機(jī)載紅外夜視裝備是現(xiàn)代飛機(jī)的重要傳感器,主要用于輔助低空飛行、飛行著陸、偵察瞄準(zhǔn)等用途。機(jī)載紅外夜視主要利用目標(biāo)與背景的熱輻射進(jìn)行成像,并送給飛行員進(jìn)行視覺(jué)觀察,工作波段主要覆蓋短波、中波和長(zhǎng)波。
機(jī)載紅外夜視技術(shù)可分為被動(dòng)紅外夜視技術(shù)和主動(dòng)紅外夜視技術(shù),被動(dòng)紅外夜視技術(shù)是借助目標(biāo)自身發(fā)射的紅外輻射成像,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的觀察;主動(dòng)紅外夜視技術(shù)是通過(guò)主動(dòng)照射并利用目標(biāo)反射紅外光成像。圖1所示為典型紅外夜視系統(tǒng)組成。
圖1 典型紅外夜視系統(tǒng)組成
據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道,近期,中國(guó)電子科技集團(tuán)公司光電研究院的科研團(tuán)隊(duì)在《真空電子技術(shù)》期刊上發(fā)表了以“機(jī)載紅外夜視技術(shù)及其發(fā)展趨勢(shì)”為主題的文章。該文章第一作者為朱卓高級(jí)工程師,通訊作者為李季波高級(jí)工程師。
本文總結(jié)了機(jī)載紅外夜視裝備現(xiàn)狀,介紹了國(guó)外典型機(jī)載紅外夜視裝備的技術(shù)特點(diǎn)及其在輔助低空飛行、飛行著陸和夜間偵察/瞄準(zhǔn)方面的應(yīng)用,分析了目前機(jī)載紅外夜視技術(shù)應(yīng)用挑戰(zhàn)及多光譜圖像融合、大面陣高清紅外成像、智能輔助飛行、三維視覺(jué)成像等技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。
國(guó)外典型裝備情況
民用領(lǐng)域
國(guó)外機(jī)載紅外夜視裝備已被應(yīng)用于民用飛機(jī)領(lǐng)域,輔助飛行著陸與導(dǎo)航。
增強(qiáng)視景系統(tǒng)(EVS)是典型的機(jī)載紅外夜視裝備,采用紅外傳感器等設(shè)備獲取飛機(jī)外部場(chǎng)景圖像,進(jìn)行圖像增強(qiáng)處理,并在飛機(jī)平視顯示器(HUD)上顯示,使飛行員在包括霧霾、雨雪、煙塵低能見(jiàn)度和夜間情況下,能夠更好地識(shí)別周?chē)匦巍C(jī)場(chǎng)跑道、輔助導(dǎo)航和著陸。EVS提高了飛機(jī)在起飛、低空飛行和著陸過(guò)程中的視覺(jué)感知能力,提升了執(zhí)行任務(wù)期間人員的安全性。
增強(qiáng)飛行視景系統(tǒng)(EFVS)是EVS與HUD的綜合,它將EFVS獲取飛機(jī)前方場(chǎng)景的紅外圖像與HUD上顯示的主飛行信息融合,顯示在飛行員前方的屏顯系統(tǒng)上,保證所顯示的圖像、符號(hào)與外界場(chǎng)景是重合的。EFVS能夠增強(qiáng)飛行員的視覺(jué)感知能力,在夜晚低能見(jiàn)度條件下,EFVS能將飛機(jī)前方場(chǎng)景呈現(xiàn)給飛行員,從而增強(qiáng)飛行員的著陸感知能力,提高操作的準(zhǔn)確性。Sierra Nevada公司預(yù)計(jì)EFVS系統(tǒng)將成為商用飛機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置。
國(guó)外典型相關(guān)裝備有EVS Ⅱ傳感器、CMA-2700傳感器等,其參數(shù)及裝備平臺(tái)情況如表1所示。
表1 設(shè)備參數(shù)及裝備平臺(tái)
EVS Ⅱ傳感器是由科爾斯曼公司生產(chǎn)的,由前視紅外成像組件和紅外光窗等組成,如圖2所示。EVS Ⅱ傳感器在夜間和其它低能見(jiàn)度條件下,顯著提高了飛行員的視覺(jué)觀察能力,從而允許飛行員在惡劣氣象環(huán)境下著陸。
如圖3所示,CMA-2700傳感器是CMC Electronics公司開(kāi)發(fā)的第三代SureSight EVS紅外設(shè)備,該傳感器采用了雙波段銻化銦焦平面紅外探測(cè)器陣列,具有先進(jìn)的14位數(shù)字處理和動(dòng)態(tài)非均勻性矯正能力,支持飛機(jī)適應(yīng)夜間著陸能力。
軍用領(lǐng)域
國(guó)外機(jī)載紅外夜視裝備已被廣泛應(yīng)用于軍用飛機(jī)領(lǐng)域,一般采用多功能復(fù)合體制,除具備導(dǎo)航、著陸功能外,還可實(shí)現(xiàn)夜間偵察/瞄準(zhǔn)功能。
直升機(jī)載紅外夜視裝備
法國(guó)Sagem公司開(kāi)發(fā)的Euroflir 410系統(tǒng)裝備于直升機(jī)平臺(tái),用于飛行導(dǎo)航、夜間偵察、目標(biāo)識(shí)別和打擊指示引導(dǎo)。該系統(tǒng)光電轉(zhuǎn)塔包含了中波紅外成像傳感器、電視傳感器、微光夜視傳感器、激光測(cè)距機(jī)、激光照射器及光斑跟蹤器,轉(zhuǎn)塔質(zhì)量不大于45 kg。配備紅外成像傳感器具有光學(xué)自動(dòng)變焦功能,電子變倍后最小視場(chǎng)可達(dá)0.16°,可以更好地在夜間識(shí)別目標(biāo)。系統(tǒng)除具備地理跟蹤、地理指示及地理定位功能外,還具備對(duì)目標(biāo)的成像識(shí)別能力,該系統(tǒng)對(duì)地面裝甲車(chē)目標(biāo)的識(shí)別距離為9.5 km,確認(rèn)距離為5.5 km。
圖4所示為加拿大L3 WESCAM公司研制的MX-25/25D成像與目標(biāo)瞄準(zhǔn)系統(tǒng),也是采用高清多光譜探測(cè)技術(shù)、先進(jìn)的圖像處理技術(shù)、固態(tài)IMU內(nèi)置技術(shù)、短波紅外成像技術(shù)和激光目標(biāo)指示技術(shù),可為飛機(jī)提供對(duì)飛行環(huán)境的準(zhǔn)確判斷,輔助飛行員完成復(fù)雜環(huán)境下的高安全度飛行與著陸任務(wù)。
戰(zhàn)斗機(jī)載紅外夜視裝備
F-35飛機(jī)的光電系統(tǒng)作為當(dāng)前最先進(jìn)的機(jī)載光電傳感器系統(tǒng),是典型的戰(zhàn)斗機(jī)載紅外夜視裝備,包括光電分布孔徑系統(tǒng)(EODAS)和光電偵察瞄準(zhǔn)系統(tǒng)(EOTS)。EODAS由6套分布于機(jī)身的中波紅外焦平面陣列傳感器和光窗組成,每個(gè)傳感器覆蓋90°×90°視場(chǎng),通過(guò)圖像無(wú)縫拼接,為飛行員提供360°球形空域視野,通過(guò)對(duì)圖像進(jìn)行算法處理,實(shí)現(xiàn)晝夜導(dǎo)航、對(duì)面目標(biāo)打擊瞄準(zhǔn)、對(duì)空紅外搜索與跟蹤、紅外態(tài)勢(shì)感知、全空域?qū)棻平婢皻ЧR(shí)別等能力,圖5所示為EODAS對(duì)地面的大視場(chǎng)顯示圖像和目標(biāo)場(chǎng)景標(biāo)識(shí)。EODAS獲取的夜視圖像和經(jīng)過(guò)處理的識(shí)別符號(hào)可以疊加到F-35飛機(jī)的頭盔顯示器上,輔助飛行員了解周?chē)鷳B(tài)勢(shì)。
EOTS位于機(jī)頭下方,由中波紅外探測(cè)器、激光測(cè)距指示/點(diǎn)跟蹤器、方位俯仰伺服調(diào)轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和光窗等部件組成,首次集成了前視紅外偵察(FLIR)、紅外搜索與跟蹤(IRST)和激光指示瞄準(zhǔn)等功能,具備前向?qū)者h(yuǎn)程搜索與跟蹤、對(duì)面目標(biāo)跟蹤識(shí)別、激光測(cè)距與指示和激光光斑跟蹤等能力,實(shí)現(xiàn)對(duì)地、對(duì)海面等目標(biāo)的打擊火控引導(dǎo)指示能力,圖6所示為EOTS對(duì)地面目標(biāo)成像圖。美國(guó)空軍使用EOTS的高分辨率紅外探測(cè)技術(shù),可以從更遠(yuǎn)距離探測(cè)和識(shí)別空中目標(biāo),也可用于暗夜中視覺(jué)識(shí)別和監(jiān)視地面目標(biāo),顯著增強(qiáng)了夜視交戰(zhàn)的能力。
吊艙紅外夜視裝備
圖7所示為F-15E戰(zhàn)斗機(jī)掛裝紅外夜視設(shè)備顯示的紅外圖像。美軍從80年代開(kāi)始,先后裝備了多款帶有前視紅外(FLIR)的吊艙,從最開(kāi)始洛·馬公司的“藍(lán)盾”(LANTIRN)吊艙,到最新一代洛·馬公司的“狙擊手”先進(jìn)瞄準(zhǔn)增強(qiáng)型傳感器吊艙和諾·格公司“萊特寧”吊艙的增強(qiáng)型傳感器吊艙。與“藍(lán)盾”吊艙相比,新一代吊艙能顯示更清晰的視頻圖像。此外,這兩款吊艙都有能力將這些視頻圖像信息發(fā)送給地面部隊(duì),提供重要情報(bào)。
國(guó)外應(yīng)用情況
輔助低空飛行
戰(zhàn)機(jī)在中高空的飛行條件下,很容易被敵方發(fā)現(xiàn)和攻擊,為了實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)目的,飛行員會(huì)采用低空突防模式對(duì)目標(biāo)進(jìn)行攻擊。當(dāng)飛機(jī)在夜晚低能見(jiàn)度條件下低空飛行時(shí),飛機(jī)的飛行環(huán)境復(fù)雜,駕駛員的視覺(jué)能力受到限制,無(wú)法快速有效地了解機(jī)身外部環(huán)境,無(wú)法對(duì)航跡上的高山、森林等危險(xiǎn)目標(biāo)和障礙進(jìn)行有效規(guī)避,易導(dǎo)致事故發(fā)生。
如圖8所示,機(jī)載紅外夜視裝備輸出的圖像可在晝夜及不良?xì)庀髼l件下顯示出作戰(zhàn)飛機(jī)航路前方及下方的地形地物圖,并將其疊加在飛行員前方的顯示器上,提供航路上的地形地物信息,支持惡劣氣候條件下的導(dǎo)航和地形回避。通過(guò)實(shí)時(shí)顯示紅外圖像,提供夜間和不良?xì)庀髼l件下的助降、地形回避能力,具備編飛及夜視能力。
飛機(jī)著陸
飛行員在著陸過(guò)程中,由于受夜晚光線暗或雨霧等低能見(jiàn)度天氣影響,跑道及其周?chē)甘緹舻目梢曅宰儾睿瑢?dǎo)致飛行員通過(guò)視覺(jué)獲取的跑道及周?chē)畔⒉蛔悖瑹o(wú)法正常降落。在民用領(lǐng)域,以EFVS和EVS大量應(yīng)用于民用飛機(jī)起飛降落。在軍用領(lǐng)域,在不確定戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下,不具備民航領(lǐng)域的基礎(chǔ)導(dǎo)航定位、傳感與地圖信息,美軍已開(kāi)展了降級(jí)視覺(jué)環(huán)境緩解(DVE-M)項(xiàng)目。
美國(guó)的Sierra Nevada公司使用多種傳感器實(shí)時(shí)融合地形、圖像和地面障礙數(shù)據(jù),然后在EVS的支持下,根據(jù)字符系統(tǒng)和指令的引導(dǎo),為飛行員的飛行路線提供目視標(biāo)志。該公司正在研發(fā)多傳感器融合系統(tǒng)。隨著真正EVS系統(tǒng)的部署,軍方將能夠在不受粉塵、霧、雪和其他環(huán)境災(zāi)害限制的情況下飛行,還降低了在儀表飛行規(guī)則條件下的最低著陸高度。
羅克韋爾柯林斯公司EVS-3000型輔助著陸系統(tǒng)在飛機(jī)平顯上疊加的著陸圖像如圖9所示,根據(jù)字符系統(tǒng)和指令的引導(dǎo),為飛行員的飛行路線提供目視標(biāo)志。
慕尼黑工業(yè)大學(xué)開(kāi)發(fā)了C2Land的自動(dòng)著陸系統(tǒng),借助于計(jì)算機(jī)視覺(jué)來(lái)識(shí)別跑道并引導(dǎo)飛機(jī)降落。區(qū)別于傳統(tǒng)的儀表著陸系統(tǒng)(ILS),該自動(dòng)著陸系統(tǒng)無(wú)需依靠地面和機(jī)載接收器上的無(wú)線電信號(hào)來(lái)確定飛機(jī)的位置信息,而是利用紅外和可見(jiàn)光傳感器獲取機(jī)場(chǎng)跑道、指示燈等場(chǎng)景圖像,適用于低能見(jiàn)度環(huán)境條件。在獲取空速與高度信息后,系統(tǒng)還可通過(guò)處理計(jì)算得到飛行路徑實(shí)現(xiàn)著陸。圖10所示為該系統(tǒng)獲取的飛行著陸階段紅外和可見(jiàn)光圖像。
DVE-M項(xiàng)目通過(guò)開(kāi)發(fā)和評(píng)估多項(xiàng)技術(shù),使旋翼機(jī)能夠在低可見(jiàn)度條件下工作,旨在增強(qiáng)飛行員在復(fù)雜環(huán)境下的感知能力,降低安全事故。2013年,美國(guó)軍方與Sierra Nevada公司簽訂合同,在陸軍直升機(jī)上開(kāi)展DVE-M項(xiàng)目測(cè)試。2019年,美國(guó)空軍裝備司令部與Sierra Nevada公司簽署了一項(xiàng)價(jià)值7490萬(wàn)美元的合同,擬在85架HH-66G“鋪路鷹”直升機(jī)上安裝DVE系統(tǒng),以提高飛行員在夜間及不良?xì)庀髼l件下的視覺(jué)感知能力。
夜間偵察/瞄準(zhǔn)
現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)通常選擇“月黑風(fēng)高”的夜晚實(shí)施攻擊,以最大限度地利用“單向透明”的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì),發(fā)揮己方紅外夜視裝備優(yōu)勢(shì)。夜間空襲依托機(jī)載紅外夜視裝備,能分清500米之外的目標(biāo)和幾千米之外的山巒、村莊,具有全天候發(fā)現(xiàn)、定位目標(biāo)的能力,提高了飛機(jī)的戰(zhàn)術(shù)使用靈活性和作戰(zhàn)效能。
現(xiàn)代戰(zhàn)機(jī)裝備先進(jìn)紅外夜視裝備對(duì)于保證飛機(jī)的作戰(zhàn)效能是十分重要的。在夜戰(zhàn)場(chǎng)上,對(duì)于擁有夜視裝備優(yōu)勢(shì)的一方來(lái)說(shuō),夜幕已不復(fù)存在,反而還成了占優(yōu)勢(shì)一方。如海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中,多國(guó)部隊(duì)飛機(jī)配備了機(jī)載紅外夜視裝備,使飛機(jī)在雷達(dá)和無(wú)線電靜默下探測(cè)、跟蹤和攻擊目標(biāo)。
技術(shù)應(yīng)用挑戰(zhàn)與發(fā)展方向
機(jī)載紅外夜視技術(shù)應(yīng)用挑戰(zhàn)主要有以下三個(gè)方面:
(1)作用距離較近
圖像分辨率和靈敏度是紅外夜視裝備的重要參數(shù),受制于當(dāng)前紅外夜視技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀,現(xiàn)有機(jī)載紅外夜視裝備存在對(duì)目標(biāo)成像距離相對(duì)較近、識(shí)別分辨率不高的現(xiàn)狀。
(2)機(jī)載紅外夜視設(shè)備顯示顏色單一
現(xiàn)有紅外夜視設(shè)備的成像會(huì)“失去顏色”,單一的顏色顯示不利于飛行員對(duì)外界環(huán)境的視覺(jué)感知。一方面,機(jī)上顯示設(shè)備都會(huì)變成單色,失去了其原先顏色代表的意義或者起到的作用;另一個(gè)方面,會(huì)影響外界的燈光使其變成單色,如機(jī)場(chǎng)跑道的精密進(jìn)近航道紅、黃指示燈。此外,飛行員持續(xù)觀察顯示器上的白色、綠色圖像信息可能會(huì)引發(fā)視覺(jué)疲勞等情況,也不利于飛行。
(3)大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與計(jì)算資源有限
機(jī)載紅外夜視設(shè)備具備了在較大視場(chǎng)下捕獲廣域動(dòng)態(tài)圖像并實(shí)現(xiàn)監(jiān)視的功能,會(huì)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù),目前已有的機(jī)載數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備已不能滿足需求,尤其是隨著大面陣紅外夜視設(shè)備的發(fā)展,會(huì)產(chǎn)生更大的數(shù)據(jù)量,這就要求飛機(jī)具有大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的記錄設(shè)備。
隨著機(jī)載紅外夜視新技術(shù)紛至沓來(lái),機(jī)載紅外夜視設(shè)備的工作波段不斷拓展、視場(chǎng)空域不斷增大、可視距離不斷提升、新質(zhì)能力不斷健全,逐漸成為軍民飛機(jī)的標(biāo)配。機(jī)載夜視技術(shù)的發(fā)展重點(diǎn)集中在以下幾個(gè)方面:
(1)多光譜圖像融合
不同波段的傳感器可滿足不同作戰(zhàn)場(chǎng)景的需求,短波紅外傳感器的煙霧穿透能力強(qiáng),相比中波紅外傳感器在目標(biāo)與場(chǎng)景溫度差異大的情況下成像效果好,長(zhǎng)波傳感器在目標(biāo)與場(chǎng)景溫度差異小的情況下具有更好的成像效果,微光傳感器的生成圖像與可見(jiàn)光圖像相仿,更符合人眼視覺(jué)觀察。
通過(guò)圖像融合技術(shù),將多波段紅外成像圖像和微光夜視圖像合成為一幅圖像,這種技術(shù)有助于綜合發(fā)揮微光成像和紅外成像兩種技術(shù)的優(yōu)勢(shì),拓展視覺(jué)顯示波段范圍,使圖像紋理細(xì)節(jié)更豐富,可有效提升機(jī)載夜視設(shè)備的觀察能力。
(2)大面陣高清紅外成像的應(yīng)用
高性能光電探測(cè)器是機(jī)載夜視設(shè)備的核心,隨著半導(dǎo)體集成和工藝等關(guān)鍵技術(shù)突破,探測(cè)器朝著小像元尺寸、大面陣規(guī)格方向發(fā)展。小像元能夠使探測(cè)器小型化、提高系統(tǒng)分辨率、增加探測(cè)距離。大面陣探測(cè)器的分辨率更高、觀察的目標(biāo)細(xì)節(jié)更豐富、探測(cè)距離更遠(yuǎn)。目前,在紅外探測(cè)器方面,雷神公司研發(fā)的紅外探測(cè)器像元達(dá)到4096×4096,已成功應(yīng)用于美國(guó)空軍天基紅外預(yù)警系統(tǒng)。將小像元、大面陣探測(cè)器應(yīng)用于機(jī)載夜視設(shè)備中,更能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)夜晚目標(biāo)的遠(yuǎn)距離、高清探測(cè)。
(3)增強(qiáng)飛行視景系統(tǒng)智能化發(fā)展
機(jī)載增強(qiáng)飛行視景系統(tǒng)將在夜間飛行安全領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用,朝著智能感知、人機(jī)交互方向發(fā)展。增強(qiáng)飛行視景系統(tǒng)可利用傳感器對(duì)機(jī)外場(chǎng)景進(jìn)行多維信息感知,在探測(cè)到跑道、障礙物等威脅目標(biāo)時(shí),實(shí)施智能輔助決策,支持完成各種飛行動(dòng)作、信息處置,為飛行員提供決策支撐。
(4)向主動(dòng)夜視技術(shù)應(yīng)用拓展
隨著短波、中波、長(zhǎng)波紅外激光器技術(shù)發(fā)展,以及垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用,在夜間成像基礎(chǔ)上融入了激光主動(dòng)探測(cè),進(jìn)行三維識(shí)別,可在二維圖像顯示器上顯示三維信息。三維視覺(jué)成像技術(shù)已逐步應(yīng)用于汽車(chē)自動(dòng)駕駛,后續(xù)機(jī)載夜視技術(shù)也將拓展三維成像識(shí)別功能,提供飛行員更多維度信息,進(jìn)一步增強(qiáng)夜間視覺(jué)感知能力。
結(jié)束語(yǔ)
本文對(duì)機(jī)載紅外夜視裝備現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述,介紹了國(guó)外典型機(jī)載紅外夜視裝備的技術(shù)特點(diǎn),分析了機(jī)載紅外夜視技術(shù)在輔助低空飛行、飛行著陸和夜間偵察/瞄準(zhǔn)方面的應(yīng)用,討論了該技術(shù)的應(yīng)用挑戰(zhàn),給出了向多光譜圖像融合、大面陣高清紅外成像、增強(qiáng)飛行視景系統(tǒng)智能化發(fā)展、主動(dòng)夜視技術(shù)應(yīng)用拓展等方面發(fā)展的趨勢(shì)。
審核編輯:黃飛
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原文標(biāo)題:綜述:機(jī)載紅外夜視技術(shù)及其發(fā)展趨勢(shì)
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