本文内容引用《航空兵器》2017年第6期吉书鹏《机载光电载荷装备发展与关键技术》，版权归《航空兵器》编辑部所有
8月31日下午，台湾防务部门发布消息，一艘美国军舰当天自北向南航经台湾海峡。台防务部门未公布该舰名称，岛内媒体推测可能是“阿利·伯克”级宙斯盾驱逐舰。据悉，这是今年以来美舰第9次穿越台湾海峡。进入8月以来，美军舰机频频现身台湾周边。
美国近期这种保持并强化军事活动的常态化，实施频繁的舰机侦查和“航行自由”行动，乃至开展更多、更复杂的联合军事演习。通过这些活动强化其主张的国际规则，对中国施压。通过外交和法律行动来反对中国主张甚至对中国制裁。我国面对的军事斗争形势错综复杂，在新冠肆虐全球的背景下，国外军事力量在我国南海剑拔弩张，台湾问题也更加凸显，这种不稳定性很可能愈发强烈，这对我国海军新技术提出了更高的要求。
机载光电载荷装备于固定翼飞机、直升机、无人机等平台，采用光电探测技术、激光测照技术、稳像搜索技术、图像处理技术、目标跟踪与定位技术，完成战场态势感知、目标检测定位、武器引导与打击效果评估等作战任务。其作为载机战场信息获取、态势感知和制导武器引导传感器，已成为实现载机“广域搜索、远程探测、准确定位、快速摧毁、实时评估”的重要装备。随着载机平台作战性能隐身、高空、高速和作战模式 全景感知、智能决策、协同作战的进步，机载光电载荷发展应该具有以下特性：精准化实现多频谱探测、高精度目标定位、引导与制导武器精确瞄准；小型化同装载光电传感器种类多、性能指标高、系统体积小；智能化为载机决策系统提供高价值、多维度的战场态势及目标情报信息；多任务综合化实现全景感知、光电对抗、空/空空/面目标搜索跟踪、目标定位瞄准等。因此，机载光电载荷已成载机系统的重要信息节点和武器节点，遂行“搜索－探测－锁定－跟踪－打击－评估”全作战链任务。
根据载机平台不同，机载光电载荷分为固定翼作战飞机机载光电载荷、直升机机载光电载荷、无人机机载光电载荷等。按照任务使命和使用需求，机载光电载荷分①光电探测与对抗系统，主要包括激光告警、导弹逼近告警等②辅助导航系统，主要包括规避告警系统、夜视红外系统、导航前视红外等③情报收集、侦察与监视系 统④搜索跟踪瞄准系统等。
1 技术特点分析
通过对主要现役典型机载光电载荷的性能分析，可以得出目前机载光电载荷的诸多技术特点。
1.1 系统集成度高，同装载光电传感器多
现役的 MTS－B和 MX－25D 可同时装载十种光电传感器，除了装备红外和 CCD传感器外，还可装载有低照度、日光和短波红外详查传感器DaylightSpotter SWIＲ Spotter 、激光测距仪、激光照射器、激光照明器、激光指示器 LaserPointer 、激光标识器 LaserMarker 、激光光斑跟踪器等。系统光电探测波段覆盖从可见光波段0.4～ 0.7μm到红外波段8～12μm，实现宽频谱、多波段目标探测，采用图像融合技术，形成多频谱光电 探测系统。采用多频谱共孔径光学设计技术，提高 系统校准校靶、目标定位瞄准、激光目标引导性 能，同时可以有效减小系统体积。装载激光照明、激光指示、激光标识和激光光斑跟踪器等多种激 光传感器，使系统具有多平台协同目标探测、多任 务协同作战能力。装载长焦低照度CCD 和短波红外传感器，有效提升系统在低能见度例如雾霾 、低照度等不良大气条件下的目标探测辨识能力。
光电传感器性能指标高，红外传感器采用中波 640 × 512，1 024 × 1024，1 280× 1080焦平面探测器，甚至双色红外探测器CCD传感器采用200万像素 甚至 500万像探测器+ NIＲ光学系统采用大口径、大变倍、自聚焦光学系统，例如MTS－B多频谱瞄准转塔 FLIＲ /CCD传感器采用 6 视场、× 148 光学变倍、红外最小视场为0.23°×0.31°、CCD最小视场为0.08°× 0.11° 红外与CCD传感器视场匹配性设计，便于主通道传感器切换与目标观察、图像信息融合与侦察情报分析。这些技术的应用大大提高了载机对远距离目标的探测和识别能力。
光电侦查吊舱
1.2 全数字化、传感器分辨率高、目标检测跟踪与图像处理能力强
系统采用高清全数字化技术，避免由于量化、压缩和传输带来的信息损失和图像退化。采用高 性能图像增强处理技术，提升场景感知、目标引导 定位与探测识别能力。例如，MTS － A/B瞄准转塔采用基于自动图像优化技术的局域处理软件，可 以使图像信息显示最大化、有效增强场景感知和 远程侦察监视能力 LITENINGG4瞄准吊舱采用新型1024× 1024中波凝视阵列红外探测器、新型激光照明器，并采用激光目标图像处理算法，进一 步提升在恶劣气象条件下的目标辨识能力。
采用多模自动跟踪、多目标记忆跟踪和抗遮挡技术，提高目标跟踪能力 AN/ AAQ－30瞄准转塔采用相关、对比度和质心跟踪模式，红外和可见光传感器具有自动目标捕获和多目标跟踪功能基于惯性跟踪技术，在跟踪目标的同时，系统可记忆存储10个附加目标甚至目标溢出视场外MX－15/20/25的MX－GEO软件包为系统提供侦察区域图像扫描拼接GEO-Scan、自动视频和惯性组合跟踪 GEO-Tracking、地理指向引导GEO-Pointing、地理指向控制GEO-Steering、地理聚焦 GEO-Focus等功能。采用多传感器图像融合技术，提高目标的捕获和辨识能力。
1.3 系统稳定精度高，具有自主目标引导与定位能力
光电载荷要实现“看得清、打得准”，必须具有高精度视轴稳定能力。Sniper AT 瞄准吊舱采用6 个震动隔离装置光学基座设计技术，AN/AAQ－30 瞄准转塔采用 5 轴柔性稳定平台和电子稳像技术，BRITE Star Ⅱ瞄准系统采用 6 轴稳像技术， MX－25 采用5 轴主动稳像、6轴被动减振技术等， 使系统具有超强隔离载机扰动能力和高精度稳像能力。
光电载荷稳定平台内置高精度GPS/IMU组合惯导模块，实现高精度自主地理引导，目标位置、速度和运动方向等特征测量，自动目标跟踪，光电 传感器自动聚焦，多视轴自动校准以及与载机自 动对准等功能。
AN/AAQ－30 TSS 瞄准转塔
2 发展趋势与关键技术
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，要求 机载光电载荷不仅要作为传感器节点“视野大、看的远、看得清”、而且要作为武器节点“抓得住、跟得稳、瞄得准”，遂行“发现、确认、跟踪、定位、打击、评估”即“发现即打击”全作战链任务。机载光电载荷向着“远程化、精准化、智能化、综合化” 方向发展。
2.1 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。
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 15 μm 左右，响应波段3.7～4.8μm，像元平均等效噪声温差 NETD≤20 mK，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像元数≥100 万 ，其中制冷型单色探测器主要是锑化铟InSb和铟镓砷InGaAs 红外探测器，InSb 探测器工作于3～5 μm中波波段，具有量子效率高、像元响应均匀性好、可靠性高等特点，InGaAs 探测器工作于0.9～1.7μm 短波波段，可以在室温下高探测率工作。发展中的第三代双色或多色红外探测器主要是碲镉汞HgCdTe、量子阱QWIP和Ⅱ类超晶格T2SLs红外探测器，由于三种红外探测器吸收红外辐射光子形成载流子的机理不同，其性能各有优缺点。HgCdTe 探测器具有量子效率高70%～80%，光响应率高，响应速度快、响应波段连续可调等特点，是第三代红外探测器发展的首选。QWIP红外探测器大面积材料 均匀性好、工艺成熟、成品率高、响应波段宽3 ～ 30 μm 等特点。T2SLs 可较好克服 HgCdTe 和QWIP红外探测器存在的问题，兼顾两者优势，具有巨大的发展潜力和应用前景，是新型红外探测器的最佳选择。
目前第三代焦平面红外探测器阵列已实现规 模 4 K × 4 K、像元尺寸小于 10 μm、四个响应波段、NETD 优于 2 mK。要满足“体积小、面阵大、分辨率高、多波段、成本低”等高性能红外探测器 的发展需求，必须要解决 HgCdTe材料及器件性能的不均匀性、长波响应暗电流大、大规模材料生长 衬底匹配性，QWIP探测器量子效率低，T2SLs设计、材料生长及器件制备工艺成熟性等关键技术， 提高器件工作温度、缩小体积降低成本，增强片上 信息融合处理能力、提高探测器目标检测和辨识 性能。
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。与 CCD传感器相比，CMOS 传感器具有成本低、功耗低、抗晕和抗辐射能力强、读出任意开窗、响应速度快、CMOS图像传感器芯片上可以集成数字型号处理电路 如 A/D转换器、自动曝光控制、非均匀性补偿、白平衡处理、黑电平控制、伽马校正、可编程DSP器件等 等特点。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。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。多/ 高光谱成像技术是将成像技术和光谱测量技术结合在一起，获取的信息不仅包括空间二维 信息，还包括随波长分布的光谱辐射信息。最大的 特点是将工作光谱区精细划分为多个谱段，并同 时在各谱段对目标成像探测，极大地提高了目标 探测的准确性，是光电探测领域一个质的飞跃。根 据应用需要的不同，光谱成像探测可应用于可见光/近红外/短波红外波段、中波红外波段、长波红外波段等光谱范围。随着对目标/背景光谱特性的研究不断深入，标准光谱特征数据库不断完善， 多/高光谱探测技术不断向着小型化、高分辨率和实时性发展，应用将会越来越广泛。
2.2 高精度稳定平台是提升系统性能的基础
随着现代战争中光电对抗烈度、目标隐身技术、武器精度及射程发展，要求光电载荷具有更远的作用距离、更宽的光谱感知范围、更高的瞄准与跟踪精度。要实现远距离、高精度目标探测与瞄准，稳定平台必须具有高精度稳像能力，高精度稳定平台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。
在高精度稳定平台设计中，通过系统轴系构 架组成优化、结构布局优化、材料及控制组件选型 等，提高系统结构刚度、降低轴系耦合及摩擦力 矩，提高载机扰动力矩隔离能力，控制系统通过采 用新技术新方法，提高控制回路带宽和增益，提高 系统视轴稳定性。例如 SniperAT稳定平台采用柔性光学基座设计技术，AN /AAQ－30采用5轴稳定平台技术，BRITE StarⅡ采用6轴稳像技术，MX－25采用 5轴主动稳像、6轴被动减振技术等。
BRITE Star Ⅱ瞄准转塔
MX多传感器转塔
粗精组合稳定系统是提高系统稳定精度的有效技术途径。在通用稳定平台的基础上，增加高精度快反镜FSM组件，通过精密补偿消除粗级稳定的残余误差，从而提高瞄准线稳定精度，同时由于其转动惯量小，可以大幅度提高谐振频率，提高系统跟踪带宽和响应速度。粗精组合稳定系统中FSM是关键技术，采用这种稳定技术，可以使光电系统的稳定精度达到微弧级甚至纳弧级，实现亚像素级稳像。采用两自由度高精度FSM镜技术不仅可以补偿瞄准线稳定的残余，提高稳定精度，而且可以用于补偿图像运动模糊，实现广域搜索侦察应用中的“步进凝视”，同时可以用于红外成像系统的“微扫”，实现亚像素超分辨率红外成像。
2.3 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。采用GPS + IMU+ STA 组合技术，使系统具有以下功能和特点① 减少安装误差和由于系统减振器带来的动态误差，显著提高目标引导和定位精度 ② 实现武器系统高精度自动校轴和光电载荷自动校靶，解决由于材料、装配、环境变化等带来的光轴误差，提高系统的目标定位瞄准精度 ③ 通过对目标位置、运动速度和运动方向等特征测量，结合视频跟踪，提升光电载荷自动目标跟踪的抗干扰、记忆跟踪和多目标跟踪能力④ 提高光电传感器的自动聚焦能力⑤ 系统通用性强，提升了载机平台适应性。
2.4 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。
红外图像增强处理算法按照处理域划分，可 以分为空间域和频率域处理。按照算法实施的方 法可以分为灰度修正、图像平滑、图像锐化、图像增晰、彩色处理等。随着人工神经网络、遗传算法、小波变化、模糊理论和数学形态等多种数学工具发展应用，新算法不断出现。近年来，随着红外焦平面探测器性能的提高，红外图像细节增强技术受到研究人员的广泛关注。针对红外成像的特点，研究提出了多种红外图像细节增强处理算法，通过增强红外场景中目标与背景的灰度对比度以及目标自身结构特征对比度，解决高动态范围场景中辨识低对比度目标的问题。FLIＲ公司提出的数字细节增强DDE技术是当前针对该问题的一个很好的解决方案。
可见光摄像传感器是光电载荷的重要成像传感器，但是在不良的气象条件下如雾霾天气等， 由于大气中的悬浮粒子对目标反射光的散射等作用，使色彩失真淡化、对比度减弱等图像降质，严重影响图像视觉效果和目标探测辨识性能，采用计算机图像处理技术对于可见光图像进行去雾处理，是改善雾霾天气下可见光成像质量和目标探测性能的有效技术途径。综合分析现有图像增强算法，在算法运算量、场景自适应性、大动态弱对比度小目标辨识、人眼 感知匹配性等有待进一步提高。随着传感器技术、成像方式和成像体制的发展，图像增强处理技术发展将具有以下特点：
（1）随着高光谱成像、三维成像、偏振成像等新型成像技术的发展应用，图像增强处理技术将向着基于多特征、多维度空间、深度、时间、光谱、偏振 方向发展；
（2）随着压缩感知理论、自适应编码孔径成像等计算混合成像技术发展，图像增强由后处理 向着成像—处理一体化发展，综合利用光学系统、采样和图像重构处理技术实现大视场、高分辨率红外成像；
（3）随着分布式孔径全向探测、多频谱传感器的同装载协同探测应用发展，图像增强技术将向多源、异型、多光谱图像融合增强处理方向发展；
（4）图像增强处理算法研究更加关注人眼视觉特性，向着基于视觉感知的方向发展。
2.5 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，机载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、打击效果评估等 、态势感知和行动决策智能化方向发展。
编辑 范倩雯
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