海上巡逻机光电侦察系统设计

宋冬生 王茹意 李洪烈

【摘 要】阐明了光电侦察系统的原理，设计了它的两个主要的组成系统。并针对这两种侦察系统应用于海上巡逻机的可行性进行了理论计算和实际分析，方案行之有效。

【关键词】海上巡逻机；光电侦察系统；可见光侦察；红外侦察

1光电侦察系统的任务使命

光电侦察系统的任务使命是：当海上巡逻机执行对海面巡逻时，系统中的红外遥感设备以航线为基线，对航线左右的水下目标进行实时侦察，发现目标并显示航迹与目标大约深度，提供情报支援或引导；而系统中可见光/近红外设备对飞机正前方进行侦察，发现远处水面船只、潜望镜、通气孔等大小不等目标。由于运用红外、可见光/近红外探测，因此本系统可昼夜工作。

2系统设计

光电侦察系统由可见光/近红外侦察系统和红外扫描侦察系统两部分组成。

2.1可见光/近红外侦察系统

可见光/近红外侦察系统框图如图1所示。整流罩用于对光学系统的防护；光学系统具有可变焦距、可见光及近红外两个波段滤波特点，以适应战术运用和不同能见度气象条件下运用的要求；传感器采用CCD器件，它的作用是把光信号变为电信号；信号处理器对CCD信号进行消杂光、光增强、减噪声等处理；图像处理器对采集后的图像进行运动目标处理，并实时输出目标参数；计算机是系统的指挥控制中心、人机对话的界面。系统具有自动工作、手动工作和人工干预下工作三种工作状态。在自动工作状态，光学头按照预先设定程序，自动对海面进行有规律的“S”形扫描，按飞机的速高比，决定扫描视场；在手动工作状态，光学头按照指挥员的要求，人工操作扫描；在人工干预工作状态，光学头按照指挥员要求，通过计算机输入参数，终止原工作状态，进入新输入要求工作状态。计算机还有记忆目标参数、数据库、威胁库等功能。显示器显示视场内景像背景和目标，并用表格和图像形式显示目标参数和背景景像。记录仪根据要求选取任何记录形式。稳定平台是一个由万向支架支撑的陀螺稳定平台。

2.2红外扫描侦察系统

红外扫描侦察系统的框图如图2所示。光机扫描是通过机械有规律的运动，对海面一定视场进行扫描，发现海上目标，或对水下目标运动航迹产生的水面温差进行探测；红外传感器的作用是把光信号变为电信号；致冷装置对系统从温度和功率上提供达到77K和1W冷量的工作保障；信号处理器对传感器输出的信号进行去杂、去噪处理，降低虚警，提高灵敏度；信息处理器通过信息处理，确定目标方位和水下目标航迹；计算机、显示器、记录仪的功用、组成与可见光侦察部分相同。

3 方案可行性分析

3.1 可見光侦察方案可行性分析

3.1.1理论估算

可见光CCD摄像机探测到目标信号的基本条件为：

（1） 目标在CCD器件上有足够的照度（当无月光、只有星光的夜晚，选择像增强型CCD，即选择ICCD型，会使灵敏度提高两个数量级以上），照度在白天晴好天气不会有什么问题。另外，也可以运用大口径光学系统，进一步解决照度可能不足的问题。

（2） 目标在传感器上至少大于3×3像元数；在特定背景下，如海面单一背景2×2像元数通过软件也可以探测到目标。所以指标上有二种目标：

a）目标尺寸为Ф100mm ×l500mm，RV≥15km

正常情况下，目标露出水面的潜望镜、通气孔等目标的尺寸不小于Ф100mm ×l500mm，采用62cm焦距的光学系统，在15km远处的接收面上成像尺寸约为20μm，选择CCD的像元尺寸为7μm，完全可以分辨。

b）目标尺寸为30m×130m，RV≥80km

同样，在 80km远处单元像素对应的尺寸为 1.09m×l.23m，对30m×130m目标，理论上可有27.5×24.3个像素，远远多于3×3像素，完全可以分辨。

目标为阳光照射的船只甲板以上部分，有的被阳光直接照亮，有的是阴影，这本身就有相当大的对比度。因此，从理论上分析，可见光/近红外侦察系统可以达到所设计指标。

3.2红外侦察的可行性分析

红外遥感技术在国内外都已比较成熟。早在20世纪70年代中期，电子部某研究所已研制出红外对海洋遥感遥测仪样机。虽然当时器件水平很低，但已经能从飞机上对行驶过的小机帆船（约半小时后）留下的行踪进行测试，结果非常理想。随着科学技术的发展，元器件灵敏度的不断提高，红外探测侦察系统的技术水平越来越高。

为了有一个大致定量概念，假定以下参数，做一些比较保守的计算，从成像探测理论可知，系统等效噪声温度（K）可用下式计算：

参考文献：

[1]张敬贤，李玉丹，金伟其.微光与红外热成像技术[M].北京：北京理工大学出版社，1995.

[2]袁旭沧.光学设计[M].北京：科学出版社，1985.

[3]何友金.红外技术讲义[M].烟台：海军航空工程学院出版.

[4]吴军辉，朱景成.红外成像系统对点目标动态探测概率分析[J].红外技术，2000.2.