軍用航空相機(jī)發(fā)展分析與展望

項(xiàng)劍鋒 李保霖 劉明 陳志超

摘 要：軍用航空偵察相機(jī)是目前最常見(jiàn)、應(yīng)用最廣泛的航空偵察設(shè)備，通過(guò)分析典型的幾種航空偵察相機(jī)的特點(diǎn)，根據(jù)該領(lǐng)域的發(fā)展形勢(shì)以及主要西方國(guó)家的裝備情況，結(jié)合每種相機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)、應(yīng)用前景和方便實(shí)用性，提出了航空偵察相機(jī)數(shù)字化、面陣、遠(yuǎn)距離傾斜式高分辨率、多光譜及集成吊艙的主要研究方向和發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：航空偵察相機(jī)；CCD相機(jī)；面陣CCD；長(zhǎng)焦斜視相機(jī)；多光譜成像

中圖分類(lèi)號(hào)：V245.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）12-0222-04

1 引言

如圖1所示，現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)已進(jìn)入多元化、全方位、海量數(shù)據(jù)融合的信息制導(dǎo)時(shí)代，航空偵察獲得的情報(bào)信息對(duì)于把握戰(zhàn)機(jī)、制定策略起到關(guān)鍵性作用，它不僅具有時(shí)效性強(qiáng)、目標(biāo)明確和機(jī)動(dòng)靈活等特點(diǎn)，又可以對(duì)目標(biāo)進(jìn)行精確的定位和跟蹤，因而在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中發(fā)揮著巨大的作用。航空偵察相機(jī)是目前最常見(jiàn)、應(yīng)用最廣泛的航空偵察設(shè)備，它起源于一戰(zhàn)后期，經(jīng)歷了近一個(gè)世紀(jì)的發(fā)展歷程，其功能和性能得到了不斷的改善和提高。

2 航空偵察相機(jī)種類(lèi)

航空偵察相機(jī)有多種分類(lèi)方法，按照相機(jī)的成像光譜范圍可以分為可見(jiàn)光偵察相機(jī)、紅外偵察相機(jī)、紫外偵察相機(jī)和多光譜偵察相機(jī)，而紅外相機(jī)還有近紅外、中紅外和遠(yuǎn)紅外的分別，紫外相機(jī)又有紫外和極紫外的區(qū)別；按相機(jī)的成像介質(zhì)分類(lèi)可分為傳統(tǒng)的膠片式相機(jī)、CCD相機(jī)和CMOS相機(jī)；另外，按成像介質(zhì)的工作模式又可分為線(xiàn)陣推掃、線(xiàn)陣擺掃、面陣推掃和面陣擺掃相機(jī)等；按照相機(jī)的成像方式還可分為垂直成像和傾斜成像，后者一般是通過(guò)擺掃的工作模式對(duì)臨近地面不可達(dá)區(qū)域進(jìn)行偵照時(shí)采用，是目前較多采用的相機(jī)。

需要說(shuō)明的是目前研制的軍用航空偵察相機(jī)已不再是上述某單一功能的相機(jī)，有的是兼具可見(jiàn)和紅外譜段的雙光相機(jī)，或者是能夠按要求進(jìn)行垂直和傾斜方式切換的相機(jī)，甚至是容照相和跟蹤于一體的變焦距相機(jī)。

3 航空偵察相機(jī)簡(jiǎn)介

3.1 膠片式相機(jī)

顧名思義，膠片式相機(jī)是利用航空膠片作為成像介質(zhì)的航空偵察相機(jī)，一般來(lái)講，航空膠片都是全色、黑白、低感光度、高分辨率膠片，由于其顆粒度小，膠片式相機(jī)具有分辨率高、成像面積較大的優(yōu)點(diǎn)，目前在役的航空偵察相機(jī)中還有一部分是膠片式相機(jī)。美國(guó)在1922年生產(chǎn)了一款名為STRIP CAMERA的膠片式相機(jī)，在二戰(zhàn)后就開(kāi)始大規(guī)模生產(chǎn)膠片式航空偵察相機(jī)，其中KS-146膠片式相機(jī)是芝加哥航空工業(yè)公司1979年研制成功、八十年代初定型后生產(chǎn)，該相機(jī)除了裝備美國(guó)海軍、空軍以外還出口到以色列、埃及、土耳其、中國(guó)等國(guó)家。焦距長(zhǎng)、照相分辨力高是KS-146相機(jī)的特點(diǎn)，另外還擁有自動(dòng)曝光控制、自動(dòng)調(diào)焦控制、像移補(bǔ)償控制、自動(dòng)溫度控制和主動(dòng)穩(wěn)像控制等先進(jìn)技術(shù)，是一種先進(jìn)的全自動(dòng)化的航空偵察畫(huà)幅式相機(jī)，它為未來(lái)的數(shù)字式航空偵察相機(jī)的自動(dòng)控制技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。但是，它也擁有膠片式相機(jī)的所有缺點(diǎn)，包括體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性差、附屬設(shè)備多以及信息生成周期長(zhǎng)等。

3.2 CCD相機(jī)

CCD是Charge Coupled Device（電荷耦合器件）的首字母縮寫(xiě)，它是一種利用半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號(hào)，從而完成對(duì)景物的影像進(jìn)行記錄的器件。1970年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的Willlard S. Boyle和George E. Smith兩位科研工作者首次提出了CCD的概念，隨后建立了以一維勢(shì)阱模型為基礎(chǔ)的非穩(wěn)態(tài)CCD的基本理論，同年，利用半導(dǎo)體技術(shù)研制出第一個(gè)CCD，并用它制成了世界上第一臺(tái)CCD相機(jī)。

通常的CCD分類(lèi)方法是根據(jù)芯片中像元排列的結(jié)構(gòu)將其分為線(xiàn)陣CCD和面陣CCD，線(xiàn)陣芯片中的像元呈一維線(xiàn)型排列，面陣芯片中的像元呈二維面型排列，如圖2所示。

另一種特殊的線(xiàn)陣CCD為T(mén)DICCD，它的物理結(jié)構(gòu)是面陣的，但是采用時(shí)間延遲積分（TDI：Time Delay and Integration）的工作模式，通過(guò)對(duì)同一物體的多次曝光累加電荷產(chǎn)生圖像信號(hào)，如圖3所示。它增加了同一目標(biāo)在像面上的曝光時(shí)間，提高了信號(hào)的信噪比，同時(shí)成像時(shí)電荷在不停的轉(zhuǎn)移，所以特別適合應(yīng)用在光照條件不好且始終處于運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的航空航天成像領(lǐng)域。

CCD的應(yīng)用非常廣泛，隨著CCD器件的發(fā)展和升級(jí)換代，利用CCD成像的航空偵察相機(jī)也得到了快速的發(fā)展。CCD相機(jī)根據(jù)使用需求存在多種工作模式，包括線(xiàn)陣TDICCD的推掃成像、線(xiàn)陣TDICCD的擺掃成像、面陣CCD推掃成像、面陣CCD連續(xù)擺掃成像和面陣CCD步進(jìn)分幅成像等，如圖4所示。

美國(guó)Goodrich公司的DB-110相機(jī)和ROI公司CA-295相機(jī)為當(dāng)前較先進(jìn)的航空偵察相機(jī)，這兩種相機(jī)都是中高空可見(jiàn)/紅外雙波段航空偵察相機(jī)，可晝/夜偵察拍照，其中DB-110相機(jī)的可見(jiàn)光成像利用了一個(gè)5120×64像元的TDICCD進(jìn)行擺掃傾斜成像，而CA-295相機(jī)的可見(jiàn)光成像則是選擇了一個(gè)特制的5040×5040像元、集成了片上漸變像移補(bǔ)償功能進(jìn)行步進(jìn)分幅式成像。

3.3 航空偵察相機(jī)主要制造商

美國(guó)無(wú)論是在航空還是航天軍事偵察領(lǐng)域，都始終走在世界最前列。

全球主要的航空偵察相機(jī)制造廠(chǎng)商包括美國(guó)BAE Systems公司（前身為洛克希德-馬丁紅外成像部）和它的AN/AAD-5、D-500紅外掃描儀和吊艙系列產(chǎn)品；英國(guó)THALES Optronics公司（前身為W.Vinten公司）及其TYPE8010、8220、8042和MDS610等相機(jī)；德國(guó)Carl Zeiss Optronics公司及其VOS60相機(jī)等；美國(guó)Goodrich公司及其DB-110相機(jī)等；美國(guó)ROI公司及其CA系列相機(jī)。

4 分析與展望

縱觀(guān)軍用航空偵察相機(jī)近百年的發(fā)展史，隨著感光介質(zhì)、材料制備、制造工藝、控制技術(shù)、調(diào)試方法、檢測(cè)手段等的持續(xù)發(fā)展和提高，同時(shí)在用戶(hù)使用需求的拉動(dòng)下，相機(jī)也得到了不斷的更新和換代，對(duì)其發(fā)展分析和展望如下。

4.1 數(shù)字化成像

如前所述，傳統(tǒng)的膠片式相機(jī)擁有分辨率高、覆蓋范圍大、控制技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，但存在體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性差、附屬設(shè)備多以及信息生成周期長(zhǎng)等缺點(diǎn)，而數(shù)字化（CCD或CMOS）相機(jī)則不存在上述缺陷，其特點(diǎn)包括：

（1）與膠片式相機(jī)不同，它采用數(shù)字式成像器件作為圖像傳感器，所成的數(shù)字圖像經(jīng)過(guò)一系列數(shù)字化處理和無(wú)線(xiàn)電傳輸技術(shù)，可以在地面控制實(shí)體內(nèi)實(shí)時(shí)或近實(shí)時(shí)的得到目標(biāo)區(qū)域的圖像。另外，在成像時(shí)通過(guò)相機(jī)自帶的POS系統(tǒng)或者與載機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)交聯(lián)，能計(jì)算出拍照時(shí)刻目標(biāo)的位置，為指揮部門(mén)分析判定目標(biāo)、把握戰(zhàn)機(jī)，提供實(shí)時(shí)和超視距的情報(bào)。而且，數(shù)字化圖像的無(wú)線(xiàn)電傳輸避免了類(lèi)似曝光后的膠片盒返航后處理的二次曝光風(fēng)險(xiǎn)；

（2）與膠片式相機(jī)相比，數(shù)字化相機(jī)不存在供片、送片和收片等機(jī)構(gòu)，并且基本不需要機(jī)械快門(mén)，增加了圖像存儲(chǔ)、壓縮板卡等數(shù)字化設(shè)備，一般來(lái)講，數(shù)字式板卡體積小、工作穩(wěn)定性好且可靠性高，這樣就縮小了相機(jī)的體積，減小了重量，同時(shí)結(jié)構(gòu)也變得更緊湊，提高了可靠性；

（3）一般航空膠片的光敏光譜波段范圍為500nm～700nm，而數(shù)字式光電傳感器的感光光譜波段范圍為500nm～900nm，這種數(shù)字傳感器具有一定的透霧成像能力，這使得相機(jī)在天氣條件不太理想如有薄霧時(shí)，也能獲得滿(mǎn)足使用要求的圖像。

當(dāng)前數(shù)字式圖像的分辨率低于膠片圖像，而且在照片的細(xì)節(jié)和層次上也不如膠片型相機(jī)，不過(guò)隨著材料制備和制造工藝的不斷完善，傳感器指標(biāo)也能不斷提高，數(shù)字化相機(jī)的性能將不斷改善。

需要說(shuō)明的是，雖然目前數(shù)字式航空偵察相機(jī)使用的主要是CCD傳感器，但CMOS技術(shù)出現(xiàn)于1969年，比CCD還早一年，只是由于存在填充因子小、噪聲大、靈敏度低和響應(yīng)速度慢等缺陷導(dǎo)致其成像質(zhì)量較差，早期只能用于對(duì)圖像質(zhì)量要求不高的場(chǎng)合，直到1989年，出現(xiàn)了有源像元（APS：Active-Pixel Sensor），它不僅像無(wú)源像元一樣集成了光敏元件和尋址開(kāi)關(guān)，而且還有信號(hào)放大和處理等電路，有源像元的出現(xiàn)，提高了光電靈敏度，減小了噪聲，擴(kuò)大了動(dòng)態(tài)范圍，使CMOS圖像傳感器的一些性能參數(shù)與CCD圖像傳感器相接近，而在幀頻、功能、功耗、尺寸和價(jià)格等方面要優(yōu)于CCD圖像傳感器，CMOS圖像傳感器良好的集成性可以在很大程度上簡(jiǎn)化相機(jī)的設(shè)計(jì)，可對(duì)感興趣區(qū)域的像素進(jìn)行隨機(jī)讀取，實(shí)現(xiàn)開(kāi)窗操作，增加了工作靈活性，所以得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。目前在工業(yè)和民用領(lǐng)域，CMOS圖像傳感器已基本代替了傳統(tǒng)的CCD傳感器，對(duì)于要求較高的航空航天領(lǐng)域，CMOS器件也在逐漸代替CCD。

4.2 面陣成像

如圖4所示，利用線(xiàn)陣探測(cè)器成像時(shí)，每一幀圖像都是通過(guò)線(xiàn)陣傳感器分時(shí)對(duì)不同的區(qū)域成像，然后合成一幅圖像，分時(shí)成像時(shí)如果載機(jī)出現(xiàn)較大的姿態(tài)變化將會(huì)導(dǎo)致所成圖像出現(xiàn)明顯的扭曲或變形等失真現(xiàn)象，而采用面陣探測(cè)器成像時(shí)，整個(gè)覆蓋面的地物在探測(cè)器上幾乎同時(shí)成像，可以獲得很高的幾何保真度，并可采用立體成像精確的跟蹤目標(biāo)。圖5分別是某線(xiàn)陣推掃式相機(jī)所得圖像與某面陣成像相機(jī)的圖像，可以看出，線(xiàn)陣推掃式圖像中無(wú)論是道路、橋梁還是建筑都存在明顯的失真，而面陣圖像則較好的反映了景物間相對(duì)位置和比例關(guān)系。

另外，從面陣成像的特點(diǎn)可以看出，在相同時(shí)間內(nèi)它比線(xiàn)陣探測(cè)器獲得的信息量大，即成像效率高，如果是在任務(wù)區(qū)面積固定的情況下，采用面陣成像偵照目標(biāo)區(qū)域比采用線(xiàn)陣掃描成像所需的時(shí)間會(huì)少很多，這樣就大大縮短了在敵區(qū)域暴露的時(shí)間，尤其是在突防偵照時(shí)，可有效提高載機(jī)及飛行員的生存力。目前國(guó)外在役的軍用航空相機(jī)中，面陣成像是最主要的照相方式。

4.3 遠(yuǎn)距離傾斜式高分辨率成像

對(duì)于航空偵察成像，有一種最普遍的需求就是當(dāng)載機(jī)在本國(guó)領(lǐng)空進(jìn)行邊境偵察時(shí)，沿邊界線(xiàn)內(nèi)側(cè)上空飛行，對(duì)非友好領(lǐng)國(guó)臨近邊境線(xiàn)附近縱深的熱點(diǎn)區(qū)域或爭(zhēng)議地區(qū)的建筑、設(shè)施和人員活動(dòng)等情況進(jìn)行偵照和監(jiān)視，或者是對(duì)臨近我領(lǐng)海進(jìn)行海上勘探、作業(yè)和往來(lái)艦船進(jìn)行巡邏、監(jiān)控等，都要求偵察相機(jī)能夠進(jìn)行遠(yuǎn)距離傾斜式的高分辨率成像，同時(shí)對(duì)其進(jìn)行定位和跟蹤，以發(fā)現(xiàn)對(duì)方的不友好行為，及時(shí)作出應(yīng)對(duì)和調(diào)整措施。

4.4 多光譜成像

光譜成像是利用目標(biāo)與背景景物間的固有光譜差別進(jìn)行成像的，它與傳統(tǒng)的光電成像技術(shù)相比，具有更高的反欺騙能力，尤其適合對(duì)于人員和軍事裝備的外部偽裝和隱身等軍事偵察，因此光譜成像已越來(lái)越多的應(yīng)用到軍用航空相機(jī)中，例如，工作在0.4μm～1.5μm譜段、分辨率為0.01μm的超光譜成像能區(qū)分綠色帆布和坦克上的偽裝涂料，而工作在3μm～12μm譜段、分辨率為0.001μm的極光譜成像技術(shù)能分析出類(lèi)似氣體物質(zhì)，可探測(cè)煙縷成分或空氣中是否存在神經(jīng)性毒劑以及戰(zhàn)機(jī)尾焰的捕獲和跟蹤等。

目前的軍事偵察中，都是對(duì)同一目標(biāo)區(qū)域同時(shí)進(jìn)行可見(jiàn)、紅外及多光譜成像，有時(shí)甚至還包括合成孔徑雷達(dá)（SAR）成像，然后融合所有數(shù)據(jù)信息，通過(guò)觀(guān)察、比對(duì)和計(jì)算等，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行全方位、多角度、立體式的分析、判斷和處理。

4.5 集成吊艙偵察

航空相機(jī)研制初期，受相機(jī)尺寸要求限制，同時(shí)也是為了給相機(jī)提供一個(gè)相對(duì)更好的成像環(huán)境，都是將相機(jī)安裝到飛機(jī)內(nèi)部，通過(guò)機(jī)上的窗口對(duì)地偵照，這種相機(jī)的使用對(duì)載機(jī)要求較高，一般都屬于專(zhuān)用飛行平臺(tái)，不存在通用性，功能單一且可擴(kuò)展性差，裝拆和維修都很不方便。隨著體積更小、性能更優(yōu)越的航空相機(jī)的研制成功，使得方便實(shí)用的吊艙式偵察系統(tǒng)成為可能，它避免了對(duì)專(zhuān)用平臺(tái)的需求，接口簡(jiǎn)單靈活，使用方便，通用性強(qiáng)，還可大大降低MTTR時(shí)間，另外，與在載機(jī)內(nèi)部相比，吊艙里面可以更容易的增加或改造各類(lèi)輔助設(shè)備，以適應(yīng)用戶(hù)對(duì)偵察設(shè)備功能及性能提高的需求，同時(shí)也降低了產(chǎn)品研制、生成和采購(gòu)的成本，縮短了更新?lián)Q代周期。美國(guó)Goodrich公司的DB-110相機(jī)就是裝在RAPTOR偵察吊艙中。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析幾種典型航空偵察相機(jī)的特點(diǎn)，根據(jù)其發(fā)展?fàn)顩r和技術(shù)前沿國(guó)家的發(fā)展動(dòng)態(tài)，結(jié)合各種相機(jī)工作的優(yōu)缺點(diǎn)、應(yīng)用前景和方便實(shí)用性，給出了航空偵察相機(jī)未來(lái)數(shù)字化、面陣、遠(yuǎn)距離傾斜式高分辨率成像、多光譜以及集成吊艙偵察的研究方向和發(fā)展趨勢(shì)。

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