2.6　光電探測系統(tǒng)

2.6.1　光電探測系統(tǒng)的軍事應用

光電探測系統(tǒng)在軍事探測中有著廣泛的應用，并占有十分重要地位。光電探測與雷達探測相比，具有采用被動工作方式和工作波長較短兩大優(yōu)點。由于它采用被動工作方式，因而隱蔽性好、防干擾能力強、圖像直觀；由于它的工作波長短，因而它的鑒別率遠高于雷達，并且不存在由海面雜波造成的鏡向效應。

同時，光電探測與聲吶探測相比，也有如下優(yōu)點。

①戰(zhàn)術機動性好，可裝在飛機、水面艦船和潛艇中進行多層次探測。

②搜索、探測速度快，例如，潛艇光電桅桿只用4s即可完成海面視距距離搜索，而用聲吶系統(tǒng)，至少要在7s以上。

③對同樣大面積水域探潛探雷，激光系統(tǒng)要比聲吶系統(tǒng)快10倍以上。

④定向精度和分辨率更高。

⑤激光探測受水流、水溫等因素影響較小，而且隱蔽性和抗干擾能力優(yōu)于主動聲吶系統(tǒng)。

當然，光電探測與雷達和聲吶探測相比，也有一些缺點。在未來的高科技信息戰(zhàn)中，電子通道、聲學通道和光電通道三者并駕齊驅，相互補充，相得益彰，缺一不可，而且光電探測系統(tǒng)作為新興的高科技裝備，正處于日新月異的高速發(fā)展時期。

光電探測系統(tǒng)在軍事應用中也起著重要的作用。最為常見的作用有偵察/搜索作用、瞄準/跟蹤/火控作用、武器的制導/定向導航作用等戰(zhàn)術作用。光電探測系統(tǒng)是綜合C4I系統(tǒng)的一個重要組成部分，通過軍用光電探測系統(tǒng)能建立中、近、遠程光電攻防通道；能建立對空、對海、對陸目標光電打擊通道；能建立潛艇攻防光電通道；能建立光電天文定位通道。特別是，建立潛艇攻防光電通道，在光電潛望鏡和光電桅桿伸出水面執(zhí)行偵察任務時，均具有快速周視搜索能力，加之在頭部采取流線型結構、雷達波吸收材料等措施，極大減少了暴露電磁譜的概率等優(yōu)點。

2.6.2　光電探測跟蹤系統(tǒng)

光電探測跟蹤系統(tǒng)有艦載和機載兩種安裝形式。艦用光電跟蹤儀是一種典型的艦載光電探測跟蹤系統(tǒng)，它已廣泛應用于艦船上。光電跟蹤儀和武器系統(tǒng)配合使用，也可作為光電支援措施，與需要精確確定出目標方向的光電對抗設備連用。目前，大多數(shù)光電跟蹤儀采用TV、紅外攝像機和激光測距儀這三個光電探測器件。

艦用光電跟蹤儀一般由位于甲板高處的光電探測頭（圖2-53）和甲板下的顯控臺兩大部分組成。在光電探測頭中裝有TV攝像機、紅外熱像儀和激光測距儀等光電探測器。它們在顯控臺控制系統(tǒng)控制下可進行方位和俯仰旋轉。在顯控臺面板上，裝有圖像顯示器、鍵盤和各種操縱器件。顯控臺內部裝有圖像信號處理器、跟蹤信號發(fā)生器、主控計算機以及隨動系統(tǒng)等。

TV攝像機和紅外熱像儀的作用是相同的，實現(xiàn)對目標的捕獲和跟蹤。TV攝像機工作在可見光波段，主要在白天使用。紅外熱像儀主要供夜間和戰(zhàn)場煙霧較大的白天使用。一般情況下，這兩種成像器件在能見度較好的情況下，對0.2m²小型掠海反艦導彈的探測和跟蹤距離為5～10km，跟蹤精度為0.1mrad左右，激光測距儀普遍采用工作波長為1.06μm的Nd：YAG激光器，測量距離達10km，精度為±（5～10）m。測距率為10～20次/s。

顯控臺是光電跟蹤儀的控制、顯示和計算中心，戰(zhàn)術作用是對光電探測頭的高度和方位旋轉進行控制、圖像處理和顯示、選擇跟蹤方式、彈道預測和控制對接武器。光電跟蹤儀在顯控臺控制下，對目標進行捕獲、跟蹤、目標坐標數(shù)據(jù)測量以及和武器對接等。

顯控臺內的圖像信號處理器是光電跟蹤儀的關鍵部件，它包括預處理器、特征提取和特征選擇器、目標識別器和跟蹤處理器幾部分，其作用是提取出圖像跟蹤信號并通過主控計算機控制隨動系統(tǒng)，并帶動光電探測頭跟蹤目標。

在圖像信號處理器中，預處理器用來對圖像信號進行預先處理，以改善圖像質量或減少運算量，大體分為去噪處理、圖像校正、數(shù)據(jù)壓縮和圖像增強及補償?shù)炔襟E。特征提取和特征選擇器是將從原始灰度圖像中提取出圖像描寫的特征，然后根據(jù)圖像識別及跟蹤的需要，按照特征選擇原則選取有用的特征進行運算，目標識別器是根據(jù)所選擇的目標特征，按照一定的分類準則對目標進行分類識別，包括運用統(tǒng)計方式的光譜識別、運動參數(shù)識別、亮度識別等。跟蹤處理器是成像跟蹤系統(tǒng)的關鍵部分，通常采用的跟蹤模式有形心跟蹤、相關跟蹤、對比度跟蹤等多種。在實際工作中，根據(jù)情況可選用一種跟蹤模式，亦可同時采用多種跟蹤模式。跟蹤器還具有跟蹤狀態(tài)的估計和狀態(tài)的轉換以及濾波和目標狀態(tài)的預測等功能。除上述自動跟蹤方式外，還可以由操縱手實現(xiàn)手控跟蹤；在目標丟失情況下，光電跟蹤儀根據(jù)目標預測數(shù)據(jù)，進行記憶跟蹤。

根據(jù)需要，光電探測器件可靈活配置，亦可與雷達組合安裝，見圖2-53，從而形成光電跟蹤儀多種配置結構。例如美國計劃裝在阿利·伯克級（DDG-5）宙斯盾導彈驅逐艦上的MK46Mod0光電跟蹤儀則未裝備激光測距儀，而法國的“紅外眼鏡蛇2000”型則加裝4臺光電探測器件：一臺CCD TV攝像機、一臺激光測距儀、一臺3～5μm中波紅外熱像儀和一臺8～12μm長波紅外熱像儀。另外，瑞典的9LV200系列光電跟蹤儀還與跟蹤雷達組裝在同一跟蹤座。21世紀艦用光電跟蹤儀仍是最主要的艦用光電設備之一，其發(fā)展趨勢是：廣泛采用目視安全激光測距儀，例如工作波長為1.54μm的喇曼頻移Nd：YAG激光測距儀；組裝在沿海區(qū)域工作性能更佳的3～5μm熱像儀；組裝第二代紅外焦平面陣列器件；逐步采用非致冷型熱像儀，以便大幅度降低現(xiàn)役光電跟蹤儀的體積和重量等。

2.6.3　紅外搜索與跟蹤系統(tǒng)

紅外搜索與跟蹤系統(tǒng)可承擔探測導彈之類的威脅目標，可執(zhí)行早期警戒、自動搜索、探測浮雷、識別遠距離目標、夜間導航等多重任務。國外該裝備有很多，主要有法國的Matra Defense和SAGEM公司的SAMIR（DDM），美國Cincinnati公司的AN/AAR-44，法國SAT和SAGEM公司的VAMPIR MB，荷蘭Signal公司的SIRIUS（天狼星）等。

紅外搜索與跟蹤系統(tǒng)的關鍵技術是紅外探測器和信號處理機。紅外探測器選材和制作十分關鍵。因為熱力學分析表明，接近環(huán)境溫度的物體在8～12μm長波段的紅外輻射較強，而溫度較高的物體，例如目標發(fā)動機或羽煙，則在3～5μm中波段的紅外輻射較強。8～12μm紅外輻射的主要問題是在大濕度地區(qū)衰減較大，致使探測距離銳減；而3～5μm紅外輻射受此影響較小，尤其適合于沿海使用，但當空氣溫度低于20℃時性能變差，并且受太陽反射光干擾較嚴重。為了使紅外搜索與跟蹤系統(tǒng)能在各種環(huán)境下探測各類目標，目前研制的紅外搜索與跟蹤系統(tǒng)多數(shù)采用雙紅外波段探測，并且采用新一代紅外焦平面陣列器件。由于紅外搜索與跟蹤系統(tǒng)中的紅外焦平面陣列探測器是在旋轉中掃描工作，因此主要選用多排線陣型，例如288×4元陣列、300×10元陣列等。紅外探測器材料多選HgCdTe材料；對于3～5μm波段探測來說，也可考慮選用InSb材料。

研究并采用具備每秒上千億次處理能力的數(shù)據(jù)處理機是紅外搜索與跟蹤系統(tǒng)成功的關鍵所在。因為信號處理機的作用是把微弱的目標信號與各種偽信號（如太陽閃光）和背景信號（如云）逐步分開，最終提取出真實目標信號。紅外搜索和跟蹤系統(tǒng)的信號處理十分復雜，主要技術包括空間處理、時間處理、空時處理、多頻帶處理、多頻譜處理、極化處理和自適應處理等。為增加系統(tǒng)探測弱小目標和去除偽目標信號的能力，系統(tǒng)必須對幾百萬個像素逐個進行處理。這樣，所需要的數(shù)據(jù)處理率就高達每秒上千億次。

（1）SAGEM旺皮爾（DIBV-1A）/旺皮爾MB（DIBV-2A）

早期的“旺皮爾”系統(tǒng)（艦用防空周視紅外系統(tǒng)）完全用于監(jiān)視，之后法國海軍建造技術局開始研制用于武器控制的紅外搜索和跟蹤（IRST）系統(tǒng)。現(xiàn)在第二代紅外搜索和跟蹤系統(tǒng)旺皮爾MB系統(tǒng)已經研制出來，并作為DIBV-2A投入使用。

旺皮爾MB系統(tǒng)是OP3A（反導自防御改進計劃）的一部分。法國海軍艦船自衛(wèi)系統(tǒng)（SSDS）已經安裝在“喬治·萊格”級之一的驅逐艦讓·德·維埃納號上了，見圖2-54。

旺皮爾MB系統(tǒng)是提供周視監(jiān)視的紅外搜索和跟蹤系統(tǒng)。它被用于探測、識別和指示空中和水面目標，并同時提供輔助導航性能。它包括直徑為550mm，高為1.50m的旋轉傳感器頭以及顯示系統(tǒng)，傳感器頭位于固定的傳感器模塊（包括信號處理裝置、伺服控制和電源裝置）上。它能夠同時跟蹤高達50個目標，據(jù)說，系統(tǒng)還能夠在27km（14.5海里）的距離上探測導彈，在25km（16海里）距離上探測戰(zhàn)斗型飛機。

傳感器頭的孔徑為20cm，雙軸陀螺穩(wěn)定平面鏡反射輻射到兩個固定的平面鏡上，接著通過二色分光鏡到傳感器模塊上的光電子系統(tǒng)。紅外系統(tǒng)包括在3～5μm和8～12μm波段工作的第二代紅外電荷耦合器件（IRCCD）焦平面陣列（288×4）。傳感器提供360°的方位作用范圍，在仰角方向提供了5°的瞬時視場。系統(tǒng)的俯仰作用范圍是-20°～+45°。

數(shù)據(jù)呈帶狀制式出現(xiàn)在顯示熒光屏上，根據(jù)三帶，每波段顯示景物和用于潛在威脅接近的300m性能。字母數(shù)字數(shù)據(jù)用于目標信息以及顯示艦船方位信息。

旺皮爾MB系統(tǒng)通常在遙控方式下工作，監(jiān)視和目標指示信息通過艦船作戰(zhàn)系統(tǒng)自動地傳遞到武器系統(tǒng)。低效獨立方式用于把數(shù)據(jù)直接傳送到武器系統(tǒng)。表2-3列出了旺皮爾MB技術指標。

（2）SIRIUS（天狼星）

SIRIUS系統(tǒng)（圖2-55）是遠程紅外監(jiān)視和跟蹤系統(tǒng)（LR-IRST），用于加強對水面艦艇的水平搜索性能以防御掠海反艦導彈。SIRIUS系統(tǒng)在任何情況下使用都能達到最佳的性能，不僅在地區(qū)防御中，而且在要點防御演習方案中。它能夠與任何作戰(zhàn)系統(tǒng)相結合，也能與任何傳感器系統(tǒng)密切配合，例如從簡單的跟蹤雷達或自動近程武器系統(tǒng)到主動相控陣雷達。

一探測到目標，目標就被跟蹤，然后獲得證實的跟蹤數(shù)據(jù)信息，供作戰(zhàn)系統(tǒng)使用。進一步的跟蹤和目標分類產生了警報，換言之屬于威脅目標的目標跟蹤信息被武器系統(tǒng)直接使用。它是一種完全三軸穩(wěn)定雙紅外波段系統(tǒng)。

SIRIUS系統(tǒng)預定與改進的“海雀”導彈系統(tǒng)一起工作，并且已被證實的紅外搜索和掃描技術為基礎。它增加了第二個探測器頭，用來提供雙波段的作用范圍和提高紅外信號處理以及信號判讀算法，并且以60r/min的速度旋轉。SIRIUS回到原始的紅外搜索和掃描原理，對完全穩(wěn)定頭部增加了3～5μm攝像機和8～12μm攝像機。探測器提供了具有時間延遲積分的300×10元和300×8元的陣列，也包括互補CMOS讀出技術。在傳感器頭內使用了16位模擬/數(shù)字轉換。使用信號公司的閉環(huán)斯特林機可以把溫度冷卻到-196℃。系統(tǒng)的可達探測距離大約是30km（16海里）。表2-4列出了SIRIUS系統(tǒng)技術指標。

（3）紅外監(jiān)視遠程熱像儀

美國Raytheon公司研制了一種紅外監(jiān)視遠程熱像儀，主要用于前進觀察員觀察、識別目標和火炮射擊指向，其主要性能見表2-5。

2.6.4　潛艇光電潛望鏡和光電桅桿

潛艇光電潛望鏡和光電桅桿是20世紀80年代以后發(fā)展起來的新一代潛望設備，與傳統(tǒng)的光學潛望鏡相比，不僅獲取外部光學信息的手段更加豐富，而且降低了暴露給敵方電磁信息的概率。

光電潛望鏡有攻擊型和搜索型之分，其特點是：除保留傳統(tǒng)的目視光學通道外，還可選裝晝光/微光TV（均有黑白和彩色兩種制式）、紅外熱像儀和激光測距儀等光電傳感器。微光TV的工作波長延展到近紅外區(qū)，在黃昏、黎明和星光下有很好的圖像效果。紅外熱像儀則使?jié)撏R的工作時間擴大到整個夜間，并且在有煙霧和小雨的白天，工作性能也較好。光電潛望鏡的特點之一是：可選裝幾種光電探測器件，另外還可選裝顯控臺。因此，光電潛望鏡除具備光學潛望鏡一樣的作用外，還可借助顯控臺顯示晝光、微光和紅外圖像，并對潛望鏡進行遙控。

光電桅桿是在光電潛望鏡基礎上發(fā)展起來的潛望鏡高級形式。它有以下幾個特點：①TV探測器件取代目視光學通道，并與熱像儀與各種電子天線構成光電-電子傳感器頭；②用多級伸縮桅桿取代傳統(tǒng)的潛望鏡管；③用顯控臺完全取代了傳統(tǒng)的潛望鏡目鏡觀察頭。由于顯控臺具有圖像顯示、控制和圖像處理等多種功能，所以光電桅桿與光電潛望鏡相比，可以認為是實現(xiàn)了探測的全光電化、控制的全自動化、顯示的大屏幕化以及數(shù)據(jù)“融合”處理的全計算機化和信息傳輸?shù)娜饫w化。

光電桅桿主要有下列優(yōu)點：①增強了獲取信息的手段和能力，桅桿的光電頭實際上是一個可置放各種光電/電子傳感器的平臺，因此指揮員通過它可獲取大量的電磁頻譜信息；②可晝夜工作，從而擴大了獲取信息的時間；③可多人觀看顯控臺大屏幕圖像，集思廣益，可進一步提取出更多的光電信息；④具有快速周視搜索能力，從而使光電潛望鏡/光電桅桿在4～6s內，完成海空搜索，而用常規(guī)光學潛望鏡，則至少要在10～20s才能完成，減少了潛艇暴露在水面的時間；⑤桅桿可做成流線型和涂覆雷達波吸收材料，增強了對抗能力；⑥與潛艇戰(zhàn)斗系統(tǒng)連接，從而構成潛艇整個信息戰(zhàn)的一個部分。

光電潛望鏡/光電桅桿在潛艇中有多種配置方式。一種是光電攻擊潛望鏡和光電搜索潛望鏡配對使用。例如德國研制的SERO14型/15型光電搜索/攻擊潛望鏡已裝在挪威“優(yōu)拉”級潛艇中。另一種是光電潛望鏡與光電桅桿配合使用。例如法國的M90光電潛望鏡與OMS光電-雷達桅桿組合裝在“凱旋”級彈道導彈核潛艇中。這種M90光電潛望鏡有攻擊和搜索雙重功能。從光電潛望鏡發(fā)展看，它的攻擊性能和搜索性能的界線正逐步淡化。第三種可能的配置是只需一根光電桅桿。例如，英國皮爾金頓公司認為，在潛艇上只要安裝該公司的一根CM010光電桅桿即可。但另一種看法并不贊成潛望全光電化，即要求至少保留一個直接目視光學通道，其理由是認為光電圖像質量遠不如光學圖像的高，而且還存在可靠性問題。因此，在今后很長一段時間，會存在光電潛望鏡和光電桅桿不同配置方案的情況。

（1）86型戰(zhàn)術光電桅桿

86型光電桅桿是美國科爾摩根公司的第一種非穿透性光電桅桿系列，采用模塊化設計，它不僅裝備有各種觀測傳感器，還配有ESM、GPS和通信天線，它將各種現(xiàn)代化的傳感器都集成在單個桅桿上。86型光電桅桿的頭部結構見圖2-56，其主要性能見表2-6。

86型光電桅桿技術特征是：①完全可靠的電子攝像（電視攝像/熱成像）；②眼睛安全型激光測距儀；③快速周視全景顯示；④編程自動掃描模式；⑤電子放大；⑥數(shù)據(jù)記錄和檢索；⑦簡易功能齊全的人機接口；⑧實時圖像增強；⑨COMM/GPS/ESM天線。

（2）PMP光電桅桿系統(tǒng)

PMP光電系統(tǒng)是美國科爾摩根公司研制的，之后用新的傳感器、新的電子線路和遙控操縱臺進行改裝（圖2-57為PMP光電桅桿的部分結構）。其主要性能見表2-7。

PMP光電桅桿系統(tǒng)技術特征是：①彩色電視攝像機；②黑白電視攝像機；③熱像儀；④眼睛安全型激光測距儀；⑤全向的、測向（單脈沖）ESM；⑥COMMS/GPS。

（3）SERO14/15光電潛望鏡

SERO14/15光電潛望鏡是德國卡爾·蔡司公司（圖2-58）的，已經裝備到了挪威的ULA級潛艇上，它們還裝備到了德國和意大利的212A級潛艇上，其主要性能見表2-8。

PMP光電桅桿系統(tǒng)技術特征是：①目鏡中數(shù)據(jù)顯示；②光學測距儀；③激光測距儀；④數(shù)字接口監(jiān)視器；⑤多種光學濾光鏡；⑥紅外攝像機。

（4）CK038搜索潛望鏡和CH088攻擊潛望鏡

CK038搜索潛望鏡（圖2-59）和CH088攻擊潛望鏡（圖2-60）能夠同現(xiàn)代所有的中型潛艇相兼容，可靠性高，具備武器系統(tǒng)的電子接口，模塊化設計，光學元器件的性能高，具備夜視能力，數(shù)據(jù)和圖像能同高級的光電桅桿CM010相接口，可升級改裝并且維護成本低。其主要性能見表2-9。

PMP光電桅桿系統(tǒng)具有如下技術特征：①高性能的傳感器：三軸穩(wěn)定、逼真的高亮度彩色攝像機、所有傳感器公用單窗口；②圖像處理：實時圖像處理、對實時攝錄的圖像進行快速準確的目標分析；③隱蔽特性：聲學、可見光、雷達和熱特征波形較小；④可編程操作模式。快速周視、連續(xù)觀測、抓拍、桅桿暴露時間短；⑤先進的人機接口：易于操作，能適應用戶的具體要求或者具體的操作臺，操作員訓練裝置，支持潛望鏡操作。

2.6.5　光電成像探測系統(tǒng)

（1）SeaFLIR光電吊艙

SeaFLIR（圖2-61）能在海上工作，裝有功能強大的陀螺穩(wěn)定熱像儀和遠距離彩色CCD攝像機。SeaFLIR是一種加固緊湊型組件，海上應用和空中應用的性能相同，提供遠距離紅外探測和彩色可見光探測能力。

SeaFLIR結構緊湊，尺寸小，這種輕重量和小尺寸降低了結構載荷，提高了平臺的穩(wěn)定性，因此SeaFLIR適裝于所有的水面艦船和飛機上，具有很好的成像能力。

SeaFLIR可以工作在一個安全的隱蔽距離，并能在各種陰影甚至夜晚條件下清晰地觀察到水天線。系統(tǒng)使用的是3～5μmInSb焦平面陣列，具有10:1×連續(xù)變焦。

SeaFLIR的彩色CCD具有10:1連續(xù)變焦能力，在晝光條件下具有很好的觀察能力，還能在多塵的條件下工作。

按照軍標MIL-STD-461和801E進行實地試驗后證明，SeaFLIR系統(tǒng)具有的防水密封、加固部件、特殊的耐腐蝕涂層以及內部加熱裝置都使系統(tǒng)滿足了海上應用的要求。SeaFLIR系統(tǒng)已在美國海軍和美國海岸陸戰(zhàn)隊得到應用。

SeaFLIR的標準特征是具有人機工程學手動控制器、三種模式跟蹤和自動掃描。另外，SeaFLIR的連續(xù)360°旋轉包括對天頂?shù)淖詣映上衲芰ΑＯ到y(tǒng)還能與一些其他的設備連接，如雷達、GPS以及火控系統(tǒng)等。

SeaFLIR的應用范圍：海岸與港口巡邏、海上巡邏、偵察與監(jiān)視、搜索與援救、探雷、反水面戰(zhàn)、導航與態(tài)勢告警、防撞、禁毒、環(huán)境監(jiān)測、反恐怖等。SeaFLIR的主要性能見表2-10。

（2）MarkⅡ光電吊艙

MarkⅡ是一個穩(wěn)定的紅外和可見光成像系統(tǒng)，廣泛運用到直升機、固定翼飛機和無人機上（圖2-62）。這種先進的成像系統(tǒng)的主要應用包括執(zhí)法、搜索與救援等。

MarkⅡ成像系統(tǒng)使用了前視紅外（FLIR）成像模塊和晝光CCD攝像機。MarkⅡ的FLIR具有兩個遙控放大倍率（1×和6×），另外還具有一個瞬時光電變焦，提高熱靈敏度，同時將圖像放大2倍。彩色CCD攝像機包括一個自動光圈，能在變化的光照條件下保持良好的圖像質量。CCD攝像機也具有從1.1×～7×的連續(xù)光學變焦能力。另外，MarkⅡ上裝有滿足軍標的電子模塊，能連接和控制其他機載電子系統(tǒng)，如探照燈、從動和自動跟蹤系統(tǒng)等。

MarkⅡ的重量輕，飛行特性提高后，能為任務計劃人員和機上人員提供更大的靈活性，裝載更多燃油，增加其他任務載荷。加固型常平架系統(tǒng)也具有先進的陀螺穩(wěn)定性，減少振動帶來的圖像模糊，提高目標跟蹤能力。

MarkⅡ的人機工程學手持控制使操作員能方便地完成目標跟蹤、聚焦、視場切換和圖像處理。MarkⅡ系統(tǒng)還包括RS-171或CCIR輸出，提供與VCR和圖像數(shù)據(jù)鏈的接口，并能實現(xiàn)遙控。

MarkⅡ的應用范圍是EMS、搜索與援救、環(huán)境監(jiān)測、UAV，MarkⅡ的主要性能見表2-11。