仲維彬

（海軍裝備部，陜西 西安 710077）

引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭中使用的常規(guī)武器通常都具有超低空、高速度、大機動、強隱身等特點，而且一般裝有綜合電子干擾設(shè)備，這使得雷達不能有效搜索目標，從而對水面艦艇構(gòu)成了嚴重威脅[1]。為了適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭的需要和提高艦艇的戰(zhàn)場生存能力，世界各國紛紛研制艦載光電跟蹤與火控系統(tǒng)。光電跟蹤與火控系統(tǒng)以其特有的對低空、超低空目標探測能力強，跟蹤精度高，目標識別圖像清晰直觀等特點在水面艦艇作戰(zhàn)中具有較大的應(yīng)用價值和發(fā)展?jié)摿Γ陙碓絹碓绞艿礁鲊＼姷闹匾昜1-4]。

1 艦載光電跟蹤與火控系統(tǒng)

1.1 光電跟蹤與火控系統(tǒng)定義

艦載光電跟蹤與火控系統(tǒng)是一種遠距離監(jiān)視、跟蹤與火力打擊裝置，主要由光電跟蹤儀、武器分系統(tǒng)和指揮控制臺組成，如圖1 所示。光電跟蹤儀采用被動式光電傳感器探測目標，不易受電磁干擾，并且低仰角跟蹤能力強，可對付低空和海面目標，是實施精確打擊來襲目標的必要保障。光電跟蹤儀主要由光電指向器和控制機柜組成。光電指向器內(nèi)安裝有電視攝像機、紅外熱像儀和激光測距機3 個光電傳感器。指揮控制臺是控制光電跟蹤儀和武器分系統(tǒng)的操控平臺，主要由計算單元、操控單元和顯示單元組成。

圖 1 艦載光電跟蹤與火控系統(tǒng)組成框圖Fig.1 Composition block diagram of ship-borne electrooptical tracking and fire control system

光電傳感器在指揮控制臺的控制下實現(xiàn)對飛機、導(dǎo)彈、水面艦艇和岸上目標的搜索、捕獲、跟蹤和測距，將目標視頻圖像、角位置數(shù)據(jù)和距離數(shù)據(jù)實時傳送給控制機柜。控制機柜對目標圖像信息分析處理后傳送給指揮控制臺，通過顯示單元輸出復(fù)合視頻。指揮控制臺的計算單元對目標坐標數(shù)據(jù)進行平滑處理，根據(jù)艦艇姿態(tài)、彈道和氣象數(shù)據(jù)，自動解算出目標運動參數(shù)和射擊諸元，最后通過指揮控制臺控制武器分系統(tǒng)轉(zhuǎn)向并進行火力打擊。

目前艦載光電跟蹤與火控系統(tǒng)趨于成熟，可靠性高，滿足武器系統(tǒng)作戰(zhàn)頻繁使用、工作環(huán)境惡劣等要求。隨著各傳感器小體積、輕量化的發(fā)展及光電跟蹤儀的抗震、抗沖擊能力增強，光電跟蹤儀傳感器的組合形式越來越靈活，越來越多樣。

1.2 光電跟蹤與火控系統(tǒng)分類

根據(jù)體系結(jié)構(gòu)的不同，光電跟蹤與火控系統(tǒng)可分為分立式和綜合式兩類[1-2，5]。

1）分立式光電跟蹤火控系統(tǒng)

分立式光電跟蹤火控系統(tǒng)主要由獨立的光電跟蹤儀和武器分系統(tǒng)組成。光電跟蹤儀對低空目標進行搜索、探測、跟蹤，獲取目標運動參數(shù)，并將參數(shù)傳送給武器分系統(tǒng)；武器分系統(tǒng)進行火控解算，求取射擊諸元，并控制武器射擊目標。射擊過程中，光電跟蹤儀可實時測量目標位置坐標信息，并觀測射擊效果。但分立式系統(tǒng)信號傳輸環(huán)節(jié)較多，光電跟蹤儀和武器分系統(tǒng)部分功能重疊，整個系統(tǒng)武器反應(yīng)時間較長，此外系統(tǒng)性能受環(huán)境氣候影響比較大。

2）綜合式光電跟蹤火控系統(tǒng)

區(qū)別于分立式光電跟蹤火控系統(tǒng)，綜合式光電跟蹤火控系統(tǒng)是將光電跟蹤儀與武器分系統(tǒng)控制集成在一起。系統(tǒng)通過同一個控制設(shè)備，實現(xiàn)跟蹤定位目標，實時測量目標位置參數(shù)，解算目標射擊諸元，控制武器射擊。因其信號傳輸環(huán)節(jié)較少，武器系統(tǒng)反應(yīng)時間短、實時性高；缺點是光電傳感器與武器系統(tǒng)共用一個基座，射擊震動影響了光電跟蹤系統(tǒng)的穩(wěn)定性，對光電傳感器的抗震能力提出了更高要求。

2 國外艦載光電跟蹤與火控系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀與分析

2.1 系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

艦載光電跟蹤與火控系統(tǒng)由早期的光機炮瞄準裝備發(fā)展而來。20 世紀70年代研制出第1 代光電跟蹤系統(tǒng)，80年代至90年代發(fā)展非常迅速，隨著關(guān)鍵器件與關(guān)鍵技術(shù)的突破，光電跟蹤與火控系統(tǒng)獲得了長足發(fā)展，全世界先后研制出近百種型號艦載光電跟蹤系統(tǒng)[6]。

1）德國MSP500 光電系統(tǒng)

MSP500 光電系統(tǒng)[4]是德國萊茵金屬防御電子公司研制的一種輕質(zhì)、雙軸穩(wěn)定的光電系統(tǒng)，如圖2 所示。該光電系統(tǒng)主要由二代Ophelia 96×4雙視場長波熱像儀、785×582 的CCD 攝像機及激光測距機組成。德國海軍所有的水面戰(zhàn)艦都裝備了MSP500 光電系統(tǒng)，進行全天時監(jiān)視和火控支援。

2）意大利“梅杜莎MK4”光電系統(tǒng)

“梅杜莎MK4”光電系統(tǒng)[1，4]是意大利Selex SI公司研制的一種球形指揮儀，如圖3 所示。該系統(tǒng)配有CCD 電視、雙視場中波焦平面熱像儀及激光測距機，用戶可根據(jù)任務(wù)使用需求選擇傳感器配置?！懊范派疢K4”有MK4L、MK4N 和MK4B 不同型號。MK4L 系統(tǒng)用于監(jiān)視和跟蹤任務(wù)；MK4N系統(tǒng)具有監(jiān)視和水面艦炮防空攔阻能力；MK4B 系統(tǒng)提供監(jiān)視水面和防空能力。該系統(tǒng)能顯示目標數(shù)據(jù)的電視圖像、紅外圖像和距離、速度、時間及地理位置等信息。既可作為獨立系統(tǒng)使用，又能集成到火控系統(tǒng)中，遙控中小口徑艦炮。

圖 2 MSP500 光電系統(tǒng)Fig.2 MSP500 electro-optical system

圖 3 “梅杜莎MK4”光電系統(tǒng)Fig.3 Medusa MK4 electro-optical system

3）英國2500 型光電系統(tǒng)

2500 型光電系統(tǒng)[4，6-8]是英國Radamec 公司2003年研制的一種光電偵察系統(tǒng)，如圖4 所示。該光電系統(tǒng)采用多面體外形設(shè)計，有效減少雷達反射截面，提供全天時中短程偵察，用于防空、艦對艦和海岸打擊等中小口徑的艦炮作戰(zhàn)。這種光電系統(tǒng)可以控制30 mm 加農(nóng)炮和105 mm 口徑MK8 Mod1型主艦炮，可以同時跟蹤5 個目標，并對其中1 個進行打擊。這種光電系統(tǒng)通過多功能控制臺或?qū)Ｓ每刂婆_控制。2500 型光電系統(tǒng)傳感器配有中波640×480 pixel 紅外熱像儀、CCD 彩色電視攝像機和激光測距機。目前英國海軍45 型“無畏”級驅(qū)逐艦、澳大利亞“阿德萊德”級護衛(wèi)艦、文萊海軍近岸巡邏艇、Waspada 級快速攻擊艇以及銷往羅馬尼亞的護衛(wèi)艦等多個平臺上已裝備該系統(tǒng)。

圖 4 2500 型光電系統(tǒng)Fig.4 2500 electro-optical system

4）以色列Toplite 光電系統(tǒng)

Toplite 光電系統(tǒng)[1，4，7]是以色列研制的一種多傳感器光電目標瞄準與監(jiān)視系統(tǒng)，如圖5 所示。該系統(tǒng)采用4 軸穩(wěn)定平臺，體積小，重量輕，可安裝在直升機、小型攻擊艇、巡邏艇、無人艇、大型水面艦船和港口邊防在內(nèi)的各種載體上,與火控設(shè)備進行連接，可根據(jù)需要配置多種傳感器。這些傳感器包括黑白或彩色電視攝像機、3 視場中波（320×240 pixel 或640×480 pixel）熱像儀、長波熱像儀、激光測距機、激光指示器或雙波段激光指示器。這種系統(tǒng)已銷往澳大利亞、美國等多個國家。

圖 5 Toplite 光電系統(tǒng)Fig.5 Toplite electro-optical system

5）美國SeaFLIR 280-HD、380-HD 光電系統(tǒng)

SeaFLIR 280-HD、380-HD[9-10]是美國FLIR 公司最新研制的艦載光電跟蹤與火控系統(tǒng)。2013年9 月，F(xiàn)LIR 公司為美國海岸警衛(wèi)隊提供了SeaFLIR 280-HD 光電系統(tǒng)，如圖6 所示。該系統(tǒng)主要用于海上作戰(zhàn)，是一種遠程監(jiān)視與偵察系統(tǒng)。利用全成像高清光學(xué)系統(tǒng)，多波段、主被動結(jié)合方式進行全天時偵察監(jiān)視，可以探測和分辨遠距離艦船，提供目標高清細節(jié)圖像，并對可疑目標進行威脅評估。SeaFLIR 280-HD 系統(tǒng)配有光學(xué)變焦高清1 280×720 pixel 熱像儀、連續(xù)變焦晝光1 920×1 080 pixel CCD、微光1 280 ×720 pixel CMOS 高清攝像機、640×480 pixel 短波紅外攝像機、激光測距機、近紅外激光照射器以及IMU/GPS，激光測距能力可達30 km。

圖 6 SeaFLIR 280-HD 光電系統(tǒng)Fig.6 SeaFLIR 280-HD electro-optical system

SeaFLIR 380-HD 是首套圖像穩(wěn)定、遠距離成像的全數(shù)字化高清系統(tǒng)，如圖7 所示。系統(tǒng)采用6 軸穩(wěn)定，主要由高清640×512 pixel 中波熱像儀、彩色近紅外CCD、彩色微光高清攝像機、720×1 080 pixel 短波紅外攝像機、激光測距機及數(shù)字式IMU/GPS 組成，其中激光測距能力可達25 km。

圖 7 SeaFLIR 380-HD 光電系統(tǒng)Fig.7 SeaFLIR 380-HD electro-optical system

6）瑞典EOS 500 光電系統(tǒng)

EOS 500 光電系統(tǒng)是瑞典SAAB 公司研制的一種輕型光電火控觀測指示器，如圖8 所示。該系統(tǒng)的光電傳感器由拍攝三維圖像的彩色跟蹤相機、彩色放大相機、中波熱像儀（或長波熱像儀）和激光測距機組成。EOS 500 光電系統(tǒng)主要用于監(jiān)視、偵查、目標探測與識別等方面，既能單獨使用，也能與其他系統(tǒng)配套使用。如作為一個子系統(tǒng)與9LV MK4 海軍作戰(zhàn)管理系統(tǒng)綜合，綜合后傳感器由作戰(zhàn)信息中心或艦船上多功能控制臺控制。目前泰國護衛(wèi)艦已裝備此系統(tǒng)。

圖 8 EOS 500 光電系統(tǒng)Fig.8 EOS 500 electro-optical system

7）法國EOMS NG 光電系統(tǒng)

EOMS NG 光電系統(tǒng)[7，10-11]是法國Sagem 公司研制的一種晝夜多功能光電系統(tǒng)，如圖9 所示，它是EMOS 系統(tǒng)的升級版。該系統(tǒng)集成了VIGY 105光電和VAMPIR MB 光電的特點，主要功能包括全景監(jiān)視、晝夜紅外搜索、目標識別、三維目標自動跟蹤、彈道計算、艦炮控制和火力打擊等，主要用于提高水面艦艇的自我防御能力。EOMS NG 光電配有紅外相機、全色電視攝像機和激光測距機，其中紅外相機是雙波段288×4 pixel 陣列，視場4×360°。EOMS NG 系統(tǒng)分別裝備于法國巡邏艇、驅(qū)逐艦、護衛(wèi)艦、兩棲攻擊艦，還裝備于澳大利亞航母、驅(qū)逐艦、護衛(wèi)艦等。EOMS 系統(tǒng)已出口保加利亞、芬蘭、阿拉伯等國。

圖 9 EOMS NG 光電系統(tǒng)Fig.9 EOMS NG electro-optical system

8）法國PASEO 光電系統(tǒng)

PASEO 光電系統(tǒng)[10-11]是法國薩基姆公司研制的一種多任務(wù)光電系統(tǒng)，如圖10 所示。目前PASEO系統(tǒng)有PASEO NS、PASEO XLR 和PASEO IRST 3 種艦用型號，這些型號都可與艦載作戰(zhàn)系統(tǒng)集成，或通過專門的控制臺操作。PASEO 系統(tǒng)采用緊湊型設(shè)計，滿足海上巡邏艇、輕型護衛(wèi)艦等艦船的情報收集、交戰(zhàn)及護衛(wèi)要求。PASEO NS 系列由激光測距機和高分辨率攝像機組成。PASEO XLR系列除擁有PASEO NS 所有性能外，還增加了超長距電視攝像機。PASEO NS 系統(tǒng)和PASEO XLR 系統(tǒng)可安裝彈道計算機與控制接口，實現(xiàn)與一門或多門火炮系統(tǒng)交聯(lián)。PASEO IRST 系統(tǒng)是一種全景光電監(jiān)視系統(tǒng)，能精確探測空中及海面威脅，提供雷達之外的偵察能力。

圖 10 PASEO 光電系統(tǒng)Fig.10 PASEO electro-optical system

2.2 系統(tǒng)對比分析

表1 為國外艦載光電跟蹤與火控系統(tǒng)對比表，從表中可以看到光電指向器的結(jié)構(gòu)、配置、作用距離等都逐漸發(fā)生變化。具體如下：

1）光電指向器的結(jié)構(gòu)逐漸封閉

70年代光電跟蹤與火控系統(tǒng)的指向器大多采用“T 型”結(jié)構(gòu)，將光電傳感器置于光電座俯仰軸的左右兩側(cè)。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是加裝及維修調(diào)試方便，但不利于指向器輕量化、小型化和轉(zhuǎn)動慣量的降低，因而很多國家越來越傾向于采用“U 型”封閉式結(jié)構(gòu)，即將傳感器置于U 型架內(nèi)，并封裝在一個帶窗口的殼體內(nèi)。這樣有利于指向器小型化，轉(zhuǎn)動慣量的降低，還減少海洋條件下氣候和環(huán)境的影響，但最大缺點是透過率降低，裝調(diào)復(fù)雜，維修性差。結(jié)構(gòu)封閉的光電指向器典型代表有德國MSP500 光電系統(tǒng)、“梅杜莎MK4”光電系統(tǒng)、以色列Toplite 光電系統(tǒng)、FLIR 公司的SeaFLIR 380-HD和SeaFLIR 280-HD 系統(tǒng)及薩基姆公司的PASEO系統(tǒng)等。

2）光電傳感器的波段逐漸向其他波段拓展

早期光電跟蹤與火控系統(tǒng)采用工作波長1.064 μm的激光測距機，此工作頻段的激光會對人眼造成嚴重傷害，傷害距離在4 km 或者更遠。新一代光電跟蹤與火控系統(tǒng)普遍采用工作波長1.54 μm 的激光測距機，這個波段的激光對人眼傷害距離不超過300 m，對于艦載平臺來說，對人眼是安全的，沒有損傷的。上述所有光電系統(tǒng)所加裝的激光測距機都采用1.54 μm 波段。

隨著CCD 器件的發(fā)展，電視攝像機的成像器件也從黑白CCD 器件向彩色CCD 器件過渡，可獲取目標更多的光譜信息，易于識別偽裝。電視攝像機的波段也從可見光波段向近紅外波段拓展，工作條件從只在白晝條件下且能見度好時工作，可拓寬到強光、微光或有雨、霧等天氣情況下工作。

紅外傳感器不局限于長波波段，而是波段多樣化。系統(tǒng)采用多波段高性能傳感器，提高系統(tǒng)作用距離的同時增強了環(huán)境適應(yīng)性。目前有些艦載光電跟蹤與火控系統(tǒng)選用長波紅外熱像儀和中波紅外熱像儀，有些系統(tǒng)除這2 種熱像儀外還加裝了短波紅外成像機。短波紅外不是熱成像，能產(chǎn)生高分辨率的自然圖像，它比可見光穿透雨、霧、霾能力更好，能顯示艦船上的字母和涂裝，在海軍應(yīng)用中越來越重要。典型代表有以色列Toplite 光電系統(tǒng)、FLIR 系統(tǒng)公司的SeaFLIR 380-HD 和SeaFLIR 280-HD 系統(tǒng)及薩基姆公司的PASEO 系統(tǒng)等。

3）單一光電跟蹤系統(tǒng)向綜合光電系統(tǒng)轉(zhuǎn)變

通過系統(tǒng)軟硬件升級與接口擴展，系統(tǒng)功能不斷擴充，如增加偵察監(jiān)視、反恐搜救、輔助導(dǎo)航、態(tài)勢告警等，使得原有光電跟蹤系統(tǒng)成為一種多功能綜合光電系統(tǒng)。但系統(tǒng)以跟蹤火控為主，兼顧非對稱作戰(zhàn)和非戰(zhàn)時安全保障。典型代表有英國2500 型光電系統(tǒng)、法國EOMS NG 光電系統(tǒng)、FLIR系統(tǒng)公司的SeaFLIR 380-HD 和SeaFLIR 280-HD系統(tǒng)及薩基姆公司的PASEO 系統(tǒng)等。

3 系統(tǒng)發(fā)展趨勢

就目前發(fā)展情況來看，需突破的關(guān)鍵技術(shù)有多傳感器協(xié)同探測引起的多數(shù)據(jù)特征挖掘、多傳感器數(shù)據(jù)融合、多目標智能跟蹤等[12-13]。未來光電跟蹤與火控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢將表現(xiàn)在以下幾個方面。

表 1 國外艦載光電跟蹤與火控系統(tǒng)對比表Table 1 Comparison of foreign ship-borne electro-optical tracking and fire control systems

1）多傳感器協(xié)同探測及信息融合

光電探測的主要困擾就是背景雜波、大氣干擾、光學(xué)部件失調(diào)引起的光學(xué)像差等問題。為解決這一系列問題開展了自適應(yīng)光學(xué)探測、偏振光探測、激光主動探測、多光譜融合探測等技術(shù)的研究。如何將這些探測方式互補協(xié)同，提高目標探測率，降低虛警率是系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。

目前多傳感器信息融合方法基本是像素級融合顯示，沒有充分利用多傳感器的多維度信息。因此急迫需要將不同傳感器獲取的數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)與組合，將目標的反射特性、輻射特性、偏振特性及光譜特性等進行特征融合，對戰(zhàn)場目標特征及威脅等級進行精確定位和及時評估，不斷提高系統(tǒng)對目標的探測、識別和跟蹤能力。

2）多目標識別與跟蹤方式智能化

常規(guī)的光電跟蹤系統(tǒng)一般只能做到單個目標識別，當(dāng)視場中出現(xiàn)多個目標時，僅僅能捕獲一個目標進行跟蹤，智能化水平較低?，F(xiàn)代戰(zhàn)場對抗程度越來越激烈，單目標識別的局限性越來越凸顯，需要發(fā)展實用化的多目標識別技術(shù)。在多傳感器協(xié)同探測及信息融合的基礎(chǔ)上，通過智能化目標識別方法，實現(xiàn)多目標識別，提高目標識別的準確率，降低虛警率；同時根據(jù)識別目標的威脅等級評估結(jié)果，實現(xiàn)多目標跟蹤、自動捕獲跟蹤或手動捕獲跟蹤。

3）系統(tǒng)使命任務(wù)多樣化

艦載光電跟蹤與火控系統(tǒng)常應(yīng)用于偵察監(jiān)視、反恐搜救、輔助導(dǎo)航、態(tài)勢告警等任務(wù)，不同任務(wù)有不同的數(shù)據(jù)需求、功能需求、性能需求、流程需求等。目前采用的研制策略是在同一基座上選配電視攝像機、中波熱像儀、長波熱像儀、測距/壓制/眩目激光等不同光電傳感器，根據(jù)不同任務(wù)使命采用不同的信息流流轉(zhuǎn)機制，實現(xiàn)專用的傳感器管理、信息融合、綜合操控等。但是，這種具有單一任務(wù)使命能力的系統(tǒng)適用任務(wù)場景較窄，費效比低，不滿足現(xiàn)代戰(zhàn)爭瞬息萬變的應(yīng)用需求。為此，需要改變現(xiàn)有的研制策略，將系統(tǒng)的傳感器配置進行統(tǒng)型，研究統(tǒng)一的信息流流轉(zhuǎn)機制，在一套硬件系統(tǒng)基礎(chǔ)上實現(xiàn)多種任務(wù)使命。

4 結(jié)束語

艦載光電跟蹤與火控系統(tǒng)按照體系結(jié)構(gòu)可以分成分立式和綜合式。艦載光電跟蹤與火控系統(tǒng)經(jīng)過50 余年的發(fā)展，光電指向器的結(jié)構(gòu)由“T型”結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)展成“U 型”封閉式結(jié)構(gòu)，光電傳感器的波段由單一波段逐漸發(fā)展成多個波段，系統(tǒng)逐漸由單一功能發(fā)展成綜合多功能。隨著現(xiàn)代海戰(zhàn)的對抗加劇，艦載光電跟蹤與火控系統(tǒng)將朝著多傳感器協(xié)同探測、信息融合、多目標識別、智能跟蹤、使命任務(wù)多樣化方向發(fā)展。隨著新材料、新器件、新理論的不斷涌現(xiàn)，艦載光電跟蹤與火控系統(tǒng)必將迎來重大變革。