未來光電設備的發展趨勢研究

現代戰爭應用的武器系統性能越來越先進，戰場環境越來越復雜，干擾和抗干擾、隱身和反隱身等將成為未來戰場環境的主要特征；未來，對敵方目標信息的獲得就變得越來越困難；如何在保持不被敵方探測到的同時還能探測到所有潛在威脅，成為我們研究的一個主要目標。高性能光電系統能夠通過它們的高信息量、實時特征和機動性，提供關于敵方目標的幾乎所有數據，即具有提供重要的態勢感知、監視、瞄準和搜跟能力。

作為 “軍隊的眼睛”的光電系統，不但要求它能保護人員和設備，監視甚至能毀傷敵人，因此是至關重要的需求。研發具有辨認、跟蹤和瞄準敵人的新方法，將老系統用新能力升級，使光電系統變得更加精準、輕便小巧、可靠具有十分重要的意義。

光電設備廣泛應用于：各種飛行器（飛機、直升機、無人機等）、艦艇、車輛等平臺，用來執行各種類型偵察、目標捕獲、跟蹤、測距、導航、激光制導武器提供目標指示、紅外搜索與跟蹤以及各種光電對抗等任務。以下針對未來高性能光電設備的技術發展趨勢做簡要介紹。

1 目前國外典型的高性能光電設備

1.1 高能激光武器

激光武器主要指高功率強激光武器，它是一種利用激光束摧毀飛機、導彈、衛星等目標或使其失效的定向武器，是一種新概念武器；可用于多種軍事任務，如重要固定目標保護、地面機動部隊、艦船和飛機的保護，以及對有人機和無人機的打擊。

隨著全球新的非對稱威脅（例如無人機技術的擴散、彈道導彈系統和小船對美國和盟軍船只的威脅）不斷增加，部隊應對這些威脅時，激光武器提供了一種摧毀目標的替代方案，可連續快速發射、減小成本并提升精度。舉例來說，激光武器的一個主要優點是它能夠在不引發爆炸的條件下，熔化或燒毀來襲導彈或其他敵方目標，這一優點目前特別適用于將恐怖分子從普通平民中清除出去而不傷害無辜平民，不引發爆炸的打擊是一項非常有用的戰術選擇。另一個優勢是大大擴展了飛機的攻擊次數。一架飛機只能攜帶六到七枚導彈，而定向能武器系統只需要消耗一加侖航空燃料，就能進行幾千次射擊。

激光武器系統比常規彈藥具有更大優勢。首先，激光以光速射擊，敵方目標難以躲避。激光發射時保持靜默，肉眼看不見，使武器系統的操作者在作戰過程中能夠很好地隱藏自己。其次，盡管開發定向能武器的成本較高，但一旦開發成功，單次射擊的成本將降低為武器產生的能量的成本。再次，這一武器能夠簡化物流鏈，船舶可在海上停留更長時間，并且降低了地面部隊進行地面和空中補給操作的頻率。從長遠來看，這也意味著遠征部隊的成本降低，因為降低了存儲和維護重型危險爆炸物的需求。

隨著高功率固體激光器技術的突破和激光功率輸出的提高，特別是目前出現了光纖激光器，高能激光武器系統裝備進程明顯加快，世界各國的陸、海、空等多平臺激光武器系統的研發明顯加快，可以預見在不久的將來，激光武器系統將步入戰場，成為未來戰場的新寵和“游戲改變著”。

美國“水面艦激光武器系統”項目，研發高能激光及集成光學炫目監視系統，研發的“激光武器系統 LaWs SEQ-3” 樣機已于2014年安裝在龐塞號兩棲艦上，成功測試了其應對一系列小船和無人機的能力；并計劃于2018年晚些時候安裝到“圣安東尼奧”級“波特蘭”號兩棲艦。

美國空軍正在研發用于飛機的激光武器的大功率光纖合束激光器、合束和放大的技術，研究重點為相干或光譜合束架構；以支持對尺寸、重量和功率（SWaP）有嚴格要求的未來戰斗機。通過激光器的進一步小型化后，使其可安裝到F-15、F-16、復仇者無人機及F-35等噴氣式飛機上。

美國陸軍利用2KW車載激光武器系統成功摧毀23個無人機中的21個；利用30kw的“雅典娜”地面機動式光纖激光武器系統擊落5架無人機，未來將以應對無人機、火箭炮、迫擊炮以及巡航導彈等目標。

歐洲導彈集團公司的40kw地面防空激光武器系統，激光源采用幾何合成多個10kw的單模激光器。見圖；

德國的天空衛士先進激光武器，功率50kw，見圖；

以色列鐵束（ironbeam）激光武器系統，能夠在4s-5s鐘之內摧毀機載目標。見圖；

1.2 新型紅外對抗系統

現代紅外便攜式防控系統性能越來越先進，其對直升機、戰斗機、裝加車輛及人員威脅的增大，研制新型紅外對抗系統成為現實需要。

1.2.1 定向紅外對抗ADIRCM系統

ADIRCM系統是為美陸軍研發的新型通用紅外對抗和攻擊紅外對抗系統，已陸戰隊的AH-1Z和UH-1Y以及NH-60上。

激光基紅外對抗系統是發展方向，具有多功能能力（如導彈探測、導彈擊毀、敵方火力探測和態勢感知）。

1.2.2 AAR-57 CMWS：AAR-57全套設備包括一個電子控制單元和外加4到6個光電導彈傳感器（EOMS），主要對紅外制導導彈造成的威脅進行告警。

1.2.3 AAQ-24 DIRCM 是諾斯羅普·格魯曼公司制造，它是一個集成導彈告警和定向紅外對抗系統。

1.2.4 大飛機紅外對抗（LAIRCM）：是基于激光的紅外對抗系統，用于防止熱尋的導彈對飛機的威脅。LAIRCM能自動探測導彈發射，確定它是否是威脅，能啟動高光強激光基對抗系統跟蹤，并將高光強激光能聚焦到來襲導彈的紅外導引頭上，致盲導彈并迫使它偏離目標。

1.3 多頻譜探測系統

1.3.1 紅外搜索與跟蹤/前視紅外雙工作模式的被動式紅外機載跟蹤系統；

歐洲的海盜系統：兼具紅外搜索與跟蹤/前視紅外功能，號稱是西方國家有史以來精良的系統，安裝在陣風式戰斗機上，可探測全視野70到90公里外的紅外目標；傳感器使用兩組工作頻段：7.5到10微米，其對迎面目標有較佳表現；和3到5微米，用于目標的搜索、識別和跟蹤模式；前視紅外工作模式則提供紅外顯示影像。

1.3.2 F-35 EOTS光電瞄準系統

F-35 EOTS是結合了前視紅外與紅外搜索跟蹤功能的傳感器，由洛馬公司導彈與火控部研制，為F-35戰機飛行員提供了空空與空地瞄準能力。EOTS能幫助機組人員辨認關注區域、執行偵察以及發射激光與GPS制導武器。

系統由前視紅外系統（640x512元銻化銦凝視探測器）、晝用電視攝像機、激光測距指示器、點跟蹤器等組成，使用新的傳感器技術，搭配具有聚焦平面陣列的第三代insb紅外探測器、目標識別激光、以及日間電視攝像機，EOTS組成圖；

結構特點：EOTS采用7片藍寶石玻璃拼接而成的單口徑共光路形式，以散射雷達信號，減小對飛機的RCS的影響；具有被動式探測能力，利用激光對目標進行識別和探測，能夠為地面和海上目標晝夜24小時打擊提供瞄準，即可以在雷達靜默下完成對目標甚至是隱身目標的搜索和探測，以便較大限度的隱蔽自己；與頭盔顯示器結合可以把探測信息投影到頭盔上；EOTS安裝在機頭的下方，具有有限的對空探測能力，可以提供遠距離、識別、探測。

1.3.3 AN/AAQ-37分布孔徑系統，是一種被動式探測系統，安裝在F-35上，機身周圍6處不同位置上各安裝一個紅外傳感器，對機身周圍進行成像，使用先進的信號處理算法，對全機360度范圍內來襲的導彈或逼近的飛機進行紅外探測跟蹤，并將探測畫面顯示于飛行員頭盔顯示器上，故其可讓飛行員具有全空域態勢感知外，也能提供導航、導彈告警、以及紅外搜索與跟蹤功能。見下圖

1.3.4 美國機載平臺配裝 “雷聲”公司生產的 “光電多光譜瞄準系統（MTS）” 系列產品, MTS配有光電紅外全動態視頻攝像機系統，可以進行遠程監視、高空目標捕獲、跟蹤及激光指示、激光測距；這些系統為有人和無人機在晝夜操作中提供情報、監視與偵察（ISR），以及探測、識別和瞄準性能，同時，可為制導導彈提供監視、目標捕獲、跟蹤，測距和激光指；另外，其有很好的兼容性，傳感器可以與多波長傳感器、近紅外彩色電視攝像機、照明器、人眼安全測距儀、圖像融合、光斑跟蹤器和其他航電設備配套。

1.3.5“狙擊手”先進瞄準吊艙Sniper ATP

Sniper ATP是洛克希德。馬丁公司設計、開發并制造。系統集成了高分辨率中波第三代前視紅外、雙波段激光器、CCD電視攝像機、激光光斑跟蹤儀和激光指示器等探測器，極大的改進了目標探測、識別能力；具有探測距離遠、探測精度高、可提供高分辨率的目標圖像，同時還具有夜間作戰的低海拔導航能力和紅外瞄準能力；激光光斑跟蹤儀還可以利用另一家飛機的激光器進行瞄準，并投放炸彈；吊艙加裝有數據鏈，具有很強的信息傳輸能力，可以將圖像等信息通過數據鏈傳給地面部隊，為其提供戰場環境信息。內置有自動檢測功能和診斷能力，便于維護，可以使維護人員在20 分鐘內完成獨立部件的替換工作。

設計特點：

a采用了光學系統共孔徑設計方案，所有傳感器共用一個孔徑，有效減小了體積；

b.光學系統采用獨特的楔形設計，避免了球形頭部和空腔因氣流誘導而產生振動的可能（特別是在高超音速轉臺下）。

1.3.6 Epsilon 175光電傳感器

Epsilon 175是Octopus ISR 系統公司開發的小型陀螺穩定電光傳感器，見下圖

物理配置：

外形尺寸和重量： 重5.7磅（約2.585千克），尺寸6.8×8.1英寸（172.72mm x 205.74mm）。

傳感器配置：

它包含4個傳感器，即30倍光學變焦電光（EO）傳感器、15倍光學變焦中波紅外傳感器、激光測距儀和激光照明器；其中紅外傳感器采用3至5微米的冷卻凝視陣列，具有18~ 275毫米的15倍變焦鏡頭、24.5×1.5度的垂直視野、640×512像素的分辨率，并以每秒30幀的速度運行。

萬向節穩定平臺：

無人機傳感器有效載荷能在-40 ~ 50攝氏度溫度范圍內工作；提供360度連續旋轉，-90 ~ 30度升降；轉換速率每秒120度，功率通常采用35瓦。

技術特點：無人機用電光傳感器Epsilon 175減少了傳感器有效載荷的重量，提高了無人機耐久性，因而支持更長久的任務或者具有更多空間容量的其它設備。

應用：，可用于邊境管制、軍事目的和各種民用應用，因而它是一種理想選擇。

1.3.7 更加智能先進的態勢感知及探測系統

美國陸軍的新一代坦克將提供改進的360度態勢感知和敵方炮火探測工具，如：紅外和可見光混合相機；既可以定位車輛周圍情況，也可以提供所需的高分辨率圖像；另外，還將擁有先進的敵方炮火探測系統，目前正在研發中的多功能非制冷傳感器，減小噪聲，生成高質量的圖像。通過不同的先進算法來提高探測能力，提高探測概率而使虛警率降到很低。也將具有一定程度的自主性或智能性。雖然它還達不到自動駕駛的程度，但將足夠智能以幫助駕駛員執行任務。

2 主要技術性能指標

2.1高能激光武器系統主要技術

a．綜合控制系統：精、粗復合控制；

b．千瓦至兆瓦功率級高能激光器（HEL）：2kW- >1MW；

c．快速指向/跟：快速轉向反射鏡（適用激光能量密度> 20kW/cm2），小運動范圍（± 8 mrad）內實現動態高頻（> 750 Hz）、高精度控制；

d．穩定、低抖動跟蹤：萬向架穩定及跟蹤控制；

e．高能激光光學系統：擴束望遠系統(軸上反射式、離軸反射式，折射式)；

f．光束穩定：穩固的光學系統(在10g沖擊下光軸保持在多個戰術平臺上)；

g．傳感器集成：多波段光路集成；

h．抗電磁干擾/射頻干擾：符合相關標準；

2.2 隱身設計

從氣動效率、平臺整體一致性和降低可探測性方面考慮，由于產品的安裝平臺的外形正在變得更加復雜（包括隱身飛機、隱身艦艇等），為避免探測，高性能光電設備應具有對雷達隱身特性的窗口和保形結構設計，提高產品的適應性和使用效能。如F-35上內置光電系統。內置光電單元已成為大多數下一代戰斗機和隱形飛機的默認要求。

2.3 傳感器融合技術

鑒于未來的威脅具有種類更加多樣、速度更快和抗干擾能力更強的特點，光電產品朝雙/多光譜的方向發展；隨傳感器技術（如紅外焦平面陣列技術）以及信息處理軟硬件技術水平(具體體現在速度和容量兩個方面)的不斷提高，以及先進算法、人工智能技術的不斷進步，通過融合可見光、紅外、多光譜和高光譜傳感器等光電技術來提高監視雷達的有效性；即通過改進雷達信號處理，并將其它傳感器與雷達融合，打破目標識別模糊不清的局面并提高目標遠程識別的能力，對平臺和作戰人員提供“隨時隨地”監視、偵察、瞄準和電子戰的能力。

2.4 瞄準線高精度穩定技術

采用精-粗二級穩定技術，即平臺實現粗級穩定，快反鏡實現精級穩定，即粗級的殘余誤差作為精級快反鏡的輸入，實現瞄準線的精穩，穩定精度可達到幾個微弧。

2.5 寬光譜共光路技術

可見光、近紅外、中波紅外等采用共光路技術和自動校軸技術，保證系統光軸的穩定性和制導精度。

2.6 多功能光學傳感器（MOS）

高靈敏度焦平面陣列和近/中/長波紅外波段的緊湊型多頻激光系統技術,實現多光譜感知及探測系統。

2.7 通用性

隨著向通用性和簡化后勤備件需求方向發展，陸�？栈�光電設備的可更換性也正在成為軍隊采購這類系統的關鍵要求。

2.8 高可靠性及物理特性

光電設備發展的主要目標永遠都是持續減少尺寸和縮小體積、延長壽命、提高可靠性、降低功耗和成本。