机载光电情报侦察系统发展新思路

李江勇

·综述与评论·

机载光电情报侦察系统发展新思路

李江勇

（华北光电技术研究所，北京100015）

机载对海探测面临湿度大、云雾多，海面对太阳光的反射强烈、杂波复杂等问题，严重制约光电探测系统对海探测能力。通过分析对海探测的需求，提出全光场相机解决广域监视清晰成像问题，偏振探测提升光电系统“全天候”能力，二维光学旋转扫描技术提升系统集成度和综合化水平等措施，为机载光电情报侦察系统的发展提供了新的思路和方法。

机载光电侦察系统；全光场；偏振探测；二维光学旋转扫描

1 引 言

机载光电情报侦察系统是军事情报获取的重要手段。根据军事需求应用的不同，以及光电情报侦察系统本身的技术特点，机载光电情报侦察系统有多种形式存在，如有用于大范围战略情报侦察的侦察相机、有用于战术侦察的前视系统、也有直接用于武器引导的光电搜索跟踪系统（或称为光电雷达）。

虽然，不同的机载光电系统具体要求各有侧重，但是其发展方向基本趋于一致。侦察系统的设计需要考虑七方面的要素：看得见、识得清、指得准、反应快、效率高、更安全、多功能。看得见，指灵敏度，灵敏度越高，可探测目标距离越远；识得清，指分辨率，要求系统有更高的空间分辨率；指得准，指定位精度；反应快，指情报处理和传输的时间延迟；效率高，包括一次侦察覆盖的空间范围大和侦察获得光谱信息多；更安全，一是要求具备隐身性能，尽可能降低被发现的距离，二是要求侦察距离够远，包括飞行高度更高、速度更快，同时也要求具备倾斜侦察能力，提高侦察距离；多功能，就是要求实现侦察、识别、跟踪、定位、引导等多功能于一体。

本文针对在情报侦察中起重要作用的机载光电情报侦察系统的发展展开了深入分析，并提出了新的发展思路。

2 机载光电系统对海侦察面临的主要问题

随着技术的发展，机载光电情报侦察系统也正朝着“更远、更清、更准、更快、效率更高、更安全、功能更多”的方向发展。然而，受传统设计思想的限制，光电系统面临复杂的海战场环境，仍有许多亟待解决的问题。

2.1 大范围覆盖高清晰成像的问题

海面辽阔，在没有具体位置指引下，搜索目标是很困难的事情。因此，对海情报侦察，需要具备广域搜索功能，即要求尽可能提高光电系统侦察覆盖范围。然而，光电成像系统有景深的限制，即只能在一定距离内清晰成像。理论上，系统景深能设计很大，实际并不乐观，往往存在近距离看得见时，远距离就模糊；或者远距离看得见时，近距离就模糊。图像模糊，将严重影响目标检测效率和识别能力，因此，大范围覆盖和清晰成像成为一对矛盾。

2.2 海面水雾影响光电探测性能的问题

海面水汽含量高，且常有大雾，水汽对光的吸收导致透过率很低，严重降低目标的信号对比度，从而影响光电系统对目标的探测性能（如图1所示）。在大气层内，水汽成为影响光电系统使用的主要因素，解决水汽的影响是光电系统研究的一个重要课题。一般可采用的措施就是根据水汽对不同波段的吸收率差异和实际使用时的应用情况进行最优侦察波段的选择。同时，在图像处理算法上，采用增强算法，提高透雾情况下的图像质量。这些措施在一定程度上提高了光电系统在有雾情况下的使用效率，但仍不能满足实际战场侦察的要求。

图1 有雾霾情况下的可见光图像和红外图像

2.3 海面反射太阳光形成强杂波干扰的问题

白天，海面波浪反射太阳光会形成“耀眼”的杂光，这些杂光在图像上形成杂乱的、明亮的光电群，严重影响图像质量，并经常将目标淹没，使系统无法完成目标检测和识别功能（如图2所示）。不解决杂光影响，光电系统远距离侦察探测的性能将大打折扣。

图2 有反射太阳杂光的红外图像

2.4 多功能兼顾与系统体积重量要求矛盾的问题

机载对海侦察光电系统基本上都是多波段集成系统，可见光、红外、激光是基本的波段配置，可见光又分为黑白和彩色；红外分为中波和长波。对海侦察需要大范围搜索功能，同时也需要定点监视、多目标跟踪、指示引导等功能。因此，系统传感器多，光学视场多（可见光倾向于用连续变焦镜头，红外倾向于用多视场切换镜头），系统复杂程度高。然而，机载系统对体积重量都有很严格的要求。因此，选择最优的系统结构，方能解决多波段集成、多功能综合与小型化、轻量化需求之间的矛盾。

3 破解问题的新思路

随着技术的发展，上述问题通过新的技术手段有的可以得到彻底解决，有的可以得到明显改善，主要措施如下。

3.1 全光场成像技术解决大范围覆盖高清晰成像问题

传统成像在理论上只能获得单个物平面的清晰像，探测器单元的有限宽度使得这一清晰成像的范围扩展到一定的深度，即景深。由于传统成像将光学系统整个孔径发出的光辐射直接进行积分，因而使得景深的范围受限于孔径的大小。若要获得大景深的清晰图像，则必须减小成像孔径，但这会造成图像分辨率的降低和图像信噪比的损失。同时，在一定的孔径尺寸下，为了得到不同深度位置的清晰像，必须在成像之前通过机械调焦的方式来对准到相应的深度，而机械调焦的过程影响了成像的实时性，即时间分辨率［1］。因此，在广域搜索侦察领域，传统光电侦察系统存在应用瓶颈。

传统的成像系统只能获得二维光场，光场相机要通过普通的探测器获得四维光场信息［2］。与传统成像方式不同，光场成像是一种计算成像技术，其“所得”的光场需要经过相应的数字处理算法才能得到图像。光场成像的过程包括了光场的采集以及相应的光场数据处理，通过数据处理，可以实现数字对焦，从而保证相机获得的任意距离的光都能得到聚焦，实现全视场范围内的清晰成像。传统成像与全光场成像景深对比如图3所示。

图3 传统成像与全光场成像景深对比

全光场成像的优势在于对任意深度位置的图像都可以通过对光场积分来获得，无需机械调焦，解决了景深受限于孔径尺寸的问题；从多维度的光辐射信息中能够实时计算出目标三位形态或提取出其光谱图像数据［3］。传统相机与全光场相机性能对比如表1所示。

表1 传统相机与全光场相机性能对比

全光场相机可以获得四维光场，利用数字计算的方法获得图像，目前在可见光相机中得到初步原理验证。因此，可以首先开展机载可见光全光场相机的研究工作，然后向红外波段扩展。

3.2 光电偏振探测技术提高光电系统“透雾”探测能力和“耀光”杂波抑制能力

偏振是光独立于强度、频率的基本属性。光的偏振态可由偏振角和偏振度来表征。光的偏振度与发射物体的物理特性、表面特征有关，发射光偏振度与光的入射角和发射界面的物质差异有关。一般自然界的物体辐射光偏振度都在2%以下，而人造物体表面规则、光滑，因此偏振度都很高［4］，因此，偏振可用于人工目标的探测。隐身飞机机体光滑，而光滑表面会产生极强的偏振度，因此，偏振探测更利于探测隐身目标。国外已经在对海偏振探测领域开展大量工作。

偏振信息是独立于强度信息的，因此在某些应用方面，偏振探测具有优于强度探测的特点。如“透雾”问题。因为雾的影响，物体辐射光谱能量被吸收，强度探测性能受雾影响严重，而偏振探测系统具有良好的透雾探测能力（如图4所示）。

图4 雾霾情况下偏振成像效果

同时，因为自然光的偏振度小，海面反射的太阳“耀光”偏振度与海面舰船存在很强对比度（如图5所示），起到完全抑制“耀光”的作用。

图5 中波红外偏振图像抑制“耀光”

偏振信息独立于强度信息，能有效抑制背景影响，提高图像对比度。2006年，美国Polarissensor公司开展了红外偏振成像在海上搜救中的应用实验［5］（如图6所示）。由图中可以看出：不管是在白天还是晚上，通过红外偏振成像时，人、物体和海水的对比十分强烈，而在非偏振红外成像下没有明显差异，这种目标和背景的差异非常有利于在海上目标探测。

图6 红外偏振成像在海上目标探测中的应用

3.3 二维光学旋转扫描技术实现系统多功能、小型化、轻量化设计

海上机载光电侦察系统要求大覆盖范围，一般方位要求360°覆盖，俯仰+30°～－90°以上。为实现这样覆盖范围，系统一般采用球形转塔形式（如图7所示）。球形转塔的特点是，充分利用球的外形多开窗口，将多传感器有机地集成到系统中。光学系统和传感器以及部分电路都集成在球形框架内，随两轴框架一起随动，这导致光电转塔运动负载重，转动惯量大，转塔运动速度慢，一般为20～30度每秒。扫描速度慢，使得光电转塔很难满足广域搜索和多目标跟踪的要求。

图7 P8A光学转塔照片

二维光学旋转扫描技术是光电系统搜索扫描体制的创新。二维光学旋转扫描体制是通过两维的光学旋转扫描获得大视场的覆盖能力，可有效覆盖范围为：方位360°，俯仰＋30°～－150°，甚至更大。同时，扫描过程中只需要转动部分光学组件，探测器和其他光学组件都固定不动，系统运动负载非常轻，转动惯量非常小，系统扫描速度可以很快，可达几百度每秒。而且，转动惯量小，系统轴承、电机等机械支撑件体积和重量都能减小，非常有利于系统在保证性能的情况下，实现小型化和轻量化设计。

图8 二维旋转光学扫描系统示意图

4 总 结

光电侦察装备是我军“大情报、大数据、大服务”侦察情报装备体系中不可缺少的重要组成部分，在陆基、空基、舰载或星载等平台上都发挥着重要的情报侦察作用。但是，光电侦察装备性能受气象条件制约等问题严重影响其实战发挥作用的效率。如何提升光电装备的“全天候”适应能力，提升光电系统的综合集成度是重要的研究课题。全光场相机是实现广域监视清晰成像的有效手段；偏振探测则是解决海洋环境湿度大、云雾多，海面对太阳光的反射强烈、杂波复杂，提升光电探测系统对海探测战技性能的可能途径；二维旋转光学扫描技术是提高综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）车双良，汶德胜，乔薇.大景深成像系统的特性研究［J］.应用光学，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.光场成像技术研究［D］.北京：中国科学技术大学，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）韩宁.红外偏振成像技术研究［D］.南京：南京理工大学，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）谭佐军，李俊，陈海清.偏振探测技术在空间目标识别中的应用［J］.激光与红外，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，高级工程师，主要从事机载光电系统技术研究。E-mail：ljybj11＠163.com

2013-05-08；

2013-06-03