1 引 言

直升機按照用途可分為軍用、 警用和民用三類。 直升機要在空中完成對目標的探測和跟蹤任務， 需要一個機載平臺和搭載一個在該平臺上由探測設備組成的集成系統， 在硬件表現形式上稱之為吊艙。 一般地說，吊艙 ( Pod ) 是指懸掛在運動載體(如飛機、船舶)外的艙體有效載荷容器裝置。根據內置設備的功能， 機載吊艙可以分為導航吊艙、 瞄準吊艙、 紅外測量吊艙、 電子干擾吊艙及電子情報吊艙等。 直升機機載光電吊艙近 10 年來在國外發展很快，特別是在偵察告警、目標指示、控制瞄準和導航跟蹤等方面得到廣泛地重視。 目前直升機機載吊艙除用于武裝偵察直升機、 無人偵察機外， 還可用于目標特性測量、光電制導武器模擬等方面，在電力巡線、海上緝私、環保監測等民用方面也有廣泛的應用。

2003 年 10 月 17 日公安部對外正式公布， 國務院和中央軍委已經于 2003 年 9 月正式批準各地公安機關對警用直升機的使用， 使得公安部成為我國第 5 個擁有航空器管理權的單位。 警用直升機市場在未來將會有大的發展。 光電吊艙是警用直升機完成搜索跟蹤任務的核心設備， 其需求量也的 PolyTech 系列、美國的 FLIR 系列吊艙。

目前， 我國直升機機載吊艙都是根據用戶的需求進行加裝， 而且全部從國外進口， 如瑞典且完全依靠進口， 勢必影響安全領域的獨立建設和發展， 因此研究自己獨立產權的光電吊艙具有非常重要的意義。

2 系統組成及工作原理

2.1 系統組成

直升機光電吊艙基本組成分為吊掛球形轉塔和機上顯示控制處理系統，見圖 1 。從硬件組成上看，轉塔包括U型支架、 球型臺體載物臺、 測角系統、 電控驅動系統、 陀螺儀、 陀螺儀穩定回路、 光電探測器、 TV 與紅外跟蹤器及接口電路等。從原理上看， 轉塔可分為穩定平臺和光電有效載荷(探測器)兩大部分。 光電載荷安裝在穩定平臺上， 通過陀螺穩定平臺隔離載機的振動， 獲得相對慣性空間穩定的平臺空間，并且在控制指令的驅動下，實現光電載荷對目標的搜索、捕獲、跟蹤和定位。因此機載陀螺穩定平臺實現兩大功能：一是空間穩定，二是能夠跟蹤目標。探測器(有效載荷)可根據擔負任務的不同而采用不同的組合搭配。對完成搜索跟蹤任務的機載吊艙來說， 一般包括可見光 / 微光攝像機、 紅外熱像儀和激光測距儀等。 此外，根據需要，有效載荷還可配置激光照明器、 激光指示器、 激光告警器及圖光譜儀等設備，其作用和特點詳見表 1 。

2.2 工作原理

光電吊艙的工作原理是采用可見光 ( TV ) 和紅外光成像傳感器作為閉環控制系統的位置誤差傳感器，輸出目標方位信息或外引導信息， 由主控計算機或人工給出轉動指令對目標區進行搜索。 轉塔與所載跟蹤探測器形成閉環跟蹤后， 將輸出經過處理的目標方位和俯仰偏差變換成正比的控制信號， 作用于陀螺儀的力矩器上。力矩電機輸出與方位、俯仰誤差成正比的控制力矩使跟蹤架的光電探測器保持對目標的跟蹤。此外， 通過加入相應的傳感器和采用一定的算法， 吊艙還可以實現對目標的相對定位。 定位方式有主動定位和被動定位兩種方式。 主動定位是用激光測距儀通過測量目標相對飛機的距離得到精確的目標相對位置和相對速度;被動定位是用電視 / 紅外成像測量傳感器平臺測量目標的角度變化，得到粗略目標距離。

3 發展現狀及趨勢

3.1 軍用領域

世界上有許多國家如美、法，英和以色列研制并裝備了導航 / 瞄準吊艙，如美國洛克希德 · 馬丁( Lockheed Martin ) 公司研制的 LANTIRN 導航和瞄準系統、 “ 阻擊手 ( Sniper ) XR” 先進目標定位吊艙，雷神 ( Raytheon ) 公司研制的先進前視紅外瞄準吊艙 ATFLIR ， 以色列拉菲爾武器發展局與美國諾思羅普 · 格魯曼公司合作研制的 “ 藍盾 ”LITENING I 和 LITENING II 吊艙等。

武裝直升機機載光電吊艙近 10 年來在國外發展很快，其中比較有代表性的有美國 OH-58D 偵察直升機的前視紅外 ( FLIR ) 吊艙、 AH-64 武裝直升機的 TADS/PNVS 目標捕獲與指示的瞄準具 / 夜視傳感器吊艙，意大利Ａ -129 、英國Ｌ  ynx-3  和以色列  Msis  等武裝直升機的紅外火探系統和夜間導航吊艙等 。 

直升機載偵察設備一般都選用前視紅外、 電視攝像機和激光測距機等， 組成一個完善的偵察系統，可在多種氣候和夜間條件下實施綜合偵察。 目前電視攝像機和激光測距機已較為成熟， 各國將重點投向發展先進的前視紅外裝置，以增強全天候能力和擴大作用距離。 例如 RAH-66 “ 科曼奇 ” 直升機的光電目標探測 / 指示系統( EOTADS ) 和夜視導航系統的前視紅外系統采用 4×480 焦平面陣列的第二代前視紅外系統，有三種視場： 2.0°×1.5° 、 8°×6° 和 30°×40° ， 能夠提供高分辨率、高清晰度的圖像。 此外，美國陸軍準備裝備于 “ 阿帕奇 ” 直升機的二代前視紅外系統 —— 美國洛克希德 · 馬丁公司的 “ 箭頭 ” 系統采用了針對 RAH-66“ 科曼奇 ” 直升機設計的前視紅外技術， 與第一代前視紅外系統相比分辨率提高了 67 %。 飛行員通過前視紅外系統能夠看到水中的樹影，甚至單片玻璃等細節。

3.2 警用領域

3.2.1 警用直升機的特殊要求

隨著全球恐怖主義的日益猖獗， 世界各國不得不研究各種反恐措施。 直升機在空中的配合可以大大提高警察部隊的機動作戰能力和辦案效率。 目前警用直升機大多承擔多項任務， 主要有： 空中警務執法、 處理突發事件、 通信聯絡、 空中交通指揮、 搜索與救援、 消防、 公務運輸、 押解罪犯和銀行運鈔、 緊急醫療救護、配合海關緝私緝毒、保護自然資源、監控環境等。根據其特殊用途， 警用直升機應滿足以下要求：

1 ) 飛行速度不高，但低速飛行和懸停性能較好;

2 ) 主要在樓群、山谷、叢林、水面、沼澤、平臺等狹小地方起落，要有很好的爬升率;

3 ) 具備在復雜氣象情況下的夜航能力， 并可在高溫 ( 50 ℃ ) 、 高原寒冷地區 (- 40 ℃ ) 、強風 ( 大于 40kn ) 和近海高溫環境下正常飛行;

4 ) 具有安裝警用器材的條件;

5 )最大飛行距離不能少于 500 km 。

3.2.2 警用直升機探測跟蹤設備

警用直升機任務設備為完成所賦予的任務必須安裝專用設備， 包括通信設備、 導航設備、 觀察設備、營救設備、緊急醫療設備、消防設備、 貨運設備和保障設備等。機載光電吊艙是警用直升機的關鍵設備， 它可晝夜進行巡邏和監視， 隨時攝像取證并將信息傳輸到地面指揮中心。 它可進行 360 °回轉搜索，遠距離發現目標。此外， 直升機還配備了 GPS 及電子地圖， 可確定地面逃逸車輛的準確位置。 配備高頻和甚高頻電臺、 警用電臺、 應答機、 無線電羅盤等多種通信導航設備， 隨時與地面指揮中心保持聯系。

3.2.3 警用直升機光電吊艙主要產品

目前國外警用直升機的光電吊艙主要有：

1) 瑞典 POLYTECH 公司 WhiteStar 275 I 執法監視系統;

2) 美國 FLIR 公司機載吊艙系列，典型的如 Ultra 7500 、 Ultra 8500 。

3) 以色列飛機工業公司生產的 “ 插入式光學有效負載 ” 吊艙 POP200 ， 穩定平臺可視情況搭載多種插

入式傳感器(如前視紅外裝置、 CCD 攝像機、激光測距儀等)組合。

各典型警用光電吊艙的綜合性能比較見表 2 。此外，在熱對比度很小甚至達到熱平衡的條件下(如水中目標、 船上或金屬板上的標號)， 熱像儀很難探測到目標， 在允許條件下可以采用照明器照射目標的方法搜索探測目標。 典型的如加拿大的增強微光可視紅外警戒系統( EIVISS )， 它是一種帶距離門的有源成像系統，陰天的夜晚和不良天氣條件下更能體現其探測能力。

3.3 發展趨勢

1 )探測器性能不斷升級

吊艙的探測跟蹤性能說到底取決于有效載荷即探測器的性能， 如有效探測距離、 探測精度、 抗惡劣環境的能力等。 目前采用 CCD 成像的可見光微光攝像、激光測距等技術還在不斷朝著高精度化、 小型化、 數字化方向發展， 但對警用和準軍用來說都已比較成熟， 而發展的重點主要在于紅外成像技術， 特別是以軍事應用為背景的前視紅外( FLIR ) 技術。 當前以軍事需求為先導的紅外成像設備價格都十分昂貴，指標較高的設備對外出口都進行異常嚴格的限制。

2 )信號探測組合化

光電綜合偵察探測設備常常集可見光、 微光、 紅外、 激光等幾種傳感技術于一體。 對光電綜合系統的一般要求是盡量采用共同光學系統， 進行綜合穩定 , 采用共同的目標跟蹤和影像運動補償系統等。 開發光電綜合探測跟蹤系統需要解決窗口材料、光學薄膜等相關技術問題。

3 )有效載荷模塊化

近年來， 光電系統功能越來越強， 該系統占直升機的總成本比例也一直穩步上升， 雷達、 紅外、 數字圖像、 定位導航、 自動駕駛儀及數控引擎逐步引入， 而機載陀螺穩定平臺的空間是有限的。 這就需要根據用戶需要， 能對有效載荷進行靈活的配置。 采用插入式的光電有效載荷得到廣泛歡迎， 典型的如以色列 POP200 ，它能進行三種配置， 即 FLIR+ 電視、 FLIR+ 激光測距儀、 FLIR + 電視 + 激光指示器。 系統模塊式設計中的許多具體技術問題如操作系統、 應用軟件、 數字化處理、 封裝技術、 高速網絡及人機接口等需要不斷改進， 以期獲得模塊化方法所能提供的全部效益。 今后的機載光電系統將朝著功能綜合化、體積小、重量輕小型化的方向發展。

4 )信息實時化

機載系統探測到的圖像距離等信息， 需要通信系統將其及時傳送到地面指揮控制中心。 機載通信系統一般采用空地無線電通信設備或衛星通信設備。 傳輸數據量和實時性要求的矛盾日益突出， 一方面要求通信鏈路拓寬頻帶和提高信息傳輸容量， 另一方面要求吊艙系統在信號傳輸前做相應的前端處理， 如數字圖像信號的綜合處理，信息融合等。

4 研究思路

4.1 基本思想

以警用直升機為基本使用背景， 并考慮多領域軍用偵察機及無人偵察機， 機載光電吊艙應具有以下基本功能， 即： 全天候大范圍航空攝影、 交通管制、 監控、 搜索， 目標自動識別、 自動跟蹤和自動定位。 它完成以下 4 個主要任務： 1) 引導飛行。 GPS 和電子地圖的導航信息，攝像機、紅外熱像儀的圖像均可顯示， 引導飛行員駕駛。 2) 搜索目標。 主要考慮對地搜索， 靠前視紅外和電視跟蹤儀提供圖像。 3) 識別目標。 飛行員可以直接對可見光和紅外攝像儀提供的圖像進行目標識別， 系統通過圖像處理和識別算法也能自動提供目標識別結果供飛行員參考決策。 4) 跟蹤目標。通過光電跟蹤系統使得視場內的當前運動目標始終保持在視場中心。以上各功能對應吊艙不同的工作模式，并且根據需要可以方便地進行切換。

4.2 研究思路

4.2.1 模塊劃分

采用模塊化設計方法， 吊艙系統可分為三個子系統， 即轉塔子系統、 計算機顯示控制子系統及輔助子系統。 按功能可分成若干個獨立的功能單元模塊， 根據需要進行組合： 1 ) 轉塔子系統： 光電有效載荷(可見光攝像機、 紅外攝像儀、 激光測距儀)、 穩定平臺; 2 ) 計算機顯示控制子系統： 計算機控制單元、視景顯示單元、操縱單元、自動跟蹤單元及接口單元; 3 ) 輔助子系統：電源單元、環境控制單元。

4.2.2 硬件設計

可見光攝像儀、 紅外熱像儀、 激光測距儀均可按總體設計要求， 選購國內外較為成熟的產品的機芯或功能模塊， 并進行相應的二次開發和系統集成。 從警用角度來說， 第一階段不追求單一探測器指標的最優， 以實現警用的基本功能為目標， 主要考慮較優的綜合性價比。 在具體設計中充分考慮今后的發展，并在后續改進中不斷采用成熟的、性能更優的探測器核心模塊。陀螺平臺、 接口、 操縱控制器、 光電自動跟蹤器等部件則需按技術性能指標自行設計。 穩定平臺的設計包括陀螺儀選型、 平臺結構設計、 平臺控制系統設計等。 接口是轉塔與機內顯控系統之間的連接裝置，可在此將 GPS 、 探照燈、通信系統的信號引入吊艙系統。它主要包括導航接口(將 GPS 與電子地圖信號引入， 獲得導航位置信息)、 通信接口(將圖像視頻信號引出， 通過無線電微波通信或衛星通信設備實時傳輸到地面控制中心)及探照燈接口等。操作控制器控制平臺的轉動、 TV 與紅外圖像的切換、鏡頭的調焦等，需進行操作面板和微處理器的軟硬件設計。轉塔子系統部件主要技術指標內容見表 3 。

4.2.3 軟件設計

為完成以上主要功能， 軟件設計上應包括圖像處理、 目標識別、 目標跟蹤和目標定位等部分。 對警用和軍用一般說來，目標跟蹤是最終目的，圖像處理、目標識別以及目標定位是實現這一目的的必要手段。

1 )圖像處理

對于微光電視圖像實時處理系統， 關鍵在兩個方面： 一是高速的數字圖像處理器， 要考慮采用并行處理芯片; 二是實時圖像處理算法。 從實時性講， 還應考慮數據的存儲和訪問技術以及圖象的顯示技術。

2 )目標識別

圖像傳感器將攝取的目標可見特征或熱特征的圖像信號送入計算機進行圖像處理和分析， 從場景圖像中識別出目標， 這就是自動目標識別 ( ATR ) 。 目前提出的算法主要有： 基于參數分類的 ATR ， 基于模型的ATR ， 基于多傳感器融合的 ATR ， 基于人工神經網絡的 ATR ， 基于知識的 ATR 圖像分割和特征提取技術。

3 )目標自動跟蹤

目標識別后， 系統經過 Kalman 濾波確定出跟蹤線位置， 計算出誤差用以控制瞄準線對準目標， 實現自動跟蹤。 基于多圖像傳感器的圖像跟蹤算法研究與實現是吊艙跟蹤系統的核心內容。 目前有多種算法可用于目標跟蹤，如形心跟蹤、質心跟蹤、波門跟蹤、邊緣跟蹤、區域平衡跟蹤、相關跟蹤等。

4 )目標自動定位

按照基于激光測距儀主動定位或圖像處理被動定位兩種定位方式獲得目標的相對位置。

5 結束語

直升機機載光電吊艙技術涉及面廣， 涵蓋光學、 機械、 電子、 計算機、 自動控制和導航定位等多個學科。 國外這方面技術的研究已比較成熟，相關產品在軍用民用等領域得到了越來越多的應用。 目前，國內有關部門如電力、 公安系統等民用警用領域已在積極應用該項技術， 預計將有較大的市場前景。 因此， 有針對性地開展機載光電吊艙相關技術的研究， 盡快研發產品， 將具有顯著的社會效益和經濟效益。