浅谈机载光电设备的几个问题

万磁王

原作者：兵器迷的天空  


　　2014年3月1日，2011号歼-20首飞后，细心的军迷发现机头下方有一个鼓包。

图1：2011号歼-20的下巴

　　2015年12月26日，黄皮2101号歼-20现身，2016年初首飞。随后网上出现首飞清晰大图。网友们再次指着同样部位的鼓包惊呼“这有一颗痣，这里明明有一颗痣！”

图2：2101号歼-20的下巴

　　关于这个鼓包的作用，一时间议论纷起，什么IRST，EOTS，EODAS，AUEODS，红外搜索、光电火控、分布式孔径系统……各种专业词汇满天飞，很多观点还有相互矛盾之处，让人摸不着头脑。比如：
　　各类机载光电探测系统的有什么特点？
　　红外光电设备能作为火控吗？
　　EODAS和EOTS是什么关系？
　　2011和后续歼-20试验机上的这个鼓包，究竟是什么设备？
　　歼-20会采用EOTS和EODAS吗？
　　等等。
　　那么今天，我们就机载光电设备领域的几个问题，来做一点探讨和交流。
　　首先，还是兵器迷的路子——先谈基础技术。
　　机载光电设备发展迅猛，技术集成化程度很高，如果不先了解一些必要的基础知识，我们很难对EOTS/EODAS这样的复杂前卫的系统做出深入的理解。对后文做出的相关结论，也难以给出合理的判断。
　　走起！

万磁王

问题一、机载光电设备大概涉及哪些主要技术？
　　机载光电探测系统，以其被动探测高度隐身为主要优势，在机载探测技术领域占有重要的一席之地。机载光电技术，仅从光谱这个维度来说，主要涉可见光和微光技术、红外技术和激光技术。这其中：
1 可见光和微光
　　波长范围是380～760纳米。
　　注：1纳米米=十亿分之一米，以下均用单位符号“nm”表示。
　　可见光探测技术属于被动探测技术，隐身性非常好。其核心应用是成像，而且可见光成像技术比较成熟，分辨率也极高。而且理所当然的，既然是（人眼）可见光，其图像目标的人眼识别率是最高的。可见光技术的主要设备，包括了微光夜视镜和微光电视、以及可见光高分辨率连续变焦电视机等等。CCD相机主要针对对可见成像，但对红外也大多敏感，也是重要的红外成像设备。
2 激光
　　波长范围大致从氩氟激光的193nm，一直到二氧化碳激光器的10600nm。
　　注：1nm=1纳米=千分之一微米
　　激光探测属于主动探测技术，需要对外发射电磁波。但是因为激光定向发光，发散度极小，大约只有1毫弧度，因此相比雷达波仍属于低可探测。
　　注：1毫弧度=0.001弧度=1密位，以下均用单位符号“mrad”表示。
　　目前其核心应用是测距。激光技术的主要设备激光测距机、激光雷达和激光光斑指示器，等等。
3 红外线
　　波长范围是0.75μm至1000μm。
　　红外探测既有主动红外探测，也有被动红外探测，我们今天主要谈被动红外探测。被动红外探测的隐身性也非常好，其核心应用是利用目标与背景的温差所产生的红外辐射信号，进行成像探测和热点探测。机载红外探测设备一般分为两类：即机载前视红外FLIR，和最近热议的红外搜索跟踪IRST。也是我们今天讨论的重点。
　　其实，机载光电系统的类别多，名词也多，而且混用非常严重，内涵不清。因此，下面的讨论重在技术原理和功能内涵的讨论，名字叫什么并不是最重要的。

万磁王

问题二、什么是FLIR
　　FLIR的全名是前视红外系统。主要用于地面目标的探测。不难想象，其主要装机设备是直升机，和具有对地攻击能力的固定翼飞机、无人机等。
　　由于地面目标数量众多，地质地形背景复杂，往往需要飞行员进行目标识别——就算是一辆坦克，如果是击毁烧着的就不用打击，如果是仍有战力的就要打击。因此其基础应用是成像。成像式探测器能显示红外辐射目标的图像，将图像与成像数据库对比，便于制导系统对目标进行分类识别与抗红外干扰跟踪。成像视场分为大小两类（也有大中小三类），一般宽视场用于探测，窄视场用于识别和跟踪。一般适合单目标识别，不适合多目标跟踪。
　　按成像方式，成像制导可分为红外光学机械扫描式成像和红外凝视焦平面阵列式成像。同时，高端FLIR往往兼具空中目标的近距成像和远距热点探测。其主要工作波长为8-12微米（μm），即所谓的长波红外。FLIR的空间分辨率可达0.1-0.4mrad，热灵敏度由于0.1℃，作用距离30km，最新改型可达50-60公里。
　　既然FLIR的基础功能是成像，那么成像器件就是设备核心。所以才有我们军迷普遍了解的三代红外成像设备，即：
　　第一代扫描线列红外探测器；
　　第二代扫描阵列红外探测器；
　　第三代凝视焦平面阵列红外探测器。
　　长波红外探测器阵元器件大多为：制冷型量子阱探测器、制冷型长波碲镉汞（HgCdTe）探测器、非制冷型多晶硅探测器和飞制冷型氧化钒探测器。
　　仅举第三代成像探测器为例：如V-22鱼鹰运输机采用了640X480的焦平面凝视红外传感器，AH-1Z眼镜蛇直升机采用了洛马AM/AAQ-30的640X512红外焦平面阵列探测器。而捕食者无人机的MTS光电跟踪设备，采用了640X480的制冷型红外焦平面阵列探测器。

万磁王

问题三、什么是IRST
IRST的全名是红外搜索和跟踪系统——兵器迷对此很有意见：仅仅从名称上看，其实根本无法知道FLIR和IRST这些概念都意味着有什么不同点。兵器迷啃墙皮的时候，发现连很多论文对此都模糊混用。因此我们下面还是侧重谈功能和应用吧。
　　与对地为主的FLIR不同，IRST探测系统主要用于对空热点目标探测。点源式探测器把目标当作辐射红外线的点，  只能显示目标的红外辐射能力，不能反映目标的实际结构与形状，  按响应方式可分为光子探测器和热探测器。主要装备固定翼战机。其中，中国军迷最熟悉的，应当是苏27的“OEPS-27光电雷达”。

图3：苏-27的OEPS-27

　　其实，将IRST叫做“光电雷达”是有几分神似的。因为IRST的工作方式大范围搜索多目标点源，与雷达的工作方式确有几分相似——想想雷达屏幕上密密麻麻的目标点。当然前者是被动的，后者是主动的。而有些文献把单目标成像为主的FLIR也称作光电雷达，就有些不合适了。当然，较真的人会说也有成像雷达啊……好吧，我们不谈名词了，谈功能，继续。
　　老毛子最新的IRST，是即将装备苏-35的  OLS系统，正面观测165°。俯仰角度分别为：15°和60°。最大观测距离对战斗机为100-150公里。对空空导弹观瞄距离则可以达到50-100公里。模块化生产总计重量不超过60公斤。
　　由于空中目标相对少，背景简单，成像需求相对小于地面搜索，因此其基础应用是点源探测，以发现热点目标为主。如发动机喷口、围棋和热蒙皮进行探测、搜索和跟踪。目标飞得越快，表面温度越高，这时IRST对目标的探测距离就越远。所以，非常适合高空高速多目标的探测。同时，兼具对地热成像和辅助导航。主要工作波长为3-5μm波段，即中波红外。
　　中波型红外探测器阵元器件大多为：硫化铅(PbS)探测器（已淘汰）、制冷型中波碲镉汞（HgCdTe）探测器和制冷型中波锑化铟（InSb）探测器。
　　说到这里，网上争论的问题来了——

万磁王

问题四、中波红外和长波红外哪个更有优势？
点评：挠挠头……这个问题还真不好说。因为二者的确各有所长。根据军方某研究院2014年的公开文献，分别做出二者的优劣势介绍如下：
3-5微米的中波红外更加适用的场景：
　　低空背景的观察；
　　高热高湿环境——所以，在热带丛林地带，或者水上舰船平台，相对比较适合；
　　300K以上的高温目标——这个特点也很赞。因为，常规战术导弹发动机，其光辐射能量主要集中在近红外1-3μm和中红外3-5μm波段范围内。特别在2.7μm和4.5μm有两个较强的辐射峰；
　　大范围多目标探测。
　　看到没？后一个辐射峰4.5μm正处于中波红外探测器3-5和4.5μm的范围内。这就是为什么中波红外常用于反导侦察的缘故。
8-12微米的长波红外更加适用的场景：
高空背景的观察；
　　有烟雾需要更好的透视能力的场景；
　　300K以下的低温目标；
　　小范围甚至单目标探测。
　　长波红外器件的罩体材料比较难找，还有很重要的一点，长波探测器的价格一般是中波探测器的2倍到3倍。
　　用中国兵工集团首席光电专家纪总的话来说：中波和长波红外，二者孰优孰劣，还是一个争议中的课题。瞧，连首席都这样讲，咱军迷对此有争论，那也是再正常不过了，呵呵。

万磁王

问题五、目前，红外光电探测器的发展趋势如何？
目前在技术发展上，有三个比较明显的趋势。
　　一是多波段探测：即长波红外和中波红外甚至短波红外可以同时探测。长波红外FLIR和中波红外IRST设备，分别侧重对地成像和对空点源，其跟踪方式、软件算法、器件材质、硬件结构都有不同。随着宽频红外敏感的材料和器件的研发获得进展，多波段、多功能合一的红外探测器，将成为新趋势。
　　二是非制冷器件：采用非制冷焦平面阵列探测器。这个大家都知道，而且会拿制冷与否来衡量国产红外探测器的技术优劣。这个判断的大方向是不错的，不过还是要补充一点：至少以目前的技术水平，从红外探测器的核心指标——灵敏度NETD来看，制冷器件依然明显优于非制冷器件。举例来说，制冷器件的帧频可达200Hz以上，而非制冷器件普遍在100Hz以下。而帧频越高，自然数据处理越精细，探测效果越好，所以高性能探测还是用的制冷器件。
　　三是高分辨率：百万像素甚至更高阶的高分辨率成像能力正在投入工程应用。由于精确制导武器和各种对抗性干扰技术的对立螺旋式发展，简单的点源制导越来越无法满足复杂战场环境的要求。精确光电制导武器的威力在很大程度上依赖于目标识别和目标跟踪的结果。因此，高分辨率红外成像制导的第四代红外导引头，必将对基础的点源制导IRST形成超越之势。
　　兵器迷说这些趋势，是啥意思呢？就是一句话，如果上述目标都能在经济科承受的范围内达到，估计FLIR和IRST就完全可以合并了。

万磁王

问题六、IFLIR、IRST能作为火控系统吗？
这个，也是网上很纠结的一个话题。
　　兵器迷对此的回答是否定的。
　　这是因为，从前文的技术来看，基础的FLIR和IRST都只是运用了被动红外技术。二者都可以在不暴露自身无线电信号的情况下，进行隐蔽的搜索，跟踪成像或点源，以保护载机的隐身性。
　　但是——均无法精确测距。
　　而无法精确测距，就难以作为火控瞄准系统使用，特别是对空中移动目标。不但进行火控级别的武器引导困难，就连侦察警戒时的多目标威胁排序都很难。因为没有精确测距能力的系统，如果连目标远近都分不清，当然也就无法做威胁排序。
　　比如，《中国航空报》文章报道了我国中航工业洛阳光电所，2014年竞标某型预警系统研制，团队进行了竞标。网上分析认为，这是安装在预警机上的前视红外搜索与跟踪系统（IRST），其技术特征可能与美国E-2D预警机上使用的SIRST系统相似。
　　如果上述分析是正确的，那么，需要补充的就是：即便是21世纪的SIRST系统，也仅具有角度跟踪能力，而不具备测距能力。也就是说，SIRST仍属被动红外技术，只能对发现的目标测角，包括方位角和高度角，但依然无法精确测距。
　　被动探测技术无法测距，或者无法高精度测距，这是目前的技术水平限制造成的。虽然被动测距技术也在发展，并创造了角度几何测距、图像测距和辐射衰减测距三类近十几种被动测距法，但成本高昂、算法复杂、限制条件多、测距精度差的问题始终没能有效解决。
　　举例来说：有些IRST是可以被动测距的。西安某大学近年来对中波和长波红外为基础的研究表表明，IRST系统被动测距时的误差在7%左右。这还是对海上匀速直线运动的情况下得出的计算结果，自然难以达到火控系统的精确要求。
　　那么，怎样才能让光学侦察达到火控要求呢？

万磁王

　上文书说道，仅仅依靠被动红外技术，由于无法精确测距，因此达不到火控的要求。那怎么办呢？
问题七：什么是光电火控系统？
其实，很多网友已经找到了解决的办法，这就是——取长补短呗。可见光电视白天分辨率高，微光和红外对夜间成像有利，激光精确测距最佳，将它们整合起来，就是昼夜合一的搜索-跟踪-瞄准的精确光电系统了。
　　对的，这种整合的系统，工作原理为：
　　1 电视跟踪仪和红外跟踪仪等战场监视及目标捕捉装置，发现并锁定目标。此时光电火控系统红外、电视跟踪仪跟踪精度通常为0.2~0.5 mrad。
　　2 调整转动机构对准目标中央位置，利用激光测距机和光电测角仪，发射激光测定目标距离和方位信息，激光测距精度通常小于±5 m。
　　3 上述信息通过数据线传到火控计算机。
　　4 火控计算机结合目标数据、气象数据、弹药数据、载机飞行数据等，计算目标射击诸元。
　　5 射击诸元传到终端机，终端机计算并装定射击诸元并传至伺服系统。
　　6 装定射击诸元实施射击。
　　因此，网上很多文章说的所谓FLIR火控系统或者IRST火控系统，其实都是将被动红外与可见光、激光等技术集成，然后再广义的命名为光电火控系统或红外火控系统。兵器迷只是为了说清楚其中的道理，大家也就了解其中的内涵就好。
　　有朋友说，那么这种集成多种技术设备的光电系统，究竟长啥样呢——

万磁王

问题八： 什么是多光路光电设备？
如前文所述，可见光+红外+激光的集成红外光电探测思路，诞生了多光路光电设备。这类设备大多有两种形态：
一、多探测器转塔（Multi-Sensor-Turret）
　　即将FLIR的前视红外、电视摄像机、激光测距/照射器甚至地形跟踪雷达等多种设备，综合到转塔形式的多轴陀螺稳定平台上，其稳定精度可以达到10mrad-10urad。
　　光电转塔在固定翼和直升机都有很多应用。实例如MQ-9无人机初期型的AAS-52转塔，AH-1Z蝰蛇的TSS，以及AH-64阿帕奇的TADS/PNVS转塔。

图4：MQ-9无人机的AAS-52型多光路光电转塔

　　中国典型的FLIR吊舱，自然非武直-10莫属。

图5：武直-10的FLIR吊舱

　　看不到光窗？呵呵，藏起来了，见下图。

图6：武直-10FLIR转塔的两种布局方式

万磁王

二、导航和瞄准吊舱（Navigation & Targeting Pod）
吊舱式FLIR多用于固定翼战机。其中最出名的是美军蓝盾吊舱AN/AAQ-14 Lantirn。该系统包括导航吊舱和瞄准吊舱。

图7：Lantrin吊舱（AAQ-13导航吊舱（左）AAQ-14瞄准吊舱（右））

　　导航吊舱可以实现2个功能：
　　1 导航功能：宽频前视场红外传感器，负责显示地形图并叠加到飞行员的平显上。
　　2 搜索识别： 前视窄视场红外传感器搜索目标，并将信息输入目标识别系统后导入小牛导弹中。
　　而瞄准吊舱可以实现跟踪瞄准功能，就是窄视场红外传感器捕获目标后，指示激光测距/指示器进行测距和目标指示。当然，除了激光测距，也可以用测距雷达进行测距后进行数据整合。前文问题三谈到的E-2D预警机，就是利用雷达测距整合SIRST进行目标跟踪的。
　　美军的F-15/F-16/F-18等战机，都大量装备了不同形式的FLIR吊舱。根据美军的半日波理论，午夜过后的地表温差是一天中最大的，这正是以温差探测原理为基础的红外探测大显身手的时候。根据中国试飞院的资料，FLIR等多光路光电设备的采用，使得美军对地攻击战机的缺勤率从平均每月17-15天下降到每月4天，每天作战时间从4-5小时上升到21小时。充分体现了光电系统的作用和优势。
　　中国与蓝盾类似的设备是21世纪初研制的蓝天吊舱，由607雷华所和613洛光所分别研制昼夜全天候精确导航吊舱和光电瞄准备吊舱组成。其简化出口版，中航工业的WMD-7光电瞄准吊舱2012年在新加坡航展上公开露面后，大家都很熟了，不赘述。

图8：枭龙战机挂载的WMD-7光电吊舱