车载光电桅杆技术的发展现状及趋势

张坤杰

车载光电桅杆技术的发展现状及趋势

张坤杰

（昆明物理研究所，云南 昆明 650223）

在介绍极限意义上的几何探测距离计算方法的基础上，介绍了车载光电桅杆的结构，包括直臂式和曲臂式两种结构。在车载桅杆的应用中引入光电探测系统可增强系统的态势感知能力。随着车载光电桅杆技术日渐发展成熟以及应用领域的不断扩展，车载光电桅杆需求量有望增加。对国内外目前车载光电桅杆技术的发展现状和应用前景进行了综述。

车载光电桅杆；态势感知；光电探测；红外成像；地面监视雷达

0 引言

桅杆原本是一种船上悬挂风帆和旗帜的高杆，桅杆顶端位据船体平台高点位置，具有登高望远的高度优势。光电探测系统对地面或对海面的观察距离受到地球曲率的影响，同样性能的探测系统，安装在高处比安装在低处看得更远。将光电探测系统安装在桅杆顶端即构成光电桅杆[1]，光电桅杆通过相对简单地提升光电探测系统的位置高度，额外扩大了光电探测系统的作用距离和观察范围。近年来，随着光电探测系统的小型化，光电桅杆的应用范围从水面扩展到地面，国内外有关单位纷纷涉足光电桅杆的研发[2]。逐渐形成了一个相对独立、特色明晰的车载光电桅杆技术领域。本文介绍了国内外车载光电桅杆的发展动态。

1 光电探测系统的几何探测距离

作用距离是军用光电探测系统最重要的一个性能参数。这里介绍极限意义上的几何探测距离计算方法[3]。几何探测距离是光电探测系统的最大作用距离。如同人眼可以向下看、向上看或者等高看出去一样，光电探测系统的视线具有方向性。如果视线平行投射出去，如图1(a)和(b)所示，这两种情况均无法定义最大距离，如图1(a)中所示，视线可能还未到最大距离即被地势所阻止；而图1(b)类似于对空观察，视线可以无限地向外空间延伸。

在平坦地势上所呈现的视线距离不一定是几何探测距离，如图2(a)所示。几何探测距离出现在图2(b)所示的情况。设光电探测系统所在位置为，其距地面高度为。点为从点投向地球表面的切线与地球表面的切点，视线BCD称为下视线。设目标高度为。目标先位于点，然后移动到点，再移动到点，＝＝＝。与目标顶点所在位置之间的连线称为上视线，图2(b)中的、为上视线。属于上视线与下视线重合的情况。的意义在于给出了一个临界点，在点，目标顶端刚刚与整机视线相接触、但是目标整体仍在视线以下。

三角形和三角形分别为直角三角形。根据勾股定理，长度可按下式计算：

式中：＝6378.14km，为地球半径。

因为≫以及≫，故式(1)展开后可以简化为：

式(2)给出的几何距离只是一个理论意义上的计算公式，它是一个极限值。光电探测系统的实际作用距离与系统参数密切相关，但是不可能大于几何距离。

从式(2)可以看到，当目标高度不变时，光电探测系统摆得越高，看得越远。这就是光电桅杆优点的数学基础。

2 国外车载光电桅杆的发展现状

2.1 车载光电桅杆的结构特点

车载光电桅杆一般由可升降/收缩的桅杆结构和光电探测系统组合而成，前者属于机械结构的范畴，在经过改装的车辆上安装一个升降机便可实现桅杆的升降；后者属于光电技术的范畴。

图1 地势对视线距离的影响

图2 光电探测系统对地观察时形成的几何关系

车载光电桅杆所用车辆可以灵活多样，可以是军用车辆、警用车辆或者民用车辆。升降机主要有直臂式和曲臂式两种，它们的驱动形式包括机械、液压、气压等[4]。图3是基于改装吉普车的直臂式桅杆结构，桅杆升降的控制与桅杆顶部光电探测系统的控制通过桅杆外部螺旋缠绕的线缆来实现，桅杆整体的部署高度可达4.72m[5]。不同于图3的桅杆结构，图4[6]呈现的是由5段伸缩臂构成的桅杆结构，桅杆升降的控制和图像信号通过桅杆内部的线缆传输，这种直臂式结构可以避免较多地占用车辆驾驶室内的有限空间。另外，光电桅杆结构还可以设置在单独的挂车车体上，图5为美国FLIR公司研制的基于挂车的Cerberus直臂式光电桅杆，其桅杆部署高度为5.8m，可以部署在偏僻地区，实现较长时间的无人值守工作[7]。

图3 基于改装吉普车的直臂式桅杆结构

此外，光电桅杆还可以用研发中的概念车辆来作为安装平台。图6[8]是美军基于M2A3/Bradley履带式步兵战车底盘研发的M-SHORAD履带式野战防空系统样车，从图中可见，该车也配有直臂式光电桅杆，与图4相似，为避免过多占用车辆内部操作空间，直臂式桅杆可最大程度地节省车辆驾驶舱内部空间。但基于车辆的作战特点，直臂式桅杆的高度有限，以避免自身目标暴露。

图4 军用车辆配备的直臂式光电桅杆

图5 基于挂车的直臂式FLIR Cerberus光电桅杆

曲臂式升降机既能自动保持被举升光电系统的稳定性，又可以实现工作中所需高度，速度控制精确灵敏，微动性能较好，维护方便、维修保养成本较低，目前在车载光电桅杆结构中较为常见。与直臂式升降机相比，曲臂式升降机占用车辆空间较多。曲臂式升降机配备的底盘可根据需求灵活安装在军用、警用、民用车辆上，或者直接安装于地面。例如，图7是安装有曲臂式升降机的FLIR LTV-X车载光电桅杆，其桅杆部署高度为4.04m[9]。图8是基于改装皮卡和曲臂式升降机实现的FLIR MVSS光电桅杆，可在车辆驾驶室内通过触屏显示器来控制桅杆的升降与桅杆顶部的光电探测系统，二者可根据需要灵活调整，互不干预，操作较为便捷，其中光电探测系统所成图像由光纤传输到驾驶室内，桅杆整体的部署高度可达7.93m[10]。

图6 M-SHORAD履带式野战防空系统中的光电桅杆

图7 在越野吉普上安装的FLIR LTV-X曲臂式光电桅杆

图8 基于改装皮卡和曲臂式升降机的FLIR MVSS光电桅杆

2.2 车载光电桅杆的态势感知技术

信息化战争要求具有态势感知能力。态势信息在指挥与作战人员对战场态势的分析交流中尤为关键[11-12]。国外厂商通过在车载光电桅杆中引入信息融合技术和全周视回转扫描技术来形成态势感知能力。信息融合技术包括红外、可见光、雷达、激光等多波段探测技术的融合。从美国Lockheed Martin、FLIR、德国莱茵等公司近年研发的产品可以看出，大多数车载光电桅杆采用高清长波红外（Long wavelength infrared，LWIR）、高清中波红外（Middle wavelength Infrared，MWIR）、高清短波红外（Short wavelength infrared，SWIR）、高清彩色摄像机和像增强器的多波段融合技术，其优点在于通过优化多波段光谱信息的利用率、消除多传感器信息之间可能存在的矛盾和冗余来提高分辨率[13-24]。采用融合技术后的系统观测范围较原来相比可显著增加。例如，图8中桅杆顶部的光电探测系统使用了多波段图像融合技术，覆盖可见光、近红外、短波红外和中波红外4个工作波段，观测范围从700m可扩展到30km[25]。美国Lockheed Martin公司研制的GYROCAM-15TS车载光电桅杆实现了红外热像仪、彩色摄像机和自动门控像增强器三者的图像融合。

周视观察对车载平台态势感知能力的影响尤为突出，如美国Lockheed Martin公司和FLIR公司推出的几款光电桅杆的方位角全部实现连续360°全周视观察，根据工作任务的不同，它们的俯仰角各有不同，小到－30°，大到＋120°。表1列出了美国FLIR公司车载光电桅杆的主要技术特点和性能参数[5,7,9-10,24-25]。表2列出了美国Lockheed Martin公司车载光电桅杆的技术特点和性能参数[26-28]。

表1 美国FLIR公司的车载光电桅杆的主要技术特点和性能参数

表2 美国Lockheed Martin公司的车载光电桅杆的主要技术特点和性能参数

Continued Table 2

早期雷达使用晶体管技术，体积和功耗较大，难以实现车载桅杆式安装。随着微电子技术的进步，各种电子元件的体积缩小、功耗降低，逐步实现雷达小型化，衍生了主要用来对重要阵地或者设施周围实施有效监视的地面监视雷达（又称为战场监视雷达）。地面监视雷达的典型产品为面板式结构，其采用模块化设计，体积较小、重量较轻，可直接安装在车载桅杆上构成远距离地面监视雷达系统。从图4、图7、图8和图9(a)[29]中可以看到安装在车载桅杆顶端的面板式地面监视雷达。在车载光电桅杆中，地面监视雷达主要配合红外、可见光、激光和其他传感器协作使用，可以较大程度地实现对目标的搜索、跟踪和定位。地面监视雷达还可以车下安装，构成近距离地面监视雷达系统，如图9(b)所示。表3为美国FLIR公司研制的多款车载光电桅杆中的地面监视雷达参数[5,7, 9-10,24]。

车载光电桅杆的另一发展趋势是与全球定位系统（GPS）、惯性导航单元（intertial navigation unit, INU）等电子导航设备的结合。光电桅杆通过为GPS、INU等电子设备提供支撑平台，可以将工作波段扩展到雷达波段。这样一方面减少了同时使用桅杆的数量[30]，另一方面使车辆在有限的时间内尽可能全面、智能地完成任务。此外，在车载光电桅杆中引入网络互联技术可以提高车载作战平台的作战效能。图10为德国Rheinmetall防务公司的Vingtaqs II车载光电桅杆，该系统除了红外、激光和可见光多波段融合以外，还包括GPS天线和惯性导航单元[29]。

图9 面板式地面监视雷达安装在车载光电桅杆上和车辆附近的三脚架上

表3 美国FLIR公司光电桅杆中的面板式地面监视雷达参数

3 国内车载光电桅杆的研究现状

国内在车载光电桅杆产品的研发方面种类较少，公开报道的车载光电桅杆不多，现有文献主要集中在对车载光电桅杆的整体作战效能、方位方向精度，以及在研制过程中的整体可靠性等问题的分析研究。

文献[31]为了准确评估车载光电桅杆在设计阶段的效能，用专家打分的评估方法对某一车载光电桅杆的搜索跟踪能力、系统可用能力、系统生存能力进行综合化分析，实现对光电桅杆作战效能的评估。专家打分方法适用于存在诸多不确定因素，采用其他方法难以进行定量分析的待评估项目，这种方法简便、直观性强。

图10 德国Rheinmetall防务公司的Vingtaqs II车载光电桅杆

文献[32]提出车载光电桅杆的方位方向精度分配的合理性主要取决于光电探测系统和桅杆控制系统，通过将误差值按照系统总体指标精度分别分配到光电探测系统和桅杆控制系统，可验证车载光电桅杆方位方向精度分配的合理性。

文献[33]认为车载光电桅杆是目前较为新型的高精度装备，可靠性是该系统研制过程中必须考虑的问题。例如，机械总体可靠性、光电总体可靠性等。通过一定时间段的半实物仿真试验，对车载光电桅杆的总体可靠性的合理分配及校核问题进行研究。

4 结束语

车载光电桅杆是车辆系统、光电探测系统和机械升降系统三者融合的产物。光电探测系统的小型化、模块化和智能化使它可以便捷地安装在车载桅杆的顶部，拆装和操作简便，维护成本较低。目前，国外研制的车载光电桅杆的应用范围已经从军用、警用扩展到民用领域，与水面应用环境相比，它的安装平台更多样化，可以是军用车辆，也可以是警用车辆，甚至是普通的民用皮卡，用途也随之多样化，例如，边防、安防、森林防火、管道安全、战术侦察等。与基于海上平台的光电桅杆相比，车载光电桅杆的制造难度和成本相对较低，潜在市场需求较大，有望实现量产。

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Current Status and Trend of Vehicle Photoelectric Mast Technology

ZHANG Kunjie

(,650223,)

Based on introducing a calculation method for the limit of geometric detection range, the structure of vehicle-based photoelectric masts with a straight arm or a crank arm is presented. Photoelectric detection system in the application of vehicle mast can enhance the situation awareness ability of the system. The market demands of the vehicle-based optoelectronic mast are expected to increase with the growing maturity of its technology and continuous expansion of its application. The current status and application prospect of vehicle-based photoelectric mast technology at home and abroad are summarized.

vehicle based photoelectric mast, situational awareness, photoelectric detection, infrared imaging, ground surveillance panel radar

U667.1

A

1001-8891(2020)06-0519-09

2019-03-14；

2019-11-04.

张坤杰（1986-），女，硕士，主要从事科技信息研究、外语翻译等工作。E-mail：kunjie.zhang@aliyun.com。