无人机光电任务载荷成像传感器分析

航空工业洛阳电光设备研究所，河南省 洛阳市 471009

结合国外无人机光电任务载荷成像传感器发展情况，对可见光传感器、长波红外传感器、中波红外传感器和短波红外传感器的特点进行了分析，对光电任务载荷成像传感器的未来进行了展望。

无人机光电任务载荷主要采用成像传感器收集目标/背景辐射或反射的信号，通过模拟或数字处理生成供人眼观察的图像，具有被动探测、抗电磁干扰，提供的图像情报直观、实时、分辨率高等特点，能够有效增强飞机平台的态势感知能力。目前，光电任务载荷成像传感器主要包括可见光和红外两种类型。随着技术的不断发展，成像传感器在探测波段、分辨率、体积重量等方面取得的长足发展，为提升光电任务载荷的探测能力起到了非常大的促进作用。

可见光传感器

可见光传感器也称为电视摄像机，其工作波段一般在0.5～1μm之间，包含了人眼可响应的波段。可见光传感器主要观测目标的光谱反射辐射特性，依赖太阳光照明，通过增加和减少有效的采集时间来适应环境光的变化。可见光传感器获取的图像感观上与人眼直接观察的图像相同，图像细节丰富，非常有利于人的视觉系统识别目标，红外探测虽然白天也可以使用，但也不能替代可见光探测。由于复杂天气下可见光的穿透能力有限，同时夜间目标反射的可见光十分微弱，因此可见光传感器在复杂天气和夜间使用受到限制。

可见光探测器件已由胶片、模拟制式的线列探测器向大面阵数字制式方向发展，CCD/CMOS器件的成像质量已经趋于完美，分辨力与胶片基本相当。早期可见光传感器主要输出灰度图像，视频分辨率普遍不高，随着技术的发展目前能够输出彩色高清图像，能够很好的利用目标颜色特征完成对目标的识别，这对搜救和近距火力支援方面有很大的帮助。美国“捕食者”无人机目前装备的雷神公司MTS-B光电系统包含可见光彩色传感器，最小视场达到0.11°×0.08°，可见光传感器成像效果如图1所示。

红外传感器

红外传感器是光电任务载荷实现昼夜探测能力的主要传感器，主要分为长波红外传感器、中波红外传感器和短波红外传感器。其中，长波红外传感器工作在8～12μm，中波红外传感器工作在3～5μm，短波红外传感器工作在1～3μm。长波红外传感器和中波传感器主要利用物体(目标/背景)自身发射的红外波段的辐射完成对目标的探测，完全不依赖周边环境的光源，可在昼夜条件下使用，是其他传感器不可替代的光学探测通道。短波红外传感器主要利用目标反射环境中的短波红外辐射来实现探测，能够提供可见光、中波红外和长波红外所不能提供的信息，对在红外波段全面获取目标的信息具有重要意义。

长波/中波红外传感器

图1 可见光彩色传感器成像图

图2 中波红外传感器成像图

长波/中波红外传感器也称为长波/中波红外热像仪，主要探测目标的热辐射，长波传感器在早期机载光电侦察系统中应用十分广泛，主要采用线列+机械扫描方式实现对目标的成像，由于地面目标在长波波段辐射强度较大，同时长波探测器能够很好的克服战场环境下火焰等目标的干扰。因此，早期无人机光电任务载荷中得到了应用，但由于制冷型碲镉汞长波探测器存在成本高、稳定性较差和大面阵制备难度大等问题，随着锑化铟技术的进步，中波红外探测器面阵规模不断扩大，通过增加积分时间等手段，获得了很好的成像效果，在无人机光电任务载荷中得到了很好的应用，例如美国FLIR系统公司研制的Star SAFIRE380-HLD采用1280×720锑化铟探测器，最小视场达到0.35°，能够输出高清红外图像。中波红外传感器成像效果如图2所示。

短波红外传感器

图3 短波红外传感器透过汽车玻璃成像效果图

短波红外传感器利用目标反射环境中的短波红外辐射来实现探测，能够在雾霾和风沙等恶劣气象条件下正常工作，由于其工作波段与激光器工作波段重合，能够探测激光光斑的同时，也可以与激光组成选通成像系统，实现对目标的全天时远距主动探测成像。此外，短波红外传感器能够穿透玻璃观测目标，例如看到汽车内部情况(见图3)，这将对警用和军用侦察任务方面提供很大的帮助。目前，采用铟镓砷材料制备的短波红外传感器无需制冷，在0.9～1.7μm波段具备很高的探测灵敏度，在无人机光电任务载荷中得到了广泛的应用，几乎目前所有先进的无人机光电任务载荷均配备了短波红外传感器，L-3 WESCAM公司的MX-25光电系统短波红外传感器最小视场达到0.2°，能够对几十千米外地面车辆清晰成像，FLIR系统公司研制的Star SAFIRE380-HLD系统短波红外传感器能够对激光光斑成像(如图4)。短波红外传感的应用是光电任务载荷发展的一个十分重要的方向。

光电成像传感器的发展

无人机光电任务载荷通过光电成像传感器提供实时大范围区域的高分辨率图像，在警用、军用等多个领域发挥了关键作用，随着使用需求的发展和光电技术的进步，光电成像传感器的发展将呈现以下趋势。

空间分辨能力不断向高分辨率发展

光电成像传感器的空间分辨率决定了系统的作用距离和操作人员对目标的辨识能力，而空间分辨率取决于光学系统焦距和探测器像元尺寸，随着光学设计、加工工艺及光学装调技术的发展和大阵列探测器制备技术的发展，使得光电成像传感器的空间分辨率不断提高，也提升了对目标的作用距离。例如，L-3 WESCAM公司的MX-25光电系统采用1280×1024中波红外探测器和长焦距光学系统实现了0.86°极窄探测视场，单个像元空间分辨率达到近14μrad，能够对远距目标实现高分辨率成像，提升目标的探测距离。

图4 Star SAFIRE380-HLD系统短波红外传感器对车辆和激光光斑成像图

图5 不同空间分辨率对目标探测效果影响对比图

多传感器综合使用提升感知能力

无人机光电任务载荷将可见光、长波红外、中波红外和短波红外等多种传感进行集成，通过不同传感器的组合使用能够充分发挥各自优势，提升系统的性能，如利用红外与可见光图像的特点进行融合实现对目标的有效探测识别；利用短波红外与激光照射器组合实现对激光光斑的实时探测和修正，确保激光光斑照射在目标上，提高对武器系统的引导精度；根据人眼视觉特性利用图像增强算法对图像进行处理，由“看见目标”向“看清目标”方面发展，降低操作人员观察目标过程中的工作强度。

展望

由于机载环境对光电任务载荷体积、重量和功耗限制，在未来可以预见光电成像传感器将向着综合化、小型化和模块化方向，在此前提下不断提升性能指标，包括探测器面阵规模、光学焦距、探测波长范围，主要目的仍然是满足战场任务瞬息变化和多样性的要求。未来无人机可能将逐步取代携带光电任务载荷执行任务的有人直升机，中等尺寸的无人机可以执行同样的识别和瞄准任务，而且成本较低，同时没有人员伤亡的风险。