航空工業(yè)洛陽電光設(shè)備研究所，河南省 洛陽市 471009

結(jié)合國外無人機光電任務(wù)載荷成像傳感器發(fā)展情況，對可見光傳感器、長波紅外傳感器、中波紅外傳感器和短波紅外傳感器的特點進行了分析，對光電任務(wù)載荷成像傳感器的未來進行了展望。

無人機光電任務(wù)載荷主要采用成像傳感器收集目標/背景輻射或反射的信號，通過模擬或數(shù)字處理生成供人眼觀察的圖像，具有被動探測、抗電磁干擾，提供的圖像情報直觀、實時、分辨率高等特點，能夠有效增強飛機平臺的態(tài)勢感知能力。目前，光電任務(wù)載荷成像傳感器主要包括可見光和紅外兩種類型。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，成像傳感器在探測波段、分辨率、體積重量等方面取得的長足發(fā)展，為提升光電任務(wù)載荷的探測能力起到了非常大的促進作用。

可見光傳感器

可見光傳感器也稱為電視攝像機，其工作波段一般在0.5～1μm之間，包含了人眼可響應(yīng)的波段?？梢姽鈧鞲衅髦饕^測目標的光譜反射輻射特性，依賴太陽光照明，通過增加和減少有效的采集時間來適應(yīng)環(huán)境光的變化?？梢姽鈧鞲衅鳙@取的圖像感觀上與人眼直接觀察的圖像相同，圖像細節(jié)豐富，非常有利于人的視覺系統(tǒng)識別目標，紅外探測雖然白天也可以使用，但也不能替代可見光探測。由于復雜天氣下可見光的穿透能力有限，同時夜間目標反射的可見光十分微弱，因此可見光傳感器在復雜天氣和夜間使用受到限制。

可見光探測器件已由膠片、模擬制式的線列探測器向大面陣數(shù)字制式方向發(fā)展，CCD/CMOS器件的成像質(zhì)量已經(jīng)趨于完美，分辨力與膠片基本相當。早期可見光傳感器主要輸出灰度圖像，視頻分辨率普遍不高，隨著技術(shù)的發(fā)展目前能夠輸出彩色高清圖像，能夠很好的利用目標顏色特征完成對目標的識別，這對搜救和近距火力支援方面有很大的幫助。美國“捕食者”無人機目前裝備的雷神公司MTS-B光電系統(tǒng)包含可見光彩色傳感器，最小視場達到0.11°×0.08°，可見光傳感器成像效果如圖1所示。

紅外傳感器

紅外傳感器是光電任務(wù)載荷實現(xiàn)晝夜探測能力的主要傳感器，主要分為長波紅外傳感器、中波紅外傳感器和短波紅外傳感器。其中，長波紅外傳感器工作在8～12μm，中波紅外傳感器工作在3～5μm，短波紅外傳感器工作在1～3μm。長波紅外傳感器和中波傳感器主要利用物體(目標/背景)自身發(fā)射的紅外波段的輻射完成對目標的探測，完全不依賴周邊環(huán)境的光源，可在晝夜條件下使用，是其他傳感器不可替代的光學探測通道。短波紅外傳感器主要利用目標反射環(huán)境中的短波紅外輻射來實現(xiàn)探測，能夠提供可見光、中波紅外和長波紅外所不能提供的信息，對在紅外波段全面獲取目標的信息具有重要意義。

長波/中波紅外傳感器

圖1 可見光彩色傳感器成像圖

圖2 中波紅外傳感器成像圖

長波/中波紅外傳感器也稱為長波/中波紅外熱像儀，主要探測目標的熱輻射，長波傳感器在早期機載光電偵察系統(tǒng)中應(yīng)用十分廣泛，主要采用線列+機械掃描方式實現(xiàn)對目標的成像，由于地面目標在長波波段輻射強度較大，同時長波探測器能夠很好的克服戰(zhàn)場環(huán)境下火焰等目標的干擾。因此，早期無人機光電任務(wù)載荷中得到了應(yīng)用，但由于制冷型碲鎘汞長波探測器存在成本高、穩(wěn)定性較差和大面陣制備難度大等問題，隨著銻化銦技術(shù)的進步，中波紅外探測器面陣規(guī)模不斷擴大，通過增加積分時間等手段，獲得了很好的成像效果，在無人機光電任務(wù)載荷中得到了很好的應(yīng)用，例如美國FLIR系統(tǒng)公司研制的Star SAFIRE380-HLD采用1280×720銻化銦探測器，最小視場達到0.35°，能夠輸出高清紅外圖像。中波紅外傳感器成像效果如圖2所示。

短波紅外傳感器

圖3 短波紅外傳感器透過汽車玻璃成像效果圖

短波紅外傳感器利用目標反射環(huán)境中的短波紅外輻射來實現(xiàn)探測，能夠在霧霾和風沙等惡劣氣象條件下正常工作，由于其工作波段與激光器工作波段重合，能夠探測激光光斑的同時，也可以與激光組成選通成像系統(tǒng)，實現(xiàn)對目標的全天時遠距主動探測成像。此外，短波紅外傳感器能夠穿透玻璃觀測目標，例如看到汽車內(nèi)部情況(見圖3)，這將對警用和軍用偵察任務(wù)方面提供很大的幫助。目前，采用銦鎵砷材料制備的短波紅外傳感器無需制冷，在0.9～1.7μm波段具備很高的探測靈敏度，在無人機光電任務(wù)載荷中得到了廣泛的應(yīng)用，幾乎目前所有先進的無人機光電任務(wù)載荷均配備了短波紅外傳感器，L-3 WESCAM公司的MX-25光電系統(tǒng)短波紅外傳感器最小視場達到0.2°，能夠?qū)资淄獾孛孳囕v清晰成像，F(xiàn)LIR系統(tǒng)公司研制的Star SAFIRE380-HLD系統(tǒng)短波紅外傳感器能夠?qū)す夤獍叱上?如圖4)。短波紅外傳感的應(yīng)用是光電任務(wù)載荷發(fā)展的一個十分重要的方向。

光電成像傳感器的發(fā)展

無人機光電任務(wù)載荷通過光電成像傳感器提供實時大范圍區(qū)域的高分辨率圖像，在警用、軍用等多個領(lǐng)域發(fā)揮了關(guān)鍵作用，隨著使用需求的發(fā)展和光電技術(shù)的進步，光電成像傳感器的發(fā)展將呈現(xiàn)以下趨勢。

空間分辨能力不斷向高分辨率發(fā)展

光電成像傳感器的空間分辨率決定了系統(tǒng)的作用距離和操作人員對目標的辨識能力，而空間分辨率取決于光學系統(tǒng)焦距和探測器像元尺寸，隨著光學設(shè)計、加工工藝及光學裝調(diào)技術(shù)的發(fā)展和大陣列探測器制備技術(shù)的發(fā)展，使得光電成像傳感器的空間分辨率不斷提高，也提升了對目標的作用距離。例如，L-3 WESCAM公司的MX-25光電系統(tǒng)采用1280×1024中波紅外探測器和長焦距光學系統(tǒng)實現(xiàn)了0.86°極窄探測視場，單個像元空間分辨率達到近14μrad，能夠?qū)h距目標實現(xiàn)高分辨率成像，提升目標的探測距離。

圖4 Star SAFIRE380-HLD系統(tǒng)短波紅外傳感器對車輛和激光光斑成像圖

圖5 不同空間分辨率對目標探測效果影響對比圖

多傳感器綜合使用提升感知能力

無人機光電任務(wù)載荷將可見光、長波紅外、中波紅外和短波紅外等多種傳感進行集成，通過不同傳感器的組合使用能夠充分發(fā)揮各自優(yōu)勢，提升系統(tǒng)的性能，如利用紅外與可見光圖像的特點進行融合實現(xiàn)對目標的有效探測識別；利用短波紅外與激光照射器組合實現(xiàn)對激光光斑的實時探測和修正，確保激光光斑照射在目標上，提高對武器系統(tǒng)的引導精度；根據(jù)人眼視覺特性利用圖像增強算法對圖像進行處理，由“看見目標”向“看清目標”方面發(fā)展，降低操作人員觀察目標過程中的工作強度。

展望

由于機載環(huán)境對光電任務(wù)載荷體積、重量和功耗限制，在未來可以預見光電成像傳感器將向著綜合化、小型化和模塊化方向，在此前提下不斷提升性能指標，包括探測器面陣規(guī)模、光學焦距、探測波長范圍，主要目的仍然是滿足戰(zhàn)場任務(wù)瞬息變化和多樣性的要求。未來無人機可能將逐步取代攜帶光電任務(wù)載荷執(zhí)行任務(wù)的有人直升機，中等尺寸的無人機可以執(zhí)行同樣的識別和瞄準任務(wù)，而且成本較低，同時沒有人員傷亡的風險。