羅 兵,馮 瑜,金曉宇

(海軍蚌埠士官學校兵器系,安徽 蚌埠 233012)

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·綜述與評論·

艦載光電跟蹤儀應用及發(fā)展

羅 兵,馮 瑜,金曉宇

(海軍蚌埠士官學校兵器系,安徽 蚌埠 233012)

介紹了艦載光電跟蹤儀的應用,對配備了光電傳感器(激光測距儀、電視跟蹤儀、紅外跟蹤儀)的艦載光電跟蹤儀的特點進行了分析。并初步探討了艦載光電跟蹤儀的發(fā)展趨勢。

光電跟蹤儀；電視跟蹤儀；激光測距儀；紅外跟蹤儀

1 引 言

在現(xiàn)代海戰(zhàn)中,面對日趨復雜和惡劣的電磁環(huán)境,面對低空突防技術和電子對抗技術廣泛而有效的應用,以及受到反輻射導彈的重大威脅,無線電探測跟蹤設備往往難以正常工作。在此背景下,研制和發(fā)展新的探測跟蹤手段和設備以彌補雷達探測跟蹤設備的不足成為客觀而緊迫的需求。

艦載光電跟蹤儀正是為了滿足這一需求,在光電子技術發(fā)展的基礎上,綜合利用光學技術、光電子技術、電子技術、自控技術、計算機和精密機械等技術,研制和發(fā)展起來的高技術裝備。目前國際上的新型艦艇紛紛裝備光電跟蹤儀,老艦也在加裝光電跟蹤儀。其主要用途之一就是配合近程副炮使用,作為艦艇末端防御的重要手段。

艦載光電跟蹤儀是以艦艇為裝載平臺,以激光、紅外、微光、電視和各種光電器件等為主體,按照一定的系統(tǒng)結構和聯(lián)系方式,組成具有光電綜合功能的有機整體,實現(xiàn)海上特殊條件下對目標的探測跟蹤和目標點坐標值的實時測定。特別是與艦載雷達相比,具有精度高、信息量大、保密性好、抗電磁干擾能力強、低角跟蹤性能好等獨特優(yōu)點,因而成為現(xiàn)代艦炮武器系統(tǒng)的重要組成部分[1]。

2 艦載光電跟蹤儀應用及光電傳感器特點分析

艦載光電跟蹤儀通常作為艦炮火控系統(tǒng)的一種跟蹤子系統(tǒng)使用,可獨立形成光電火控通道完成艦炮武器的射擊。典型的艦載光電跟蹤儀都具備兩項基本功能,一是對目標實施跟蹤定位,二是能夠?qū)崟r測定目標的點坐標值。在艦炮火控系統(tǒng)中,光電跟蹤儀根據(jù)目標指示系統(tǒng)的目標指示,自動或人工輔助捕獲和跟蹤目標,實時測定高低角、舷角、距離及角速度、角加速度等目標坐標信息,將這些坐標數(shù)據(jù)實時傳送給火控系統(tǒng)的中心計算機。中心計算機對目標坐標數(shù)據(jù)進行平滑處理,并根據(jù)艦艇姿態(tài)、彈道和氣象數(shù)據(jù),自動解算出射擊諸元,通過隨動系統(tǒng)控制艦炮轉(zhuǎn)向和射擊。此外,可以通過電視或紅外監(jiān)視器觀察彈著分布,修正彈著偏差,以獲得最佳射擊效果[2-4]。

光電跟蹤儀作為艦載近程反導武器系統(tǒng)的探測跟蹤設備,從20世紀70年代至今,在外國海軍艦載武器系統(tǒng)中得到了廣泛的應用,出現(xiàn)了多種型號的光電跟蹤儀,典型的有法國的“眼鏡蛇”(NAJA)、“紅外眼鏡蛇”(NAJIR)、“火山”(VOLCAN)；英國的“海射手30(SeaArcher30)；美國的975、985型；意大利的LINCE、NA18、NA30型；瑞典的9LV系列；荷蘭的LIOD；西德的OFLA-M；以色列的MSIS等。我國從1975年開始光電跟蹤儀的研制工作并經(jīng)歷了快速的發(fā)展,目前已有多種型號的光電跟蹤儀應用于新型的艦載武器系統(tǒng)中,發(fā)揮著不可替代的作用。

艦載光電跟蹤儀從功能角度來看主要由光電傳感器(電視跟蹤儀、紅外跟蹤儀、激光測距儀)、控制計算機和跟蹤隨動系統(tǒng)組成，如圖1所示。本文主要對光電傳感器原理、特點進行分析。

圖1 艦載光電跟蹤儀功能組成框圖

(1)電視跟蹤儀

電視跟蹤儀是根據(jù)目標與背景的亮度反差或有關物理特征的不同而實現(xiàn)對目標的探測、識別和自動跟蹤的。作為電視跟蹤,首先利用視頻特征信號增強技術對電視攝象機捕捉的帶有被跟蹤目標視頻特征信號的全電視信號進行預處理,以增強并提取目標視頻特征信號,經(jīng)轉(zhuǎn)換成為電信號,又經(jīng)放大、補償處理后,與復合同步電壓和十字線按一定比例構成視頻信號傳送給測偏器,計算出目標位置對于視場中心的誤差量,控制隨動系統(tǒng)工作,使目標以一定誤差始終保持在視場中心,從而實現(xiàn)對目標的自動跟蹤。另一方面,視頻信號也送給監(jiān)控臺以直觀顯示目標的圖象供目標識別用；在射擊時,可以對彈著點進行評定和校正。

現(xiàn)代戰(zhàn)爭要求電視跟蹤儀具有作用距離遠、跟蹤精度高、響應速度快、動態(tài)范圍寬、體積小、重量輕等性能。在電視跟蹤儀的性能參數(shù)中,最主要的是跟蹤距離和跟蹤精度,電視跟蹤儀的性能不僅決定于其自身的技術水平,而且與目標性質(zhì)、目標與背景的對比度及氣象條件等緊密相關。按電視跟蹤儀現(xiàn)有的性能水平,作用距離對掠海導彈是幾千米到幾十千米,與雷達相比較近,但已能夠滿足近程反導武器系統(tǒng)的要求；而跟蹤精度可達到0.2 mrad,優(yōu)于雷達跟蹤精度0.9 mrad。電視跟蹤儀在光波波段以被動方式工作,與雷達相比較具有抗電磁干擾能力強、保密性和隱蔽性好、低角跟蹤無多路徑效應和海面雜波干擾等優(yōu)點,同時直觀顯示目標圖象,更易于識別目標。因此,電視跟蹤成為近程武器系統(tǒng)探測跟蹤低空目標的重要手段。

(2)紅外跟蹤儀

紅外跟蹤儀依靠接收目標的熱輻射而對目標實施自動跟蹤,其核心是紅外探測器。與其他任何跟蹤器材一樣,紅外跟蹤儀的全部工作過程是圍繞解決如何使視場中心與被跟蹤目標重合的問題進行的。一般地,紅外跟蹤儀利用背景抑制技術消除背景輻射干擾,增強和提取目標熱輻射,檢測分析目標在視場中的位置誤差,利用誤差信號通過隨動系統(tǒng)驅(qū)動帶有傳感器的跟蹤座使跟蹤軸線對準目標,將目標始終保持在視場中以實現(xiàn)對目標的自動跟蹤。

紅外跟蹤的作用距離是目標輻射能量以及目標與背景溫差的函數(shù),與探測器靈敏度也是函數(shù)關系。因此,采用先進技術提高紅外探測器的靈敏度,同時采用先進的圖象處理技術、掃描技術、自動選取技術提高紅外跟蹤儀在跟蹤過程中排除假目標及其他干擾的能力,是增大紅外跟蹤儀作用距離的有效途徑。現(xiàn)有紅外探測器可探測的最小溫差為0.01 ℃,跟蹤距離典型值為6～10 km。

與電視跟蹤儀相同,紅外跟蹤儀以被動方式工作,因而也是具有隱蔽性好、不易受電磁干擾、低角跟蹤不受海浪雜波影響等優(yōu)點。不同的是,紅外跟蹤具有全天候工作的特點,能夠晝夜探測跟蹤目標,且穿透煙霧能力較強。

(3)激光測距儀

激光測距儀是通過向目標發(fā)射并接收被目標反射的激光而測出目標距離的測量設備。激光測距機的工作原理與微波測距機相似,但由于激光測距機采用了高功率、高相干性、單色性好、方向性強的激光作為光源,使激光測距比普通光學測距和微波測距具有速度快、精度高、測距精度不隨距離改變等優(yōu)點,同時由于激光束極窄、沒有散射,能有效排除地物或海浪的雜波干擾和多路回波干擾。現(xiàn)有激光測距儀的測距精度大多數(shù)已達到±5 m左右,而激光測距儀的最主要性能作用距離,在能見度為10 km的情況下,對0.1 m2截面的導彈,作用距離可達2.5～4.9 km；對2 m2截面的攻擊機,最大作用距離可達9 km,能夠滿足作戰(zhàn)的要求。

在艦載光電跟蹤儀的跟蹤傳感器中,只有激光測距儀是主動工作方式。為確保測距的有效性和保密性,激光測距儀發(fā)射激光的時機是嚴格受系統(tǒng)控制的。

3 艦載光電跟蹤儀的發(fā)展趨勢

光電子技術以其獨特優(yōu)點迅速滲透到現(xiàn)代武器系統(tǒng)中,廣泛應用于現(xiàn)代艦艇、飛機、坦克等武器平臺及其探測跟蹤、通信、導航等系統(tǒng)中,發(fā)揮著倍增武器系統(tǒng)作戰(zhàn)能力、提高精度、反應能力和抗干擾能力,擴展作戰(zhàn)時域、空域和頻域的重要作用,也毫不例外地深刻影響艦載光電跟蹤儀的變革和發(fā)展,特別是激光、紅外、光纖、光學集成、半導體微電子技術以及數(shù)字信號處理技術、自動控制與顯示技術的發(fā)展和突破,使艦載光電跟蹤儀向適應復雜作戰(zhàn)環(huán)境、提高整體作戰(zhàn)性能、增強一體化和智能化水平、提高可靠性及減小體積降低成本的方向發(fā)展?？梢詫ε炤d光電跟蹤儀的發(fā)展趨勢做如下展望:

(1)光軸合一的設計

艦載光電跟蹤儀的傳統(tǒng)設計是激光、電視、紅外各有自己的光學鏡頭,并分置于光電指向器的左右兩側，如圖2所示。

圖2 某型光電跟蹤儀指向器示意圖

這種結構回轉(zhuǎn)半徑大、轉(zhuǎn)動慣量大、質(zhì)量大、機動性差,而近程副武器系統(tǒng)對跟蹤器的要求是機動性強、反應快、能跟蹤高速度和高加速度的目標,該種分立結構難以滿足系統(tǒng)對跟蹤器的更高要求。因此,光電跟蹤儀將向電視、紅外、激光3個傳感器光軸合一的方向發(fā)展,即這3個傳感器共用主鏡和主光路,并用分光、反光鏡將其接收的光信號引至相應的傳感器上,這樣就克服了三軸分離的缺點,但同時由于各種探測裝置的光學系統(tǒng)對光軸的穩(wěn)定性要求不一,也帶來了光軸穩(wěn)定的實時性優(yōu)化問題。

激光、電視和紅外共用同一窗口,改變以往多數(shù)系統(tǒng)多窗并存的復雜重復的結構形式。多光譜共用窗口方式使電視和紅外的瞄準線與激光束高度共軸,消除了采用多窗口帶來的光軸間誤差,同時激光、紅外和電視可共用一個通道,簡化了系統(tǒng)的結構,也減小了系統(tǒng)體積和重量[5]。

(2)全相關、多目標、晝夜合一電視跟蹤的實現(xiàn)

影響電視跟蹤探測距離的主要因素是對比度。全相關跟蹤電視將從各個傳感器所得到的目標對比度進行綜合優(yōu)化相關分析,具有比統(tǒng)計相關跟蹤電視更強的目標識別能力,更適應于對復雜背景中的目標跟蹤和多目標跟蹤。像增強器件和CCD器件的發(fā)展及成熟,使成像光譜范圍從可見光波段向紅外波段延伸,意味著電視跟蹤向晝夜型方向發(fā)展成為可能。電視跟蹤系統(tǒng)還可以與其他光電子系統(tǒng)結合,向多功能、全天候、復合化的復雜系統(tǒng)發(fā)展。

(3)采用模塊化設計和標準化部件

采用模塊化結構和標準化通用部件進行設計,既可滿足艦艇特殊條件下的使用要求,又使產(chǎn)品組裝維修方便、生產(chǎn)周期短、成本低,更重要的是便于擴展或增加新的功能,使產(chǎn)品易于保持先進性和競爭能力。

(4)采用紅外焦平面陣列技術

紅外凝視焦平面陣列元件的發(fā)展和應用,能夠簡化或消除紅外系統(tǒng)多元探測器的光機掃描機構、實現(xiàn)了機械掃描向電子掃描的轉(zhuǎn)變,簡化了系統(tǒng)的復雜程度,解決光電掃描給系統(tǒng)帶來的諸如熱負荷、噪聲和可靠性等問題。同時,又能將多路傳輸路或電荷耦合型電子裝置與焦平面探測器結臺起來。因而,使新系統(tǒng)將具有作用距離更遠、溫度和空間分辨率更高、可靠性更高及尺寸小、成本低的特點[6-7]。

(5)采用光學集成回路

光學集成技術將激光發(fā)射器、接收器、激光陣列及光學回路與電子回路高度集成在一個基片,減少光電系統(tǒng)的尺寸和重量,提高系統(tǒng)的速度和可靠性,降低系統(tǒng)功耗。

(6)采用陀螺穩(wěn)定瞄準線

與使用計算機等方法相比,采用陀螺穩(wěn)定瞄準線,在性能上比較穩(wěn)定可靠且方法簡單,在進行高精度瞄準時,不受傳感器大小及密封環(huán)的摩擦轉(zhuǎn)矩的影響,而且采用高精度陀螺,可以使角速度測量無關于艦艇的縱橫搖和航向變化。

(7)采用分布式微機和大規(guī)模數(shù)字電路技術

采用分布式微機和大規(guī)模數(shù)字電路是縮短系統(tǒng)反應時間的主要措施,同時能夠明顯地提高系統(tǒng)處理信息速度和數(shù)據(jù)量,更有效地解決跟蹤、控制、目標位置和速度預測、各種系統(tǒng)誤差修正、目標威脅分析等復雜問題。

(8)采用光電跟蹤儀與武器直接組合方式

光電跟蹤儀與武器直接組合能夠簡化系統(tǒng)結構,減小體積和重量,擴大系統(tǒng)適裝艦艇的類型范圍,但對系統(tǒng)設備的抗振性提出了非常高的要求。

4 結 論

我國激光、電視、紅外傳感器通過近幾十年的發(fā)展日趨成熟,為艦載光電跟蹤儀的開發(fā)、研制提供了較成熟的條件,如何能夠最大限度地發(fā)揮光學傳感器的優(yōu)勢,實現(xiàn)對戰(zhàn)場目標的快速偵察定位和快速實施射擊是艦炮武器系統(tǒng)重點需解決的問題。此外,在如何提高系統(tǒng)對不良氣象條件和戰(zhàn)場環(huán)境的適應性、如何提高系統(tǒng)的可靠性等方面仍有許多需要攻克的技術難關。但隨著光電探測技術的進一步發(fā)展和高新技術在艦炮火控系統(tǒng)中的應用,艦載光電跟蹤儀必將在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中占據(jù)越來越重要的地位,發(fā)揮越來越重要的作用。

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Application and development of shipborne photoelectric tracker

LUO Bing,FENG Yu,JIN Xiao-yu

(Weapon Department,Bengbu Navy Petty Officer Academy,Bengbu 233012,China)

The application of shipborne photoelectric tracker is introduced.The characteristics of shipborne photoelectric tracker which is equipped with photoelectric sensors(laser rangefinder,TV tracking system and infrared tracking system)is analyzed.The development tendency of shipborne photoelectric tracker is discussed.

photoelectric tracker；TV tracker； laser rangefinder；infrared tracker

1001-5078(2015)10-1171-04

羅 兵(1983-),男,學士,講師,研究方向為艦炮火控系統(tǒng)。E-mail:robin_531012@163.com

2014-11-25;

2015-03-26

TP212；E933

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.10.005