海军光电系统的最佳装备

新光电2021-06-12 15:16:19

 由于海战中的远程舰炮可精确打击水面上的任何目标,越来越精确的光学系统依然保持海上监视、导航、瞄准及火控的核心地位。

                           

图1  兼有全景红外搜跟系统及光电舰炮火控系统功能的新一代多功能光电系统(EOMS-NG)。阿联酋海军的“拜努纳”级轻型导弹护卫舰在主桅杆前方装有一个 EOMS-NG传感器系统。


黑夜中

在两次世界大战及其后的战争中,直视型光学测距机及潜望镜为指挥官团队的态势感知及舰炮和鱼雷的火控解算提供了至关重要的数据。电视相机的发明及光敏半导体材料的发现使图像转换为电信号并馈入远程显示器成为可能,从而使直视型光学设备不同于光电设备(EO)。


现今,光电传感器能在黑夜中生成清晰的图像,并能够扩展到人眼不可见的红外波段。使用集成式激光器,光电传感器可在转塔内以很高的精度测量距离,而与上世纪前半叶水面战具有鲜明特征的长基线测距机相比,转塔的尺寸非常小。对于从航空母舰到小型无人水面舰的所有级别的舰艇来说,光电传感器都是至关重要的。随着核心传感技术及图像处理软件的发展,光电传感器的能力在不断增强。发展全数字高清传感器也是一个趋势。此外,随着越来越多的高强激光器投放至海上,光电传感器系统正凭借自身的能力成为武器。


高分辨率被动探测

现代光电系统对海军作战概念的重要影响主要取决于它们的核心能力,包括认清其他传感器(如雷达和声纳)探测到的目标,被动探测目标而不发射可探测传输信号,以及为目标瞄准武器指示目标。光电系统足够小,当用于拥挤水面时可将附加损害降至最低。自动目标视频跟踪与准确度高、精度高、更新速度快的距离信息、弹药弹道数据、温度、风速及其他馈入火控算法的测量信息相结合,改变了海军舰炮,特别是中小口径、快速射击武器的准确度,为多数战舰长期缺少的强有力、快速响应、可扩展的近距火力开启了新篇章。光电火控系统也使制造新一代小型导弹成为可能,这些导弹通常是对机载或陆基原型导弹进行改装,使其适用于战舰。


目标及威胁识别在非即刻运动态势中也非常重要。例如在拥挤水面的巡逻任务中,检查战舰周围舰船上的人员在做什么,以便提供潜在威胁预警或收集犯罪活动迹象是非常重要的。这就要求在长焦距、高稳定度及大范围光照条件下能提供高质量图像的相机。为满足在远距离获取最高质量图像的要求,目前工业上可提供调谐至相机波长的激光器,用于照亮目标以暴露独立相机无法分辨的细节。


图2  萨基姆公司在2014年欧洲国际海军装备展(Euronaval)上展出的PASEO海军系统。该系统是多任务光电系统,能提供全景监视及火控,可与战斗管理系统(CMS)集成或单独使用。


在较近距离,对舰船周围的快速全景态势感知的需求在不断增加,某些舰船看上去与在高楼林立区域作战的装甲车及港口设备是一样的。这种情况下,非制冷型红外传感器和具有大视场并保护在外壳内的CCD电视传感器脱颖而出。


利用空基及陆基传感器的优势

由机载及陆基应用产生的光电传感器在有人和无人航行器及固定式应用的市场中不断扩展,这使海军人员能够从为这些领域开发的技术中得益,而这些技术可能是单一市场无法提供的。因此,大部分提供海军光电系统的公司具有提供机载及陆基系统的背景也就不奇怪了。这些公司包括:空客防务及安全公司、阿瑟尔桑公司、切斯动力公司、俄罗斯的玛瑙(Concern Morinform Systems-Agat)公司、Controp精密技术公司、哥本哈根传感器技术公司(CST)、DRS技术公司(Finmeccanica)、埃尔比特系统公司、Ferranti技术公司、FLIR系统公司、以色列宇航工业公司、L-3 KEO及L-3 Brashear公司、MSI防务系统公司、拉斐尔公司、雷声公司、萨基姆公司、SELEX ES公司、特玛公司、泰勒斯公司、乌尔特拉电子公司。


光电传感器产生的图像更加自然,比雷达和声纳产生的图像更容易理解,越来越强大的变焦透镜及稳定平台揭示了深层次的细节,可支持决策过程。更巧妙的是,光谱不同波段的特有属性在各种类型的作战中体现了自己的价值。


可见光电视相机具有色彩与人眼响应匹配的巨大优势,能提供最自然的图像。最新的高清CCD和CMOS传感器扩展了可见光电视相机在人眼无法应对的微光及更长波长的能力。


在可见光波段(约390-700nm或0.39-0.7μm)的微光并扩展至近红外波段,像增强器可放大周围环境中来自月亮、星星及人造光源的光。海军光电系统,特别是潜艇潜望镜,长期以来都装备有像增强器。但这些设备都是模拟设备,更适用于直视型光学设备,而不是纯电子和数字系统,这是由于在与成像芯片(如CCD)耦合以生成数字电子输出时,这些设备会损失一些性能。


揭示细节

工作在红外波段的热像仪对微小温差非常敏感,可在完全黑暗中分辨舰船的名称、载重线标志(表明船的载重是否合适,船舱是满载还是空舱)、甲板上的人员活动及其他更多有用信息。热吸收和排气羽烟可表明发动机或发电机是否运转。在大于可见光的波段上,这些热像仪产生的图像锐度不高,但由于较长波长受空气中水滴、蒸汽及灰尘颗粒的散射较小,它们穿透遮蔽的能力比可见光更强。此外,由于任何高于绝对温度零度以上的物体都会发出红外辐射,因此,热像仪能在完全黑暗中工作。


最重要的军用热红外波段为中波红外(MWIR,约3-5μm)和长波红外(LWIR,约8-14μm)。这些波段在各种气候条件下及昼夜海军应用中具有不同的优缺点。这两种波段中,在远距离具有最佳性能的传感器采用制冷探测器。


图3  FLIR 300T多传感器光电瞄准及监视系统,装备土耳其海军“MILGEM”级轻型护卫舰,满足多种任务要求,包括导航、监视、目标搜跟、定位及指示。该系统包括高分辨率红外相机、激光测距指示机、激光光斑跟踪器、彩色电视相机及彩色侦察相机。


在白天,场景中的中波红外光包含目标反射的太阳辐射和目标发出的热辐射。由于存在太阳辐射,中波红外图像在白天存在阴影,但长波红外图像没有阴影。此外,由于中波红外受光亮表面(如水面)的反射,水波反射会对白天海上使用的相机造成重大问题。但字母和涂料在中波红外波段显示良好,在长波红外波段不能显示,而这对于夜间监视行动中的目标识别是一个非常重要的问题。此外,与中波红外相比,高浓度的水蒸气及悬浮颗粒能更快地吸收长波红外辐射,因此,在海上更倾向于使用中波红外。中波红外和长波红外的性能在到达大约10km时基本相同,但在更远的距离,中波红外的吸收优势就开始显现了。


长波红外穿透烟尘的能力更强,因此在陆地上更倾向于长波红外。但滨海舰船通常需要在烟尘弥漫的岸边搜寻威胁和目标。由于温度较低的物体在8-12μm波段散发的辐射多于3-5μm波段,长波红外在温度下降时显现优势。在探测与恒定背景温差较小的目标时,长波红外也具有优势。


双波段成像

泰勒斯荷兰公司及加拿大DRS技术公司开发的“天狼星(SIRIUS)”远距离红外搜跟(IRST)装置是一种可同时在中波红外和长波红外波段工作的系统,正在为荷兰皇家海军和加拿大皇家海军大量生产。“天狼星”是为区域防御及舰船自防御设计的,带有雷达,可对亚音速和超音速掠海导弹及水面目标进行预警及跟踪。当雷达受到强对抗而性能下降时,或态势要求尽可能减少射频发射器使用时,该装置也可以在不使用雷达时防御威胁。除了这一主要用途以外,泰勒斯公司强调,“天狼星”具有“无与伦比的灵敏度”,有助于某些其他任务,如对沿海地区进行多光谱观测、探测漂雷、搜救、甚至是弹道导弹防御。传感器头带有用于中波红外相机和长波红外相机的独立窗口,可随方位同时转动,但在相对地平线-4˚~+68˚的俯仰范围内可独立运动。该设备集成在甲板上的传感器头中,传感器头直径为1.077m、高度为1.037m,重265kg。整个系统还包括用于处理的机柜、伺服及电子装置、制冷设备、船员桅顶开关、空气干燥机以及用于传感器窗口的淡水清洁系统,总重1158kg。


多年来,获得最佳昼夜观察的一个显而易见而又昂贵的途径是使用带有长波和中波探测器的光电/红外系统。DRS技术公司(Finmeccanica)、洛克希德Ÿ马丁公司、雷声公司、SELEX ES公司、Sofradir公司、Teledyne公司等供应商目前都能提供单芯片、双波段灵敏的焦平面阵列探测器。此外,业界正致力于研发能工作在更高温度而不损失性能的制冷型探测器,使采用更小更轻、成本更低的制冷机成为可能。


短波红外探测

短波红外在军事及海军应用中变得越来越重要,短波红外(SWIR)波长通常定义为0.9μm-1.7μm,有时扩展至0.7-2.5μm。由于短波红外不是热成像——物体在该波段不散发辐射,白天具有很多短波红外光线,并且由于天空辉光现象,夜晚也具有很多短波红外光线。利用反射光及与可见光相近与其它红外波段较远的波长,短波红外成像仪能产生高分辨率的自然图像。较长的波长能比可见光更好地穿透霾、雾、雨,可显示舰船上的字母及涂料,也可消除某些类型的伪装。由于短波红外对人眼、热像仪和夜视镜都不可见,可在保持隐蔽的同时,与主动照明一起使用,可用照射灯或人眼安全激光器照明。短波红外传感器采用铟镓砷(InGaAs)探测器,可在室温下工作,不需制冷。


领先的供应商开始提供标准功能或可选功能的短波红外成像仪。例如空客防务及安全公司,提供OMS200潜艇光电桅杆、直视型攻击潜望镜SERO400和非壳体穿透光电桅杆OMS110选项以及用于水面舰艇的MEOSII。FLIR系统公司为从机载传感器衍生的、封装为独立可直接更换组件(LRU)的多传感器转塔系统SeaFLIR380-HD提供短波红外选项,提供小型系统SeaFLIR280-HD的窄视场观察仪及激光照射/指示器的短波红外选项。这些系统是由FLIR系统公司机载系统制造经验衍生出的适用于舰载环境的海上光电系统的一部分。


图4  SeaFLIR 230陀螺稳定转塔,包含具有微光能力的高分辨率彩色变焦电视相机、带有10倍连续变焦光学系统的640×480制冷型中波红外热像仪及一个可选的激光指示器。


无移动部件的全景覆盖

短波红外成像仪也是L-3 KEO公司独具创意的高感知度滨海观测(HALO)全景态势感知和监视转塔的一种可选组件。该系统是一个无移动部件的多传感器凝视系统,能提供360˚的凝视覆盖,可用于潜艇、水面舰艇、陆地车辆以及固定式应用(例如周界监视)。该系统集成了最先进的带有高速现场可编程门阵列(FPGA)的数字成像传感器,可进行实时图像处理和显示,还具有补偿平台运动的稳定功能和消除垂直条纹的数字图像融合功能。L-3 KEO公司称,处理软件使系统能同步实时显示全景图像和缩放图像,也使操作员能选取感兴趣的区域和倍率等级。标准高清彩色电视及红外成像仪具有全景方位视场和70˚(+/-35˚)的俯仰覆盖,标准数字变焦设置提供3倍、6倍和12倍放大。L-3  KEO公司强调,该系统的帧频为30Hz,延迟小于100毫秒。内置传感器和外置惯性测量装置(IMU)为图像稳定提供基准。除了短波红外成像之外,可选功能还包括自动记录、存储及回放,自动探测并跟踪目标,以及提示其他集成在作战系统中的远距离光电传感器的能力。传感器头的直径为28.575cm,高度为40.005cm。


高清成像越来越受欢迎。FLIR系统公司发布380-HD时,他们声称该系统是唯一的全数字、全高清、独立LRU系统。FLIR系统公司强调,该系统的所有传感器都具有兆像素分辨率,如果带有全部可选组件,该系统包括1280×720像元锑化铟(InSb)中波红外焦平面阵列、720/1080彩色CCD电视相机、彩色微光/近红外相机及前文提到的具有同样探测器尺寸的短波红外相机,还带有三个用于测距、照明及指示的激光器。


雷达和光电系统紧密集成

许多海军光电系统是由为机载应用开发的产品改造而来的,将机载产品重新封装在壳体中,使其在舰载环境中工作周期长、维护少。目前存在发展定制系统的趋势,这种定制系统由安装在同一基座上的雷达和光电传感器组成,可最大限度的利用它们的互补能力。其中一种就是切斯动力公司在2013年英国军警装备展(DSEi)上发布的新型“海鹰”火控雷达光电(FCRO)系统。“海鹰”是专门为控制舰炮与机载、水面及海岸目标交战设计的。雷达是由丹麦的Weibel公司提供的,是一种调频连续波(FMCW)传感器,由于动力传动很低(10W)且频率捷变,这种传感器能提供远距离目标捕获、精确目标跟踪,且拦截概率低、反对抗能力强。雷达与热像仪和电视相机共用一个基座,尽管这两种传感器能在不同的俯仰位置独立工作,电视相机也能通过自动提示查看雷达捕捉的目标。所有传感器都能进行自动目标跟踪。


图5  带有调频连续波(FMCW)多普勒雷达的“海鹰”火控雷达光电(FCRO)系统,完全集成光电传感器套件,可在全天候条件下进行目标捕获、跟踪及舰炮交战。


雷达和光电传感器的紧密集成,提升了总体系统在严苛条件下的目标识别及跟踪能力。雷达良好的杂波抑制性能可辅助与小型目标的交战,如果软件感应到雷达正受到多径效应的影响时(例如从目标返回的信号在到达天线之前被水波反射时),“海鹰”火控雷达光电系统就能自动切换到光电传感器,将其做为角度控制的主要信息源。“海鹰”的软件使其能用于防空、反水面舰艇及直接和非直接舰炮支持模式,也能集成基于点质量模型的弹道预测,可用于包括增程弹药的所有口径舰炮。由于具有弹着点观察能力,雷达和光电传感器都可确定射击校正的炮弹落点距离.


SELEX ES公司的光电传感器能提供昼夜被动监视,并能扫描可编程方位向量,自动探测目标,对目标进行抓拍,并在全景显示中标记出这些目标。开放式接口使其能够与多控制台战斗管理系统(CMS)集成,但也能通过单独的控制台操作。为满足对近距离区域态势感知和舰船周围及甲板上快速安防的不断增长的需求,丹麦的CST公司制造了一种用于所有此类应用的坚固的环境密封相机。


同步双视场

CST公司于2014年11月下旬发布的新型“双光谱”121000/336系统具有两个CCD相机,环境密封在一个符合海上及海岸标准的外壳内。这个重12kg设备的其中一个传感器是远距离33倍(焦距为30-1000mm)连续变焦相机,用于目标识别。另一个传感器是大视场4.8-48mm变焦,用于维持目标周围的态势感知。对两个传感器都进行了校轴,以确保它们瞄准同一目标。两个传感器都能根据需求配备自动对焦功能。“双光谱”系统的软件能够持续分析图片并能自动增强雾、霾、烟等低能见度条件下的对比度。该系统采用扩展动态范围(XDR)功能,补偿同一图像中非常暗/亮的区域,探测这些区域并相应地调整亮度增益。进一步的图像处理,特别是微光条件下的图像,是通过二维和三维数字噪声降低(DNR)算法实现的。雨刷和遮阳板为可选组件。


图6  以标准传感器配置,莱茵金属防务公司的海军光电稳定传感器系统(NEOSS)由热像仪、高分辨率彩色CCD相机、人眼安全激光测距机、稳定云台摄像头及操控装置组成。


变焦激光照射器

Spectrel PZTI-1000也装有同样的图像增强软件,该系统云台摄像头上并排安装了远距离33倍变焦彩色CCD电视相机,以及校轴的0.808m激光照射器。激光器与变焦光学系统匹配,以确保在任何相机视场和周围光照等级下,都能有效照射目标。


结论

所有这些由各种技术组合的装置为规划人员和司令官提供了执行滨海任务、打击海盗及反恐任务、特种作战保障任务的新选择,也提升了高强度作战的能力。