中国兵器工业集团公司首席专家纪明
时间：2020-12-15 07:52:23 来源：达达文档网 本文已影响 人 
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本刊记者（以下简称记者）：纪总好！感谢您百忙之中接受我刊采访。最近在天津举行的直升机博览会上，我国最新的两款专用武装直升机都做了精彩的飞行表演和展示。光电系统，是武装直升机的眼睛，是能否执行作战任务的关键设备。作为这方面的首席专家，我们首先想请您简单介绍一下现代武装直升机的光电系统。一般有哪几种设备？
纪明（以下简称纪）：直升机光电系统的发展可追溯到上世纪70年代，即第一代专用武装直升机进入成熟应用阶段时。随着武装直升机作为空中杀手得到空前发展，为各种直升机武器系统配套的光电系统也应运而生。光电系统目前主要有瞄准线稳定系统（稳瞄系统）、侦察系统、夜间飞行导航系统、光电对抗系统等，其中稳瞄系统最为复杂，性能和精度最高。
记者：那么稳瞄系统主要由哪些设备组成，经历了一个怎样的发展历程？
纪：现代武装直升机的稳瞄系统通常装备有热像仪、电视摄像机、激光指示，测距机、激光光斑跟踪器等光电传感器。根据需要，某些武装直升机可能只需装备一些基本传感器，如热像仪、电视摄像机、激光测距机等。随着光电传感器的技术发展，攻击型直升机的稳瞄系统，除装备上述传感器外，还可选装激光标识器（pointer）、激光照明器、短波红外/多光谱相机等。直升机稳瞄系统按性能和时间，大致分为三代。
第一代主要在上世纪70年代末至80年代初装备使用，如美军的AH-1“眼镜蛇”直升机的M65，法国“小羚羊”直升机的M397等。这一阶段主要是白天型，全部采用直视光学通道观察瞄准。
第二代在上世纪90年代初装备使用。这一时期武装直升机获得了飞速发展，一大批著名型号，如美国的AH-64“阿帕奇”、OH-58D“基奥瓦”，意大利的A-129“猫鼬”，南非的AH-2A“茶隼”，苏联的米-28“浩劫”和卡-50“黑鲨”等相继面世。与此同时，红外技术也获得飞速发展，因此这些直升机的稳瞄系统均加装了红外热像仪，形成昼夜两用型。
第三代稳瞄系统主要从上世纪90年代后期开始使用。随着红外、激光技术与信息处理技术的飞速发展，先进国家纷纷在第二代稳瞄技术的基础上进行更新换代，主要特点是采用三代大面阵热像仪、连续变倍光学系统、半导体泵浦双模激光指示/测距仪、多目标跟踪、信息融合等先进技术。如AH-64D“长弓阿帕奇”武装直升机的“箭头”，AH-IZ“蝰蛇”的TSS等。
RAH-66“柯曼奇”是美国研制的最新型武装侦察直升机，虽然已下马，但其装备的EOSS稳瞄系统装有当前最高水平的各种光电传感器，而且它的总线技术，信息处理与融合、隐身、一体化稳定平台等技术，都代表着当前最高技术水平。
记者：从这几型武装直升机看，光电转塔有几种安装位置，比如在机头下方或上方，驾驶舱顶部，旋翼上方。这几个位置各有什么优缺点？
纪：这几种布置分别叫鼻锥式、顶棚式、桅杆式，还有侧挂式等几种。它们之间的优缺点并不算很明显，主要还是与主机设计有关。
桅杆式稳瞄具安装位置最高，从理论上说可让直升机隐蔽在障碍物后探测，生存力较高。但直升机的桅杆不适应大载重，有的在顶部装了毫米波雷达，因此装不了桅杆瞄具。顶棚式目前相对少见，主要是因为顶棚强度较差，对飞行员安全是个威胁。大多稳瞄系统还是安装在鼻锥处，当然这也和直升机鼻锥处有什么其它设备有关。
记者：光电稳瞄设备，在坦克、步兵反坦克导弹系统、固定翼战斗机等其它方面也需要。那么和这些平台相比，直升机平台对光电稳瞄系统有什么特殊影响？比如武装直升机和坦克上的振动，会有所区别吧？
纪：直升机的旋翼振动很厉害，旋翼的叶片数和转速确定了直升机的主振频率。坦克稳瞄难以抑制的是低频摇摆，直升机稳瞄难以抑制的是振动。由于直升机稳瞄系统作用距离更远，需要精确制导，因此它的稳定精度通常要比地面车辆上用的高。后者稳定精度一般为100微弧度，武装直升机上的稳瞄系统则要达到20-50微弧度，最新一代直升机稳瞄系统甚至要求达到5-10微弧度（1微弧度的稳定精度对应10千米距离晃动1厘米）。
记者：那为了实现这种稳定精度，武装直升机光电稳瞄系统的稳定设备。经历了怎样的发展阶段，用什么样的技术实现稳定？
纪：我们已经说过，武直光电稳瞄系统的发展基本分三代。第一代还没有热像仪，光路单一、作用距离有限。它们采用反射镜稳定方式，或陀螺直接稳定，或两轴两框架陀螺稳定平台，已能满足要求，精度在50-100微弧度。
第二代装备了扫描型热像仪，昼夜使用；第三代大多采用大面阵凝视型热像仪，而且加上了各种图像处理和其它先进技术。目前装备应用的光电产品大多属第三代。
后两代武直光电稳瞄系统，大多采用两轴四框架稳定平台，其目的是有效隔离扰动，提高稳定精度，其精度范围可达20-40微弧度。未来更高精度（5-10微弧度）的稳定方法，我个人认为还得依靠粗精组合稳定来实现。
记者：什么是两轴四框架稳定平台？
纪：陀螺稳定平台通常可稳定三个轴，但直升机等用于瞄准的稳瞄系统通常只需稳定方位和俯仰两个轴，横滚方向不需要稳，即所谓“两轴”。四框架是指方位和俯仰各有内、外框架共四个框架。多个框架的目的主要是隔离风阻和减小平台轴上的干扰力矩。
记者：您刚才提到的粗精组合稳定技术，发展现状怎样？技术难点主要在哪里？
纪：粗精组合稳定技术问题，我在上世纪90年代初就提出并发表过多篇论文。不过当时对直升机稳瞄的高精度需求还不迫切，加上当时快速驱动的反射镜技术（FSM）还不成熟，挠性结构支承技术还存在负载能力和伺服带宽上不去等问题，因此国内一直未引起关注。
近年来随着微驱动技术的快速发展，国外在机载稳瞄和IRST（红外搜索跟踪系统）、激光通信、战术激光武器等方面，已开始大量采用粗精组合稳定技术。FSM的特点是高带宽、微位移、体积小、重量轻（约200克），将其与陀螺稳定平台进行组合，可以补偿瞄准线的残余误差，提高瞄准线稳定精度。根据目前的技术成果，可以在振动环境下将瞄准线稳定在5微弧度。
记者：除了刚才提到的稳定精度，直升机光电稳瞄系统和地面车辆、单兵使用的相比。还有哪些区别？
纪：武装直升机上的光电稳瞄系统，功能更复杂，传感器种类更多，重量要求更轻。其次是，它的光电传感器的作用距离要更远，比如激光照射距离通常要达到6-8干米，而单兵使用。的光电系统，只需2-3千米。
另外，装甲车辆上的光电稳瞄系统以潜望式为主，直升机的则以球形吊舱或转塔为主，结构更复杂。
记者：与固定翼战斗机相比，它们又有什么区别？比如直升机飞行高度低，固定翼飞机的光电系统有时还考虑对空探测，这会对光电稳瞄系统的性能要求产生哪些区别？
纪：固定翼飞机对空搜索和预警的IRST，主要用于空中预警，传感器主要是红外和激光测距。而且红外主要是采用点源成像，以发现目标为主，因此作用距离通常可达几十千米。
固定翼飞机的光电吊舱，则多以对地侦察和攻击为主，和直升机稳瞄系统功能类似，所装传感器也非常近似。不同的是固定翼飞机上要考虑高速飞行摩擦，因此光电吊舱通常要采取环控，以保证内部温度恒定。至于性能上，虽然飞行高度差别很大，但5000米以上能见度非常好，对地目标识别主要还是取决于5000米以下的能见度，因此两者的性能基本相当。
固定翼飞机的吊舱通常为“长筒”形，易于外挂。目前的发展趋势是类似F-35的EOTS，采用“半埋”式。
记者：武装直升机上的光电转塔，是否也能移植到自行反坦克车、攻击机等其它武器平台上？
纪：从原理上讲，直升机稳瞄系统与很多其它武器平台的稳瞄系统相似，包括固定翼飞机的光电吊舱，因此能相互移植。比如著名的“阿达茨”导弹系统，其稳瞄系统就是以AH-64“阿帕奇”的TADS/PNVS的一个增强性能版本为基础。以色列也把战斗机挂载的AA0-28吊舱的头部移植到直升机上，FLIR公司则把他们的AN/AAQ-22稳瞄系统（已被用于ARH-70侦察直升机和MO-SB无人直升机）用到了侦察车上。当然，各种武器平台的使用环境和安装位置，以及对体积和重量要求均有所不同，移植时需要做相应改进。
记者：F-35战斗机的光电系统，特别是分布式孔径系统，是一亮点。既然机载光电系统与直升机的光电系统有很多共同之处，那这种分布式孔径技术能否应用到武装直升机上？
纪：分布式孔径光电系统可广泛应用于飞机、坦克、舰船等，应该是未来光电系统的发展方向。它可以结合光电传感器和图像处理技术，实现诸如探测、跟踪、瞄准和飞行导航等功能。但目前受限于很多因素，其应用还有一定局限性，比如远距离和宽视场的矛盾，传感器分辨率、图像处理的速度等，限制了它的很多功能和性能。在固定翼飞机上，它目前还主要用于空中预警、飞行导航和防撞，能形成360°视觉包络，也即所谓透明座舱。
我认为在武装直升机上应用，目前和固定翼飞机还有较大区别，主要取决于直升机对空中预警的需求有多大。作为直升机驾驶员夜间飞行和着陆系统应用，就目前技术来看，还是可行的。至于能否替代直升机稳瞄系统，受限于上述因素，短期内还不可能。
记者：您已经介绍过，武装直升机的光电系统中需要多种传感器。我们平常看它的光电转塔，也经常会看到两三个窗口，尺寸、颜色各不同。这种尺寸、颜色区别，应该与红外、激光等不同设备的工作波段有关吧？
纪：对，窗口色彩就是因为采用不同波段的材质和膜层造成的。目前热像仪采用最多的是3-5微米的中波和8-12微米的长波，其中长波热像仪的光窗，通常采用硫化锌或锗玻璃，中波热像仪通常采用氟化镁、蓝宝石和尖晶石等。它们能让红外线通过，却不易让可见光通过，因此这些窗口在我们肉眼看来经常是不透明的。激光或电视光窗通常采用石英玻璃，透明，但它们经常要根据需要镀制各种膜层，如增透膜、硬碳膜等。红外传感器的窗口也常镀膜。因此，不同材料和膜层结合起来，就让这些光窗有不同的颜色，比如棕红、黄色、白色、蓝色等。热像仪的光窗看起来就像一面镜子，而且一般是最大的，因为光学孔径越大，接收的能量越多，作用距离也越远。
记者：不同光电传感器的工作波长不同，那在热像仪上是不是无法看到可见光波段的激光光斑，这对激光指示器、瞄准等是否会有影响？
纪：激光测距机、指示器大多工作在在1.06或1.54/1.57微米，和红外传感器的3-5微米、8-12微米波段不兼容。因此我们在直升机的显示器上看电视或红外图像时，一般看不见激光光斑。不过这不会影响制导精度，因为电视、红外和激光光轴是严格校准的，十字线压住的目标，激光光斑也必然会照在瞄准点上。当然，制导误差取决于准直、瞄准、跟踪等各种误差的综合。
记者：这些不同传感器的窗口能合并或减少吗？
纪：这些窗口可以合并，即所谓“共窗口”或“共光路”。比如MO-9无人机最新的MTS-B稳瞄系统，固定翼飞机的“狙击手”吊舱，采用了共窗口。这是一种发展趋势，但目前有一定难度，主要是因为需要宽光谱材料。另外还涉及分光、共光路等复杂的光学设计和膜系设计等一系列问题。
记者：除了共窗口，图像融合也是现代光电系统的一个发展趋势。这种技术已经在哪些武装直升机上应用了？
纪：在“阿帕奇”的M-TADS/PNVS“箭头”稳瞄系统，以及目前多款新一代稳瞄系统（如FLIR公司的系列产品）中，图像融合技术已经获得应用。
记者：这项技术是为了综合利用中波、长波红外，微光、电视，甚至雷达等各种传感器采集的信息，互相弥补它们的缺点。您能否说说这些传感器各有哪些优缺点？
纪：各种传感器的优缺点要详细述说，过于专业了，只能简单说明一下。
成像雷达如SAR（合成孔径雷达）还主要用于无人机、卫星等载体，并且采用的是推扫成像，目前还难以与光电成像进行图像融合，尤其是适时融合。
微光电视和热像仪的原理不同，是借助星光或月光的，直观的看，图像细节要比热像仪丰富。但受气候限制。目前其探测距离等还比不上热像仪。
热像仪能看到微光电视难以分辨的细节，如烟雾遮挡以及丛林中发热的物体和人员等。这其中，长波和中波红外相比。敏感的大气窗口不同。通常在高热高湿地区，中波红外比长波红外有更好的探测能力。但长波红外有更好的透烟雾能力。中波、长波红外孰优孰劣，目前还是一个争论的课题，需要在不同的环境条件下通过大量的实验对比。
图像融合，就是上述成像特征的互补。
记者：看您的论文介绍说，图像融合主要是像素级的。这种融合是把缸外、电视等图像叠加在一起，还是在一个屏幕上分别切换？
纪：目前能够进入工程应用的主要还是像素级的图像融合，是将两幅性质不同的视频图像通过图像处理，合成一幅图像，集中反映两幅图像的特征，如红外和电视、红外和微光等。当然，这些图像是可以相互切换的，需要融合时可以通过开关切换。两幅图像的重叠在技术上称为图像配准。图像融合涉及软硬件技术，目前的主要技术难点在于图像的快速配准和图像融合算法，以及图像处理的实时性。
记者：您前面曾提到，直升机光电系统中，除了最复杂的稳瞄系统，还有光电对抗系统，这也对保障直升机生存能力至关重要。现在直升机已开始采用定向红外干扰系统，它与以前的干扰设备，比如早期“阿帕奇”用的ALQ-144相比，在原理、结构、技术上有什么区别？
纪：ALQ-144是一种对抗老式导弹的红外干扰系统，通过调制红外源来诱骗干扰导弹导引头。目前该系统已为大多数用户所废弃。定向红外干扰系统目前已趋于向集成式发展，和过去的光电对抗相比，将告警系统、红外捕获与跟踪系统、激光干扰系统、高速数据处理系统等综合集成在一个吊舱内，可挂载在直升机或飞机的两侧形成全方位包络。
记者：最后对于我国光电稳瞄系统的发展，您有哪些建议，比如武装直升机的光电系统如何尽量通用化？
纪：光电稳瞄系统目前除军事应用外，在民用领域和准军事领域的应用也日趋广泛，如森林防护、电力巡视、环境监测、空中摄影、治安巡逻、搜救等。但由于它的技术复杂性和高成本，目前在国内应用还受到一定限制。
我个人认为，光电稳瞄技术推广应用的关键，目前是急需开发出低成本、模块化、开放式结构的产品，包括光电传感器，以适应国内外民用和准军事应用的需求。其次是光电传感器尤其是热像仪，提高性能、降低成本是一个推广应用的重要因素。在这点上，只有从上至下形成共识，才可能引起重视并加大投入。
另外，无论军用或民用，目前重视两头（系统和基础）的较多，对中间很多相关的专项应用技术不够重视，投资力度小，如散热技术、自动准直技术、动态密封技术、工艺和装调技术等。这些都是影响稳瞄系统性能的重要技术。
记者：感谢您的精彩讲解，让我们读者了解了更多有关武装直升机光电系统的知识和发展动向。也祝您和同事们工作顺利，使我国武装直升机与其它平台上的多种光电系统，在现有成果上更加快速地前进。
