要有： 基于参数分类的 ATR ， 基于模型的ATR ， 基于多传感器融合的 ATR ， 基于人工神经网络的 ATR ， 基于知识的 ATR 图像分割和特征提取技术。

3 )目标自动跟踪

目标识别后， 系统经过 Kalman 滤波确定出跟踪线位置， 计算出误差用以控制瞄准线对准目标， 实现自动跟踪。 基于多图像传感器的图像跟踪算法研究与实现是吊舱跟踪系统的核心内容。 目前有多种算法可用于目标跟踪，如形心跟踪、质心跟踪、波门跟踪、边缘跟踪、区域平衡跟踪、相关跟踪等。

4 )目标自动定位

按照基于激光测距仪主动定位或图像处理被动定位两种定位方式获得目标的相对位置。

5 结束语

直升机机载光电吊舱技术涉及面广， 涵盖光学、 机械、 电子、 计算机、 自动控制和导航定位等多个学科。 国外这方面技术的研究已比较成熟，相关产品在军用民用等领域得到了越来越多的应用。 目前，国内有关部门如电力、 公安系统等民用警用领域已在积极应用该项技术， 预计将有较大的市场前景。 因此， 有针对性地开展机载光电吊舱相关技术的研究， 尽快研发产品， 将具有显著的社会效益和经济效益。

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