美国无人机的光电载荷与发展分析

第38卷第4期激光与红外V o.l38,N o.4 2008年4月LA SER&I NFRA RED A pr i,l2008

文章编号:1001-5078(2008)04-0311-04#综述与评论#美国无人机的光电载荷与发展分析

王方玉

(空军驻京津地区军事代表室,辽宁锦州121000)

摘要:介绍了美国无人机光电载荷的发展历程以及装备的研制、改进情况,指出了在现代战

争中发展无人机的优势和重要性,重点探讨了几种无人机的性能及其特点,最后论述了美国无

人机的光电载荷与发展分析。

关键词:无人机;光电载荷;发展分析

中图分类号:TN97文献标识码:A

E lectric-optic Load and Develop m ent Analysis of

the A m erican UAV

WANG Fang-yu

(R es i dent R epresenta tive O ffi ce of A ir F orce in Be ijing-T ian ji ng,Ji n zhou121000,Ch i na)

Ab stract:T he process o f deve l op m ent of the Am er ican UAV and equ i p m ents i n all countr i es over t he w or l d and its

m odificati on are descr i bed.T he technique perfor m ance and properties of severa lUAV thea te seekers are ana l yzed;and

the e l ectric-optic l oad and develop m ent analysis o f the Am erican UAV.

K ey w ords:UAV;e l ectric-optic l oad;deve l op m ent ana l y si s

1引言

无人机采用先进的光电有效载荷,完成任务的能力将得到增强并最大限度地实现战场数字化,以提高其他武器系统的效能。本文就美国无人机的光电/红外传感器、红外传感器转塔、发展分析等,作进一步的研究和探讨[1]。

2光电/红外传感器

无人机的光电/红外传感器,主要包括:可见光传感器和红外光电传感器[2]。

可见光传感器的功能是光电成像,即将目标入射光子转变成对应像元的电子输出,最终形成目标的可见波段图像。目前最常用的器件是CCD和C MOS。CCD技术成熟,性能稳定,C MOS出现较晚,但由于功耗低等优点发展很快。

可见光传感器的主要性能指标:有效像元数、量子效率及其频段分布、最高帧频、读出噪声、热噪声等。

红外光电传感器的功能是红外波段的光电成像,即将目标入射的红外辐射(热辐射),转变成对应像元的电子输出,最终形成目标的热辐射图像。

红外光电传感器的主要性能指标:有效像元数、噪声等效温差(NETD)、工作温度和制冷方式、最高帧频、读出噪声、阵列均匀性和非线性误差。

例如,美国英迪戈系统公司的UL3红外摄像机,采用160@120微测辐射热计探测器阵列,使用F1.6镜头,可以获得优于80mK的灵敏度。包括光学系统在内,摄像机质量不到200g,需要的容积不超过50c m3,需要功率约1W。摄像机输出模拟视频和14比特数字信号。在/龙眼0无人机上可安装两台70g的摄像机和一台UL3红外摄像机,动力系统能够维持39m i n的飞行时间,拍摄时距离目标很近,

作者简介:王方玉(1964-),男,本科,工程师,研究方向为电子工程技术。

收稿日期:2007-10-01;修订日期:2007-11-01

能够获得很清晰的影像。

/影子0200战术无人机,在头部安装球形转塔,容纳多种光电/红外任务载荷,如1台或2台昼用光电摄像机、夜用红外摄像机以及一种或几种激光传感器(如测距机或目标指示器),并利用常平架和小型惯性测量装置,控制传感器向上、向下摆动和360b旋转,实现稳定拍摄和精确的目标定位。美国的POP200插接式光电载荷、U-MOSP无人机多任务光电稳定载荷、MX-15多光谱目标捕获转塔等,都是比较有代表性的产品。

/影子0200装载的POP200插接式光电载荷是能昼夜工作的组件式稳定光电传感器系统,使用可互换的插接式传感器部件。标准传感器部件有热像仪、彩色CCD、自动视频跟踪器和激光瞄准器。为满足不同的作战需求,传感器组件可以快速更换。POP200重15.8kg,直径264mm,高381mm,探测距离3km。

/影子0200加装改进型光电/红外传感器。例如,索尼公司的CCD电视摄像机、BAE系统公司的前视红外系统和激光测距机/光斑跟踪器。前视红外系统的热像仪采用640@480锑化铟焦平面阵列,视场为20b~2b,能以1000b/s的速度旋转,稳定精度为5~10L rad。

/改进型呐蚊0(I-GNAT)无人机安装的MX-15型多光谱目标捕获转塔尺寸为381mm,最多携有4种类型(光电变焦和定点摄像机、红外变焦摄像机、激光指示器和激光照明器)的6种传感器。摄像机的分辨率较高,光电变焦摄像机有宽、中和窄3种视场。地面的操纵员可以利用定点摄像机,得到极窄的视场。红外变焦摄像机有宽、中、窄、极窄4种视场。传感器是共轴的,以便操纵员从一个摄像机变换到另一个摄像机时,可以观看同一个目标区域。摄像机上安装了固体光纤陀螺,可以提供高的稳定性和目标定位精度。

旋翼式RQ-8B/火力侦察兵0战术无人机采用重91kg的U-MOSP多任务光电稳定任务载荷。U-MOSP的传感器包括热像仪、电视摄像机、激光测距机和指示器。高分辨率3~5L m锑化铟热像仪有3种视场(13.5b~0.75b)。电视摄像机可以连续变焦,具有类似的视场。

对于未来作战系统(FCS)无人机,美国陆军计划研制新型具备激光测距和激光指示功能的光电/红外传感器。图像由系统收集并在无人机外进行预处理,并由陆军分布式通用地面系统处理部件进行处理,系统还将对收集、处理和分析的战术数据进行综合。

由于载荷质量的限制,现在用于最小微型无人机的可变传感器是小型视频照相机。E ADS公司研制的微型无人机质量约500g,携带50g重512@582像素照相机,如此轻的无人机携带红外传感器并非易事,因此红外传感器的质量大大减小了。被称为/欧米茄0的红外照相机已开始在美陆军/乌鸦0无人机和海军陆战队/龙眼0无人机上服役。

3光电传感器转塔

无人机光电传感器转塔由有人驾驶飞机和直升机的转塔发展而来。美国的无人机转塔系统通常包含4~7种传感器,例如用于飞行控制、监视、侦察的昼用相机系统;用于夜间飞行控制以及目标探测的红外热像仪;用于获取目标信息的激光测距仪、激光照射系统;较大型无人机的转塔系统还有体积、质量、耗能较大的激光目标指示系统,可引导激光制导武器实施攻击[3]。

美国无人机的光电转塔主要有:U ltra8500XR 转塔;Sa fire系列转塔;M X系列转塔;M IS系列转塔;雷声公司系列光电/红外转塔;MTS-A型转塔; /乌鸦眼Ò0转塔等详见表1。

4装备概况

目前,美国无人机的光电载荷技术发展的很快,无人机不但飞行距离远、飞行高度大、续航时间长、通信传输速率快、机载设备及飞行控制技术先进,而且,还具有主动攻击和隐身能力等。主要有装备有:RQ -1/捕食者0无人机;/全球鹰0无人机;/影子0无人机;MQ-9无人机;X-47B无人机等[4],详见表2。5发展分析

目前,美国无人机光电载荷主要向高分辨、多(宽)谱段、体积小、质量轻、功耗低、寿命长、可靠性高、耐冲击强等方向发展。其关键技术,主要包括:高清晰度电视、焦平面阵列、传感器、多/超光谱、大容量数据存储、光探测与测距技术等[5]。

(1)高清晰度电视。高清晰度电视视频技术,已成为美国防部战术需求和中高空长航时无人机用视频体系的工业标准模式。高清晰度电视视频是从原先的隔行扫描到现在的逐行扫描和图像处理,即对整个场景进行扫描的同时可以同步成像。逐行扫描消除了不断的图像斜纹,成为先进视频处理技术的基础。

(2)焦平面阵列。焦平面阵列技术,使无人机的数码摄影达到了兆位像素数。多光谱数字聚焦阵

312激光与红外第38卷