沈曉彥，朱 懿，李煒娜，杜夢影

（中國兵器工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化研究所，北京 100089）

0 引言

“模塊化設(shè)計(jì)”的概念源于20世紀(jì)50年代的歐美，被定義為“在對產(chǎn)品進(jìn)行功能分析的基礎(chǔ)上創(chuàng)建并設(shè)計(jì)出一系列的功能模塊，并通過模塊的選擇和組合構(gòu)成不同的產(chǎn)品來滿足市場的不同需求”。模塊化設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于：1）能有效解決客戶個(gè)性化需求和大批量生產(chǎn)之間的矛盾；2）有利于產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)，并節(jié)約生產(chǎn)成本；3）有利于產(chǎn)品的更新?lián)Q代和新產(chǎn)品的開發(fā)；4）有利于提高產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性；5）模塊互換性強(qiáng)，便于實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化和通用化。20世紀(jì)90年代后，模塊化設(shè)計(jì)已被廣泛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。美國“海狼”號攻擊型核潛艇是世界上第1艘全部采用模塊化設(shè)計(jì)和建造的核潛艇。2017年4月，美國國防部高級研究計(jì)劃局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）繼續(xù)支持Hydra項(xiàng)目第2階段的工作，研發(fā)具備提供情報(bào)、監(jiān)視與偵察（Intelligence, Surveillance, and Reconnaissance，ISR）和反水雷等重要能力的模塊化有效載荷。特別是近年來，裝備維修保障模塊化的理念已被美俄等外軍采用。

隨著我軍現(xiàn)代化水平不斷提升，新型光電裝備陸續(xù)列裝部隊(duì)。光電裝備從以前單一化和簡單化的模式逐漸向復(fù)雜化和集成化方向發(fā)展，由簡單單體裝備向復(fù)雜系統(tǒng)裝備方向發(fā)展。光電裝備是運(yùn)用各類光電傳感器，結(jié)合相應(yīng)光電技術(shù)，實(shí)現(xiàn)偵測敵方信息、傳遞保密消息，以及感知自身姿態(tài)等功能的武器系統(tǒng)。而其對應(yīng)的光電檢測設(shè)備是一個(gè)集測試、控制和數(shù)據(jù)處理為一體的集成化應(yīng)用系統(tǒng)，用于完成光電儀器的性能檢測、狀態(tài)監(jiān)控和故障診斷等諸多任務(wù)。目前我軍光電檢測設(shè)備大都基于特殊檢測裝備或者任務(wù)配備，導(dǎo)致檢測設(shè)備日益增多且維護(hù)和升級難度加大，故迫切需要引入模塊化的理念。所謂光電檢測設(shè)備模塊化是指針對光電裝備檢測性能指標(biāo)參數(shù)，將光電檢測功能設(shè)計(jì)成一系列模塊，并通過功能模塊的組合，滿足不同光電裝備的檢測需求。本文分析外軍光電檢測設(shè)備最新發(fā)展動態(tài)，提出光電檢測設(shè)備模塊化建設(shè)思路，為我軍光電檢測設(shè)備研制與發(fā)展提供借鑒。

1 外軍光電檢測設(shè)備介紹及分析

1.1 外軍光電檢測設(shè)備

美國、以色列和法國等國家研制的光電檢測產(chǎn)品多為面向多種類型光電儀器的通用化檢測設(shè)備，已被廣泛應(yīng)用于軍用光電裝備的主要性能檢測。本文選擇法國HGH紅外系統(tǒng)公司的通用光電儀器測試系統(tǒng)（Comprehensive O ptoelectronics I nstrument Test System，COPI）、以色列CI System公司的模塊化光電測試系統(tǒng)（Modular E lectro-Optical T est System，METS）、美國SBIR公司的未來光電檢測設(shè)備（Future Electro-Optical Test Device，F(xiàn)EO）和便攜式多光譜測試設(shè)備（Portable Multi-spectral Test System，PMTS），以及 AAI公司的先進(jìn)校軸設(shè)備（Advanced Bore-sight Equipment，ABE）等具有代表性的產(chǎn)品進(jìn)行介紹，分析外軍光電檢測設(shè)備模塊化結(jié)構(gòu)和技術(shù)特點(diǎn)。

1.1.1 通用光電儀器測試系統(tǒng)

HGH紅外系統(tǒng)公司研制的通用光電儀器測試系統(tǒng)（COPI）的工作波段為0.5～14 μm，可實(shí)現(xiàn)可見光、微光、激光、電視和紅外熱像等光電儀器的光學(xué)性能和光電性能的全方位綜合評價(jià)與測試。COPI由3個(gè)主要模塊組成：1）光學(xué)準(zhǔn)直模塊，包含1塊大口徑離軸拋物面反射鏡，反射鏡口徑為150 mm，能夠滿足絕大部分單兵便攜式光電儀器的檢測需求。在檢測不同波段光電儀器時(shí)，通過電控旋轉(zhuǎn)反射鏡可選擇可見光光源、激光光源和差分面源黑體。根據(jù)測試需要，也可選配 CCD相機(jī)、亮度計(jì)、能量計(jì)和激光光束質(zhì)量分析儀等傳感器。2）電源控制模塊，主要用于控制目標(biāo)光源、切換靶標(biāo)和校準(zhǔn)光軸，同時(shí)為被測裝置（Unit-Under-Test，UUT）提供電源與控制信號。3）數(shù)據(jù)處理模塊，主要是預(yù)裝自診斷軟件的圖形工作站，用來遠(yuǎn)程控制光源、選取靶標(biāo)以及全方位評估 UUT的光學(xué)性能和光電性能參數(shù)。COPI外觀與檢測過程圖見圖1。

圖1 C OPI外觀與檢測過程圖

1.1.2 模塊化光電測試系統(tǒng)

CI System公司研制的光電測試設(shè)備既涵蓋便攜小型的光電檢測模塊，也具備功能強(qiáng)大的光電綜合測試系統(tǒng)。2019年CI System推出了模塊化光電測試系統(tǒng)（METS）。METS主要包括高度集成化的光學(xué)準(zhǔn)直模塊、數(shù)據(jù)處理軟件和電源控制系統(tǒng)。光學(xué)準(zhǔn)直模塊將離軸拋物面主鏡、面源黑體和積分球等通過電動靶輪有機(jī)整合在一起，配備在生產(chǎn)車間、光學(xué)實(shí)驗(yàn)室或后方修理工間，可滿足不同波段光電裝備光學(xué)性能、光電性能以及軸線一致性的檢測。METS內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖見圖2。

圖2 M ETS內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

為滿足通用化測試的要求，METS初步實(shí)現(xiàn)了檢測設(shè)備的模塊化和系列化。METS光學(xué)準(zhǔn)直系統(tǒng)的口徑和焦距可根據(jù)不同測試對象和測試任務(wù)進(jìn)行組配以滿足所有傳感器孔徑的要求。在數(shù)據(jù)處理軟件方面，CI System設(shè)計(jì)的自動測試軟件可通過預(yù)編程，對短波紅外、可見光以及激光儀器的主要性能參數(shù)進(jìn)行測試。

1.1.3 未來光電檢測設(shè)備

美國國防部制定的下一代自動測試系統(tǒng)研究計(jì)劃，主要目的是制定下一代自動測試系統(tǒng)（Automatic Testing Systems，ATS）開放式體系架構(gòu)與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，明確美軍下一代自動測試系統(tǒng)(Next Generation A TS，NGATS)的發(fā)展方向。SBIR公司提供的未來光電檢測設(shè)備（FEO）是NGATS的重要組成部分。

FEO數(shù)據(jù)處理軟件采用專用模塊研制、與貨架產(chǎn)品相結(jié)合的硬件開發(fā)策略以及開放的系統(tǒng)軟件架構(gòu)，能夠在最大限度降低成本的前提下，加快研制滿足多種類型光電儀器主要性能指標(biāo)檢測的保障設(shè)備，同時(shí)其模塊化設(shè)計(jì)思路也極大拓展了FEO的技術(shù)升級和產(chǎn)品迭代能力。此外，F(xiàn)EO數(shù)據(jù)處理軟件采用 IR W indows部署軍事測試程序集（Test Program S et，TPS）的光電測試開發(fā)和執(zhí)行環(huán)境，能夠極大縮短TPS的開發(fā)和調(diào)試時(shí)間。FEO外觀圖見圖3。

圖3 FEO外觀圖

FEO所有測試模塊均集成在1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜中，其核心部件為1個(gè)口徑為183 mm的離軸拋物面主鏡，大孔徑和長焦距光學(xué)準(zhǔn)直系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能夠使其滿足美陸軍便攜式光電裝備、大型裝甲車輛晝夜瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，以及多傳感器武器發(fā)射與跟蹤傳感器的主要性能指標(biāo)的檢測需求。為便于安裝 UUT，F(xiàn)EO的前面板安裝有不同的適配接口，能夠利用專用夾具可靠連接UUT，并將其光學(xué)窗口和FEO的準(zhǔn)直器進(jìn)行光學(xué)準(zhǔn)直，從而方便又快捷地完成檢測任務(wù)。另外，不同波段的目標(biāo)光源和分劃圖案可在程序控制下自動定位在FEO準(zhǔn)直器的焦平面上。根據(jù)不同UUT的光學(xué)特性，電控調(diào)整紅外黑體、可見光光源、激光能量探測器和激光距離模擬傳感器，以實(shí)現(xiàn)不同波段光電裝備的主要性能檢測。

1.1.4 便攜式多光譜測試設(shè)備

SBIR和Lockheed Martin公司聯(lián)合研制，提供給美國海軍的一種基于模塊化設(shè)計(jì)的、便攜小型的第3代測試裝置（Third Echelon Test Set，TETS），屬于便攜式多光譜測試設(shè)備（PMTS）。PMTS采用模塊化設(shè)計(jì)，分為光學(xué)準(zhǔn)直系統(tǒng)、電源系統(tǒng)和目標(biāo)光源3個(gè)模塊，使用時(shí)可實(shí)現(xiàn)快速組裝，測試完成后可快速拆解，便于運(yùn)輸或攜帶。PMTS的測試對象包括美國海軍各型可見光、紅外熱像和激光系統(tǒng)。PMTS功能模塊圖見圖4。

圖4 多光譜測試設(shè)備外觀圖

1.1.5 先進(jìn)校軸設(shè)備

多光軸一致性檢測是確保武器系統(tǒng)打擊精度的重要保證，AAI公司在美國國防部支持下從20世紀(jì)90年代就開始研究基于慣性原理的校軸方法，解決了以往大口徑平行光管無法完成的大間距機(jī)械軸線與光電軸線一致性測量的問題。研制的先進(jìn)校軸設(shè)備（ABE）累計(jì)訂購160余套，保障了20余種高技術(shù)兵器的打擊精度。AAI公司研制的310A型 ABE采用慣性測量技術(shù)，無須架設(shè)平臺或三腳架、不用將被測對象頂起及調(diào)整水平位置，可應(yīng)用于多任務(wù)平臺。圖5為310A型ABE設(shè)備組成情況，主要包括動態(tài)慣性測量裝置、基準(zhǔn)慣性測量裝置、數(shù)據(jù)處理運(yùn)算裝置、基準(zhǔn)框架、手持式顯示控制器，以及一系列校靶轉(zhuǎn)接鏡。

圖5 310A 型ABE設(shè)備組成情況

1.2 外國軍隊(duì)光電檢測設(shè)備模塊化結(jié)構(gòu)分析

外國軍隊(duì)（尤其是美軍）裝備實(shí)行的是部隊(duì)級和基地級2級維修體制。根據(jù)部隊(duì)級維修檢測和基地級維修檢測不同的條件和需求，外國軍隊(duì)研制了適用于不同場景的光電檢測設(shè)備。HGH紅外系統(tǒng)公司的COPI，CI System公司的METS以及SBIR公司為美軍NGATS研制的FEO均可作為基地級光電檢測設(shè)備，一般配屬在后方修理工間，具有檢測范圍廣和檢測精度高等優(yōu)點(diǎn)。SBIR公司的 PMTS、AAI公司公司的ABE，以及CI System公司的CTU等光電檢測設(shè)備，因體積小巧、操作簡單、檢測質(zhì)量穩(wěn)定，主要配備于基層部隊(duì)使用。但不論是基地級檢測設(shè)備還是部隊(duì)級檢測設(shè)備，在結(jié)構(gòu)上均體現(xiàn)了模塊化。表1總結(jié)了上述5種軍用光電檢測設(shè)備的模塊化結(jié)構(gòu)。

表1 軍用光電檢測設(shè)備的模塊劃分

1.3 外國軍隊(duì)光電檢測設(shè)備模塊化技術(shù)分析

外國軍隊(duì)光電檢測設(shè)備無論是小型便攜的部隊(duì)級檢測設(shè)備，還是測試范圍更廣的基地級檢測設(shè)備，都是依據(jù)實(shí)際任務(wù)需求開展功能分析與設(shè)計(jì)研制的。外國軍隊(duì)部隊(duì)級光電檢測設(shè)備多為完成特定功能檢測而研制，如光軸一致性的檢測。光電檢測模塊通常包括可見光、微光、激光和紅外等光源模塊，以及光學(xué)準(zhǔn)直模塊等。外國軍隊(duì)基地級光電檢測設(shè)備一般采用開放式的架構(gòu)和可共享的光學(xué)平臺，搭配通用模塊和專用檢測模塊進(jìn)行多光譜多參數(shù)的測量。

外國軍隊(duì)光電檢測設(shè)備模塊化技術(shù)的特點(diǎn)如下：

1）遵循模塊化設(shè)計(jì)理念，根據(jù)檢測原理，適當(dāng)劃分功能模塊。光電裝備的檢測原理比較成熟，可分為成像式和非成像式。對于成像式光電裝備，一般都需要為UUT提供無窮遠(yuǎn)目標(biāo)，因此，可劃分出光源模塊、準(zhǔn)直模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和電源模塊。光源模塊提供特定波段的光線，照亮模擬靶標(biāo)，然后通過準(zhǔn)直模塊形成平行光，再經(jīng)過 UUT的數(shù)據(jù)采集模塊收集和處理檢測信息，最終得到檢測結(jié)果。成像式光電裝備被檢參數(shù)包括分辨率、光軸一致性和畸變等。對于非成像式光電裝備，一般只需提供相應(yīng)的接收測量模塊，如亮度計(jì)、能量計(jì)和光束質(zhì)量分析儀等，測量復(fù)雜度相比成像式較為簡單。非成像式光電裝備的被檢參數(shù)包括激光的能量、發(fā)散角和脈沖參數(shù)等。

2）在波長不同、檢測參數(shù)相同的情況下，可以共用同一模塊。最典型的是核心部件光學(xué)準(zhǔn)直模塊，其光譜作用范圍需要覆蓋可見光、微光、激光、中波紅外和長波紅外波段。因此，一般采用離軸拋物面作為主反射鏡的反射式光學(xué)結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)在于光譜作用范圍寬，能夠涵蓋所有需要用到的波段，且由于金屬拋物面鏡良好的反射特性，可有效避免色差對檢測結(jié)果的影響。此外，反射式光學(xué)準(zhǔn)直系統(tǒng)設(shè)計(jì)還可大大減小檢測設(shè)備的體積和重量。其他模塊也或多或少具有該特點(diǎn)，如黑體光源可同時(shí)提供可見光和紅外光，集成化的多光譜靶標(biāo)可同時(shí)對多種光譜光電裝備進(jìn)行光軸一致性檢測。

3）不同的檢測參數(shù)可共用同一模塊。凡是需要使用平行光作為輸入進(jìn)行檢測的參數(shù)，都需要用到光學(xué)準(zhǔn)直模塊，如分辨率、視場和畸變等參數(shù)。同理，同一光源模塊和相機(jī)模塊也可用于多種參數(shù)的檢測。數(shù)據(jù)處理模塊是大多數(shù)參數(shù)檢測不可缺少的組成部分。

4）大量創(chuàng)新技術(shù)的應(yīng)用加快了光電檢測設(shè)備的升級換代。如在校軸設(shè)備研制方面，慣性自準(zhǔn)直技術(shù)、光路折轉(zhuǎn)技術(shù)和分光技術(shù)的應(yīng)用，大大提高了檢測設(shè)備的通用化水平，使得研制一種檢測設(shè)備即可滿足多型號或同類型裝備的技術(shù)保障要求成為可能。

5）在光電檢測設(shè)備的論證設(shè)計(jì)方面，充分考慮了不同層級修理任務(wù)的實(shí)際需求。美軍現(xiàn)行維修體系包括部隊(duì)級和基地級維修作業(yè)體系，為滿足不同任務(wù)需求，光電檢測設(shè)備在總體方案設(shè)計(jì)上更具有針對性，不但有適應(yīng)陸軍基地級維修的FEO系統(tǒng)，也有能夠快速部署且便攜機(jī)動的小型專用檢測裝置。

2 借鑒和啟發(fā)

軍用光電檢測設(shè)備對武器裝備迅速恢復(fù)偵察打擊等作戰(zhàn)性能至關(guān)重要。未來的軍用光電檢測設(shè)備應(yīng)向模塊化和系列化發(fā)展。爭取做到檢測功能的通用化和系列化、檢測技術(shù)的自動化和智能化，以及模塊結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化。軍用光電檢測設(shè)備的研制重點(diǎn)包括3點(diǎn)：

1）開放式的結(jié)構(gòu)

為滿足不同任務(wù)需求，光電檢測設(shè)備在總體方案設(shè)計(jì)上應(yīng)具有開放式架構(gòu)。結(jié)構(gòu)上的硬件必須滿足可操作性、可移植性和可互換性等基本要求，這樣有利于系統(tǒng)維護(hù)、擴(kuò)展和升級。將用途相同的共性功能統(tǒng)一整合，形成可共享的光學(xué)平臺，它是任何一套光電檢測設(shè)備都應(yīng)具備的部分。將不同的功能檢測形成不同類型的模塊實(shí)現(xiàn)。多樣化的專用模塊與通用模塊組合，可形成適用于各種檢測對象的不同檢測設(shè)備。只要是符合標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化設(shè)計(jì)，在機(jī)械結(jié)構(gòu)、接口等方面與光學(xué)平臺兼容的模塊，均能夠接入到檢測系統(tǒng)當(dāng)中。軟件的設(shè)計(jì)必須多方面考慮，采用框架化、模塊化和多層次化的處理方法，把數(shù)據(jù)和測試程序分開（如 FEO），從而實(shí)現(xiàn)測試軟件的通用性和靈活性。根據(jù)不同的檢測應(yīng)用，將軟件劃分成通用軟件、管理軟件與應(yīng)用軟件，通用軟件連接對應(yīng)的應(yīng)用軟件進(jìn)行運(yùn)作。

2）模塊化的設(shè)計(jì)

檢測模塊的設(shè)計(jì)需要為檢測指標(biāo)（模塊功能）和模塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行解析和劃分。軍用光電裝備的檢測內(nèi)容相對比較簡單，一般涉及分辨率、光軸一致性和成像質(zhì)量等。以分辨率檢測舉例，檢測對象涉及可見光和紅外光，這2種波長分辨率的檢測原理相同。光源（可見光或黑體）通過分辨率靶標(biāo)和光學(xué)系統(tǒng)（透鏡或金屬反射鏡），進(jìn)入電荷耦合器件（Charge Coupled Device，CCD）或互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（Complementary M etal Oxide Semiconductor，CMOS）成像系統(tǒng)，由傳感器采集數(shù)據(jù)后在軟件系統(tǒng)上處理。CCD成像系統(tǒng)或CMOS成像系統(tǒng)是較為成熟的貨架產(chǎn)品，可作為模塊來看待?？梢姽饧昂隗w可設(shè)計(jì)成光源模塊。靶標(biāo)和光學(xué)系統(tǒng)有2種模塊設(shè)計(jì)方案。方案1將分辨率靶標(biāo)和透鏡組合成模塊1用于檢測可見光，并將分辨率靶標(biāo)和金屬反射鏡組合成模塊2用于檢測紅外光。方案1的優(yōu)點(diǎn)是光學(xué)系統(tǒng)相對穩(wěn)定、成像質(zhì)量好，以及方便攜帶；缺點(diǎn)是模塊體積相對較大和測試功能單一。方案1適用于部隊(duì)級檢測。方案2將靶標(biāo)做成模塊1（可以是靶標(biāo)輪的形式），將透鏡和金屬反射鏡組合成模塊2。方案2的優(yōu)點(diǎn)在于：（1）靶標(biāo)輪可插裝多種靶標(biāo)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多種指標(biāo)檢測，如視場、畸變和均勻性等。（2）可通過改變靶標(biāo)圖案，做成系列化靶標(biāo)，以檢測不同分辨率精度。根據(jù)武器系統(tǒng)可見光和紅外檢測波長的要求，通過切換可測波長，以及改變透鏡鍍膜特性等方式，形成系列化光學(xué)系統(tǒng)。（3）此種模塊體積相對較小，可根據(jù)檢測任務(wù)快速更換，適用于光學(xué)平臺。根據(jù)上述分析，方案2適用于基地級檢測。

3）標(biāo)準(zhǔn)化的要求

軍用光電裝備的功能結(jié)構(gòu)各異，為提高檢測設(shè)備的通用性和靈活性，縮減檢測維修設(shè)備種類，需要對不同功能模塊的性能指標(biāo)分配和安裝基礎(chǔ)等提出標(biāo)準(zhǔn)化要求。在研究制定軍用光電裝備檢測設(shè)備模塊相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范時(shí)，可根據(jù)功能用途劃分為通用模塊和專用模塊。通用模塊大致包括共享光學(xué)平臺、軟件、光源和接口；專用模塊則可按波段劃分為可見光、激光和紅外檢測模塊，并在需要時(shí)開展進(jìn)一步的模塊細(xì)化標(biāo)準(zhǔn)研究。通過對軍用光電檢測設(shè)備提出模塊及模塊化共性要求，規(guī)范模塊設(shè)計(jì)研制。

3 結(jié)論

結(jié)合軍用光電裝備檢測任務(wù)的特點(diǎn)，引進(jìn)模塊化檢測設(shè)備的研制方法，既有利于提高軍用光電檢測設(shè)備的可靠性，又有利于檢測設(shè)備的更新?lián)Q代和新產(chǎn)品的開發(fā)，可在費(fèi)用合理的前提下以盡可能小的經(jīng)濟(jì)代價(jià)獲取裝備維修保障效益的最大化提升。因此，有必要對軍用光電檢測設(shè)備的模塊化設(shè)計(jì)相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用開展進(jìn)一步研究，為研制單位實(shí)施檢測模塊化提供通用的和可操作的技術(shù)方法。