2.6　光电探测系统

2.6.1　光电探测系统的军事应用

光电探测系统在军事探测中有着广泛的应用，并占有十分重要地位。光电探测与雷达探测相比，具有采用被动工作方式和工作波长较短两大优点。由于它采用被动工作方式，因而隐蔽性好、防干扰能力强、图像直观；由于它的工作波长短，因而它的鉴别率远高于雷达，并且不存在由海面杂波造成的镜向效应。

同时，光电探测与声呐探测相比，也有如下优点。

①战术机动性好，可装在飞机、水面舰船和潜艇中进行多层次探测。

②搜索、探测速度快，例如，潜艇光电桅杆只用4s即可完成海面视距距离搜索，而用声呐系统，至少要在7s以上。

③对同样大面积水域探潜探雷，激光系统要比声呐系统快10倍以上。

④定向精度和分辨率更高。

⑤激光探测受水流、水温等因素影响较小，而且隐蔽性和抗干扰能力优于主动声呐系统。

当然，光电探测与雷达和声呐探测相比，也有一些缺点。在未来的高科技信息战中，电子通道、声学通道和光电通道三者并驾齐驱，相互补充，相得益彰，缺一不可，而且光电探测系统作为新兴的高科技装备，正处于日新月异的高速发展时期。

光电探测系统在军事应用中也起着重要的作用。最为常见的作用有侦察/搜索作用、瞄准/跟踪/火控作用、武器的制导/定向导航作用等战术作用。光电探测系统是综合C4I系统的一个重要组成部分，通过军用光电探测系统能建立中、近、远程光电攻防通道；能建立对空、对海、对陆目标光电打击通道；能建立潜艇攻防光电通道；能建立光电天文定位通道。特别是，建立潜艇攻防光电通道，在光电潜望镜和光电桅杆伸出水面执行侦察任务时，均具有快速周视搜索能力，加之在头部采取流线型结构、雷达波吸收材料等措施，极大减少了暴露电磁谱的概率等优点。

2.6.2　光电探测跟踪系统

光电探测跟踪系统有舰载和机载两种安装形式。舰用光电跟踪仪是一种典型的舰载光电探测跟踪系统，它已广泛应用于舰船上。光电跟踪仪和武器系统配合使用，也可作为光电支援措施，与需要精确确定出目标方向的光电对抗设备连用。目前，大多数光电跟踪仪采用TV、红外摄像机和激光测距仪这三个光电探测器件。

舰用光电跟踪仪一般由位于甲板高处的光电探测头（图2-53）和甲板下的显控台两大部分组成。在光电探测头中装有TV摄像机、红外热像仪和激光测距仪等光电探测器。它们在显控台控制系统控制下可进行方位和俯仰旋转。在显控台面板上，装有图像显示器、键盘和各种操纵器件。显控台内部装有图像信号处理器、跟踪信号发生器、主控计算机以及随动系统等。

TV摄像机和红外热像仪的作用是相同的，实现对目标的捕获和跟踪。TV摄像机工作在可见光波段，主要在白天使用。红外热像仪主要供夜间和战场烟雾较大的白天使用。一般情况下，这两种成像器件在能见度较好的情况下，对0.2m²小型掠海反舰导弹的探测和跟踪距离为5～10km，跟踪精度为0.1mrad左右，激光测距仪普遍采用工作波长为1.06μm的Nd：YAG激光器，测量距离达10km，精度为±（5～10）m。测距率为10～20次/s。

显控台是光电跟踪仪的控制、显示和计算中心，战术作用是对光电探测头的高度和方位旋转进行控制、图像处理和显示、选择跟踪方式、弹道预测和控制对接武器。光电跟踪仪在显控台控制下，对目标进行捕获、跟踪、目标坐标数据测量以及和武器对接等。

显控台内的图像信号处理器是光电跟踪仪的关键部件，它包括预处理器、特征提取和特征选择器、目标识别器和跟踪处理器几部分，其作用是提取出图像跟踪信号并通过主控计算机控制随动系统，并带动光电探测头跟踪目标。

在图像信号处理器中，预处理器用来对图像信号进行预先处理，以改善图像质量或减少运算量，大体分为去噪处理、图像校正、数据压缩和图像增强及补偿等步骤。特征提取和特征选择器是将从原始灰度图像中提取出图像描写的特征，然后根据图像识别及跟踪的需要，按照特征选择原则选取有用的特征进行运算，目标识别器是根据所选择的目标特征，按照一定的分类准则对目标进行分类识别，包括运用统计方式的光谱识别、运动参数识别、亮度识别等。跟踪处理器是成像跟踪系统的关键部分，通常采用的跟踪模式有形心跟踪、相关跟踪、对比度跟踪等多种。在实际工作中，根据情况可选用一种跟踪模式，亦可同时采用多种跟踪模式。跟踪器还具有跟踪状态的估计和状态的转换以及滤波和目标状态的预测等功能。除上述自动跟踪方式外，还可以由操纵手实现手控跟踪；在目标丢失情况下，光电跟踪仪根据目标预测数据，进行记忆跟踪。

根据需要，光电探测器件可灵活配置，亦可与雷达组合安装，见图2-53，从而形成光电跟踪仪多种配置结构。例如美国计划装在阿利·伯克级（DDG-5）宙斯盾导弹驱逐舰上的MK46Mod0光电跟踪仪则未装备激光测距仪，而法国的“红外眼镜蛇2000”型则加装4台光电探测器件：一台CCD TV摄像机、一台激光测距仪、一台3～5μm中波红外热像仪和一台8～12μm长波红外热像仪。另外，瑞典的9LV200系列光电跟踪仪还与跟踪雷达组装在同一跟踪座。21世纪舰用光电跟踪仪仍是最主要的舰用光电设备之一，其发展趋势是：广泛采用目视安全激光测距仪，例如工作波长为1.54μm的喇曼频移Nd：YAG激光测距仪；组装在沿海区域工作性能更佳的3～5μm热像仪；组装第二代红外焦平面阵列器件；逐步采用非致冷型热像仪，以便大幅度降低现役光电跟踪仪的体积和重量等。

2.6.3　红外搜索与跟踪系统

红外搜索与跟踪系统可承担探测导弹之类的威胁目标，可执行早期警戒、自动搜索、探测浮雷、识别远距离目标、夜间导航等多重任务。国外该装备有很多，主要有法国的Matra Defense和SAGEM公司的SAMIR（DDM），美国Cincinnati公司的AN/AAR-44，法国SAT和SAGEM公司的VAMPIR MB，荷兰Signal公司的SIRIUS（天狼星）等。

红外搜索与跟踪系统的关键技术是红外探测器和信号处理机。红外探测器选材和制作十分关键。因为热力学分析表明，接近环境温度的物体在8～12μm长波段的红外辐射较强，而温度较高的物体，例如目标发动机或羽烟，则在3～5μm中波段的红外辐射较强。8～12μm红外辐射的主要问题是在大湿度地区衰减较大，致使探测距离锐减；而3～5μm红外辐射受此影响较小，尤其适合于沿海使用，但当空气温度低于20℃时性能变差，并且受太阳反射光干扰较严重。为了使红外搜索与跟踪系统能在各种环境下探测各类目标，目前研制的红外搜索与跟踪系统多数采用双红外波段探测，并且采用新一代红外焦平面阵列器件。由于红外搜索与跟踪系统中的红外焦平面阵列探测器是在旋转中扫描工作，因此主要选用多排线阵型，例如288×4元阵列、300×10元阵列等。红外探测器材料多选HgCdTe材料；对于3～5μm波段探测来说，也可考虑选用InSb材料。

研究并采用具备每秒上千亿次处理能力的数据处理机是红外搜索与跟踪系统成功的关键所在。因为信号处理机的作用是把微弱的目标信号与各种伪信号（如太阳闪光）和背景信号（如云）逐步分开，最终提取出真实目标信号。红外搜索和跟踪系统的信号处理十分复杂，主要技术包括空间处理、时间处理、空时处理、多频带处理、多频谱处理、极化处理和自适应处理等。为增加系统探测弱小目标和去除伪目标信号的能力，系统必须对几百万个像素逐个进行处理。这样，所需要的数据处理率就高达每秒上千亿次。

（1）SAGEM旺皮尔（DIBV-1A）/旺皮尔MB（DIBV-2A）

早期的“旺皮尔”系统（舰用防空周视红外系统）完全用于监视，之后法国海军建造技术局开始研制用于武器控制的红外搜索和跟踪（IRST）系统。现在第二代红外搜索和跟踪系统旺皮尔MB系统已经研制出来，并作为DIBV-2A投入使用。

旺皮尔MB系统是OP3A（反导自防御改进计划）的一部分。法国海军舰船自卫系统（SSDS）已经安装在“乔治·莱格”级之一的驱逐舰让·德·维埃纳号上了，见图2-54。

旺皮尔MB系统是提供周视监视的红外搜索和跟踪系统。它被用于探测、识别和指示空中和水面目标，并同时提供辅助导航性能。它包括直径为550mm，高为1.50m的旋转传感器头以及显示系统，传感器头位于固定的传感器模块（包括信号处理装置、伺服控制和电源装置）上。它能够同时跟踪高达50个目标，据说，系统还能够在27km（14.5海里）的距离上探测导弹，在25km（16海里）距离上探测战斗型飞机。

传感器头的孔径为20cm，双轴陀螺稳定平面镜反射辐射到两个固定的平面镜上，接着通过二色分光镜到传感器模块上的光电子系统。红外系统包括在3～5μm和8～12μm波段工作的第二代红外电荷耦合器件（IRCCD）焦平面阵列（288×4）。传感器提供360°的方位作用范围，在仰角方向提供了5°的瞬时视场。系统的俯仰作用范围是-20°～+45°。

数据呈带状制式出现在显示荧光屏上，根据三带，每波段显示景物和用于潜在威胁接近的300m性能。字母数字数据用于目标信息以及显示舰船方位信息。

旺皮尔MB系统通常在遥控方式下工作，监视和目标指示信息通过舰船作战系统自动地传递到武器系统。低效独立方式用于把数据直接传送到武器系统。表2-3列出了旺皮尔MB技术指标。

（2）SIRIUS（天狼星）

SIRIUS系统（图2-55）是远程红外监视和跟踪系统（LR-IRST），用于加强对水面舰艇的水平搜索性能以防御掠海反舰导弹。SIRIUS系统在任何情况下使用都能达到最佳的性能，不仅在地区防御中，而且在要点防御演习方案中。它能够与任何作战系统相结合，也能与任何传感器系统密切配合，例如从简单的跟踪雷达或自动近程武器系统到主动相控阵雷达。

一探测到目标，目标就被跟踪，然后获得证实的跟踪数据信息，供作战系统使用。进一步的跟踪和目标分类产生了警报，换言之属于威胁目标的目标跟踪信息被武器系统直接使用。它是一种完全三轴稳定双红外波段系统。

SIRIUS系统预定与改进的“海雀”导弹系统一起工作，并且已被证实的红外搜索和扫描技术为基础。它增加了第二个探测器头，用来提供双波段的作用范围和提高红外信号处理以及信号判读算法，并且以60r/min的速度旋转。SIRIUS回到原始的红外搜索和扫描原理，对完全稳定头部增加了3～5μm摄像机和8～12μm摄像机。探测器提供了具有时间延迟积分的300×10元和300×8元的阵列，也包括互补CMOS读出技术。在传感器头内使用了16位模拟/数字转换。使用信号公司的闭环斯特林机可以把温度冷却到-196℃。系统的可达探测距离大约是30km（16海里）。表2-4列出了SIRIUS系统技术指标。

（3）红外监视远程热像仪

美国Raytheon公司研制了一种红外监视远程热像仪，主要用于前进观察员观察、识别目标和火炮射击指向，其主要性能见表2-5。

2.6.4　潜艇光电潜望镜和光电桅杆

潜艇光电潜望镜和光电桅杆是20世纪80年代以后发展起来的新一代潜望设备，与传统的光学潜望镜相比，不仅获取外部光学信息的手段更加丰富，而且降低了暴露给敌方电磁信息的概率。

光电潜望镜有攻击型和搜索型之分，其特点是：除保留传统的目视光学通道外，还可选装昼光/微光TV（均有黑白和彩色两种制式）、红外热像仪和激光测距仪等光电传感器。微光TV的工作波长延展到近红外区，在黄昏、黎明和星光下有很好的图像效果。红外热像仪则使潜望镜的工作时间扩大到整个夜间，并且在有烟雾和小雨的白天，工作性能也较好。光电潜望镜的特点之一是：可选装几种光电探测器件，另外还可选装显控台。因此，光电潜望镜除具备光学潜望镜一样的作用外，还可借助显控台显示昼光、微光和红外图像，并对潜望镜进行遥控。

光电桅杆是在光电潜望镜基础上发展起来的潜望镜高级形式。它有以下几个特点：①TV探测器件取代目视光学通道，并与热像仪与各种电子天线构成光电-电子传感器头；②用多级伸缩桅杆取代传统的潜望镜管；③用显控台完全取代了传统的潜望镜目镜观察头。由于显控台具有图像显示、控制和图像处理等多种功能，所以光电桅杆与光电潜望镜相比，可以认为是实现了探测的全光电化、控制的全自动化、显示的大屏幕化以及数据“融合”处理的全计算机化和信息传输的全光纤化。

光电桅杆主要有下列优点：①增强了获取信息的手段和能力，桅杆的光电头实际上是一个可置放各种光电/电子传感器的平台，因此指挥员通过它可获取大量的电磁频谱信息；②可昼夜工作，从而扩大了获取信息的时间；③可多人观看显控台大屏幕图像，集思广益，可进一步提取出更多的光电信息；④具有快速周视搜索能力，从而使光电潜望镜/光电桅杆在4～6s内，完成海空搜索，而用常规光学潜望镜，则至少要在10～20s才能完成，减少了潜艇暴露在水面的时间；⑤桅杆可做成流线型和涂覆雷达波吸收材料，增强了对抗能力；⑥与潜艇战斗系统连接，从而构成潜艇整个信息战的一个部分。

光电潜望镜/光电桅杆在潜艇中有多种配置方式。一种是光电攻击潜望镜和光电搜索潜望镜配对使用。例如德国研制的SERO14型/15型光电搜索/攻击潜望镜已装在挪威“优拉”级潜艇中。另一种是光电潜望镜与光电桅杆配合使用。例如法国的M90光电潜望镜与OMS光电-雷达桅杆组合装在“凯旋”级弹道导弹核潜艇中。这种M90光电潜望镜有攻击和搜索双重功能。从光电潜望镜发展看，它的攻击性能和搜索性能的界线正逐步淡化。第三种可能的配置是只需一根光电桅杆。例如，英国皮尔金顿公司认为，在潜艇上只要安装该公司的一根CM010光电桅杆即可。但另一种看法并不赞成潜望全光电化，即要求至少保留一个直接目视光学通道，其理由是认为光电图像质量远不如光学图像的高，而且还存在可靠性问题。因此，在今后很长一段时间，会存在光电潜望镜和光电桅杆不同配置方案的情况。

（1）86型战术光电桅杆

86型光电桅杆是美国科尔摩根公司的第一种非穿透性光电桅杆系列，采用模块化设计，它不仅装备有各种观测传感器，还配有ESM、GPS和通信天线，它将各种现代化的传感器都集成在单个桅杆上。86型光电桅杆的头部结构见图2-56，其主要性能见表2-6。

86型光电桅杆技术特征是：①完全可靠的电子摄像（电视摄像/热成像）；②眼睛安全型激光测距仪；③快速周视全景显示；④编程自动扫描模式；⑤电子放大；⑥数据记录和检索；⑦简易功能齐全的人机接口；⑧实时图像增强；⑨COMM/GPS/ESM天线。

（2）PMP光电桅杆系统

PMP光电系统是美国科尔摩根公司研制的，之后用新的传感器、新的电子线路和遥控操纵台进行改装（图2-57为PMP光电桅杆的部分结构）。其主要性能见表2-7。

PMP光电桅杆系统技术特征是：①彩色电视摄像机；②黑白电视摄像机；③热像仪；④眼睛安全型激光测距仪；⑤全向的、测向（单脉冲）ESM；⑥COMMS/GPS。

（3）SERO14/15光电潜望镜

SERO14/15光电潜望镜是德国卡尔·蔡司公司（图2-58）的，已经装备到了挪威的ULA级潜艇上，它们还装备到了德国和意大利的212A级潜艇上，其主要性能见表2-8。

PMP光电桅杆系统技术特征是：①目镜中数据显示；②光学测距仪；③激光测距仪；④数字接口监视器；⑤多种光学滤光镜；⑥红外摄像机。

（4）CK038搜索潜望镜和CH088攻击潜望镜

CK038搜索潜望镜（图2-59）和CH088攻击潜望镜（图2-60）能够同现代所有的中型潜艇相兼容，可靠性高，具备武器系统的电子接口，模块化设计，光学元器件的性能高，具备夜视能力，数据和图像能同高级的光电桅杆CM010相接口，可升级改装并且维护成本低。其主要性能见表2-9。

PMP光电桅杆系统具有如下技术特征：①高性能的传感器：三轴稳定、逼真的高亮度彩色摄像机、所有传感器公用单窗口；②图像处理：实时图像处理、对实时摄录的图像进行快速准确的目标分析；③隐蔽特性：声学、可见光、雷达和热特征波形较小；④可编程操作模式。快速周视、连续观测、抓拍、桅杆暴露时间短；⑤先进的人机接口：易于操作，能适应用户的具体要求或者具体的操作台，操作员训练装置，支持潜望镜操作。

2.6.5　光电成像探测系统

（1）SeaFLIR光电吊舱

SeaFLIR（图2-61）能在海上工作，装有功能强大的陀螺稳定热像仪和远距离彩色CCD摄像机。SeaFLIR是一种加固紧凑型组件，海上应用和空中应用的性能相同，提供远距离红外探测和彩色可见光探测能力。

SeaFLIR结构紧凑，尺寸小，这种轻重量和小尺寸降低了结构载荷，提高了平台的稳定性，因此SeaFLIR适装于所有的水面舰船和飞机上，具有很好的成像能力。

SeaFLIR可以工作在一个安全的隐蔽距离，并能在各种阴影甚至夜晚条件下清晰地观察到水天线。系统使用的是3～5μmInSb焦平面阵列，具有10:1×连续变焦。

SeaFLIR的彩色CCD具有10:1连续变焦能力，在昼光条件下具有很好的观察能力，还能在多尘的条件下工作。

按照军标MIL-STD-461和801E进行实地试验后证明，SeaFLIR系统具有的防水密封、加固部件、特殊的耐腐蚀涂层以及内部加热装置都使系统满足了海上应用的要求。SeaFLIR系统已在美国海军和美国海岸陆战队得到应用。

SeaFLIR的标准特征是具有人机工程学手动控制器、三种模式跟踪和自动扫描。另外，SeaFLIR的连续360°旋转包括对天顶的自动成像能力。系统还能与一些其他的设备连接，如雷达、GPS以及火控系统等。

SeaFLIR的应用范围：海岸与港口巡逻、海上巡逻、侦察与监视、搜索与援救、探雷、反水面战、导航与态势告警、防撞、禁毒、环境监测、反恐怖等。SeaFLIR的主要性能见表2-10。

（2）MarkⅡ光电吊舱

MarkⅡ是一个稳定的红外和可见光成像系统，广泛运用到直升机、固定翼飞机和无人机上（图2-62）。这种先进的成像系统的主要应用包括执法、搜索与救援等。

MarkⅡ成像系统使用了前视红外（FLIR）成像模块和昼光CCD摄像机。MarkⅡ的FLIR具有两个遥控放大倍率（1×和6×），另外还具有一个瞬时光电变焦，提高热灵敏度，同时将图像放大2倍。彩色CCD摄像机包括一个自动光圈，能在变化的光照条件下保持良好的图像质量。CCD摄像机也具有从1.1×～7×的连续光学变焦能力。另外，MarkⅡ上装有满足军标的电子模块，能连接和控制其他机载电子系统，如探照灯、从动和自动跟踪系统等。

MarkⅡ的重量轻，飞行特性提高后，能为任务计划人员和机上人员提供更大的灵活性，装载更多燃油，增加其他任务载荷。加固型常平架系统也具有先进的陀螺稳定性，减少振动带来的图像模糊，提高目标跟踪能力。

MarkⅡ的人机工程学手持控制使操作员能方便地完成目标跟踪、聚焦、视场切换和图像处理。MarkⅡ系统还包括RS-171或CCIR输出，提供与VCR和图像数据链的接口，并能实现遥控。

MarkⅡ的应用范围是EMS、搜索与援救、环境监测、UAV，MarkⅡ的主要性能见表2-11。