国外机载光电转塔现状及发展分析

国外机载光电转塔现状及发展分析
摘要：在对机载光电转塔原理和组成分析的基础上，对国外典型光电转塔的
特点和应用进行了介绍，分析了光电传感器设计、伺服稳定控制和图像融合等技术，并对其发展趋势进行了展望。

摘要：光电转塔光电传感器伺服控制图像融合
中图分类号：V243.5文献标识码：A
引言
机载光电转塔主要利用目标自身的热辐射或其反射的可见光所体现的特性，
完成对目标的探测、识别和跟踪，是实现对地侦察和精确攻击目标的主要传感器
之一。

机载光电转塔主要采用两轴稳定构型，能够隔离飞机在方位轴和俯仰轴对
传感器视轴的扰动，但不能隔离横滚轴的扰动，该类产品主要用于横滚方向不存
在剧烈变化的平台上，一般体积较小、重量较轻。

机载光电转塔最早应用的平台
为直升机，随着随着光电传感器技术、伺服稳定控制技术和计算机技术的快速发展，光电转塔逐步扩展到无人机、运输机等飞机平台。

本文主要在对国外典型光
电转塔介绍的基础上，对其涉及的技术和发展方向进行了分析和展望。

1 机载光电转塔基本组成
机载光电转塔由光电传感器、伺服控制机构、图像处理组件和结构框架等组成，光电传感器决定着系统的性能和配置，根据探测波长不同可分为红外热像仪、电视摄像机和激光等，是整个系统的核心部件，伺服控制机构利用陀螺相对惯性
空间的稳定能力，使平台上的光电传感器视轴稳定地指向目标，是机载光电转塔
的关键部分，图像处理组件主要完成目标相对视场中心的偏差量解算和图像融合、增强等功能，是实现对目标跟踪和观察的重要组成部分，结构框架将各部分进行
有机组合，最终确保实现系统的整体功能[1]。

2 国外典型机载光电转塔
2.1 Star Safire380系列光电转塔
Star Safire380系列光电转塔由美国FLIR系统公司生产，是一种全数字高
清光电系统，主要用于情报侦察、搜索救援和边界巡逻等领域。

Star Safire系
列产品主要包括Star Safire380-HD系统、Star Safire380-HLD系统、Star Safire 380-HDc系统、Star Safire 380-HLDc系统和Star Safire 380X系统等，能够装备多种型号的直升机、无人机、运输机和浮空器等平台。

Safire380-HD系统光电传感器主要包括中波红外热像仪、彩色可见光摄像机、彩色低照度摄像机、短波红外摄像机、激光测距机、激光照明器和激光指示器等，主要用于对地面侦察成像和定位。

红外热像仪小视场为0.25°，大视场为30°，彩色可见光摄像机小视场为0.25°，大视场为29°，低照度摄像机小视场为
1.5°，大视场为55°，短波红外摄像机小视场为0.25°，大视场为28°，激光
测距最大距离25km。

光电转塔直径为380mm，高度为475mm，重量为45kg。

Safire380-HLD系统在Safire380-HD系统基础上增加了激光照射器，在对地面侦
察成像的同时能够并引导激光制导武器攻击目标，光电转塔重量增加到48kg。

Safire380-HDc系统光电传感器主要包括中波红外热像仪、彩色可见光摄像机、低照度摄像机、短波红外摄像机、激光测距机、激光照明器和激光指示器等，主要用于对地面侦察成像和定位。

红外热像仪小视场为1°，大视场为40°，彩
色可见光摄像机小视场为0.2°，大视场为25°，低照度摄像机小视场为1.2°，大视场为40°，短波红外摄像机小视场为0.25°，大视场为33°，激光测距最
大距离30km。

光电转塔直径为380mm，高度为353mm，重量为38kg。

Safire380-HLDc系统在Safire380-HDc系统基础上增加了激光照射器，在对地面侦察成像的
同时能够并引导激光制导武器攻击目标，激光测距最大距离25km，激光照射器脉
冲能量100mJ，光电转塔重量减小到32kg。

FLIR系统公司最近完成了Star
Safire380X硬件、固件和软件升级，以支持Star SAFIRE 380系统先进的图像辅
助功能，新型380X的升级降低了操作员的工作负荷，可以让他更快地做出更明
智的决定，系统采取定制配置，有多层视频管理和视觉用户接口、触屏和流媒体
平板电脑的支持。

2.2 MTS系列光电转塔
MTS系列光电转塔由美国雷神技术公司研制，是一种由可见光、红外和激光
组合的目标探测定位跟踪系统，主要用于远程侦察、高空目标截获与跟踪、激光
测距和激光指示等。

MTS系列光电转塔目前主要装备无人机的包括MTS-A系统和MTS-B系统等。

MTS-A系统的光电传感器包括红外热像仪、彩色可见光摄像机和
激光测距/照射器和激光照明器等多种载荷，红外热像仪最小视场为0.6°，大视
场为45°，可见光摄像机最小视场为0.21°，大视场为45°，光电转塔直径为445mm，高度475mm，重量小于56.7kg。

MTS-B系统的光电传感器包括红外热像仪、彩色可见光摄像机、激光测距/照射器和激光照明器等多种载荷，红外热像仪最
小视场为0.23°，大视场为45°，可见光摄像机最小视场为0.08°，大视场为45°，光电转塔直径为559mm，高度660mm，重量104.3kg。

目前MTS-A系统主要
装备MQ-1型“捕食者”无人机，MTS-B系统主要装备MQ-9型“捕食者”无人机。

2.3 POP系列光电转塔
POP系列光电转塔由以色列IAI公司生产，是一种模块化、陀螺稳定的光电
侦察系统，可用于昼夜间对目标的侦察、监视、识别和定位。

POP系列产品包括POP200、POP300、POP300LR和POP300D等，主要由稳定化平台和可替换的插入式
传感器组成，标准传感器部件有中波红外热像仪、彩色可见光摄像机、自动视频
跟踪器、激光指示器和激光测距机等，POP200的红外热像仪小视场为1.7°，大
视场为29°，可见光摄像机小视场为1°，大视场为22.5°，激光测距最大距离
8km，测距精度5m，光电转塔直径为260mm，高度为380mm，重量为16.3kg。

POP300在传感器配置、系统重量等方面与POP200基本相同，主要改进是将红外
小视场减小到0.86°，进一步提升了系统的探测距离。

POP300LR主要对红外和
可见光传感器的视场进行了优化，提升了对目标的作用距离，红外热像仪最小视
场减小到0.8°，可见光摄像机小视场减小到0.4°，激光测距最大距离20km。

光电转塔直径为260mm，高度为400mm，重量为19kg。

POP300D通过加装激光照
射器具备引导激光制导武器的能力，同时优化了传感器视场，可见光摄像机小视
场减小到0.8°，光电转塔直径为264mm，高度为430mm，重量为20kg。

POP系列
光电转塔主要装备“影子”系列无人机[2]。

3相关技术分析
3.1光电传感器设计技术
机载光电转塔的光电传感器主要包括电视摄像机、红外热像仪、激光传感器等，电视摄像机一般工作在可见光波段，该波段显示的图像感观上与人眼直接观察的图像相同，可以为人们提供直观视觉效果，图像细节丰富。

由于复杂天气下可见光的穿透能力有限，同时夜间目标反射的可见光十分微弱，因此电视摄像机在复杂天气和夜间使用受限，主要应用于昼间对目标进行监视和侦察，红外热像仪工作在中波或长波红外波段,主要接收目标源自身的热辐射，既能隐蔽探测又不依赖外界光照，而且具有对烟雾的强穿透性以及识别伪装的能力，可以进行远距离、全天候观察，特别是在夜间或恶劣气候条件下用于目标捕获、跟踪和瞄准等。

激光是一种新型人造光源，其形成是基于粒子的受激辐射放大原理，具有高度的方向性、单色性、相干性、高亮度、超短脉冲和可调谐等普通光源所无法比拟的优点。

作为转塔的重要组成部分，激光探测是一种主动探测方式，主要应用于激光测距、激光照射等领域，能够为飞机平台提供准确的指向和距离信息。

随着光电转塔探测距离需求的不断增加，在原有体积和重量条件约束下，如何提高光电传感器的性能将成为设计工作的主要难点，目前主要通过提高探测器的分辨率和多传感器综合化设计等途径提高光电传感器的指标。

3.2伺服稳定控制技术
在机载环境下光电转塔的工作是建立在动基座基础上的，载机受风力影响引起的抖动、姿态变化和相对目标的位移都将影响光电传感器视轴的稳定，并最终对图像质量造成影响。

为了减弱上述影响，需要建立视轴稳定系统，实现光电转塔的视轴与扰动的“隔离”，使视轴在固定的惯性空间内保持稳定。

伺服稳定控制主要保证光电转塔清晰成像，隔离载体扰动，维持视轴惯性稳定，通常将光电传感器置于能够由电机驱动任意旋转的万向架上，测量元件分别敏感视轴的惯性和相对角运动，常见的稳定结构形式主要是整体稳定和反射镜稳定。

随着光电传感器分辨率不断提高和瞬时视场的不断减小，图像的稳定性就变得十分重要，采用传统的整体稳定方式或反射镜稳定方式已不能满足现有系统的精度需求。

目前较为常用的方式是采用粗精组合的二级稳定技术，该技术在陀螺稳定平台粗稳定
的基础上，在光路中加入高动态反射镜，并将陀螺感应到的平台残差作为反馈信
号送入反射镜控制回路，最终达到对瞄准线精确稳定的目的。

3.3 多源图像融合技术
机载光电转塔的成像传感器一般包括电视摄像机和红外热像仪，由于成像原
理不同，电视图像与红外图像之间有很大的区别，任何单一传感器获得的图像数
据都不能全面反应目标的特性，因此需要将不同源的图像数据结合起来以获得更
全面的目标特性和信息，以便完成对目标的准确识别。

多源图像融合是以图像为
研究对象的信息融合技术，它把对同一目标或场景用不同传感器所获得的图像或
同一传感器以不同方式所获得的多重图像合成为一幅图像，在这一幅图像中能反
映多重原始图像中的信息，以达到对目标和场景的综合描述，以及精确的分析判断。

获得的融合图像包含了任何单一传感器均无法提供的信息。

图像融合一般可
以分为像素级融合、特征级融合和决策级融合三个级别，像素级图像融合属于底
层的图像融合，优点在于它尽可能多地保留了场景的原始信息，提供了其它两种
层次图像融合所不具有的细节信息，十分适合对光电图像进行处理。

由于不同光
电传感器通过的光路不同或成像体制不同等原因，图像间可能出现相对平移、旋转、比例缩放等问题，以致图像融合不能直接进行，因此必须先进行图像配准。

时间和空间的配准是非常重要的，其精度直接影响到图像融合算法的效果因此图
像配准是多传感器图像融合的必要前提，在对各个传感器获得的图像进行配准后，就可应用不同融合算法对源图像进行融合，目前常用的融合算法包括：加权平均法、逻辑滤波法和小波变换法等。

4 展望
机载光电转塔经过在阿富汗战争、伊拉克战争等实战环境中的成功应用，使
其成为现代部队装备中最具有前途的设备之一，为了更好地完成远距侦察、瞄准
和跟踪任务，在传感器技术、伺服控制技术和图像技术的发展和推动下，机载光
电转塔将朝着远距探测和传感器多样化的方向发展，并且将会在未来的战争中得
到更为广泛的应用。

参考文献
1.
王合龙.机载光电系统及其控制技术[M].北京：航空工业出版社，2016
2.
吉书鹏.机载光电载荷装备发展与关键技术[J].航空兵器，2017（6）:3-12
作者信息：
边栓成（1981-），男，河北辛集人，汉，系统工程专业硕士，高级工程师，研究方向为光电系统设计。

1。