前
言
引 言
1 舰载光电跟踪与火控系统
1.1 光电跟踪与火控系统定义
舰载光电跟踪与火控系统是一种远距离监 视、跟踪与火力打击装置,主要由光电跟踪仪、武 器分系统和指挥控制台组成,如图 1 所示。光电跟 踪仪采用被动式光电传感器探测目标,不易受电 磁干扰,并且低仰角跟踪能力强,可对付低空和海 面目标,是实施精确打击来袭目标的必要保障。光电跟踪仪主要由光电指向器和控制机柜组成。光电指向器内安装有电视摄像机、红外热像仪和 激光测距机 3 个光电传感器。指挥控制台是控制 光电跟踪仪和武器分系统的操控平台,主要由计算单元、操控单元和显示单元组成。
图 1 舰载光电跟踪与火控系统组成框图
光电传感器在指挥控制台的控制下实现对飞 机、导弹、水面舰艇和岸上目标的搜索、捕获、跟 踪和测距,将目标视频图像、角位置数据和距离数 据实时传送给控制机柜。控制机柜对目标图像信 息分析处理后传送给指挥控制台,通过显示单元 输出复合视频。指挥控制台的计算单元对目标坐 标数据进行平滑处理,根据舰艇姿态、弹道和气象 数据,自动解算出目标运动参数和射击诸元,最后 通过指挥控制台控制武器分系统转向并进行火力 打击。目前舰载光电跟踪与火控系统趋于成熟,可 靠性高,满足武器系统作战频繁使用、工作环境 恶劣等要求。随着各传感器小体积、轻量化的发 展及光电跟踪仪的抗震、抗冲击能力增强,光电 跟踪仪传感器的组合形式越来越灵活,越来越多 样。
1.2 光电跟踪与火控系统分类
根据体系结构的不同,光电跟踪与火控系统可 分为分立式和综合式两类。
1) 分立式光电跟踪火控系统 分立式光电跟踪火控系统主要由独立的光电 跟踪仪和武器分系统组成。光电跟踪仪对低空目 标进行搜索、探测、跟踪,获取目标运动参数,并将 参数传送给武器分系统;武器分系统进行火控解 算,求取射击诸元,并控制武器射击目标。射击过 程中,光电跟踪仪可实时测量目标位置坐标信息, 并观测射击效果。但分立式系统信号传输环节较 多,光电跟踪仪和武器分系统部分功能重叠,整个 系统武器反应时间较长,此外系统性能受环境气 候影响比较大。
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2) 综合式光电跟踪火控系统 区别于分立式光电跟踪火控系统,综合式光电 跟踪火控系统是将光电跟踪仪与武器分系统控制 集成在一起。系统通过同一个控制设备,实现跟 踪定位目标,实时测量目标位置参数,解算目标射 击诸元,控制武器射击。因其信号传输环节较少, 武器系统反应时间短、实时性高;缺点是光电传感 器与武器系统共用一个基座,射击震动影响了光 电跟踪系统的稳定性,对光电传感器的抗震能力 提 出了更高要求。
2 国外舰载光电跟踪与火控系统
发展现状与分析
2.1 系统发展现状
舰载光电跟踪与火控系统由早期的光机炮瞄 准装备发展而来。20 世纪 70 年代研制出第 1 代 光电跟踪系统,80 年代至 90 年代发展非常迅速, 随着关键器件与关键技术的突破,光电跟踪与火 控系统获得了长足发展,全世界先后研制出近百 种型号舰载光电跟踪系统。
1) 德国 MSP500 光电系统
MSP500 光电系统是德国莱茵金属防御电子 公司研制的一种轻质、双轴稳定的光电系统,如图 2 所示。该光电系统主要由二代 Ophelia 96×4双视场长波热像仪、785×582 的 CCD 摄像机及激 光测距机组成。德国海军所有的水面战舰都装 备了 MSP500 光电系统,进行全天时监视和火控支援。
图 2 MSP500 光电系统
2) 意大利“梅杜莎 MK4”光电系统
“梅杜莎 MK4”光电系统是意大利 Selex SI公司研制的一种球形指挥仪,如图 3 所示。该系统 配有 CCD 电视、双视场中波焦平面热像仪及激光 测距机,用户可根据任务使用需求选择传感器配 置。“梅杜莎 MK4”有 MK4L、MK4N 和 MK4B 不 同型号。MK4L 系统用于监视和跟踪任务;MK4N系统具有监视和水面舰炮防空拦阻能力;MK4B 系 统提供监视水面和防空能力。该系统能显示目标 数据的电视图像、红外图像和距离、速度、时间及 地理位置等信息。既可作为独立系统使用,又能 集成到火控系统中,遥控中小口径舰炮。
图 3 “梅杜莎 MK4”光电系统
3) 英国 2500 型光电系统
2500 型光电系统 是英国 Radamec 公司 2003年研制的一种光电侦察系统,如图 4 所示。该光电 系统采用多面体外形设计,有效减少雷达反射截 面,提供全天时中短程侦察,用于防空、舰对舰和 海岸打击等中小口径的舰炮作战。这种光电系统 可以控制 30 mm 加农炮和 105 mm 口径 MK8 Mod1型主舰炮,可以同时跟踪 5 个目标,并对其中 1 个 进行打击。这种光电系统通过多功能控制台或专 用控制台控制。2500 型光电系统传感器配有中波640×480 pixel 红外热像仪、CCD 彩色电视摄像机 和激光测距机。目前英国海军 45 型“无畏”级驱 逐舰、澳大利亚“阿德莱德”级护卫舰、文莱海军 近岸巡逻艇、Waspada 级快速攻击艇以及销往罗马 尼亚的护卫舰等多个平台上已装备该系统。
图 4 2500 型光电系统
4) 以色列 Toplite 光电系统
Toplite 光电系统[1,4,7] 是以色列研制的一种多 传感器光电目标瞄准与监视系统,如图 5 所示。该 系统采用 4 轴稳定平台,体积小,重量轻,可安装在 直升机、小型攻击艇、巡逻艇、无人艇、大型水面 舰船和港口边防在内的各种载体上,与火控设备进 行连接,可根据需要配置多种传感器。这些传感 器包括黑白或彩色电视摄像机、3 视场中波(320× 240 pixel 或 640×480 pixel)热像仪、长波热像仪、 激光测距机、激光指示器或双波段激光指示器。这种系统已销往澳大利亚、美国等多个国家。
图 5 Toplite 光电系统
5) 美国 SeaFLIR 280-HD、380-HD 光电系统
SeaFLIR 280-HD、380-HD 是美国 FLIR 公司 最新研制的舰载光电跟踪与火控系统。2013 年9 月,FLIR 公司为美国海岸警卫队提供了 SeaFLIR 280-HD 光电系统,如图 6 所示。该系统主要用于海上作战,是一种远程监视与侦察系统。利用全 成像高清光学系统,多波段、主被动结合方式进行 全天时侦察监视,可以探测和分辨远距离舰船,提 供目标高清细节图像,并对可疑目标进行威胁评估。
SeaFLIR 280-HD 系统配有光学变焦高清 1 280×720 pixel 热像仪、连续变焦昼光 1 920×1 080 pixel CCD、 微光 1 280 ×720 pixel CMOS 高清摄像机、640×480 pixel 短波红外摄像机、激光测距机、近红外激光照射器以及 IMU/GPS,激光测距能力可达 30 km。
图 6 SeaFLIR 280-HD 光电系统
SeaFLIR 380-HD 是首套图像稳定、远距离成 像的全数字化高清系统,如图 7 所示。系统采用6 轴稳定,主要由高清 640×512 pixel 中波热像仪、 彩色近红外 CCD、彩色微光高清摄像机、720×1 080 pixel 短波红外摄像机、激光测距机及数字式 IMU/GPS 组成,其中激光测距能力可达 25km。
图 7 SeaFLIR 380-HD 光电系统
6) 瑞典 EOS 500 光电系统
图 8 EOS 500 光电系统
7) 法国 EOMS NG 光电系统
图 9 EOMS NG 光电系统
8) 法国 PASEO 光电系统
PASEO 光电系统[10-11] 是法国萨基姆公司研制的一种多任务光电系统,如图 10 所示。目前 PASEO系统有 PASEO NS、 PASEO XLR 和 PASEO IRST 3 种舰用型号,这些型号都可与舰载作战系统集 成,或通过专门的控制台操作。PASEO 系统采用 紧凑型设计,满足海上巡逻艇、轻型护卫舰等舰船 的情报收集、交战及护卫要求。PASEO NS 系列由 激光测距机和高分辨率摄像机组成。PASEO XLR系列除拥有 PASEO NS 所有性能外,还增加了超长 距电视摄像机。PASEO NS 系统和 PASEO XLR 系 统可安装弹道计算机与控制接口,实现与一门或 多门火炮系统交联。PASEO IRST 系统是一种全 景光电监视系统,能精确探测空中及海面威胁,提供雷达之外的侦察能力。
(a) PASEO XLR 光电系统
(b) PASEO IRST 光电系统
图 10 PASEO 光电系统
2.2 系统对比分析
表 1 国外舰载光电跟踪与火控系统对比表
表 1 为国外舰载光电跟踪与火控系统对比表, 从表中可以看到光电指向器的结构、配置、作用距 离等都逐渐发生变化。具体如下:
1) 光电指向器的结构逐渐封闭
70 年代光电跟踪与火控系统的指向器大多采 用“T 型”结构,将光电传感器置于光电座俯仰轴的左右两侧。这种结构的优点是加装及维修调试 方便,但不利于指向器轻量化、小型化和转动惯量 的降低,因而很多国家越来越倾向于采用“U 型” 封闭式结构,即将传感器置于 U 型架内,并封装在 一个带窗口的壳体内。这样有利于指向器小型 化,转动惯量的降低,还减少海洋条件下气候和环 境的影响,但最大缺点是透过率降低,装调复杂, 维修性差。结构封闭的光电指向器典型代表有德 国 MSP500 光电系统、“梅杜莎 MK4”光电系统、 以色列Toplite 光电系统、FLIR 公司的SeaFLIR 380-HD和 SeaFLIR 280-HD 系统及萨基姆公司的 PASEO系统等。
3) 单一光电跟踪系统向综合光电系统转变 通过系统软硬件升级与接口扩展,系统功能不 断扩充,如增加侦察监视、反恐搜救、辅助导航、 态势告警等,使得原有光电跟踪系统成为一种多 功能综合光电系统。但系统以跟踪火控为主,兼顾非对称作战和非战时安全保障。典型代表有英 国 2500 型光电系统、法国 EOMS NG 光电系统、FLIR系统公司 的 SeaFLIR 380-HD 和 SeaFLIR 280-HD系统及萨基姆公司 的 PASEO 系统等。
3 系统发展趋势
就目前发展情况来看,需突破的关键技术有多 传感器协同探测引起的多数据特征挖掘、多传感 器数据融合、多目标智能跟踪等。未来光电跟 踪与火控系统的发展趋势将表现在以下几个方面。
3) 系统使命任务多样化 舰载光电跟踪与火控系统常应用于侦察监 视、反恐搜救、辅助导航、态势告警等任务,不同 任务有不同的数据需求、功能需求、性能需求、 流程需求等。目前采用的研制策略是在同一基 座上选配电视摄像机、中波热像仪、长波热像 仪、测距/压制/眩目激光等不同光电传感器,根据 不同任务使命采用不同的信息流流转机制,实现 专用的传感器管理、信息融合、综合操控等。但 是,这种具有单一任务使命能力的系统适用任务 场景较窄,费效比低,不满足现代战争瞬息万变 的应用需求。为此,需要改变现有的研制策略, 将系统的传感器配置进行统型,研究统一的信息 流流转机制,在一套硬件系统基础上实现多种任 务使命。
4 结束语
本文转载自《应用光学》期刊
版权归《应用光学》所有
(西安应用光学研究所 杨红 编辑)
转自:新光电
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