国外舰载光电探测系统的发展

国外舰载光电探测系统的发展光电探测系统是利用目标和背景反射或辐射的光信号差异，来探测、识别、跟踪和瞄准目标的军用侦察设备或系统，它与电子、雷达、声磁等侦察装备相互辅助，互为补充，共同组成一个完整的侦察探测体系，为指挥员和作战人员提供快速、准确和全面的战场空间态势感知，以便有针对性地采取恰当的进攻或防御措施。舰载光电探测系统指用于军舰的光电探测系统，一般包括激光测距仪、微光夜视仪、热成像仪、电视摄像机以及光电跟踪仪等，这些设备具有体积小、重量轻、隐蔽性好、测距与跟踪精度高等特点。一、概述现代战争中，水面作战舰艇面临各种不对称威胁和反舰导弹威胁，从而推动了舰载光电探测设备的发展。1．性能特征舰载光电探测系统大多属无源传感器，最大的优点是没有辐射，因而不会暴露军舰行踪；其次，舰载光电探测系统不占电磁频谱，这一优点在危机管理行动中特别重要。此外，在特定情形下，用火控雷达照射对方目标会被视为宣战行为，而用光电探测系统代替雷达工作可以避免局势激化。作为成像传感器，舰载光电探测系统也具有一系列优点，首先是成像分辨率高，可提供其他侦察装备无法比拟的目标清晰图像，便于目标观测和识别；其次是可更容易地区分民用目标和威胁性目标，相关的图像还可用作法庭判案证据，在国际维和行动中是一种非常有用的工具。与雷达系统相比，舰载光电探测系统还具有精度高、分辨率高、抗干扰能力强和刷新速率快等性能优势。在低仰角范围，光电探测系统不受镜像效应或波束控制的影响，对低速移动目标的探测能力和在杂波严重的条件下对目标探测的能力都优于雷达系统，并可探测到隐身反舰导弹。2．主要用途①观测与识别通过放大、增加红外光谱和提高灵敏度，舰载光电探测系统可扩展人眼视力范围；采用稳定平台和自动转向功能，可探测移动目标，缩短反应时间；与其他舰载系统相结合可实现火控和监视功能。②防空作战北约20世纪80年代发布的《防空战研究》报告认为，防空不完全依靠雷达，红外传感器可提高对导弹的探测和预警能力，特别是在对付高速飞行、雷达截面积小的目标时，或当雷达因干扰或雷达波传播条件不佳时，红外探测系统的作用更加突出。③支持雷达传感器当需要保持雷达静默时，这种功能更加重要。光电探测系统是传感器数据融合的必要组成，它可跟踪特定目标，这样多功能雷达就可执行其他任务。④红外搜索与跟踪（IRST）如果军舰想实现真正隐身，使用无源传感器对空中和水面目标进行监视是其必备功能。⑤战术弹道导弹防御(TBMD)前沿部署的军舰可使用光电探测系统，探测战术弹道导弹的发射，并对其弹道进行推算；靠后部署的军舰可利用光电探测系统帮助雷达捕获来袭导弹，预测其拦截点，区分弹头与碎片并引导拦截。二、国外舰载光电探测系统的生产及装备情况1．美国①波音公司的热成像传感器系统美海军计划在其主要水面战舰上安装更先进的探测系统，如热成像传感器系统(TISS)和新的IRST系统。波音公司生产的TISS包括一个3～5微米热成像仪、一个双视区电荷耦合器件(CCD)电视相机和一部不伤眼的激光测距仪。这些器件安装在一个球状导向器组件中，这一组件采用了一种专利稳定技术，可把抖动降到15毫弧度。②FLIR系统公司的“海上前视红外”(SeaFLIR)系统美国已经订购了61套FLIR系统公司生产的SeaFLIR系统。该系统(军用型分别为AN/KAX-1和AN/KAX-2)现已装备在MkV特种作战舰船和“旋风”级巡逻舰上，海岸警卫队中、远航程的快艇也装备了这种系统，主要用于夜间导航；探测飞机、船只和水雷；监视海岸目标；为在敌后方执行任务的特种部队提供支援以及作战中的搜索与救援。AN/KAX-1采用了一个中红外(3～5微米)成像仪和一个不伤眼的激光测距仪，成像仪基于铟锑探测器阵列，并含有一个双视野望远镜。AN/KAX-2也采用了相同的成像仪，但用电荷耦合器件替代了激光测距仪。这两型传感器都可安装在舰船的桅杆上或轮机舱上。③L-3通信公司的光电监视系统L-3通信公司的韦斯康姆（Wescam）分公司为美军水面舰艇提供了两种监视系统，即14PS-MAR和12DS-MAR。目前仍处在研制阶段的14PS-MAR多传感器系统有5个传感器，包括一个采用六视野光学器件的高灵敏度前视红外(FLIR)传感器、一个配有20%变焦镜头的微光彩色日间电视相机、一个配有1000毫米远距离观测镜头的彩色日间电视相机、一个配有1500毫米远距离观测镜头的加强型电视相机，以及一个大功率激光照射器。加拿大海军向该公司订购了17套14PS-MAR系统，计划装备它的“易洛魁”(Iroquois)级驱逐舰和“哈利法克斯”(Halifax)级护卫舰。12DS-MAR的探测距离较短，价格也较便宜，适用于小型舰船。它采用了高灵敏度的前视红外传感器和配有20倍变焦镜头的微光日间相机。美海军和海岸警卫队已购买4套12DS-MAR。韦斯康姆公司还在负责美海军的“一体化雷达和光学舰载监视与观测系统”(IROSSS)先期概念技术演示计划，这一系统含有一个水面搜索雷达、两个监视传感器和一个小口径炮塔，能提高舰船应对快艇和低空飞机攻击的反应速度。2．荷兰荷兰TNNL公司是世界著名的军用光电探测产品生产厂家。目前该公司生产的主要光电产品包括用于火控的“了望台”(Mirador)跟踪系统、IRSCAN监视系统和“天狼星”（Sirius）高性能IRST系统。①“了望台”跟踪系统20世纪90年代研制出的“了望台”系统是一种低成本的光电监视与火控系统，可在能见度很差的条件下昼夜对海面和空中目标进行自动三维探测、搜索和跟踪；能提供可见光和红外图像以提高态势感知并进行目标识别；提供光电火控信道以对付空中和水面快速移动目标。“了望台”还可用于导航、搜索与救援、浮雷探测等。“了望台”系统包括一架用于观测和目标识别的红外相机(3～5微米或8～12微米)、一部不伤眼的激光测距仪、一架黑白电视跟踪相机、一台配有12倍变焦镜头的彩色电视相机，以及一架用于支持夜间搜索与救援和浮雷探测的备选微光电视相机。系统的传感器头采用一种碳纤维结构，非常坚固且重量很轻，符合舰船的隐身要求。无电刷直接驱动伺服系统具有高回转速度(大于每秒5弧度)和伺服精度(20微度)，能够满足对付快速移动目标所需的火控精度要求。除荷兰海军外，TNNL公司还向孟加拉国、德国和希腊等3个国家销售了舰载“了望台”系统，向委内瑞拉销售了4套陆用型“了望台”系统。孟加拉国海军“班达邦呼”（Bandabandhu）号护卫舰、德国海军K-130级轻型导弹护卫舰、希腊海军S级护卫舰和荷兰海军LCF护卫舰都安装了“了望台”系统。②IRSCAN监视系统IRSCAN监视系统能对反舰导弹威胁进行自主探测、跟踪及预警。该系统于20世纪90年代初研制成功，采用了一个专门设计的512×2探测器阵列、覆盖整个视野的稳定光学器件(俯仰14.6°)、可提供固定地面图像的内部三坐标稳定机制和模式识别算法。荷兰海军和卡塔尔购买了8套IRSCAN系统。荷兰海军把IRSCAN系统用作TNNL公司生产的30毫米“守门员”防空武器系统的告警系统。其他国家也试用过这种系统，如瑞典海军可能将其装备在“维斯比”级隐身护卫舰上。3．法国法国舰载光电探测系统主要由法国通用电气机械公司（又名萨吉姆公司）和欧洲航空防务航天公司（EADS）的系统与国防电子分公司生产。通用电气机械公司已为法国海军生产出VampirMB双谱段(3～5和8～12微米)远程IRST系统，这种传感器可对各类空中和水面目标进行监视和跟踪。通用电气机械公司已向多个国家销售了大量的多功能光电系统(EOMS)和Vigy-105系列光电探测系统。EOMS设计使其很容易地与Vigy-105光电探测器和VampirMB系统实现功能融合，其开放式设计也使其易与战斗管理系统融为一体。EADS的系统与国防电子分公司主要生产名为NAJIR的光电系统，该系统是一种旋转式多光电探测设备组成的监视系统。4．德国德国海军军舰基本上都安装了STN阿特拉斯电子公司研制的MSP-500光电昼/夜监视与目标跟踪系统，另有5艘新型K-130轻型护卫舰安装了荷兰TNNL公司的“了望台”系统。MSP-500传感器中有一个8～12微米高分辨率热成像仪、一个电荷耦合器件日间相机、一个激光测距仪和一个视频跟踪仪。2000年德国海军进行了一次最成功的实弹演习，其中MSP-500发挥了重要作用。装备MSP-500的“豹猫”号快速巡逻艇在炮击8000米之外16×4米水面靶标时，命中率达到100%；其后该艇在苏格兰东面海域的一次实弹射击中，在风速100节、浪高5米的海况下向6000～8000米外的陆上靶标发射了50枚炮弹，命中48枚。5．英国英国BAE系统公司生产了GSA8B火控系统。该系统采用“通用光电导向器”(GPEOD)传感器头。GPEOD在五级海况、作用距离10千米的条件下的定位精度优于3米。它的3个传感器分别是日间电视相机、不伤眼的激光测距仪和一个8～12微米的热成像仪。拉德梅克防务系统公司是另外一家向英国提供舰载光电探测系统的主供应商，其主要产品是“拉德梅克系统2500”光电跟踪和火控系统，现已装备在包括英国海军的45型驱逐舰在内的多个平台上。6．以色列以色列海军装备了以色列光电工业公司生产的Crystal-P前视红外系统。它是一种高分辨率3～5毫米焦平面阵列热成像传感器，可安装在舰载火控雷达的底座、靠近天线的地方。Crystal-P可独立操作或与雷达相结合，执行探测、识别、跟踪和引导拦截目标的任务，也可用作远程侦察与观测系统的组成部分，担负海岸监视的任务。光电工业公司生产的INTIM是一种手持式轻型单兵热成像相机，可在舰桥上手动使用，为小型舰船提供近距离至远距离的夜视能力。拉法尔公司的主要光电产品是“顶视”和DAFCO系统，后者是一种光电探测、目标捕捉与火控系统，可与中等口径舰炮结合使用。三、新一代传感器1．改进红外传感器20世纪90年代，红外传感器一般采用300个碲镉汞(CMT)探测元件的线性扫描阵列。目前，红外传感器的焦平面阵列已达到110592(384×288)个探测器元件，可提供四分之一电视帧图像，下一代传感器将可提供全电视帧图像，分辨率可以达到640×480像素，传感器所搜集的所有信息都可以显示在屏幕上。新一代光电探测系统包括使用基于量子阱红外光电探测(QWIP)技术的传感器，这种传感器采用了一种新型探测器材料，可提供更均匀的图像。目前正在生产QWIP传感器的厂家有德国AIM公司和美国的FLIR系统公司。法国Sofradir公司也在生产采用这种新技术的探测器元件。2．采用非冷却式热成像相机新一代光电探测系统的发展趋势是非冷却式热成像相机。通常，军舰愿意选用传统的灵敏度更高的冷却式传感器，然而，英国BAE系统公司北美分部和Sofradir等公司生产的非冷却式传感器探测元件的性能与冷却式传感器不相上下，成本却只有原先的十分之一左右，而且可靠性高出很多。(刘林增、魏兴)