舰载光电跟踪与火控系统发展

仲维彬

（海军装备部，陕西 西安 710077）

引言

现代战争中使用的常规武器通常都具有超低空、高速度、大机动、强隐身等特点，而且一般装有综合电子干扰设备，这使得雷达不能有效搜索目标，从而对水面舰艇构成了严重威胁[1]。为了适应现代战争的需要和提高舰艇的战场生存能力，世界各国纷纷研制舰载光电跟踪与火控系统。光电跟踪与火控系统以其特有的对低空、超低空目标探测能力强，跟踪精度高，目标识别图像清晰直观等特点在水面舰艇作战中具有较大的应用价值和发展潜力，近年来越来越受到各国海军的重视[1-4]。

1 舰载光电跟踪与火控系统

1.1 光电跟踪与火控系统定义

舰载光电跟踪与火控系统是一种远距离监视、跟踪与火力打击装置，主要由光电跟踪仪、武器分系统和指挥控制台组成，如图1 所示。光电跟踪仪采用被动式光电传感器探测目标，不易受电磁干扰，并且低仰角跟踪能力强，可对付低空和海面目标，是实施精确打击来袭目标的必要保障。光电跟踪仪主要由光电指向器和控制机柜组成。光电指向器内安装有电视摄像机、红外热像仪和激光测距机3 个光电传感器。指挥控制台是控制光电跟踪仪和武器分系统的操控平台，主要由计算单元、操控单元和显示单元组成。

图 1 舰载光电跟踪与火控系统组成框图Fig.1 Composition block diagram of ship-borne electrooptical tracking and fire control system

光电传感器在指挥控制台的控制下实现对飞机、导弹、水面舰艇和岸上目标的搜索、捕获、跟踪和测距，将目标视频图像、角位置数据和距离数据实时传送给控制机柜。控制机柜对目标图像信息分析处理后传送给指挥控制台，通过显示单元输出复合视频。指挥控制台的计算单元对目标坐标数据进行平滑处理，根据舰艇姿态、弹道和气象数据，自动解算出目标运动参数和射击诸元，最后通过指挥控制台控制武器分系统转向并进行火力打击。

目前舰载光电跟踪与火控系统趋于成熟，可靠性高，满足武器系统作战频繁使用、工作环境恶劣等要求。随着各传感器小体积、轻量化的发展及光电跟踪仪的抗震、抗冲击能力增强，光电跟踪仪传感器的组合形式越来越灵活，越来越多样。

1.2 光电跟踪与火控系统分类

根据体系结构的不同，光电跟踪与火控系统可分为分立式和综合式两类[1-2，5]。

1）分立式光电跟踪火控系统

分立式光电跟踪火控系统主要由独立的光电跟踪仪和武器分系统组成。光电跟踪仪对低空目标进行搜索、探测、跟踪，获取目标运动参数，并将参数传送给武器分系统；武器分系统进行火控解算，求取射击诸元，并控制武器射击目标。射击过程中，光电跟踪仪可实时测量目标位置坐标信息，并观测射击效果。但分立式系统信号传输环节较多，光电跟踪仪和武器分系统部分功能重叠，整个系统武器反应时间较长，此外系统性能受环境气候影响比较大。

2）综合式光电跟踪火控系统

区别于分立式光电跟踪火控系统，综合式光电跟踪火控系统是将光电跟踪仪与武器分系统控制集成在一起。系统通过同一个控制设备，实现跟踪定位目标，实时测量目标位置参数，解算目标射击诸元，控制武器射击。因其信号传输环节较少，武器系统反应时间短、实时性高；缺点是光电传感器与武器系统共用一个基座，射击震动影响了光电跟踪系统的稳定性，对光电传感器的抗震能力提出了更高要求。

2 国外舰载光电跟踪与火控系统发展现状与分析

2.1 系统发展现状

舰载光电跟踪与火控系统由早期的光机炮瞄准装备发展而来。20 世纪70年代研制出第1 代光电跟踪系统，80年代至90年代发展非常迅速，随着关键器件与关键技术的突破，光电跟踪与火控系统获得了长足发展，全世界先后研制出近百种型号舰载光电跟踪系统[6]。

1）德国MSP500 光电系统

MSP500 光电系统[4]是德国莱茵金属防御电子公司研制的一种轻质、双轴稳定的光电系统，如图2 所示。该光电系统主要由二代Ophelia 96×4双视场长波热像仪、785×582 的CCD 摄像机及激光测距机组成。德国海军所有的水面战舰都装备了MSP500 光电系统，进行全天时监视和火控支援。

2）意大利“梅杜莎MK4”光电系统

“梅杜莎MK4”光电系统[1，4]是意大利Selex SI公司研制的一种球形指挥仪，如图3 所示。该系统配有CCD 电视、双视场中波焦平面热像仪及激光测距机，用户可根据任务使用需求选择传感器配置。“梅杜莎MK4”有MK4L、MK4N 和MK4B 不同型号。MK4L 系统用于监视和跟踪任务；MK4N系统具有监视和水面舰炮防空拦阻能力；MK4B 系统提供监视水面和防空能力。该系统能显示目标数据的电视图像、红外图像和距离、速度、时间及地理位置等信息。既可作为独立系统使用，又能集成到火控系统中，遥控中小口径舰炮。

图 2 MSP500 光电系统Fig.2 MSP500 electro-optical system

图 3 “梅杜莎MK4”光电系统Fig.3 Medusa MK4 electro-optical system

3）英国2500 型光电系统

2500 型光电系统[4，6-8]是英国Radamec 公司2003年研制的一种光电侦察系统，如图4 所示。该光电系统采用多面体外形设计，有效减少雷达反射截面，提供全天时中短程侦察，用于防空、舰对舰和海岸打击等中小口径的舰炮作战。这种光电系统可以控制30 mm 加农炮和105 mm 口径MK8 Mod1型主舰炮，可以同时跟踪5 个目标，并对其中1 个进行打击。这种光电系统通过多功能控制台或专用控制台控制。2500 型光电系统传感器配有中波640×480 pixel 红外热像仪、CCD 彩色电视摄像机和激光测距机。目前英国海军45 型“无畏”级驱逐舰、澳大利亚“阿德莱德”级护卫舰、文莱海军近岸巡逻艇、Waspada 级快速攻击艇以及销往罗马尼亚的护卫舰等多个平台上已装备该系统。

图 4 2500 型光电系统Fig.4 2500 electro-optical system

4）以色列Toplite 光电系统

Toplite 光电系统[1，4，7]是以色列研制的一种多传感器光电目标瞄准与监视系统，如图5 所示。该系统采用4 轴稳定平台，体积小，重量轻，可安装在直升机、小型攻击艇、巡逻艇、无人艇、大型水面舰船和港口边防在内的各种载体上,与火控设备进行连接，可根据需要配置多种传感器。这些传感器包括黑白或彩色电视摄像机、3 视场中波（320×240 pixel 或640×480 pixel）热像仪、长波热像仪、激光测距机、激光指示器或双波段激光指示器。这种系统已销往澳大利亚、美国等多个国家。

图 5 Toplite 光电系统Fig.5 Toplite electro-optical system

5）美国SeaFLIR 280-HD、380-HD 光电系统

SeaFLIR 280-HD、380-HD[9-10]是美国FLIR 公司最新研制的舰载光电跟踪与火控系统。2013年9 月，FLIR 公司为美国海岸警卫队提供了SeaFLIR 280-HD 光电系统，如图6 所示。该系统主要用于海上作战，是一种远程监视与侦察系统。利用全成像高清光学系统，多波段、主被动结合方式进行全天时侦察监视，可以探测和分辨远距离舰船，提供目标高清细节图像，并对可疑目标进行威胁评估。SeaFLIR 280-HD 系统配有光学变焦高清1 280×720 pixel 热像仪、连续变焦昼光1 920×1 080 pixel CCD、微光1 280 ×720 pixel CMOS 高清摄像机、640×480 pixel 短波红外摄像机、激光测距机、近红外激光照射器以及IMU/GPS，激光测距能力可达30 km。

图 6 SeaFLIR 280-HD 光电系统Fig.6 SeaFLIR 280-HD electro-optical system

SeaFLIR 380-HD 是首套图像稳定、远距离成像的全数字化高清系统，如图7 所示。系统采用6 轴稳定，主要由高清640×512 pixel 中波热像仪、彩色近红外CCD、彩色微光高清摄像机、720×1 080 pixel 短波红外摄像机、激光测距机及数字式IMU/GPS 组成，其中激光测距能力可达25 km。

图 7 SeaFLIR 380-HD 光电系统Fig.7 SeaFLIR 380-HD electro-optical system

6）瑞典EOS 500 光电系统

EOS 500 光电系统是瑞典SAAB 公司研制的一种轻型光电火控观测指示器，如图8 所示。该系统的光电传感器由拍摄三维图像的彩色跟踪相机、彩色放大相机、中波热像仪（或长波热像仪）和激光测距机组成。EOS 500 光电系统主要用于监视、侦查、目标探测与识别等方面，既能单独使用，也能与其他系统配套使用。如作为一个子系统与9LV MK4 海军作战管理系统综合，综合后传感器由作战信息中心或舰船上多功能控制台控制。目前泰国护卫舰已装备此系统。

图 8 EOS 500 光电系统Fig.8 EOS 500 electro-optical system

7）法国EOMS NG 光电系统

EOMS NG 光电系统[7，10-11]是法国Sagem 公司研制的一种昼夜多功能光电系统，如图9 所示，它是EMOS 系统的升级版。该系统集成了VIGY 105光电和VAMPIR MB 光电的特点，主要功能包括全景监视、昼夜红外搜索、目标识别、三维目标自动跟踪、弹道计算、舰炮控制和火力打击等，主要用于提高水面舰艇的自我防御能力。EOMS NG 光电配有红外相机、全色电视摄像机和激光测距机，其中红外相机是双波段288×4 pixel 阵列，视场4×360°。EOMS NG 系统分别装备于法国巡逻艇、驱逐舰、护卫舰、两栖攻击舰，还装备于澳大利亚航母、驱逐舰、护卫舰等。EOMS 系统已出口保加利亚、芬兰、阿拉伯等国。

图 9 EOMS NG 光电系统Fig.9 EOMS NG electro-optical system

8）法国PASEO 光电系统

PASEO 光电系统[10-11]是法国萨基姆公司研制的一种多任务光电系统，如图10 所示。目前PASEO系统有PASEO NS、PASEO XLR 和PASEO IRST 3 种舰用型号，这些型号都可与舰载作战系统集成，或通过专门的控制台操作。PASEO 系统采用紧凑型设计，满足海上巡逻艇、轻型护卫舰等舰船的情报收集、交战及护卫要求。PASEO NS 系列由激光测距机和高分辨率摄像机组成。PASEO XLR系列除拥有PASEO NS 所有性能外，还增加了超长距电视摄像机。PASEO NS 系统和PASEO XLR 系统可安装弹道计算机与控制接口，实现与一门或多门火炮系统交联。PASEO IRST 系统是一种全景光电监视系统，能精确探测空中及海面威胁，提供雷达之外的侦察能力。

图 10 PASEO 光电系统Fig.10 PASEO electro-optical system

2.2 系统对比分析

表1 为国外舰载光电跟踪与火控系统对比表，从表中可以看到光电指向器的结构、配置、作用距离等都逐渐发生变化。具体如下：

1）光电指向器的结构逐渐封闭

70年代光电跟踪与火控系统的指向器大多采用“T 型”结构，将光电传感器置于光电座俯仰轴的左右两侧。这种结构的优点是加装及维修调试方便，但不利于指向器轻量化、小型化和转动惯量的降低，因而很多国家越来越倾向于采用“U 型”封闭式结构，即将传感器置于U 型架内，并封装在一个带窗口的壳体内。这样有利于指向器小型化，转动惯量的降低，还减少海洋条件下气候和环境的影响，但最大缺点是透过率降低，装调复杂，维修性差。结构封闭的光电指向器典型代表有德国MSP500 光电系统、“梅杜莎MK4”光电系统、以色列Toplite 光电系统、FLIR 公司的SeaFLIR 380-HD和SeaFLIR 280-HD 系统及萨基姆公司的PASEO系统等。

2）光电传感器的波段逐渐向其他波段拓展

早期光电跟踪与火控系统采用工作波长1.064 μm的激光测距机，此工作频段的激光会对人眼造成严重伤害，伤害距离在4 km 或者更远。新一代光电跟踪与火控系统普遍采用工作波长1.54 μm 的激光测距机，这个波段的激光对人眼伤害距离不超过300 m，对于舰载平台来说，对人眼是安全的，没有损伤的。上述所有光电系统所加装的激光测距机都采用1.54 μm 波段。

随着CCD 器件的发展，电视摄像机的成像器件也从黑白CCD 器件向彩色CCD 器件过渡，可获取目标更多的光谱信息，易于识别伪装。电视摄像机的波段也从可见光波段向近红外波段拓展，工作条件从只在白昼条件下且能见度好时工作，可拓宽到强光、微光或有雨、雾等天气情况下工作。

红外传感器不局限于长波波段，而是波段多样化。系统采用多波段高性能传感器，提高系统作用距离的同时增强了环境适应性。目前有些舰载光电跟踪与火控系统选用长波红外热像仪和中波红外热像仪，有些系统除这2 种热像仪外还加装了短波红外成像机。短波红外不是热成像，能产生高分辨率的自然图像，它比可见光穿透雨、雾、霾能力更好，能显示舰船上的字母和涂装，在海军应用中越来越重要。典型代表有以色列Toplite 光电系统、FLIR 系统公司的SeaFLIR 380-HD 和SeaFLIR 280-HD 系统及萨基姆公司的PASEO 系统等。

3）单一光电跟踪系统向综合光电系统转变

通过系统软硬件升级与接口扩展，系统功能不断扩充，如增加侦察监视、反恐搜救、辅助导航、态势告警等，使得原有光电跟踪系统成为一种多功能综合光电系统。但系统以跟踪火控为主，兼顾非对称作战和非战时安全保障。典型代表有英国2500 型光电系统、法国EOMS NG 光电系统、FLIR系统公司的SeaFLIR 380-HD 和SeaFLIR 280-HD系统及萨基姆公司的PASEO 系统等。

3 系统发展趋势

就目前发展情况来看，需突破的关键技术有多传感器协同探测引起的多数据特征挖掘、多传感器数据融合、多目标智能跟踪等[12-13]。未来光电跟踪与火控系统的发展趋势将表现在以下几个方面。

表 1 国外舰载光电跟踪与火控系统对比表Table 1 Comparison of foreign ship-borne electro-optical tracking and fire control systems

1）多传感器协同探测及信息融合

光电探测的主要困扰就是背景杂波、大气干扰、光学部件失调引起的光学像差等问题。为解决这一系列问题开展了自适应光学探测、偏振光探测、激光主动探测、多光谱融合探测等技术的研究。如何将这些探测方式互补协同，提高目标探测率，降低虚警率是系统发展的必然趋势。

目前多传感器信息融合方法基本是像素级融合显示，没有充分利用多传感器的多维度信息。因此急迫需要将不同传感器获取的数据进行关联与组合，将目标的反射特性、辐射特性、偏振特性及光谱特性等进行特征融合，对战场目标特征及威胁等级进行精确定位和及时评估，不断提高系统对目标的探测、识别和跟踪能力。

2）多目标识别与跟踪方式智能化

常规的光电跟踪系统一般只能做到单个目标识别，当视场中出现多个目标时，仅仅能捕获一个目标进行跟踪，智能化水平较低。现代战场对抗程度越来越激烈，单目标识别的局限性越来越凸显，需要发展实用化的多目标识别技术。在多传感器协同探测及信息融合的基础上，通过智能化目标识别方法，实现多目标识别，提高目标识别的准确率，降低虚警率；同时根据识别目标的威胁等级评估结果，实现多目标跟踪、自动捕获跟踪或手动捕获跟踪。

3）系统使命任务多样化

舰载光电跟踪与火控系统常应用于侦察监视、反恐搜救、辅助导航、态势告警等任务，不同任务有不同的数据需求、功能需求、性能需求、流程需求等。目前采用的研制策略是在同一基座上选配电视摄像机、中波热像仪、长波热像仪、测距/压制/眩目激光等不同光电传感器，根据不同任务使命采用不同的信息流流转机制，实现专用的传感器管理、信息融合、综合操控等。但是，这种具有单一任务使命能力的系统适用任务场景较窄，费效比低，不满足现代战争瞬息万变的应用需求。为此，需要改变现有的研制策略，将系统的传感器配置进行统型，研究统一的信息流流转机制，在一套硬件系统基础上实现多种任务使命。

4 结束语

舰载光电跟踪与火控系统按照体系结构可以分成分立式和综合式。舰载光电跟踪与火控系统经过50 余年的发展，光电指向器的结构由“T型”结构逐渐发展成“U 型”封闭式结构，光电传感器的波段由单一波段逐渐发展成多个波段，系统逐渐由单一功能发展成综合多功能。随着现代海战的对抗加剧，舰载光电跟踪与火控系统将朝着多传感器协同探测、信息融合、多目标识别、智能跟踪、使命任务多样化方向发展。随着新材料、新器件、新理论的不断涌现，舰载光电跟踪与火控系统必将迎来重大变革。