1 引 言

直升機(jī)按照用途可分為軍用、 警用和民用三類。 直升機(jī)要在空中完成對(duì)目標(biāo)的探測(cè)和跟蹤任務(wù)， 需要一個(gè)機(jī)載平臺(tái)和搭載一個(gè)在該平臺(tái)上由探測(cè)設(shè)備組成的集成系統(tǒng)， 在硬件表現(xiàn)形式上稱之為吊艙。 一般地說，吊艙 ( Pod ) 是指懸掛在運(yùn)動(dòng)載體(如飛機(jī)、船舶)外的艙體有效載荷容器裝置。根據(jù)內(nèi)置設(shè)備的功能， 機(jī)載吊艙可以分為導(dǎo)航吊艙、 瞄準(zhǔn)吊艙、 紅外測(cè)量吊艙、 電子干擾吊艙及電子情報(bào)吊艙等。 直升機(jī)機(jī)載光電吊艙近 10 年來在國(guó)外發(fā)展很快，特別是在偵察告警、目標(biāo)指示、控制瞄準(zhǔn)和導(dǎo)航跟蹤等方面得到廣泛地重視。 目前直升機(jī)機(jī)載吊艙除用于武裝偵察直升機(jī)、 無人偵察機(jī)外， 還可用于目標(biāo)特性測(cè)量、光電制導(dǎo)武器模擬等方面，在電力巡線、海上緝私、環(huán)保監(jiān)測(cè)等民用方面也有廣泛的應(yīng)用。

2003 年 10 月 17 日公安部對(duì)外正式公布， 國(guó)務(wù)院和中央軍委已經(jīng)于 2003 年 9 月正式批準(zhǔn)各地公安機(jī)關(guān)對(duì)警用直升機(jī)的使用， 使得公安部成為我國(guó)第 5 個(gè)擁有航空器管理權(quán)的單位。 警用直升機(jī)市場(chǎng)在未來將會(huì)有大的發(fā)展。 光電吊艙是警用直升機(jī)完成搜索跟蹤任務(wù)的核心設(shè)備， 其需求量也的 PolyTech 系列、美國(guó)的 FLIR 系列吊艙。

目前， 我國(guó)直升機(jī)機(jī)載吊艙都是根據(jù)用戶的需求進(jìn)行加裝， 而且全部從國(guó)外進(jìn)口， 如瑞典且完全依靠進(jìn)口， 勢(shì)必影響安全領(lǐng)域的獨(dú)立建設(shè)和發(fā)展， 因此研究自己獨(dú)立產(chǎn)權(quán)的光電吊艙具有非常重要的意義。

2 系統(tǒng)組成及工作原理

2.1 系統(tǒng)組成

直升機(jī)光電吊艙基本組成分為吊掛球形轉(zhuǎn)塔和機(jī)上顯示控制處理系統(tǒng)，見圖 1 。從硬件組成上看，轉(zhuǎn)塔包括U型支架、 球型臺(tái)體載物臺(tái)、 測(cè)角系統(tǒng)、 電控驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、 陀螺儀、 陀螺儀穩(wěn)定回路、 光電探測(cè)器、 TV 與紅外跟蹤器及接口電路等。從原理上看， 轉(zhuǎn)塔可分為穩(wěn)定平臺(tái)和光電有效載荷(探測(cè)器)兩大部分。 光電載荷安裝在穩(wěn)定平臺(tái)上， 通過陀螺穩(wěn)定平臺(tái)隔離載機(jī)的振動(dòng)， 獲得相對(duì)慣性空間穩(wěn)定的平臺(tái)空間，并且在控制指令的驅(qū)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)光電載荷對(duì)目標(biāo)的搜索、捕獲、跟蹤和定位。因此機(jī)載陀螺穩(wěn)定平臺(tái)實(shí)現(xiàn)兩大功能：一是空間穩(wěn)定，二是能夠跟蹤目標(biāo)。探測(cè)器(有效載荷)可根據(jù)擔(dān)負(fù)任務(wù)的不同而采用不同的組合搭配。對(duì)完成搜索跟蹤任務(wù)的機(jī)載吊艙來說， 一般包括可見光 / 微光攝像機(jī)、 紅外熱像儀和激光測(cè)距儀等。 此外，根據(jù)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(shè)備，其作用和特點(diǎn)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(huán)控制系統(tǒng)的位置誤差傳感器，輸出目標(biāo)方位信息或外引導(dǎo)信息， 由主控計(jì)算機(jī)或人工給出轉(zhuǎn)動(dòng)指令對(duì)目標(biāo)區(qū)進(jìn)行搜索。 轉(zhuǎn)塔與所載跟蹤探測(cè)器形成閉環(huán)跟蹤后， 將輸出經(jīng)過處理的目標(biāo)方位和俯仰偏差變換成正比的控制信號(hào)， 作用于陀螺儀的力矩器上。力矩電機(jī)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(cè)器保持對(duì)目標(biāo)的跟蹤。此外， 通過加入相應(yīng)的傳感器和采用一定的算法， 吊艙還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的相對(duì)定位。 定位方式有主動(dòng)定位和被動(dòng)定位兩種方式。 主動(dòng)定位是用激光測(cè)距儀通過測(cè)量目標(biāo)相對(duì)飛機(jī)的距離得到精確的目標(biāo)相對(duì)位置和相對(duì)速度;被動(dòng)定位是用電視 / 紅外成像測(cè)量傳感器平臺(tái)測(cè)量目標(biāo)的角度變化，得到粗略目標(biāo)距離。

3 發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)

3.1 軍用領(lǐng)域

世界上有許多國(guó)家如美、法，英和以色列研制并裝備了導(dǎo)航 / 瞄準(zhǔn)吊艙，如美國(guó)洛克希德 · 馬丁( Lockheed Martin ) 公司研制的 LANTIRN 導(dǎo)航和瞄準(zhǔn)系統(tǒng)、 “ 阻擊手 ( Sniper ) XR” 先進(jìn)目標(biāo)定位吊艙，雷神 ( Raytheon ) 公司研制的先進(jìn)前視紅外瞄準(zhǔn)吊艙 ATFLIR ， 以色列拉菲爾武器發(fā)展局與美國(guó)諾思羅普 · 格魯曼公司合作研制的 “ 藍(lán)盾 ”LITENING I 和 LITENING II 吊艙等。

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

直升機(jī)載偵察設(shè)備一般都選用前視紅外、 電視攝像機(jī)和激光測(cè)距機(jī)等， 組成一個(gè)完善的偵察系統(tǒng)，可在多種氣候和夜間條件下實(shí)施綜合偵察。 目前電視攝像機(jī)和激光測(cè)距機(jī)已較為成熟， 各國(guó)將重點(diǎn)投向發(fā)展先進(jìn)的前視紅外裝置，以增強(qiáng)全天候能力和擴(kuò)大作用距離。 例如 RAH-66 “ 科曼奇 ” 直升機(jī)的光電目標(biāo)探測(cè) / 指示系統(tǒng)( EOTADS ) 和夜視導(dǎo)航系統(tǒng)的前視紅外系統(tǒng)采用 4×480 焦平面陣列的第二代前視紅外系統(tǒng)，有三種視場(chǎng)： 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(guó)陸軍準(zhǔn)備裝備于 “ 阿帕奇 ” 直升機(jī)的二代前視紅外系統(tǒng) —— 美國(guó)洛克希德 · 馬丁公司的 “ 箭頭 ” 系統(tǒng)采用了針對(duì) RAH-66“ 科曼奇 ” 直升機(jī)設(shè)計(jì)的前視紅外技術(shù)， 與第一代前視紅外系統(tǒng)相比分辨率提高了 67 %。 飛行員通過前視紅外系統(tǒng)能夠看到水中的樹影，甚至單片玻璃等細(xì)節(jié)。

3.2 警用領(lǐng)域

3.2.1 警用直升機(jī)的特殊要求

隨著全球恐怖主義的日益猖獗， 世界各國(guó)不得不研究各種反恐措施。 直升機(jī)在空中的配合可以大大提高警察部隊(duì)的機(jī)動(dòng)作戰(zhàn)能力和辦案效率。 目前警用直升機(jī)大多承擔(dān)多項(xiàng)任務(wù)， 主要有： 空中警務(wù)執(zhí)法、 處理突發(fā)事件、 通信聯(lián)絡(luò)、 空中交通指揮、 搜索與救援、 消防、 公務(wù)運(yùn)輸、 押解罪犯和銀行運(yùn)鈔、 緊急醫(yī)療救護(hù)、配合海關(guān)緝私緝毒、保護(hù)自然資源、監(jiān)控環(huán)境等。根據(jù)其特殊用途， 警用直升機(jī)應(yīng)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(tái)等狹小地方起落，要有很好的爬升率;

3 ) 具備在復(fù)雜氣象情況下的夜航能力， 并可在高溫 ( 50 ℃ ) 、 高原寒冷地區(qū) (- 40 ℃ ) 、強(qiáng)風(fēng) ( 大于 40kn ) 和近海高溫環(huán)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(jī)探測(cè)跟蹤設(shè)備

警用直升機(jī)任務(wù)設(shè)備為完成所賦予的任務(wù)必須安裝專用設(shè)備， 包括通信設(shè)備、 導(dǎo)航設(shè)備、 觀察設(shè)備、營(yíng)救設(shè)備、緊急醫(yī)療設(shè)備、消防設(shè)備、 貨運(yùn)設(shè)備和保障設(shè)備等。機(jī)載光電吊艙是警用直升機(jī)的關(guān)鍵設(shè)備， 它可晝夜進(jìn)行巡邏和監(jiān)視， 隨時(shí)攝像取證并將信息傳輸?shù)降孛嬷笓]中心。 它可進(jìn)行 360 °回轉(zhuǎn)搜索，遠(yuǎn)距離發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。此外， 直升機(jī)還配備了 GPS 及電子地圖， 可確定地面逃逸車輛的準(zhǔn)確位置。 配備高頻和甚高頻電臺(tái)、 警用電臺(tái)、 應(yīng)答機(jī)、 無線電羅盤等多種通信導(dǎo)航設(shè)備， 隨時(shí)與地面指揮中心保持聯(lián)系。

3.2.3 警用直升機(jī)光電吊艙主要產(chǎn)品

目前國(guó)外警用直升機(jī)的光電吊艙主要有：

1) 瑞典 POLYTECH 公司 WhiteStar 275 I 執(zhí)法監(jiān)視系統(tǒng);

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

3) 以色列飛機(jī)工業(yè)公司生產(chǎn)的 “ 插入式光學(xué)有效負(fù)載 ” 吊艙 POP200 ， 穩(wěn)定平臺(tái)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(jī)、激光測(cè)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(duì)比度很小甚至達(dá)到熱平衡的條件下(如水中目標(biāo)、 船上或金屬板上的標(biāo)號(hào))， 熱像儀很難探測(cè)到目標(biāo)， 在允許條件下可以采用照明器照射目標(biāo)的方法搜索探測(cè)目標(biāo)。 典型的如加拿大的增強(qiáng)微光可視紅外警戒系統(tǒng)( EIVISS )， 它是一種帶距離門的有源成像系統(tǒng)，陰天的夜晚和不良天氣條件下更能體現(xiàn)其探測(cè)能力。

3.3 發(fā)展趨勢(shì)

1 )探測(cè)器性能不斷升級(jí)

吊艙的探測(cè)跟蹤性能說到底取決于有效載荷即探測(cè)器的性能， 如有效探測(cè)距離、 探測(cè)精度、 抗惡劣環(huán)境的能力等。 目前采用 CCD 成像的可見光微光攝像、激光測(cè)距等技術(shù)還在不斷朝著高精度化、 小型化、 數(shù)字化方向發(fā)展， 但對(duì)警用和準(zhǔn)軍用來說都已比較成熟， 而發(fā)展的重點(diǎn)主要在于紅外成像技術(shù)， 特別是以軍事應(yīng)用為背景的前視紅外( FLIR ) 技術(shù)。 當(dāng)前以軍事需求為先導(dǎo)的紅外成像設(shè)備價(jià)格都十分昂貴，指標(biāo)較高的設(shè)備對(duì)外出口都進(jìn)行異常嚴(yán)格的限制。

2 )信號(hào)探測(cè)組合化

光電綜合偵察探測(cè)設(shè)備常常集可見光、 微光、 紅外、 激光等幾種傳感技術(shù)于一體。 對(duì)光電綜合系統(tǒng)的一般要求是盡量采用共同光學(xué)系統(tǒng)， 進(jìn)行綜合穩(wěn)定 , 采用共同的目標(biāo)跟蹤和影像運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)等。 開發(fā)光電綜合探測(cè)跟蹤系統(tǒng)需要解決窗口材料、光學(xué)薄膜等相關(guān)技術(shù)問題。

3 )有效載荷模塊化

近年來， 光電系統(tǒng)功能越來越強(qiáng)， 該系統(tǒng)占直升機(jī)的總成本比例也一直穩(wěn)步上升， 雷達(dá)、 紅外、 數(shù)字圖像、 定位導(dǎo)航、 自動(dòng)駕駛儀及數(shù)控引擎逐步引入， 而機(jī)載陀螺穩(wěn)定平臺(tái)的空間是有限的。 這就需要根據(jù)用戶需要， 能對(duì)有效載荷進(jìn)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(jìn)行三種配置， 即 FLIR+ 電視、 FLIR+ 激光測(cè)距儀、 FLIR + 電視 + 激光指示器。 系統(tǒng)模塊式設(shè)計(jì)中的許多具體技術(shù)問題如操作系統(tǒng)、 應(yīng)用軟件、 數(shù)字化處理、 封裝技術(shù)、 高速網(wǎng)絡(luò)及人機(jī)接口等需要不斷改進(jìn)， 以期獲得模塊化方法所能提供的全部效益。 今后的機(jī)載光電系統(tǒng)將朝著功能綜合化、體積小、重量輕小型化的方向發(fā)展。

4 )信息實(shí)時(shí)化

機(jī)載系統(tǒng)探測(cè)到的圖像距離等信息， 需要通信系統(tǒng)將其及時(shí)傳送到地面指揮控制中心。 機(jī)載通信系統(tǒng)一般采用空地?zé)o線電通信設(shè)備或衛(wèi)星通信設(shè)備。 傳輸數(shù)據(jù)量和實(shí)時(shí)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(tǒng)在信號(hào)傳輸前做相應(yīng)的前端處理， 如數(shù)字圖像信號(hào)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(jī)為基本使用背景， 并考慮多領(lǐng)域軍用偵察機(jī)及無人偵察機(jī)， 機(jī)載光電吊艙應(yīng)具有以下基本功能， 即： 全天候大范圍航空攝影、 交通管制、 監(jiān)控、 搜索， 目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別、 自動(dòng)跟蹤和自動(dòng)定位。 它完成以下 4 個(gè)主要任務(wù)： 1) 引導(dǎo)飛行。 GPS 和電子地圖的導(dǎo)航信息，攝像機(jī)、紅外熱像儀的圖像均可顯示， 引導(dǎo)飛行員駕駛。 2) 搜索目標(biāo)。 主要考慮對(duì)地搜索， 靠前視紅外和電視跟蹤儀提供圖像。 3) 識(shí)別目標(biāo)。 飛行員可以直接對(duì)可見光和紅外攝像儀提供的圖像進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別， 系統(tǒng)通過圖像處理和識(shí)別算法也能自動(dòng)提供目標(biāo)識(shí)別結(jié)果供飛行員參考決策。 4) 跟蹤目標(biāo)。通過光電跟蹤系統(tǒng)使得視場(chǎng)內(nèi)的當(dāng)前運(yùn)動(dòng)目標(biāo)始終保持在視場(chǎng)中心。以上各功能對(duì)應(yīng)吊艙不同的工作模式，并且根據(jù)需要可以方便地進(jìn)行切換。

4.2 研究思路

4.2.1 模塊劃分

采用模塊化設(shè)計(jì)方法， 吊艙系統(tǒng)可分為三個(gè)子系統(tǒng)， 即轉(zhuǎn)塔子系統(tǒng)、 計(jì)算機(jī)顯示控制子系統(tǒng)及輔助子系統(tǒng)。 按功能可分成若干個(gè)獨(dú)立的功能單元模塊， 根據(jù)需要進(jìn)行組合： 1 ) 轉(zhuǎn)塔子系統(tǒng)： 光電有效載荷(可見光攝像機(jī)、 紅外攝像儀、 激光測(cè)距儀)、 穩(wěn)定平臺(tái); 2 ) 計(jì)算機(jī)顯示控制子系統(tǒng)： 計(jì)算機(jī)控制單元、視景顯示單元、操縱單元、自動(dòng)跟蹤單元及接口單元; 3 ) 輔助子系統(tǒng)：電源單元、環(huán)境控制單元。

4.2.2 硬件設(shè)計(jì)

可見光攝像儀、 紅外熱像儀、 激光測(cè)距儀均可按總體設(shè)計(jì)要求， 選購國(guó)內(nèi)外較為成熟的產(chǎn)品的機(jī)芯或功能模塊， 并進(jìn)行相應(yīng)的二次開發(fā)和系統(tǒng)集成。 從警用角度來說， 第一階段不追求單一探測(cè)器指標(biāo)的最優(yōu)， 以實(shí)現(xiàn)警用的基本功能為目標(biāo)， 主要考慮較優(yōu)的綜合性價(jià)比。 在具體設(shè)計(jì)中充分考慮今后的發(fā)展，并在后續(xù)改進(jìn)中不斷采用成熟的、性能更優(yōu)的探測(cè)器核心模塊。陀螺平臺(tái)、 接口、 操縱控制器、 光電自動(dòng)跟蹤器等部件則需按技術(shù)性能指標(biāo)自行設(shè)計(jì)。 穩(wěn)定平臺(tái)的設(shè)計(jì)包括陀螺儀選型、 平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、 平臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。 接口是轉(zhuǎn)塔與機(jī)內(nèi)顯控系統(tǒng)之間的連接裝置，可在此將 GPS 、 探照燈、通信系統(tǒng)的信號(hào)引入吊艙系統(tǒng)。它主要包括導(dǎo)航接口(將 GPS 與電子地圖信號(hào)引入， 獲得導(dǎo)航位置信息)、 通信接口(將圖像視頻信號(hào)引出， 通過無線電微波通信或衛(wèi)星通信設(shè)備實(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛婵刂浦行?及探照燈接口等。操作控制器控制平臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)、 TV 與紅外圖像的切換、鏡頭的調(diào)焦等，需進(jìn)行操作面板和微處理器的軟硬件設(shè)計(jì)。轉(zhuǎn)塔子系統(tǒng)部件主要技術(shù)指標(biāo)內(nèi)容見表 3 。

4.2.3 軟件設(shè)計(jì)

為完成以上主要功能， 軟件設(shè)計(jì)上應(yīng)包括圖像處理、 目標(biāo)識(shí)別、 目標(biāo)跟蹤和目標(biāo)定位等部分。 對(duì)警用和軍用一般說來，目標(biāo)跟蹤是最終目的，圖像處理、目標(biāo)識(shí)別以及目標(biāo)定位是實(shí)現(xiàn)這一目的的必要手段。

1 )圖像處理

對(duì)于微光電視圖像實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)， 關(guān)鍵在兩個(gè)方面： 一是高速的數(shù)字圖像處理器， 要考慮采用并行處理芯片; 二是實(shí)時(shí)圖像處理算法。 從實(shí)時(shí)性講， 還應(yīng)考慮數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和訪問技術(shù)以及圖象的顯示技術(shù)。

2 )目標(biāo)識(shí)別

圖像傳感器將攝取的目標(biāo)可見特征或熱特征的圖像信號(hào)送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像處理和分析， 從場(chǎng)景圖像中識(shí)別出目標(biāo)， 這就是自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別 ( ATR ) 。 目前提出的算法主要有： 基于參數(shù)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)的 ATR ， 基于知識(shí)的 ATR 圖像分割和特征提取技術(shù)。

3 )目標(biāo)自動(dòng)跟蹤

目標(biāo)識(shí)別后， 系統(tǒng)經(jīng)過 Kalman 濾波確定出跟蹤線位置， 計(jì)算出誤差用以控制瞄準(zhǔn)線對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)， 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤。 基于多圖像傳感器的圖像跟蹤算法研究與實(shí)現(xiàn)是吊艙跟蹤系統(tǒng)的核心內(nèi)容。 目前有多種算法可用于目標(biāo)跟蹤，如形心跟蹤、質(zhì)心跟蹤、波門跟蹤、邊緣跟蹤、區(qū)域平衡跟蹤、相關(guān)跟蹤等。

4 )目標(biāo)自動(dòng)定位

按照基于激光測(cè)距儀主動(dòng)定位或圖像處理被動(dòng)定位兩種定位方式獲得目標(biāo)的相對(duì)位置。

5 結(jié)束語

直升機(jī)機(jī)載光電吊艙技術(shù)涉及面廣， 涵蓋光學(xué)、 機(jī)械、 電子、 計(jì)算機(jī)、 自動(dòng)控制和導(dǎo)航定位等多個(gè)學(xué)科。 國(guó)外這方面技術(shù)的研究已比較成熟，相關(guān)產(chǎn)品在軍用民用等領(lǐng)域得到了越來越多的應(yīng)用。 目前，國(guó)內(nèi)有關(guān)部門如電力、 公安系統(tǒng)等民用警用領(lǐng)域已在積極應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)， 預(yù)計(jì)將有較大的市場(chǎng)前景。 因此， 有針對(duì)性地開展機(jī)載光電吊艙相關(guān)技術(shù)的研究， 盡快研發(fā)產(chǎn)品， 將具有顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。