機(jī)載光電情報(bào)偵察系統(tǒng)發(fā)展新思路

李江勇

·綜述與評(píng)論·

機(jī)載光電情報(bào)偵察系統(tǒng)發(fā)展新思路

李江勇

（華北光電技術(shù)研究所，北京100015）

機(jī)載對(duì)海探測(cè)面臨濕度大、云霧多，海面對(duì)太陽(yáng)光的反射強(qiáng)烈、雜波復(fù)雜等問(wèn)題，嚴(yán)重制約光電探測(cè)系統(tǒng)對(duì)海探測(cè)能力。通過(guò)分析對(duì)海探測(cè)的需求，提出全光場(chǎng)相機(jī)解決廣域監(jiān)視清晰成像問(wèn)題，偏振探測(cè)提升光電系統(tǒng)“全天候”能力，二維光學(xué)旋轉(zhuǎn)掃描技術(shù)提升系統(tǒng)集成度和綜合化水平等措施，為機(jī)載光電情報(bào)偵察系統(tǒng)的發(fā)展提供了新的思路和方法。

機(jī)載光電偵察系統(tǒng)；全光場(chǎng)；偏振探測(cè)；二維光學(xué)旋轉(zhuǎn)掃描

1 引 言

機(jī)載光電情報(bào)偵察系統(tǒng)是軍事情報(bào)獲取的重要手段。根據(jù)軍事需求應(yīng)用的不同，以及光電情報(bào)偵察系統(tǒng)本身的技術(shù)特點(diǎn)，機(jī)載光電情報(bào)偵察系統(tǒng)有多種形式存在，如有用于大范圍戰(zhàn)略情報(bào)偵察的偵察相機(jī)、有用于戰(zhàn)術(shù)偵察的前視系統(tǒng)、也有直接用于武器引導(dǎo)的光電搜索跟蹤系統(tǒng)（或稱(chēng)為光電雷達(dá)）。

雖然，不同的機(jī)載光電系統(tǒng)具體要求各有側(cè)重，但是其發(fā)展方向基本趨于一致。偵察系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要考慮七方面的要素：看得見(jiàn)、識(shí)得清、指得準(zhǔn)、反應(yīng)快、效率高、更安全、多功能。看得見(jiàn)，指靈敏度，靈敏度越高，可探測(cè)目標(biāo)距離越遠(yuǎn)；識(shí)得清，指分辨率，要求系統(tǒng)有更高的空間分辨率；指得準(zhǔn)，指定位精度；反應(yīng)快，指情報(bào)處理和傳輸?shù)臅r(shí)間延遲；效率高，包括一次偵察覆蓋的空間范圍大和偵察獲得光譜信息多；更安全，一是要求具備隱身性能，盡可能降低被發(fā)現(xiàn)的距離，二是要求偵察距離夠遠(yuǎn)，包括飛行高度更高、速度更快，同時(shí)也要求具備傾斜偵察能力，提高偵察距離；多功能，就是要求實(shí)現(xiàn)偵察、識(shí)別、跟蹤、定位、引導(dǎo)等多功能于一體。

本文針對(duì)在情報(bào)偵察中起重要作用的機(jī)載光電情報(bào)偵察系統(tǒng)的發(fā)展展開(kāi)了深入分析，并提出了新的發(fā)展思路。

2 機(jī)載光電系統(tǒng)對(duì)海偵察面臨的主要問(wèn)題

隨著技術(shù)的發(fā)展，機(jī)載光電情報(bào)偵察系統(tǒng)也正朝著“更遠(yuǎn)、更清、更準(zhǔn)、更快、效率更高、更安全、功能更多”的方向發(fā)展。然而，受傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思想的限制，光電系統(tǒng)面臨復(fù)雜的海戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，仍有許多亟待解決的問(wèn)題。

2.1 大范圍覆蓋高清晰成像的問(wèn)題

海面遼闊，在沒(méi)有具體位置指引下，搜索目標(biāo)是很困難的事情。因此，對(duì)海情報(bào)偵察，需要具備廣域搜索功能，即要求盡可能提高光電系統(tǒng)偵察覆蓋范圍。然而，光電成像系統(tǒng)有景深的限制，即只能在一定距離內(nèi)清晰成像。理論上，系統(tǒng)景深能設(shè)計(jì)很大，實(shí)際并不樂(lè)觀，往往存在近距離看得見(jiàn)時(shí)，遠(yuǎn)距離就模糊；或者遠(yuǎn)距離看得見(jiàn)時(shí)，近距離就模糊。圖像模糊，將嚴(yán)重影響目標(biāo)檢測(cè)效率和識(shí)別能力，因此，大范圍覆蓋和清晰成像成為一對(duì)矛盾。

2.2 海面水霧影響光電探測(cè)性能的問(wèn)題

海面水汽含量高，且常有大霧，水汽對(duì)光的吸收導(dǎo)致透過(guò)率很低，嚴(yán)重降低目標(biāo)的信號(hào)對(duì)比度，從而影響光電系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)性能（如圖1所示）。在大氣層內(nèi)，水汽成為影響光電系統(tǒng)使用的主要因素，解決水汽的影響是光電系統(tǒng)研究的一個(gè)重要課題。一般可采用的措施就是根據(jù)水汽對(duì)不同波段的吸收率差異和實(shí)際使用時(shí)的應(yīng)用情況進(jìn)行最優(yōu)偵察波段的選擇。同時(shí)，在圖像處理算法上，采用增強(qiáng)算法，提高透霧情況下的圖像質(zhì)量。這些措施在一定程度上提高了光電系統(tǒng)在有霧情況下的使用效率，但仍不能滿足實(shí)際戰(zhàn)場(chǎng)偵察的要求。

圖1 有霧霾情況下的可見(jiàn)光圖像和紅外圖像

2.3 海面反射太陽(yáng)光形成強(qiáng)雜波干擾的問(wèn)題

白天，海面波浪反射太陽(yáng)光會(huì)形成“耀眼”的雜光，這些雜光在圖像上形成雜亂的、明亮的光電群，嚴(yán)重影響圖像質(zhì)量，并經(jīng)常將目標(biāo)淹沒(méi)，使系統(tǒng)無(wú)法完成目標(biāo)檢測(cè)和識(shí)別功能（如圖2所示）。不解決雜光影響，光電系統(tǒng)遠(yuǎn)距離偵察探測(cè)的性能將大打折扣。

圖2 有反射太陽(yáng)雜光的紅外圖像

2.4 多功能兼顧與系統(tǒng)體積重量要求矛盾的問(wèn)題

機(jī)載對(duì)海偵察光電系統(tǒng)基本上都是多波段集成系統(tǒng)，可見(jiàn)光、紅外、激光是基本的波段配置，可見(jiàn)光又分為黑白和彩色；紅外分為中波和長(zhǎng)波。對(duì)海偵察需要大范圍搜索功能，同時(shí)也需要定點(diǎn)監(jiān)視、多目標(biāo)跟蹤、指示引導(dǎo)等功能。因此，系統(tǒng)傳感器多，光學(xué)視場(chǎng)多（可見(jiàn)光傾向于用連續(xù)變焦鏡頭，紅外傾向于用多視場(chǎng)切換鏡頭），系統(tǒng)復(fù)雜程度高。然而，機(jī)載系統(tǒng)對(duì)體積重量都有很?chē)?yán)格的要求。因此，選擇最優(yōu)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，方能解決多波段集成、多功能綜合與小型化、輕量化需求之間的矛盾。

3 破解問(wèn)題的新思路

隨著技術(shù)的發(fā)展，上述問(wèn)題通過(guò)新的技術(shù)手段有的可以得到徹底解決，有的可以得到明顯改善，主要措施如下。

3.1 全光場(chǎng)成像技術(shù)解決大范圍覆蓋高清晰成像問(wèn)題

傳統(tǒng)成像在理論上只能獲得單個(gè)物平面的清晰像，探測(cè)器單元的有限寬度使得這一清晰成像的范圍擴(kuò)展到一定的深度，即景深。由于傳統(tǒng)成像將光學(xué)系統(tǒng)整個(gè)孔徑發(fā)出的光輻射直接進(jìn)行積分，因而使得景深的范圍受限于孔徑的大小。若要獲得大景深的清晰圖像，則必須減小成像孔徑，但這會(huì)造成圖像分辨率的降低和圖像信噪比的損失。同時(shí)，在一定的孔徑尺寸下，為了得到不同深度位置的清晰像，必須在成像之前通過(guò)機(jī)械調(diào)焦的方式來(lái)對(duì)準(zhǔn)到相應(yīng)的深度，而機(jī)械調(diào)焦的過(guò)程影響了成像的實(shí)時(shí)性，即時(shí)間分辨率［1］。因此，在廣域搜索偵察領(lǐng)域，傳統(tǒng)光電偵察系統(tǒng)存在應(yīng)用瓶頸。

傳統(tǒng)的成像系統(tǒng)只能獲得二維光場(chǎng)，光場(chǎng)相機(jī)要通過(guò)普通的探測(cè)器獲得四維光場(chǎng)信息［2］。與傳統(tǒng)成像方式不同，光場(chǎng)成像是一種計(jì)算成像技術(shù)，其“所得”的光場(chǎng)需要經(jīng)過(guò)相應(yīng)的數(shù)字處理算法才能得到圖像。光場(chǎng)成像的過(guò)程包括了光場(chǎng)的采集以及相應(yīng)的光場(chǎng)數(shù)據(jù)處理，通過(guò)數(shù)據(jù)處理，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字對(duì)焦，從而保證相機(jī)獲得的任意距離的光都能得到聚焦，實(shí)現(xiàn)全視場(chǎng)范圍內(nèi)的清晰成像。傳統(tǒng)成像與全光場(chǎng)成像景深對(duì)比如圖3所示。

圖3 傳統(tǒng)成像與全光場(chǎng)成像景深對(duì)比

全光場(chǎng)成像的優(yōu)勢(shì)在于對(duì)任意深度位置的圖像都可以通過(guò)對(duì)光場(chǎng)積分來(lái)獲得，無(wú)需機(jī)械調(diào)焦，解決了景深受限于孔徑尺寸的問(wèn)題；從多維度的光輻射信息中能夠?qū)崟r(shí)計(jì)算出目標(biāo)三位形態(tài)或提取出其光譜圖像數(shù)據(jù)［3］。傳統(tǒng)相機(jī)與全光場(chǎng)相機(jī)性能對(duì)比如表1所示。

表1 傳統(tǒng)相機(jī)與全光場(chǎng)相機(jī)性能對(duì)比

全光場(chǎng)相機(jī)可以獲得四維光場(chǎng)，利用數(shù)字計(jì)算的方法獲得圖像，目前在可見(jiàn)光相機(jī)中得到初步原理驗(yàn)證。因此，可以首先開(kāi)展機(jī)載可見(jiàn)光全光場(chǎng)相機(jī)的研究工作，然后向紅外波段擴(kuò)展。

3.2 光電偏振探測(cè)技術(shù)提高光電系統(tǒng)“透霧”探測(cè)能力和“耀光”雜波抑制能力

偏振是光獨(dú)立于強(qiáng)度、頻率的基本屬性。光的偏振態(tài)可由偏振角和偏振度來(lái)表征。光的偏振度與發(fā)射物體的物理特性、表面特征有關(guān)，發(fā)射光偏振度與光的入射角和發(fā)射界面的物質(zhì)差異有關(guān)。一般自然界的物體輻射光偏振度都在2%以下，而人造物體表面規(guī)則、光滑，因此偏振度都很高［4］，因此，偏振可用于人工目標(biāo)的探測(cè)。隱身飛機(jī)機(jī)體光滑，而光滑表面會(huì)產(chǎn)生極強(qiáng)的偏振度，因此，偏振探測(cè)更利于探測(cè)隱身目標(biāo)。國(guó)外已經(jīng)在對(duì)海偏振探測(cè)領(lǐng)域開(kāi)展大量工作。

偏振信息是獨(dú)立于強(qiáng)度信息的，因此在某些應(yīng)用方面，偏振探測(cè)具有優(yōu)于強(qiáng)度探測(cè)的特點(diǎn)。如“透霧”問(wèn)題。因?yàn)殪F的影響，物體輻射光譜能量被吸收，強(qiáng)度探測(cè)性能受霧影響嚴(yán)重，而偏振探測(cè)系統(tǒng)具有良好的透霧探測(cè)能力（如圖4所示）。

圖4 霧霾情況下偏振成像效果

同時(shí)，因?yàn)樽匀还獾钠穸刃。Ｃ娣瓷涞奶?yáng)“耀光”偏振度與海面艦船存在很強(qiáng)對(duì)比度（如圖5所示），起到完全抑制“耀光”的作用。

圖5 中波紅外偏振圖像抑制“耀光”

偏振信息獨(dú)立于強(qiáng)度信息，能有效抑制背景影響，提高圖像對(duì)比度。2006年，美國(guó)Polarissensor公司開(kāi)展了紅外偏振成像在海上搜救中的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)［5］（如圖6所示）。由圖中可以看出：不管是在白天還是晚上，通過(guò)紅外偏振成像時(shí)，人、物體和海水的對(duì)比十分強(qiáng)烈，而在非偏振紅外成像下沒(méi)有明顯差異，這種目標(biāo)和背景的差異非常有利于在海上目標(biāo)探測(cè)。

圖6 紅外偏振成像在海上目標(biāo)探測(cè)中的應(yīng)用

3.3 二維光學(xué)旋轉(zhuǎn)掃描技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)多功能、小型化、輕量化設(shè)計(jì)

海上機(jī)載光電偵察系統(tǒng)要求大覆蓋范圍，一般方位要求360°覆蓋，俯仰+30°～－90°以上。為實(shí)現(xiàn)這樣覆蓋范圍，系統(tǒng)一般采用球形轉(zhuǎn)塔形式（如圖7所示）。球形轉(zhuǎn)塔的特點(diǎn)是，充分利用球的外形多開(kāi)窗口，將多傳感器有機(jī)地集成到系統(tǒng)中。光學(xué)系統(tǒng)和傳感器以及部分電路都集成在球形框架內(nèi)，隨兩軸框架一起隨動(dòng)，這導(dǎo)致光電轉(zhuǎn)塔運(yùn)動(dòng)負(fù)載重，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，轉(zhuǎn)塔運(yùn)動(dòng)速度慢，一般為20～30度每秒。掃描速度慢，使得光電轉(zhuǎn)塔很難滿足廣域搜索和多目標(biāo)跟蹤的要求。

圖7 P8A光學(xué)轉(zhuǎn)塔照片

二維光學(xué)旋轉(zhuǎn)掃描技術(shù)是光電系統(tǒng)搜索掃描體制的創(chuàng)新。二維光學(xué)旋轉(zhuǎn)掃描體制是通過(guò)兩維的光學(xué)旋轉(zhuǎn)掃描獲得大視場(chǎng)的覆蓋能力，可有效覆蓋范圍為：方位360°，俯仰＋30°～－150°，甚至更大。同時(shí)，掃描過(guò)程中只需要轉(zhuǎn)動(dòng)部分光學(xué)組件，探測(cè)器和其他光學(xué)組件都固定不動(dòng)，系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)負(fù)載非常輕，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量非常小，系統(tǒng)掃描速度可以很快，可達(dá)幾百度每秒。而且，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，系統(tǒng)軸承、電機(jī)等機(jī)械支撐件體積和重量都能減小，非常有利于系統(tǒng)在保證性能的情況下，實(shí)現(xiàn)小型化和輕量化設(shè)計(jì)。

圖8 二維旋轉(zhuǎn)光學(xué)掃描系統(tǒng)示意圖

4 總 結(jié)

光電偵察裝備是我軍“大情報(bào)、大數(shù)據(jù)、大服務(wù)”偵察情報(bào)裝備體系中不可缺少的重要組成部分，在陸基、空基、艦載或星載等平臺(tái)上都發(fā)揮著重要的情報(bào)偵察作用。但是，光電偵察裝備性能受氣象條件制約等問(wèn)題嚴(yán)重影響其實(shí)戰(zhàn)發(fā)揮作用的效率。如何提升光電裝備的“全天候”適應(yīng)能力，提升光電系統(tǒng)的綜合集成度是重要的研究課題。全光場(chǎng)相機(jī)是實(shí)現(xiàn)廣域監(jiān)視清晰成像的有效手段；偏振探測(cè)則是解決海洋環(huán)境濕度大、云霧多，海面對(duì)太陽(yáng)光的反射強(qiáng)烈、雜波復(fù)雜，提升光電探測(cè)系統(tǒng)對(duì)海探測(cè)戰(zhàn)技性能的可能途徑；二維旋轉(zhuǎn)光學(xué)掃描技術(shù)是提高綜合集成度的有效措施。

［1］ Che Shuangliang，Wen Desheng，Qiao Wei.Study on extended depth of field imaging system［J］.Journal of Applied Optics，2002，23（6）：1－4.（in Chinese）車(chē)雙良，汶德勝，喬薇.大景深成像系統(tǒng)的特性研究［J］.應(yīng)用光學(xué)，2002，23（6）：1－4.

［2］ Zhou Zhiliang.Research on light field imaging technology［D］.Beijing：University of Science and Technology of China，2012.（in Chinese）周志良.光場(chǎng)成像技術(shù)研究［D］.北京：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2012.

［3］ Zhimin Xu，Edmund Y Lam.High-resolution lightfield photography using two masks［J］.Opt.Express，2012，20（10）：10971－10983.

［4］ Han Ning.Study on the technology of IR polarization imaging［D］.Nanjing：Nanjing University of Science and Technology，2008.（in Chinese）韓寧.紅外偏振成像技術(shù)研究［D］.南京：南京理工大學(xué)，2008.

［5］ Tan Zuojun，Li Jun，Chen Haiqing.Application of polarizationmeasurement in the identification of the space targets［J］.Laser＆Infrared，2007，37（3）：200－203.（in Chinese）譚佐軍，李俊，陳海清.偏振探測(cè)技術(shù)在空間目標(biāo)識(shí)別中的應(yīng)用［J］.激光與紅外，2007，37（3）：200－203.

New ideas of the development of airborne photoelectric intelligence reconnaissance system

LIJiang-yong
（North China Research Institute of Electro-optics，Beijing 100015，China）

The airborne sea detection is facing the problem of high humidity，much cloudy andmist，and the strong reflection from the sunlight and clutter complication，which restricts the capability of the sea detection of photoelectric detection system.According to analyze the requirement of sea detection，the problem of clear imaging is solved through the light field camera，the capacity of all-weather detection is improved through the polarization detection，integration and totalization are advanced through the technology of two dimension optical rotation scanning.The ideas and methods are provided for the system of airborne photoelectric intelligence reconnaissance.

airborne photoelectric intelligence reconnaissance；light field；polarization detection；2D optical rotation scanning

TH745

A

10.3969／j.issn.1001-5078.2013.11.01

1001-5078（2013）11-1199-04

李江勇（1977－），男，高級(jí)工程師，主要從事機(jī)載光電系統(tǒng)技術(shù)研究。E-mail：ljybj11＠163.com

2013-05-08；

2013-06-03