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(gè)機(jī)載平臺和搭載一個(gè)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(dòng)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(gè)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(dòng)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(dòng), 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(dòng)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(dòng)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(dòng)定位和被動(dòng)定位兩種方式。 主動(dòng)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(dòng)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(gè)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(dòng)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(shí)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(shí)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(jià)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(dòng)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(dòng)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(shí)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(shí)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(shí)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(dòng)識別、 自動(dòng)跟蹤和自動(dòng)定位。 它完成以下 4 個(gè)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(dòng)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(dòng)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(gè)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(gè)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(dòng)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(jià)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(dòng)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(shí)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(dòng)、 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(shí)處理系統(tǒng), 關(guān)鍵在兩個(gè)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(shí)圖像處理算法。 從實(shí)時(shí)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)定位
按照基于激光測距儀主動(dòng)定位或圖像處理被動(dòng)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(dòng)控制和導(dǎo)航定位等多個(gè)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。