陳 健，王偉國(guó)，劉廷霞，張振東

(中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長(zhǎng)春130033)

美軍新型機(jī)載光電瞄準(zhǔn)系統(tǒng)工作原理分析

陳 健*，王偉國(guó)，劉廷霞，張振東

(中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長(zhǎng)春130033)

光電瞄準(zhǔn)系統(tǒng)(EOTS)將前視紅外和紅外搜索跟蹤進(jìn)行了綜合，進(jìn)而可以獲得高分辨率圖像，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤、紅外搜索跟蹤、激光指示、激光測(cè)距和激光點(diǎn)跟蹤。本文針對(duì)美國(guó)研制的EOTS的工作原理展開(kāi)分析和研究，概述了EOTS的概念和技術(shù)特點(diǎn)，顯示了其作為新一代機(jī)載光電瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的先進(jìn)性。對(duì)EOTS多功能系統(tǒng)、光學(xué)元件、紅外搜索跟蹤、維護(hù)和研制規(guī)劃進(jìn)行了介紹，著重分析了EOTS的自動(dòng)視軸校準(zhǔn)系統(tǒng)，主要包括自動(dòng)視軸校準(zhǔn)系統(tǒng)的工作原理和工作步驟。最后，本文對(duì)EOTS系統(tǒng)的性能進(jìn)行了總結(jié)。

F-35閃電II型；光電瞄準(zhǔn)系統(tǒng)；前視紅外；紅外搜索跟蹤

1 引 言

美國(guó)研制的“光電瞄準(zhǔn)系統(tǒng)”(Electro Optical Targeting System,EOTS)首次將前視紅外和紅外搜索跟蹤功能集于一體。EOTS對(duì)于空對(duì)空和空對(duì)地跟蹤提供了一種價(jià)格較低、高性能、輕量化的多功能系統(tǒng)。通過(guò)該系統(tǒng)，飛行員可以獲得高分辨率圖像、及進(jìn)行自動(dòng)跟蹤、紅外搜索跟蹤、激光指示、激光測(cè)距和激光點(diǎn)跟蹤。EOTS與F-35機(jī)身相結(jié)合，外部由藍(lán)寶石玻璃保護(hù)，內(nèi)部通過(guò)高速視覺(jué)光纖和機(jī)上計(jì)算機(jī)連接[1-4]。

EOTS采用了先進(jìn)的傳感器技術(shù)，還采用了不引人注意的藍(lán)寶石玻璃設(shè)計(jì)，先進(jìn)的算法可以提供遠(yuǎn)程的目標(biāo)識(shí)別和跟蹤。在紅外搜索跟蹤模式下，EOTS可以在遠(yuǎn)程定位和跟蹤多飛行器目標(biāo)，以保證高殺傷性和高生存性[5-7]。

EOTS的模塊化設(shè)計(jì)使得其維修非常方便，確保了二級(jí)維護(hù)。

EOTS具有以下特點(diǎn)：(1)結(jié)實(shí)、不引人注意的、小面玻璃設(shè)計(jì)，適用于超音速、低觀測(cè)行動(dòng)；(2)緊密的單一孔徑設(shè)計(jì)；(3)輕量化設(shè)計(jì)(lt;90.72 kg)，包括玻璃機(jī)構(gòu)；(4)先進(jìn)的傳感器技術(shù)；(5)空對(duì)地/空對(duì)空前視紅外跟蹤、空對(duì)空紅外搜索跟蹤模式;(6)模塊化設(shè)計(jì)應(yīng)用于二級(jí)維護(hù)，減少了生命周期成本；(7)自動(dòng)視軸校準(zhǔn)與飛行器成一條直線；(8)戰(zhàn)術(shù)上有利于保障人眼安全的二極管泵浦激光器；(9)激光點(diǎn)跟蹤；(10)被動(dòng)與主動(dòng)搜索；(11)高精度地理坐標(biāo)生成用以滿足精確打擊。

本文首先概述了EOTS的技術(shù)特點(diǎn)，然后著重分析了EOTS的系統(tǒng)組成，最后重點(diǎn)研究了EOTS的工作原理，并對(duì)其主要技術(shù)性能和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析。

2 EOTS系統(tǒng)介紹

導(dǎo)彈和火控方面的專家在瞄準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面具有足夠的經(jīng)驗(yàn)和優(yōu)勢(shì)，他們?cè)O(shè)計(jì)的系統(tǒng)指標(biāo)甚至可以超過(guò)F-35所要求的指標(biāo)。AN/AAQ-33狙擊手先進(jìn)瞄準(zhǔn)吊艙和AN/AAS-42紅外搜索跟蹤系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)被應(yīng)用到AN/AAQ-40光電瞄準(zhǔn)系統(tǒng)(EOTS)的設(shè)計(jì)中。EOTS是世界上第一個(gè)也是唯一一個(gè)將前視紅外和紅外搜索跟蹤功能集于一體的系統(tǒng)。將這兩個(gè)功能整合到一個(gè)傳感器是一個(gè)巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)[8-11]。

2.1 多功能系統(tǒng)

作為空對(duì)地瞄準(zhǔn)吊艙，EOTS最初用于三分之一的F-35戰(zhàn)機(jī)。但是美國(guó)海軍成功地論證了EOTS可作為絕對(duì)不可替代單元來(lái)裝備每架F-35戰(zhàn)機(jī)。EOTS為協(xié)同作戰(zhàn)提供激光指示和激光點(diǎn)跟蹤、空對(duì)空和空對(duì)地紅外前視跟蹤、數(shù)字變焦、廣域紅外搜索跟蹤、地理坐標(biāo)生成用以支持GPS制導(dǎo)武器。后來(lái)，F(xiàn)-35的3種型號(hào)全部配備EOTS。

EOTS的尺寸(W×D×H)大約為493 mm×698 mm×815 mm，EOTS安裝于一個(gè)不到0.11 m3的盒子中，重91 kg。DAS傳感器安裝在EOTS的左側(cè)和右側(cè)，雷達(dá)設(shè)備安裝在EOTS的上方，空間非常緊湊。相比較，狙擊手吊艙長(zhǎng)2.3 m、重200 kg。制冷方式的不同是造成狙擊手吊艙和EOTS吊艙尺寸差異的一個(gè)原因。大多數(shù)常規(guī)瞄準(zhǔn)吊艙，例如狙擊手，采用的是風(fēng)冷方式，其需在吊艙背后攜帶一個(gè)必要的風(fēng)冷系統(tǒng)，而EOTS是液冷系統(tǒng)，使用飛機(jī)內(nèi)部的PAO(聚α-烯烴)進(jìn)行制冷。EOTS如圖1所示。

圖1 光電瞄準(zhǔn)系統(tǒng)(EOTS)圖Fig.1 Photo of EOTS

EOTS位于F-35機(jī)身前部下方，雷達(dá)和座艙艙壁之間。EOTS安裝位置如圖2所示。EOTS在F-35上的空間緊湊，所以它不具有以往瞄準(zhǔn)系統(tǒng)那樣像望遠(yuǎn)鏡一樣長(zhǎng)直的光路。由于空間非常有限，導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的直線光路物理上不可實(shí)現(xiàn)。因此EOTS的光路通過(guò)反射鏡折疊，通過(guò)棱鏡將光線折射到幾個(gè)不同的焦平面陣列。從入光點(diǎn)到焦平面陣列或者探測(cè)器，光線至少被折反射4次[12]。

圖2 EOTS在F35上安裝位置Fig.2 Installation position of EOTS on F35

F-35之所以如此神奇是因?yàn)槠渚哂腥诤蟼鞲衅?。APG81雷達(dá)針對(duì)空中目標(biāo)具有比紅外目標(biāo)更高的精度，同時(shí)EOTS的方位精度可以達(dá)到一個(gè)像素，超過(guò)雷達(dá)系統(tǒng)。將這兩個(gè)系統(tǒng)結(jié)合使用，F(xiàn)-35可以實(shí)現(xiàn)更小目標(biāo)的定位。這樣，武器系統(tǒng)將會(huì)更加有效，同時(shí)也可以將高精度的定位信息傳遞給其他作戰(zhàn)單元。

2.2 光學(xué)元件

EOTS封裝在由7塊藍(lán)寶石玻璃組成的玻璃機(jī)構(gòu)中。每一塊藍(lán)寶石玻璃都是一個(gè)單獨(dú)部分，固定在一個(gè)整體框架上，共同組成玻璃機(jī)構(gòu)。根據(jù)飛行器雷達(dá)標(biāo)記的需求，EOTS的玻璃機(jī)構(gòu)首次使用這種設(shè)計(jì)方式。與此不同的是，AAQ-33狙擊手吊艙僅由4塊較小的玻璃組成，并且傳感器和窗口之間存在一個(gè)小角度。在滿足光學(xué)性能需求的同時(shí)需滿足雷達(dá)標(biāo)記的要求，這是一個(gè)真正的挑戰(zhàn)性設(shè)計(jì)。而EOTS玻璃機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，滿足了以上的功能需求。EOTS玻璃機(jī)構(gòu)如圖3所示。

圖3 EOTS玻璃機(jī)構(gòu)Fig.3 Glass assembly of EOTS

EOTS內(nèi)部對(duì)于萬(wàn)向節(jié)和主入透鏡采用獨(dú)特的設(shè)計(jì)，主入透鏡(A-focal)稱為無(wú)焦透鏡組或者方位機(jī)構(gòu)，此機(jī)構(gòu)用于提供水平到水平的視場(chǎng)。主入透鏡安裝在距離保護(hù)玻璃0.635 cm的右上方。這種復(fù)雜的設(shè)計(jì)是針對(duì)低可觀測(cè)的數(shù)字變焦多視場(chǎng)觀察需求而設(shè)計(jì)的。第二個(gè)透鏡是俯仰機(jī)構(gòu)，這是一個(gè)全新設(shè)計(jì)的透鏡，它被安裝在主入透鏡對(duì)面與主入透鏡成45°角，它的旋轉(zhuǎn)提供垂直方向的視場(chǎng)。俯仰機(jī)構(gòu)使光直線進(jìn)入光路。系統(tǒng)的上側(cè)是激光器，與狙擊手ATP使用的激光器相同，但是出光路徑不同。激光器下面、萬(wàn)向節(jié)機(jī)構(gòu)的上面是兩塊電路板或者電子控制機(jī)構(gòu)。其中一塊電路控制功率伺服，另外一塊電路是圖像處理電路。通過(guò)光導(dǎo)纖維通道將傳感器數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)骄C合核心處理器。整個(gè)EOTS機(jī)構(gòu)綜合為一個(gè)穩(wěn)定的系統(tǒng)。系統(tǒng)的穩(wěn)定性可確保在地面上保持一個(gè)點(diǎn)指示，這樣可以為GPS制導(dǎo)武器瞄準(zhǔn)提供穩(wěn)定的地理坐標(biāo)。

2.3 紅外搜索跟蹤

對(duì)于F-35戰(zhàn)機(jī)這樣的隱形作戰(zhàn)平臺(tái)，其飛行器標(biāo)記需要精心管理。由于F-35具備紅外搜索跟蹤系統(tǒng)，其紅外傳感器是被動(dòng)探測(cè)，不發(fā)射任何射線，除非激光系統(tǒng)啟動(dòng)。如果APG81雷達(dá)超出探測(cè)范圍，飛行員可以通過(guò)使用紅外跟蹤探測(cè)模式將數(shù)據(jù)發(fā)送給EOTS，進(jìn)行高精度的被動(dòng)光電跟蹤，這樣可以最大限度地減少傳輸?shù)纳漕l能量和對(duì)飛機(jī)標(biāo)記[13]。

EOTS紅外搜索跟蹤裝置使用萬(wàn)向節(jié)、慣性測(cè)量單元和快速旋轉(zhuǎn)鏡提供精確的穩(wěn)定性。紅外搜索跟蹤采用被動(dòng)跟蹤方式，具有廣域搜索能力，由于其采用了獨(dú)特的萬(wàn)向節(jié)設(shè)計(jì)，相比于APG81雷達(dá)具有高速掃描和較高擺率的。

2.4 維 護(hù)

EOTS是二級(jí)維護(hù)系統(tǒng)，支持維修人員使用嵌入式測(cè)試功能、對(duì)獨(dú)立線性可更換單元(LRC)進(jìn)行快速更換。EOTS可以從F-35戰(zhàn)機(jī)上拆除，維修人員可以更換其中的15個(gè)LRC。

2.5 研制規(guī)劃

EOTS傳感器設(shè)計(jì)在2010年9月F-35系統(tǒng)發(fā)展和演示階段完成。大多數(shù)EOTS的飛行測(cè)試是在亞利桑那州完成的。2007年5月完成首次飛行測(cè)試，測(cè)試人員包括飛行員、副飛行員、傳感器操作員和飛行測(cè)試主管。

2010年5月，EOTS懸掛在波音737飛機(jī)上進(jìn)行了對(duì)地面出租車(chē)的測(cè)試。配備DAS、APG81、ESM、CNI、F-35座艙和工程測(cè)試平臺(tái)，CatBird可以測(cè)試全部的傳感器。EOTS安裝在一個(gè)與F-35相同的玻璃機(jī)構(gòu)中，將圖像傳輸?shù)綔y(cè)試座艙中。EOTS測(cè)試實(shí)驗(yàn)如圖4所示。

圖4 EOTS測(cè)試實(shí)驗(yàn)Fig.4 Testing experiment of EOTS

2011年3月，EOTS開(kāi)始懸掛在F-35戰(zhàn)機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

3 自動(dòng)視軸校準(zhǔn)

每次EOTS啟動(dòng)時(shí)，自動(dòng)視軸校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)將激光和前視紅外校準(zhǔn)到一條直線。視軸校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)是一個(gè)安裝在萬(wàn)向節(jié)后面的單元。當(dāng)EOTS啟動(dòng)時(shí)，傳感器旋轉(zhuǎn)進(jìn)入視軸校準(zhǔn)單元，并且使自己同前視紅外和激光成一條直線，這樣它們就可以指向同一個(gè)點(diǎn)。具有單一孔徑意味著前視紅外和激光都通過(guò)同一光路[14]。

飛機(jī)上的所有傳感器在空間上都需要通過(guò)視軸校準(zhǔn)到同一個(gè)點(diǎn)，這樣飛行員在雷達(dá)顯示上看到的地面上的點(diǎn)與在光電系統(tǒng)上看到的是同一個(gè)點(diǎn)。

設(shè)計(jì)人員致力于設(shè)計(jì)一個(gè)更大孔徑系統(tǒng)EOTS，來(lái)提高飛行器更大的探測(cè)范圍。

EOTS結(jié)構(gòu)部件示意圖如圖5所示。通過(guò)此圖片可以看到部分的EOTS組件，其中包括方位旋轉(zhuǎn)萬(wàn)向節(jié)、俯仰旋轉(zhuǎn)反射鏡、窗口透鏡和視軸校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)。其中，方位旋轉(zhuǎn)萬(wàn)向節(jié)可以提供360°方位旋轉(zhuǎn)；俯仰旋轉(zhuǎn)反射鏡可以提供210°俯仰旋轉(zhuǎn)；窗口透鏡可以提供光學(xué)發(fā)射和接收的單一孔徑；視軸校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)可以提供自動(dòng)視軸校準(zhǔn)。

圖5 EOTS結(jié)構(gòu)部件示意圖Fig.5 Sketch of EOTS structure assembly

每次EOTS上電啟動(dòng)時(shí)，都先將紅外視軸和激光發(fā)射軸調(diào)整到一條直線上[15]。

工作步驟如下：

(1)視軸校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)工作，紅外光源發(fā)光，經(jīng)過(guò)反射鏡，將光源發(fā)射出去；

(2)俯仰旋轉(zhuǎn)反射鏡旋轉(zhuǎn)，將視軸校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)光源調(diào)整到紅外視場(chǎng)中心，這樣保證紅外視軸和視軸校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)的光軸在同一條直線；

(3)激光發(fā)射機(jī)構(gòu)工作，發(fā)射激光，經(jīng)過(guò)俯仰旋轉(zhuǎn)反射鏡入射到視軸校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)；

(4)激光經(jīng)過(guò)衰減片減少能量；

(5)激光經(jīng)過(guò)衰減后，入射到傳感器；

(6)理論上，激光點(diǎn)應(yīng)該在傳感器視場(chǎng)中心，但是實(shí)際上激光發(fā)射軸和紅外視軸間存在一定的偏差，所以激光點(diǎn)落在視場(chǎng)偏離中心位置；

(7)調(diào)整激光發(fā)射軸的慢速反射鏡，直至使激光點(diǎn)落在中心位置；

(8)至此，完成紅外視軸和激光發(fā)射軸調(diào)整，此時(shí)EOTS系統(tǒng)的紅外視軸和激光發(fā)射軸在同一條直線上。

圖6 視軸校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)工作示意圖Fig.6 Operation diagram of boresight calibration mechanism

圖7 視軸校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)傳感器成像示意圖Fig.7 Diagram sketch of sensor imaging of boresight calibration medanism

視軸校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)工作示意圖如圖6所示。視軸校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)傳感器成像示意圖如圖7所示。

4 結(jié) 論

EOTS是美國(guó)研制的世界上第一個(gè)也是唯一的一個(gè)整合前視紅外和紅外搜索跟蹤功能于一體的系統(tǒng)。通過(guò)EOTS，飛行員可以獲得高分辨率圖像，可以進(jìn)行自動(dòng)跟蹤、紅外搜索跟蹤、激光指示、激光測(cè)距和激光點(diǎn)跟蹤。在紅外搜索跟蹤模式下，EOTS可以遠(yuǎn)程定位和跟蹤多飛行器目標(biāo)，以保證高殺傷性和高生存性。機(jī)載光電設(shè)備在現(xiàn)代信息化戰(zhàn)爭(zhēng)中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為信息作戰(zhàn)體系的重要組成部分。隨著EOTS的出現(xiàn)，必將帶來(lái)機(jī)載光電設(shè)備的又一次飛躍發(fā)展。

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陳 健(1981—)，吉林長(zhǎng)春人，博士，助理研究員，2005年于吉林大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，2007年于吉林大學(xué)獲得碩士學(xué)位，2014年于中國(guó)科學(xué)院大學(xué)獲得博士學(xué)位，現(xiàn)為中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所助理研究員，主要從事高精度快速數(shù)字伺服系統(tǒng)方面的研究。E-mail：chenjian4500@163.com

TheoperationalprincipleanalysisofnewairborneElectro-OpticalTargetingSystem(EOTS)ofUSarmy

CHEN Jian*,WANG Wei-guo,LIU Ting-xia,ZHANG Zhen-dong

(ChangchunInstituteofOptics,FineMechanicsandPhysics,ChineseAcademyofSciences,Changchun,Jilin130033,China)

*Correspondingauthor，E-mail：chenjian4500@163.com

The Electro-Optical Targeting System(EOTS) integrates forward-looking infrared(FLIR) and infrared search and track(IRST) to obtain high-resolution images for automatic tracking,infrared search tracking,laser target designating,laser ranging,and laser spot tracking.In this paper,we analyze and study the operating principle of EOTS developed in the United States.Firstly,we summarize the concept and the technical characteristics of EOTS,and present its advanced nature as a new generation of airborne EOTS.Secondly,the EOTS multi-function system,optical components,IR search,maintenance and development planning are introduced.The operational principle and steps of the automatic bore sight calibration system of EOTS are analyzed emphatically.Finally,the performance of EOTS system is summarized.

F-35 Lighting II;EOTS;FLIR;IRST

2017-07-11；

2017-09-13

長(zhǎng)春市科技計(jì)劃項(xiàng)目(長(zhǎng)科技合(2013270)號(hào))

2095-1531(2017)06-0777-06

TN976

A

10.3788/CO.20171006.0777