军用无人机光电遥感设备发展分析与展望

姜甲玉 李保霖 刘明 陈志超

摘 要：军用无人机光电遥感设备具有功能多样、适应能力强、机动灵活、成本较低等特点，通过分析军用无人机光电遥感设备的技术特点，结合主要西方国家的发展现状及典型设备的技术指标，提出了高性能成像传感器、高精度目标跟踪定位、先进图像处理、智能化、综合化等主要研究方向和发展趋势。

关键词：军用无人机;光电遥感;发展趋势

中图分类号：V245.6 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）21-0080-03

0 引言

无人机（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）是利用无线遥控设备或者预先植入的程序，可实现无人自主或半自主任务控制功能的飞行器。第一架无人机于1917年（第一次世界大战时期）在英国研制成功。由于无人机没有人员伤亡风险，生存能力较强，使用方便，在现代战争中发挥了重要的作用，20世纪70年代以来，军用无人机越来越频繁地出现在局部战争中，美国与以色列的无人机发展相对领先，目前全球军用无人机已经有两百多种型号，可以用来完成侦察、跟踪、监视、目标捕获、火力校正、通信中继、攻击、拦截、电子战等多种功能，这是通过搭载相应的机载光学或电子任务设备来完成的。未来战争中，军用无人机的使用将会非常广泛。

1 军用无人机光电遥感设备种类

无人机光电载荷有多种分类方法。按工作波段，UAV光电载荷可分为可见、红外和激光系统三大类，其中的每一类系统都包括传感器、光学系统、平台和存储器等分系统。激光类系统属于主动光电系统，含有激光光源和激光回波接收系统。

传感器按工作波段，可分为可见光、红外和激光传感器，而可见光传感器按波段又可分为全色（黑白）和彩色（多光谱、超光谱）两类;按工作环境可分为昼间和低照度两类;按工作频率可分为视频（电视摄像）和低帧频（数码相机）两类。红外传感器，按波段可分为长波、中波和短波红外传感器;按致冷方式，可分为非致冷（常温）、斯特林循环致冷和液氮致冷三种。激光传感器是一种能量接收器，因此以点探测器为主。目前广泛使用的四象限探测器，可用于探测激光光斑相对于视轴中心位置的偏差。

光学系统按焦距可分为定焦、多档可切换定焦和连续变焦三类，其中定焦又分为超短焦（广角）、短接和长焦系统;按波段可分为可见与红外光学系统。平台按自由度可分为两轴、三轴或多轴稳定平台。存储器分普通型和海量型两种。

按光谱段分类的载荷及其主要技术特点如表1所示。

另外，按照设备的工作模式还可将设备分为：线阵推扫、线阵摆扫、面阵凝视、面阵步进凝视以及面阵摆扫凝视等，其主要技术特点如表2所示。

2 军用无人机光电遥感设备发展历程

无人机光学成像思想起源于于十九世纪的欧洲，1882年，Archibald发明在风筝上的成像装置，1903年，Neubranner申请机械计时触发的空中照相专利，1897年，Alfred nobel申请光学侦察火箭的专利，这些构成了无人飞行器光学成像的技术雏形。军用无人机光电遥感设备的发展历程大概分为以下三个阶段。

第一阶段：上世纪三十年代至八十年代，为光电遥感设备的发展初期。美国在冷战时期针对中、苏境内的侦察监视，包括U-2高空侦察系统与SR-71高空、高速侦察系统，后来为躲避地面导弹的攻击，美国启动高空无人机侦察机研究计划，研制了Ryan-147、D21等无人侦察系统如图1所示，但这些技术装备并未得到推广应用。这一时期，无人机侦察系统的成本高、可靠性差，普遍被看作“不可靠、昂贵的玩具”。

第二阶段：上世纪八十年代至九十年代末期，电子侦察技术的进步对无人机的进一步发展与应用铺平了道路，上世纪七十年代后期以色列率先将光电、雷达、数据链路等集成在“先锋”无人机系统中，构建了首个满足战场应用的无人机战术侦察系统如图2所示。在1982年的第五次中东战争中，以色列战机利用它在两天的时间内摧毁叙利亚80%的防空力量。

在海湾战争的沙漠风暴行动中，无人机战术侦察的优势再次得到验证，至此无人机在机载侦察监视领域内声名鹊起;与此同时战略光学侦察载荷也在经历技术变革，传统胶片式侦察技术逐步被数字传输型侦察技术所替代。

第三阶段：本世纪初至目前，军用无人机及其光电载荷进入快速发展阶段，先后出现了“捕食者”、“猎人”、“全球鹰”等一批卓越的侦察、监视与打击平台，在美军对阿富汗反恐战争、伊拉克战争、阿以冲突中得到更广泛的应用。这个阶段无人机光电遥感设备更突出的强调“实时监视”、“高分辨成像”与“精密跟踪定位”的技术能力和多任务的侦察应用，其中较为典型的是美国全球鹰无人机装备的ISS（EO/IR）光电侦察装备如图3所示。

3 典型军用无人机光电遥感设备简介

典型的军用无人机光电遥感设备是ISS光电侦察装备，其装备于“全球鹰”高空无人侦察机上。全球鹰无人机典型飞行高度为23km，飞行速度650km/h左右，ISS光电侦察装备安装在全球鹰无人机前端，采用与无人机共型设计，以保证飞行器整体的气动特性布局。ISS光电侦察装备主要的工作模式包括广域搜索和定点监视模式，如图4所示。

ISS光电侦察设备是由美国雷神公司研制的一體化集成可见红外光电载荷，其主要技术指标如表3所示。

ISS光电侦察设备的系统组成如图5所示，该设备的光学系统采用无色差全反射式光学系统，实现双波段共口径成像与共基准测量;采用俯仰/横滚框架结合成像系统内置两个两维反射镜，构成两轴多框架成像稳定系统，实现成像系统光轴的惯性稳定与指向精准控制。

4 发展趋势展望

技术进步驱动军事装备和作战模式变革，新军事思想发展牵引技术的进步，以信息化、网络化为核心的“空、天、海、地”一体化作战模式，促使无人机光电遥感设备不断更新和换代升级，对其主要研究方向和发展趋势展望如下。

4.1 高性能光电传感器是光电载荷发展的核心

为满足“广域搜索、远程侦察、精准打击”的应用需求，要求光电传感器应具有阵列大、分辨率高对比度、空间、光谱、响应快等特点，具备复杂气象如薄云、薄雾、阴天、霾等和复杂目标特性弱小、运动、伪装等条件下的高概率探测和辨识能力。

红外谱段，目前机载光电载荷使用的红外探测器以640×512中波制冷型器件为主，也有少数采用1280×1024规模的器件，探测器像元尺寸在15μm左右，响应波段3.7～4.8μm，像元平均等效噪声温差NETD≤20mK，非均匀性<5%RMS，FPA工作温度77～110K。为了提高目标探测能力，红外探测器向着多波段、大面阵、高灵敏度发展，目前已发展到第三代，已实现规模4K×4K、像元尺寸小于10μm、四个响应波段、NETD优于2mK。

可见光谱段，随着半导体集成和工艺等关键技术突破，CMOS传感器已克服动态范围小、灵敏度偏低等不足，向着高分辨率、高灵敏度、大动态范围、大面阵、高帧频、宽光谱和高智能化发展。国内已研制出响应波段400～1200nm、分辨率200万像素60帧/s、660万像素30帧/s和1600万像素 25帧/s的宽光谱CMOS传感器芯片。CMOS传感器正逐渐替代CCD传感器，成为光电图像侦察的重要传感器。

4.2 高精度目标跟踪定位是发挥作战效能关键

为了实现“广域搜索、准确定位、快速摧毁、实时评估”，以及网络化协同作战能力，采用卫星定位、惯性测量和陀螺稳定GPS+IMU+STA组合技术，实现高精度目标搜索定位、跟踪与瞄准，是目前先进机载光电载荷系统的一个重要发展方向。与之相应发展的，是高精度稳定平台，这是机载光电载荷履行作战使命的基础和保障。目前，国外先进机载光电载荷的稳定精度已达到亚像素级。

4.3 先进图像处理是提升系统性能的有效途径

伴随着光电载荷装备发展，提高其目标探测能力一直是研究的重要内容。为了提高系统的目标探测识别距离和远程侦察监视能力，除了探测器性能的提高和新探测概念体制的不断发展外，先进图像增强处理技术是光电载荷性能提升的有效途径，在国外光电载荷中已得到广泛应用，并显著改善系统的性能。例如，AN/AAQ-30采用先进的基于局部图像增强的增程技术，使目标辨识距离提高60%MTS-A/B采用基于自动图像细节优化的增强处理技术，有效增强场景感知和远程侦察监视能力。图像增强处理技术一直是研究的热点，也是机载光电载荷发展的一项关键技术。

4.4 智能化、综合化是光电载荷发展的方向

为了适应信息化、网络化战争的目标多样化、环境复杂化、任务多样化带来的严峻挑战，无人机光电载荷将以分布式全景感知、光电探测与对抗相结合、多机网络化协同为特征，向着多任务综合化监视侦察、探测预警、告警对抗、目标搜索识别、目标定位跟踪、目标瞄准打击、打击效果评估、态势感知和行动决策智能化方向发展。

5 结语

无人机在国防军事上的巨大作用已经得到了世界上大部分国家的认可与重视，在未来无人机必定会有着更为广阔的军事发展前景以及战略意义。本文通过分析几种典型航空侦察相机的特点，根据其发展状况和技术前沿国家的发展动态，结合各种相机工作的优缺点、应用前景和方便实用性，给出了航空侦察相机未来数字化、面阵、远距离倾斜式高分辨率成像、多光谱以及集成吊舱侦察的研究方向和发展趋势。

参考文献

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