1、学 号:报告完成日期： 二一五年一月十二日总 成 绩：光电传感器在战场侦察车上的应用与发展 目前, 世界各国均已认识到, 战争将是在核威慑条件下常规武器战争向数字化战争发展, 作战方式和作战手段将发生重大变化, 且精确制导武器已被大量应用, 武器的射程、命中率和杀伤率都已达到极高水平的作战模式。在战场瞬息万变的情况下, 为充分发挥部队和武器的最大作战效能, 实时、准确地了解战场动态、敌方战区和全纵深内的战略及重要战术目标的有关图像信息显得越来越重要。因此,各国都在发展先进的侦察车以争取赢得战争的胜利。若按操控分类,目前的战场侦察车可以分为有人侦察车和无人侦察车2大类, 其主要用途都是利用侦察车
2、上的侦察设备对战场目标进行监视和侦察, 在昼夜任何时间和复杂条件（包括雨、雪、雾、烟 幕、屏障和强烈光源干扰等情况）下, 对目标进行搜索、探测、识别和监视。无人侦察车的发展与应用可使部队面临的风险降到最小,还可使作战手段多样化,增强指挥官的应变能力,把人从武器系统中解放出来,降低了防护要求,缩小了车辆的体积,提高了作战平台的生存能力和作战效能。因此, 从战略意义上来说, 无人侦察车必将产生极其深远的影响。无论是有人还是无人侦察车,其受到青睐和赏识的最主要的原因都是侦察平台传感器。通过传感器的侦察系统,实施昼夜全天候侦察,可以提高武器系统性能 15%150%,并提高武器的单独作战能力和战术性能。
3、一、国外传感器系统在侦察车上的应用状况 过去, 在自动化技术成熟之前, 各国对所需要的侦察传感器从来没有很好地解决,仍然依靠人控制的平台实施侦察。据称,美国陆军在国家训练中心进行的演习中,其侦察兵遇到真正对抗时,信息丢失率竟高达50%,究其原因是侦察平台性能远远不能满足数字化战场的需要。因此,这给各先行部队侦察车带来了重要的课题,必须对侦察车进行 重大的革命性改进。以美国为首的许多国家已投入了大量的高技术力量,对各种传感器作了重点开发和研制,使其除了具有在空间和时间上进行不间断的警戒监视、实时目标识别、位置标定和目标状态确定等功能之外, 还提高了各种传感器的数据收集、自动目标识别及处理功能,以
4、及与其他数据进行融合的人工智能传感器的功能。因此, 多样化、多功能、高效的传感器正在越来越多地出现。例如, 欧洲和拉美国家已把新的集成传感器用于奥地利和德国的“芬耐克”, 英、美的“垂宽”及捷克的“斯奈卡”等侦察车; 美国研制的远距监视侦察系统（LRA S3）是一种美国陆军侦察用的多传感器系统,具有昼夜目标探测、分辨、识别和测距等能力,可在威慑区外执行侦察任务。类似的还有俄罗斯研制Credo21s多传感器系统,波兰 98型BRDM22侦察车上的多传感器系统,德国研制的BAA传感器RGV,捷克Snezka侦察车装备的一种新型多传感器, 加拿大RV SS侦察车上的监视系统,南非A S2000 增强
5、型炮兵观察系统,瑞典的球型光电传感器地面侦察系统,荷兰和德国联合研制的“郭狐”侦察车,美、英联合研制的“追踪者”战场侦察车多传感器系统。传感器有如侦察车的眼睛和耳朵,因此合理选择传感器就显得格外重要。目前各国根据经济状况 和使用条件等要求, 在侦察车上配置了档次高低不 同、数量不一的传感器, 但大致不外乎选用可见光 观瞄镜、夜视镜、激光测距机等一般光电传感器。随 着高科技的迅速发展, 高性能的传感器将不断开发 和应用, 如英、美“垂宽” （TRACER）gFSCS 将装备一套先进的 C4I系统和一个先进的可升降的全天 候多光谱传感器系统（包括长距离的第三代传感 器） , 可自动进行目标探测和识
6、别; 另外还有一组先 进的数据融合、显示器件, 采用激光指示目标定位, 并自动传输目标信息。美国远距离监视侦察系统 （LRA S3）传感器包括二代前视红外热像仪、微光 电视、人眼安全激光测距机、全球定位系统（GPS）、 数字指南针等多传感器, 其中采用地平线技术集成的 HT IgSGF 热传感器可在任何战场条件和恶劣 天气条件下全天 24 小时进行侦察。捷克是最早将升降式多传感器用于战场的国家之一, 其“斯奈卡”（Snezka） 侦察车的13m升降桅杆上装有一部“太 斯拉”BR2140Ig J 波段战场监视雷达, 在其下边有 一个光电传感器, 包括一个激光测距机, 一个探测 距离为7km （窄
7、视场情况下为 9 km ）的热像仪和3台768576像素的CCD昼夜电视摄像机（一台二代mcp像增强器, 对坦克的探测距离为1.6 km; 另外两台为近红外昼间摄像机, 对坦克的探 测距离分别为10 km和5 km ）。“罗太尔”车上的一个11.5 m可升降液压桅杆顶端装有一个长距 离变焦昼间电视摄像机和一个带变焦功能的三代 像增强器。瑞典“萨伯” （Saab）推出了由机载SEOS球形光电传感器衍生的一种陆用型产品, 它的头部 包括一个4框架万向架稳定平台, 装有“皮尔金盾” （Pilkington） Synergi812m 热像仪、两台近红外CCD摄像机、一台昼光彩色电视和一台激光测距机。S
8、EOS被称为“真正的多传感器系统” , 不同 的传感器同时运行, 利用传感器融合技术协调它们在一个屏幕上的输出, 内置操作手装置可以在屏幕上给出目标指示, 以提示操作手切换入热像仪或建立平行图像的分屏显示。俄罗斯“科莱多” （Credo） 在BRT280 88车上装有一部J波段雷达, 能探测到15km外的士兵或炮弹爆炸及 40km外的装甲车轮; 在雷达下面有一台激光测距机, 一台昼光电视摄像机, 对士兵和车辆的观察范围分别为6km和10km , 识别范围分别为 3km和6km; 另外还有一台热像仪, 对士兵和车辆的观察距离分别为3 km和6 km。整套装置装在一个可折叠的12m桅杆上, 光学系
9、统采用稳定系统。针对现有侦察车存在的问题, 美、英开始联合研制FSCS侦察车, 它装有一套先进的C4I系统、一个先进的升降式一体化全天候多频谱传感器系统、一个自动目标识别系 统以及能够融合显示数据的装置, 大大提高了远距 离探测、定位、激光指示、自动目标转换及精确的目 标交战能力。美国国防部正在研制的Demog地面无人侦察车, 配有一台单色小视场CCD 摄像机、一台768484像素的中视 CCD 摄像机、一台256256 像素的红外热像仪（用fg2.3光学系统提供1毫秒的积分时间和外部锁定能力）、激光测距机及 激光雷达（可提供60次g s、12864像素扫描的三维图像, 可测距离为150m ）
10、和一台频率为77 GHz 的调制连续波雷达。美国陆军还在研制装 在可折叠升降 45 m 桅杆上的超宽波段合成孔径 成像雷达。 二、传感器的选择和发展 选择合理的传感器是比较困难的工作, 对不同 的使命、用途、条件而有不同的选择, 不可一概而 论、千篇一律。从上述材料可以看出, 不同的国家所 采用的传感器组合也不尽相同。未来作战系统具有机动网络指挥、控制、通信和计算机处理等功能。1、昼光摄像机 严格地讲, 红外摄像仪能够在白天使用, 可提供基本的可见光标准图像。一般情况下,图像的分辨率和边缘的清晰度相对于标准图像有一定的衰 减。此外,为了获得所需要的距离, 要安装一个适当尺寸的红外望远镜, 且成
11、本高昂。而昼光CCD摄像机采用了电荷耦合的成熟技术,分辨率很高,价格较低,在气候和能见度等条件较好的情况下, 可用 于白天监视和侦察。有的侦察车上采用单色摄像机,有的采用彩色摄像机。一般情况下, 单色摄像机的分辨率和灰度等级比彩色的高（个别情况除外, 如南非DENEL集团LEO2g2A 39产品中, 彩色摄像机的分辨率为750TV线, 有源像素为750H582V） ,自动跟踪性能优于彩色摄像机,用于对空目标时较为理想;但人眼对彩色较敏感, 真实感较强, 因此彩色摄 像机用于观察地面目标时优于单色摄像机。另外,系统传感器组合时常用彩色大视场或中视场, 在高速行驶中观察远距离目标时用单色小视场。为
12、了实现多传感器的图像融合, 有时也在车上 同时使用多台单色和彩色摄像机, 以便获得更多的 目标信息。选取摄像机时, 应充分考虑到成本、分辨率、尺寸、重量、所需功率、传感器敏感度、传感器积分时间、与多个摄像机同步的能力、控制增益、孔径大小以及是否能配上达到视场要求的透镜等因素。2、微光夜视仪和微光电视 随着时间的推移, 红外热成像技术的发展将使像增强器技术迟早被淘汰, 但近几年来, 由于夜视技术的迅速发展, 像增强器的成本降低, 性能和质量不断提高（如现有的三代管比早期的三代管性能提高了约2倍, 成本降低了1倍, 四代管在美国军队也已应用） ,微光夜视仪器的价格较热像仪便宜, 而且体积小、重量轻
13、、后勤保障和维修也较容易, 因此在一定时期内, 微光夜视仪仍将作为各国军队侦察车上的装备之一。 国外许多国家把CCD摄像机与像增强器耦合, 用于车载微光电视系统。它可在夜间使用,进行开路传输和实时处理远距离视频图像、滤除噪声、 提高反差、改善信噪比, 以增加观察和瞄准距离, 进 行夜间自动目标识别和微光图像自动跟踪。例如, 美国的“夜视窗、”法国的汤姆逊CSF、CANDSTA、 D IV T13B、德国的 PZB200、瑞士的 2704 等微光电 视系统, 已装备在豹1主战坦克、 M248主战坦克、大山猫装甲侦察车等坦克和侦察车上。 随着新技术的开发, 夜视技术取得了巨大的突 破, 微光夜视系
14、统的I2技术与红外和激光器等技术的融合增加了仪器的作用距离, 如美国利用红外 系统与微光直视 I2 技术相融合, 使目标识别性能 和作用距离可以提高23倍。 3、热像仪 热像仪的工作原理是利用目标与背景之间的温差形成的热点或图像来探测、识别、瞄准和跟踪 目标, 能够在昼夜工况条件下工作。它具有穿透烟 雾和人工障碍以及抗光学干扰的能力, 具有分辨率 高、探测和识别距离远等特点。随着热成像技术的发展, 热像仪从一代、二代发展到三代, 性能不断提高, 如南非DEN EL集团的LEO2g2A39三代35m焦平面热像仪（768H576V ）就是各项性能指标均很高的热像仪。由于三代在规定的性能范围内尺寸可
15、以比二代减小一半, 成本也因没有扫描器而降低, 因此将广泛应用于监视和侦察系统。目前在侦察车上究竟采用何种波段的热像仪, 国外已在20世纪8090年代对选择红外波长问题作了大量的研究。研究结果表明, 远程红外传感 器的最佳波段主要取决于目标特性、技术和环境条件。就目前的探测技术而言, 除了高温、高湿目标外, 812m 波段的热像仪对各种目标的探测性能都较高。35m 波段技术具有很大的改进潜力, 该波 段除了在较干燥或烟雾较多的大气中优势不明显外, 在热带海洋环境中, 只要目标足够大（像素尺寸） , 对于水平光路上接近背景温度的远距离探测极限目标表现出其较明显的优越性。对于较热的目标, 3 5m
16、 系统在较短距离或对小目标表现出优越性。对于斜光路来说, 8 12m 波段 系统对除了高温目标以外的所有目标都表现出较好的性能。因此, 在选择热像仪波段时, 必须根据实 际情况进行选择。4、激光测距机和激光雷达 关于激光测距机的现状, 许多国家使用的是人眼安全激光测距机, 常见的有波长为 1.54m 的 喇曼激光器。 随着近年来激光雷达技术的发展, 有关人员正 在不断开辟其新的应用领域。激光雷达的工作原理 是使用一个超稳定的激光发射机, 像雷达系统一样 来询问目标, 然后接收目标反射回的能量并进行处 理, 收集距离和速度数据, 最后生成一个高分辨率 的距离图像。它可用于大气监测、障碍回避、化学
17、战 剂、干扰、侦察和监视等领域。 作为光学传感器的激光雷达, 由于它可以获取 包括距离信息、目标物和地形等的三维精密图像, 在自动目标识别中具有较高的识别几率, 并将在 C4 ISR 中起到重要的作用。 激光雷达距离信息与 FL IR 的传感器图像叠 加, 可以准确地获得出现在 FL IR 上的目标大小。 因此, 从传感器的发展来看, 今后必须加强我 国侦察车上激光雷达的研究和开发工作。 一是多光谱技术。为了提高侦察系统反伪装、反隐蔽、反欺骗的能力以帮助侦察系统在不同波段上辨识伪装或隐 蔽的各种目标, 可采用多光谱技术。多光谱技术是 通过处理在同时、同地获得的紫外到红外波长的光 学图像, 来实
18、现从自然景物提取人为景物的技术。 它对光、雾、烟雾等具有较好的抗干扰性, 通过利用 可同时探测红外、可见光等波长的多重传感器及传 感器数据的融合, 可避免噪声和干扰, 提高对目标 的探测能力。目前, 美国和日本等国已对多光谱技 术进行了大量的研究, 美国“赛尔斯”光电侦察系统 采用固体焦平面阵列, 能在 7 个频带上搜集信息和 拍摄多光谱图像。二是多传感器图像融合技术。成像传感器的输出增加或数据合并, 为使用者提供了大量的信息, 这一过程通常被称为传感器图 像融合。目前常采用图像预处理技术关联处理和配 准算法、象素级融合处理的数学模型和算法、空间 滤光处理、图像增强、人工神经网络与显示等技术,
19、 把多传感器的图像信息融合在一起, 以便获得高清 晰度图像。 图像处理使用全数字视频标准或利用光学系 统数字化的许多特征, 可以大大减轻操作员的侦察、监视负担。 三是桅杆的应用和分析。光电传感器可直接安装在固定或可升降平台 或三脚架上, 但为了便于在崎岖地形、林地或有障 碍物处工作, 增大传感器作用距离, 扩大侦察覆盖 地域, 实现以少量光电传感器共同监视较大的作战区域, 侦察车上的光电传感器常装在可升降的长、中、短桅杆上。由于各国使用情况不同, 有 1.5、2、4、7、10、11.5、12、13、14 m 等不同长度的桅杆。德国采用的双桅杆较之单桅杆具有更好的稳定性, 它可直接安装在固定或可
20、升降平台或三脚架上, 其形 式有固定式和升降式（也有可同时进行折叠和升降 的）两种。升降式桅杆可分为机械、液压、电动等工作方式, 根据使用要求和条件的不同, 可分别采用 升降式长、中、短桅杆。桅杆随着侦察车发动机的运动会产生较大的 振动或线性运动, 使传感器的图像质量变差。由像质下降的情况和调制传递函数可看出, 像质下降的程度取决于曝光时间te与正弦运动T 0周期间的比率。若te T 0, 则图像模糊半径是振动位移幅值的2倍。若给定某一振动能量, 高频振动的模糊半径将 因为周期较短而比低频振动的模糊半径小得多, 而 且低频振动常常会引起更严重的图像模糊。 从振动分析看, 振动影响图像质量的情况表现 为: 如果间歇时间超过振动时间, 图像质量就会变 差, 这是因为在间歇期目标实际上还在运动。这种 情况类似于在对高速运动物体进行摄影时遇到的 问题, 如果快门速度不够, 无法捕获运动目标, 相关 的目标和背景就是模糊的。通过国外对振动的大量统计概率分析, 认为由 于机械振动对分辨率的影响, 而使用高分辨率传感器会造成很大的浪费。用一个统计的预期的分辨率 就可以按实际用途选择传感器。
