超级军网航空光电侦察平台中的关键技术及其发展
来源：百度文库 编辑：超级军网 时间：2024/04/28 05:41:29
航空光电侦察平台中的关键技术及其发展
江苏航空／2005．第3期
本文介绍了国内外航空光电侦察平台的技术发展概况，并针对航空光电侦察平台的单元优化与系统集成技术、光电侦察平台框架数目的选择和平台框架结构形式的选材等关键技术问题进行了全面分析与研究。文后。依据作者的工作体会，论述了航空光电侦察平台的未来发展趋势。
◎ 蒋定定 许兆林 李开端
海军航空工程学院
引言
航空侦察是军队为获取敌情、地形和有关作战情报而采取的行动，是实施正确指挥的前提，是取得作战胜利的重要保证。因此有人称它为战场力量的倍增器。在不同的历史条件下，尽管获取情报的技术手段不一样，但是航空侦察在军事上的重要地位从未削弱。由于航空侦察具有时效性强、准确度高、侦察范围宽广深远、机动灵活、针对性强的特点，既可克服地面侦察受地球曲率和地形障碍物对视线的限制和较强的危险性，又可弥补卫星侦察的细节和时效不足，所以目前它仍是获取战术情报的基本和有效手段。近年来，在商用救助、灾情防救、边防稽私等也有其重要应用。
航空侦察以光电设备为主，如合成孔径雷达、各种胶片相机、实时传输相机，红外相机等。在此仅对光电侦察平台与有效载荷的相关技术及其发展进行讨论。由于市场的牵引，国外近年在光电侦察平台与有效载荷等技术发展很快，向着平台质量更轻、传感器更多更小、稳定精度更高的方向发展。
2航空光电侦察平台关键技术
2．1单元优化与系统集成技术
由于航空技术对体积和重量的特殊要求，其减少就意味着飞行速度、飞行距离的增加， 因此各单元优化集成的优劣决定了飞行器的飞行距离、飞行速度。在满足侦察要求的前提下，进行系统优化和一体化设计十分必要；在经济成本允许的条件下，优选比强度、比刚度好的材料(如玻璃钢、钛合金、碳纤维等等)。
(1)光电侦察平台结构框架数目
的选择双轴二环架结构是航空侦察平台中使用最多的一种，是较为成熟的技术。在未来系统中，由红外、激光、电视等组成的负荷，其稳定负载较重，会导致增加很多各种干扰力矩，以往二环架平台系统的设计和工艺技术要使稳定精度达到微弧级是十分困难的。采用四环架二轴结构，可以克服二环架的缺点：因内二环始终互相垂直，减小了几何约束耦合，处于更良好的稳定环境，从而对干扰运动起到更佳的隔离作用，易于提高系统的稳定精度；内外环控制回路相互独立，互不影响，可以消除大角度运动的环架自锁；四环架稳定系统使用的内二环、外二环的电机力矩较同等的二环系统减小，如果合理安排被稳定的光电传感器，按精度要求分布在内、外环上，甚至可使内二环的负载非常小，有利于系统带宽的增加。
(2)平台框架结构形式和选材
平台框架是支承台体的受力件，其结构形式和选材直接影响框架的刚度和质量，通常可分为方形和球形框架，其中以球形框架受力情况最佳。采用薄壁体结构— — 加强筋、变截面、E形结构形式的框架。材料使用铍合金和铝合金，其中铍合金材料的性能最佳，但由于它的高成本及特殊的工艺条件的限制，通常选用锻铝和铸铝铝合金作为框架的结构材料。锻铝的结晶组织稳定，比刚度和比强度较高，并且具有优良的力学性能：铸铝框架机械加工量较小，但铸造的热应力及气孔、疏松、砂眼等缺陷影响框架质量，甚至造成框架断裂，可靠性较差，所以平台框架通常选用锻铝。
(3)有效载荷的配置和选择
在光电侦察平台中，根据使用需求，配置各种类别和性能的可见光电视、红外热成像、激光测距或它们之间的组合。可见光电视技术相对比较成熟，但在光学系统的设汁、加工和材料方面仍需进行深入研究，如二元光学和非球面的应用、高折射率材料的制备、小型化光学结构的设计等。在红外热成像技术方面，由于我国在探测器的研制上与国外尚存在相当大的差距，因此发展相对受限制。尽管国内己通过进口国外探测器，研制出多种航空红外热成像系统，但是对于红外在大气中的传播、成像机理、制冷技术、信号处理及光学设计、材料、
加工、检测、装校等方面仍需做深入的研究工作。激光测距机多采用半导体激光器，国内研制的尚需在缩小体积和重量、提高发射功率、重复频率和寿命等方面做深入的研究工作。
(4)环境适应性设计
对航空光电产品的环境适应性要求很高，力学、热学、电磁兼容等，在总体集成设计中
给予充分考虑方能达到较好的效果。在保证仪器性能、重量、体积的前提下，并在经济成本允许的条件下，优选比强度、比刚度好的材料和结构形式，以满足力学环境的要求。作为航空产品大都工作在高空环境下，随高度的变化，温度与气压逐渐降低，为克服这种动态变化对光学成像的影响，必须采取必要的环控措施。电磁兼容性设计是保证飞行安全和设备性能的基本要求，在设计中要给予高度重视。
2．2提高光学成像质量控制技术
航空光电平台在使用过程中是建立在动基座的基础上，载体的振动、姿态变化和相对目标的位移都将对成像质量造成影响，因此，适宜的控制技术是提高成像系统的图像质量和侦察能力的关键。
(1)惯性稳定控制技术
惯性稳定控制使视轴稳定在固定的惯性空间方向， 以克服动基座角姿态变化和低频角振动对光学成像系统的影响。摩擦干扰力矩、质量不均衡、空气阻力、轴间耦合和传感器噪声等都是影响惯性稳定控制的因素，需采取有效的控制方法，才能达到较高的稳定精度。最优控制、变结构控制、神经网络以及模糊控制等都己应用于航空光电平台的惯性稳定控制中，针对具体的问题，人们使用了各种自适应控制技术，如增益自适应调整、变带宽、模型参考自适应、自校正控制等。
(2)被动减振与阻尼技术光电
平台与航空载体相联各点的振动相位与振幅不一致时，光学视轴发生角位移，对光学成像质量会造成影响。因此，在进行系统设计时尽可能地控制载体传来的角位移，并应排除平台座架基体的线振动转为角位移的可能性。合理采取减振措施，可以消除载体10Hz以上高频振动扰动， 而且可靠、无能源、结构简单、经济实用。在设计减振器时要保证弹性轴对称且相互平行、线性度好、其刚度中心与平台重心重合、固有频率与伺服系统带宽相匹配，最大限度地减少各种工作频率的振动传递率。合理选择减振器的固有频率、阻尼参数，使减振系统能减小高频振动，又不发生共振。减振就是动能转化为热能(材料内部分子的摩擦)的过程，因此被动减振装置要尽量设计成无角位移的结构形式，如平行四边形、三向等刚度平移等形式，这样既耗能又不产生有害的角运动。
(3)电子稳像技术电子
稳像技术近几年才达到实用化程度，它受益于半导体技术的飞速发展，高速运算芯片的出现使得利用软件图像处理算法实现稳像成为可能。有两种电子稳像的方法，一种是帧内稳像(in-frame)，如可以用维纳滤波或逆滤波等方法复原线运动形成的模糊图像；另一种是帧间稳像(per-frame)，解算出运动矢量的参数去控制CCD输出像元各行列的起始读取位置，从而达到图像补偿稳定的目的。电子稳像是应用图像处理的方法来直接确定像偏移并进行补偿的技术。与传统的光学稳像、机电结合的稳像方法相比，电子稳像具有易于操作，更精确，更灵活，体积小以及价格低，能耗小等特点，同时由于大规模集成电路技术的不断提高，又便于实现设备的小型化。可见电子稳像方法将是观瞄或摄像系统中的更新换代的稳像方法。
2．3电视跟踪与图像处理技术
目前，图像处理技术已经在许多不同的应用领域受到重视并取得了重大开拓性的成就，航空光电平台工作在动态飞行过程中，为精确瞄准、观测或测量某一特定目标，需保证视轴一直指向目标，除惯性稳定控制外，采用图像跟踪与处理技术，计算出脱靶量，反馈给伺服控制系统，驱动平台框架旋转、跟踪目标。空对地电视跟踪与图像处理技术的关键仍是自动目标识别和跟踪算法，这是一项集人工智能、模式识别、计算机视觉、人工神经网络等学科理论于一体的算法研究。根据视场中的运动目标的分类及运动状态也可实现多目标跟踪；利用控制理论中的估值理论，可以给出目标参量的当前最佳估值即滤波估值，还可以给出未来时刻的目标状态的预测估值，从而实现对目标的记忆跟踪。在实际应用中，使用最多的是以重心、形心、边缘提取和相关跟踪为主体，再根据具体情况和目标特性融进其它处理算法， 目前国内已经能做到目标与背景对比度4％的情况进行捕获和有效跟踪。
2．4动态检测技术
由于航空光电平台是在动基座上成像与测量，性能的优劣主要取决于动态使用精度，因此在地面进行系统全面的动态特性模拟和检测是十分必要的，能够分析和解决在航空试验中许多难以解决的问题，也可大大降低校飞试验成本。在动态特性模拟和检测试验中，主要考核和检测在不同频率的角扰动、角加速度、角速度下平台的动态稳定精度、电视捕获和跟踪能力等。为此我所自行研制了两轴摇摆台，其最大角速度为110。／S，最大角加速度为100。／s2，可承载体积小于ψ600mm X800mm、重量小于200kg的平台做试验。同时配以动态靶标，可提供可见和红外点目标，用以对双探测器跟踪和捕获的模拟和检测使用。
3航空光电侦察平台发展趋势
根据现代战争的特点和发展趋势，航空侦察的发展势头强劲，朝着空间的立体化、情报信息的实时化、手段的多样化、侦察与打击一体化、提高装备生存能力方向发展。
因此要求侦察装备技术先进、手段多样、空间广延、时间连续、信息传递快速。因此，航空光电侦察平台需要向以下几个方面发展：
(1)使用新型光学和结构材料，缩小光学系统和结构框架的体积，减轻重量。
(2)多探测器并用。一方面保证全天时、全天候工作；另一方面不仅限于对目标外形和轮廓的侦察，同时获取目标特性，并可进行测量、定位和防伪识别等。
(3)全数字化方式工作，提高信息获取和处理能力。包括数字化图像采集、捕获、识别和跟踪、数字电控、数字信息传输和显示等等。
(4)稳像技术向着更精确、更灵活、体积小以及价格低、能耗小、易于操作的方向发展。
(5)动态性能测量方法仍需进一步规范化与标准化，可靠性研究尚需加强。航空光电侦察平台中的关键技术及其发展
江苏航空／2005．第3期
本文介绍了国内外航空光电侦察平台的技术发展概况，并针对航空光电侦察平台的单元优化与系统集成技术、光电侦察平台框架数目的选择和平台框架结构形式的选材等关键技术问题进行了全面分析与研究。文后。依据作者的工作体会，论述了航空光电侦察平台的未来发展趋势。
◎ 蒋定定 许兆林 李开端
海军航空工程学院
引言
航空侦察是军队为获取敌情、地形和有关作战情报而采取的行动，是实施正确指挥的前提，是取得作战胜利的重要保证。因此有人称它为战场力量的倍增器。在不同的历史条件下，尽管获取情报的技术手段不一样，但是航空侦察在军事上的重要地位从未削弱。由于航空侦察具有时效性强、准确度高、侦察范围宽广深远、机动灵活、针对性强的特点，既可克服地面侦察受地球曲率和地形障碍物对视线的限制和较强的危险性，又可弥补卫星侦察的细节和时效不足，所以目前它仍是获取战术情报的基本和有效手段。近年来，在商用救助、灾情防救、边防稽私等也有其重要应用。
航空侦察以光电设备为主，如合成孔径雷达、各种胶片相机、实时传输相机，红外相机等。在此仅对光电侦察平台与有效载荷的相关技术及其发展进行讨论。由于市场的牵引，国外近年在光电侦察平台与有效载荷等技术发展很快，向着平台质量更轻、传感器更多更小、稳定精度更高的方向发展。
2航空光电侦察平台关键技术
2．1单元优化与系统集成技术
由于航空技术对体积和重量的特殊要求，其减少就意味着飞行速度、飞行距离的增加， 因此各单元优化集成的优劣决定了飞行器的飞行距离、飞行速度。在满足侦察要求的前提下，进行系统优化和一体化设计十分必要；在经济成本允许的条件下，优选比强度、比刚度好的材料(如玻璃钢、钛合金、碳纤维等等)。
(1)光电侦察平台结构框架数目
的选择双轴二环架结构是航空侦察平台中使用最多的一种，是较为成熟的技术。在未来系统中，由红外、激光、电视等组成的负荷，其稳定负载较重，会导致增加很多各种干扰力矩，以往二环架平台系统的设计和工艺技术要使稳定精度达到微弧级是十分困难的。采用四环架二轴结构，可以克服二环架的缺点：因内二环始终互相垂直，减小了几何约束耦合，处于更良好的稳定环境，从而对干扰运动起到更佳的隔离作用，易于提高系统的稳定精度；内外环控制回路相互独立，互不影响，可以消除大角度运动的环架自锁；四环架稳定系统使用的内二环、外二环的电机力矩较同等的二环系统减小，如果合理安排被稳定的光电传感器，按精度要求分布在内、外环上，甚至可使内二环的负载非常小，有利于系统带宽的增加。
(2)平台框架结构形式和选材
平台框架是支承台体的受力件，其结构形式和选材直接影响框架的刚度和质量，通常可分为方形和球形框架，其中以球形框架受力情况最佳。采用薄壁体结构— — 加强筋、变截面、E形结构形式的框架。材料使用铍合金和铝合金，其中铍合金材料的性能最佳，但由于它的高成本及特殊的工艺条件的限制，通常选用锻铝和铸铝铝合金作为框架的结构材料。锻铝的结晶组织稳定，比刚度和比强度较高，并且具有优良的力学性能：铸铝框架机械加工量较小，但铸造的热应力及气孔、疏松、砂眼等缺陷影响框架质量，甚至造成框架断裂，可靠性较差，所以平台框架通常选用锻铝。
(3)有效载荷的配置和选择
在光电侦察平台中，根据使用需求，配置各种类别和性能的可见光电视、红外热成像、激光测距或它们之间的组合。可见光电视技术相对比较成熟，但在光学系统的设汁、加工和材料方面仍需进行深入研究，如二元光学和非球面的应用、高折射率材料的制备、小型化光学结构的设计等。在红外热成像技术方面，由于我国在探测器的研制上与国外尚存在相当大的差距，因此发展相对受限制。尽管国内己通过进口国外探测器，研制出多种航空红外热成像系统，但是对于红外在大气中的传播、成像机理、制冷技术、信号处理及光学设计、材料、
加工、检测、装校等方面仍需做深入的研究工作。激光测距机多采用半导体激光器，国内研制的尚需在缩小体积和重量、提高发射功率、重复频率和寿命等方面做深入的研究工作。
(4)环境适应性设计
对航空光电产品的环境适应性要求很高，力学、热学、电磁兼容等，在总体集成设计中
给予充分考虑方能达到较好的效果。在保证仪器性能、重量、体积的前提下，并在经济成本允许的条件下，优选比强度、比刚度好的材料和结构形式，以满足力学环境的要求。作为航空产品大都工作在高空环境下，随高度的变化，温度与气压逐渐降低，为克服这种动态变化对光学成像的影响，必须采取必要的环控措施。电磁兼容性设计是保证飞行安全和设备性能的基本要求，在设计中要给予高度重视。
2．2提高光学成像质量控制技术
航空光电平台在使用过程中是建立在动基座的基础上，载体的振动、姿态变化和相对目标的位移都将对成像质量造成影响，因此，适宜的控制技术是提高成像系统的图像质量和侦察能力的关键。
(1)惯性稳定控制技术
惯性稳定控制使视轴稳定在固定的惯性空间方向， 以克服动基座角姿态变化和低频角振动对光学成像系统的影响。摩擦干扰力矩、质量不均衡、空气阻力、轴间耦合和传感器噪声等都是影响惯性稳定控制的因素，需采取有效的控制方法，才能达到较高的稳定精度。最优控制、变结构控制、神经网络以及模糊控制等都己应用于航空光电平台的惯性稳定控制中，针对具体的问题，人们使用了各种自适应控制技术，如增益自适应调整、变带宽、模型参考自适应、自校正控制等。
(2)被动减振与阻尼技术光电
平台与航空载体相联各点的振动相位与振幅不一致时，光学视轴发生角位移，对光学成像质量会造成影响。因此，在进行系统设计时尽可能地控制载体传来的角位移，并应排除平台座架基体的线振动转为角位移的可能性。合理采取减振措施，可以消除载体10Hz以上高频振动扰动， 而且可靠、无能源、结构简单、经济实用。在设计减振器时要保证弹性轴对称且相互平行、线性度好、其刚度中心与平台重心重合、固有频率与伺服系统带宽相匹配，最大限度地减少各种工作频率的振动传递率。合理选择减振器的固有频率、阻尼参数，使减振系统能减小高频振动，又不发生共振。减振就是动能转化为热能(材料内部分子的摩擦)的过程，因此被动减振装置要尽量设计成无角位移的结构形式，如平行四边形、三向等刚度平移等形式，这样既耗能又不产生有害的角运动。
(3)电子稳像技术电子
稳像技术近几年才达到实用化程度，它受益于半导体技术的飞速发展，高速运算芯片的出现使得利用软件图像处理算法实现稳像成为可能。有两种电子稳像的方法，一种是帧内稳像(in-frame)，如可以用维纳滤波或逆滤波等方法复原线运动形成的模糊图像；另一种是帧间稳像(per-frame)，解算出运动矢量的参数去控制CCD输出像元各行列的起始读取位置，从而达到图像补偿稳定的目的。电子稳像是应用图像处理的方法来直接确定像偏移并进行补偿的技术。与传统的光学稳像、机电结合的稳像方法相比，电子稳像具有易于操作，更精确，更灵活，体积小以及价格低，能耗小等特点，同时由于大规模集成电路技术的不断提高，又便于实现设备的小型化。可见电子稳像方法将是观瞄或摄像系统中的更新换代的稳像方法。
2．3电视跟踪与图像处理技术
目前，图像处理技术已经在许多不同的应用领域受到重视并取得了重大开拓性的成就，航空光电平台工作在动态飞行过程中，为精确瞄准、观测或测量某一特定目标，需保证视轴一直指向目标，除惯性稳定控制外，采用图像跟踪与处理技术，计算出脱靶量，反馈给伺服控制系统，驱动平台框架旋转、跟踪目标。空对地电视跟踪与图像处理技术的关键仍是自动目标识别和跟踪算法，这是一项集人工智能、模式识别、计算机视觉、人工神经网络等学科理论于一体的算法研究。根据视场中的运动目标的分类及运动状态也可实现多目标跟踪；利用控制理论中的估值理论，可以给出目标参量的当前最佳估值即滤波估值，还可以给出未来时刻的目标状态的预测估值，从而实现对目标的记忆跟踪。在实际应用中，使用最多的是以重心、形心、边缘提取和相关跟踪为主体，再根据具体情况和目标特性融进其它处理算法， 目前国内已经能做到目标与背景对比度4％的情况进行捕获和有效跟踪。
2．4动态检测技术
由于航空光电平台是在动基座上成像与测量，性能的优劣主要取决于动态使用精度，因此在地面进行系统全面的动态特性模拟和检测是十分必要的，能够分析和解决在航空试验中许多难以解决的问题，也可大大降低校飞试验成本。在动态特性模拟和检测试验中，主要考核和检测在不同频率的角扰动、角加速度、角速度下平台的动态稳定精度、电视捕获和跟踪能力等。为此我所自行研制了两轴摇摆台，其最大角速度为110。／S，最大角加速度为100。／s2，可承载体积小于ψ600mm X800mm、重量小于200kg的平台做试验。同时配以动态靶标，可提供可见和红外点目标，用以对双探测器跟踪和捕获的模拟和检测使用。
3航空光电侦察平台发展趋势
根据现代战争的特点和发展趋势，航空侦察的发展势头强劲，朝着空间的立体化、情报信息的实时化、手段的多样化、侦察与打击一体化、提高装备生存能力方向发展。
因此要求侦察装备技术先进、手段多样、空间广延、时间连续、信息传递快速。因此，航空光电侦察平台需要向以下几个方面发展：
(1)使用新型光学和结构材料，缩小光学系统和结构框架的体积，减轻重量。
(2)多探测器并用。一方面保证全天时、全天候工作；另一方面不仅限于对目标外形和轮廓的侦察，同时获取目标特性，并可进行测量、定位和防伪识别等。
(3)全数字化方式工作，提高信息获取和处理能力。包括数字化图像采集、捕获、识别和跟踪、数字电控、数字信息传输和显示等等。
(4)稳像技术向着更精确、更灵活、体积小以及价格低、能耗小、易于操作的方向发展。
(5)动态性能测量方法仍需进一步规范化与标准化，可靠性研究尚需加强。
江苏航空／2005．第3期
本文介绍了国内外航空光电侦察平台的技术发展概况，并针对航空光电侦察平台的单元优化与系统集成技术、光电侦察平台框架数目的选择和平台框架结构形式的选材等关键技术问题进行了全面分析与研究。文后。依据作者的工作体会，论述了航空光电侦察平台的未来发展趋势。
◎ 蒋定定 许兆林 李开端
海军航空工程学院
引言
航空侦察是军队为获取敌情、地形和有关作战情报而采取的行动，是实施正确指挥的前提，是取得作战胜利的重要保证。因此有人称它为战场力量的倍增器。在不同的历史条件下，尽管获取情报的技术手段不一样，但是航空侦察在军事上的重要地位从未削弱。由于航空侦察具有时效性强、准确度高、侦察范围宽广深远、机动灵活、针对性强的特点，既可克服地面侦察受地球曲率和地形障碍物对视线的限制和较强的危险性，又可弥补卫星侦察的细节和时效不足，所以目前它仍是获取战术情报的基本和有效手段。近年来，在商用救助、灾情防救、边防稽私等也有其重要应用。
航空侦察以光电设备为主，如合成孔径雷达、各种胶片相机、实时传输相机，红外相机等。在此仅对光电侦察平台与有效载荷的相关技术及其发展进行讨论。由于市场的牵引，国外近年在光电侦察平台与有效载荷等技术发展很快，向着平台质量更轻、传感器更多更小、稳定精度更高的方向发展。
2航空光电侦察平台关键技术
2．1单元优化与系统集成技术
由于航空技术对体积和重量的特殊要求，其减少就意味着飞行速度、飞行距离的增加， 因此各单元优化集成的优劣决定了飞行器的飞行距离、飞行速度。在满足侦察要求的前提下，进行系统优化和一体化设计十分必要；在经济成本允许的条件下，优选比强度、比刚度好的材料(如玻璃钢、钛合金、碳纤维等等)。
(1)光电侦察平台结构框架数目
的选择双轴二环架结构是航空侦察平台中使用最多的一种，是较为成熟的技术。在未来系统中，由红外、激光、电视等组成的负荷，其稳定负载较重，会导致增加很多各种干扰力矩，以往二环架平台系统的设计和工艺技术要使稳定精度达到微弧级是十分困难的。采用四环架二轴结构，可以克服二环架的缺点：因内二环始终互相垂直，减小了几何约束耦合，处于更良好的稳定环境，从而对干扰运动起到更佳的隔离作用，易于提高系统的稳定精度；内外环控制回路相互独立，互不影响，可以消除大角度运动的环架自锁；四环架稳定系统使用的内二环、外二环的电机力矩较同等的二环系统减小，如果合理安排被稳定的光电传感器，按精度要求分布在内、外环上，甚至可使内二环的负载非常小，有利于系统带宽的增加。
(2)平台框架结构形式和选材
平台框架是支承台体的受力件，其结构形式和选材直接影响框架的刚度和质量，通常可分为方形和球形框架，其中以球形框架受力情况最佳。采用薄壁体结构— — 加强筋、变截面、E形结构形式的框架。材料使用铍合金和铝合金，其中铍合金材料的性能最佳，但由于它的高成本及特殊的工艺条件的限制，通常选用锻铝和铸铝铝合金作为框架的结构材料。锻铝的结晶组织稳定，比刚度和比强度较高，并且具有优良的力学性能：铸铝框架机械加工量较小，但铸造的热应力及气孔、疏松、砂眼等缺陷影响框架质量，甚至造成框架断裂，可靠性较差，所以平台框架通常选用锻铝。
(3)有效载荷的配置和选择
在光电侦察平台中，根据使用需求，配置各种类别和性能的可见光电视、红外热成像、激光测距或它们之间的组合。可见光电视技术相对比较成熟，但在光学系统的设汁、加工和材料方面仍需进行深入研究，如二元光学和非球面的应用、高折射率材料的制备、小型化光学结构的设计等。在红外热成像技术方面，由于我国在探测器的研制上与国外尚存在相当大的差距，因此发展相对受限制。尽管国内己通过进口国外探测器，研制出多种航空红外热成像系统，但是对于红外在大气中的传播、成像机理、制冷技术、信号处理及光学设计、材料、
加工、检测、装校等方面仍需做深入的研究工作。激光测距机多采用半导体激光器，国内研制的尚需在缩小体积和重量、提高发射功率、重复频率和寿命等方面做深入的研究工作。
(4)环境适应性设计
对航空光电产品的环境适应性要求很高，力学、热学、电磁兼容等，在总体集成设计中
给予充分考虑方能达到较好的效果。在保证仪器性能、重量、体积的前提下，并在经济成本允许的条件下，优选比强度、比刚度好的材料和结构形式，以满足力学环境的要求。作为航空产品大都工作在高空环境下，随高度的变化，温度与气压逐渐降低，为克服这种动态变化对光学成像的影响，必须采取必要的环控措施。电磁兼容性设计是保证飞行安全和设备性能的基本要求，在设计中要给予高度重视。
2．2提高光学成像质量控制技术
航空光电平台在使用过程中是建立在动基座的基础上，载体的振动、姿态变化和相对目标的位移都将对成像质量造成影响，因此，适宜的控制技术是提高成像系统的图像质量和侦察能力的关键。
(1)惯性稳定控制技术
惯性稳定控制使视轴稳定在固定的惯性空间方向， 以克服动基座角姿态变化和低频角振动对光学成像系统的影响。摩擦干扰力矩、质量不均衡、空气阻力、轴间耦合和传感器噪声等都是影响惯性稳定控制的因素，需采取有效的控制方法，才能达到较高的稳定精度。最优控制、变结构控制、神经网络以及模糊控制等都己应用于航空光电平台的惯性稳定控制中，针对具体的问题，人们使用了各种自适应控制技术，如增益自适应调整、变带宽、模型参考自适应、自校正控制等。
(2)被动减振与阻尼技术光电
平台与航空载体相联各点的振动相位与振幅不一致时，光学视轴发生角位移，对光学成像质量会造成影响。因此，在进行系统设计时尽可能地控制载体传来的角位移，并应排除平台座架基体的线振动转为角位移的可能性。合理采取减振措施，可以消除载体10Hz以上高频振动扰动， 而且可靠、无能源、结构简单、经济实用。在设计减振器时要保证弹性轴对称且相互平行、线性度好、其刚度中心与平台重心重合、固有频率与伺服系统带宽相匹配，最大限度地减少各种工作频率的振动传递率。合理选择减振器的固有频率、阻尼参数，使减振系统能减小高频振动，又不发生共振。减振就是动能转化为热能(材料内部分子的摩擦)的过程，因此被动减振装置要尽量设计成无角位移的结构形式，如平行四边形、三向等刚度平移等形式，这样既耗能又不产生有害的角运动。
(3)电子稳像技术电子
稳像技术近几年才达到实用化程度，它受益于半导体技术的飞速发展，高速运算芯片的出现使得利用软件图像处理算法实现稳像成为可能。有两种电子稳像的方法，一种是帧内稳像(in-frame)，如可以用维纳滤波或逆滤波等方法复原线运动形成的模糊图像；另一种是帧间稳像(per-frame)，解算出运动矢量的参数去控制CCD输出像元各行列的起始读取位置，从而达到图像补偿稳定的目的。电子稳像是应用图像处理的方法来直接确定像偏移并进行补偿的技术。与传统的光学稳像、机电结合的稳像方法相比，电子稳像具有易于操作，更精确，更灵活，体积小以及价格低，能耗小等特点，同时由于大规模集成电路技术的不断提高，又便于实现设备的小型化。可见电子稳像方法将是观瞄或摄像系统中的更新换代的稳像方法。
2．3电视跟踪与图像处理技术
目前，图像处理技术已经在许多不同的应用领域受到重视并取得了重大开拓性的成就，航空光电平台工作在动态飞行过程中，为精确瞄准、观测或测量某一特定目标，需保证视轴一直指向目标，除惯性稳定控制外，采用图像跟踪与处理技术，计算出脱靶量，反馈给伺服控制系统，驱动平台框架旋转、跟踪目标。空对地电视跟踪与图像处理技术的关键仍是自动目标识别和跟踪算法，这是一项集人工智能、模式识别、计算机视觉、人工神经网络等学科理论于一体的算法研究。根据视场中的运动目标的分类及运动状态也可实现多目标跟踪；利用控制理论中的估值理论，可以给出目标参量的当前最佳估值即滤波估值，还可以给出未来时刻的目标状态的预测估值，从而实现对目标的记忆跟踪。在实际应用中，使用最多的是以重心、形心、边缘提取和相关跟踪为主体，再根据具体情况和目标特性融进其它处理算法， 目前国内已经能做到目标与背景对比度4％的情况进行捕获和有效跟踪。
2．4动态检测技术
由于航空光电平台是在动基座上成像与测量，性能的优劣主要取决于动态使用精度，因此在地面进行系统全面的动态特性模拟和检测是十分必要的，能够分析和解决在航空试验中许多难以解决的问题，也可大大降低校飞试验成本。在动态特性模拟和检测试验中，主要考核和检测在不同频率的角扰动、角加速度、角速度下平台的动态稳定精度、电视捕获和跟踪能力等。为此我所自行研制了两轴摇摆台，其最大角速度为110。／S，最大角加速度为100。／s2，可承载体积小于ψ600mm X800mm、重量小于200kg的平台做试验。同时配以动态靶标，可提供可见和红外点目标，用以对双探测器跟踪和捕获的模拟和检测使用。
3航空光电侦察平台发展趋势
根据现代战争的特点和发展趋势，航空侦察的发展势头强劲，朝着空间的立体化、情报信息的实时化、手段的多样化、侦察与打击一体化、提高装备生存能力方向发展。
因此要求侦察装备技术先进、手段多样、空间广延、时间连续、信息传递快速。因此，航空光电侦察平台需要向以下几个方面发展：
(1)使用新型光学和结构材料，缩小光学系统和结构框架的体积，减轻重量。
(2)多探测器并用。一方面保证全天时、全天候工作；另一方面不仅限于对目标外形和轮廓的侦察，同时获取目标特性，并可进行测量、定位和防伪识别等。
(3)全数字化方式工作，提高信息获取和处理能力。包括数字化图像采集、捕获、识别和跟踪、数字电控、数字信息传输和显示等等。
(4)稳像技术向着更精确、更灵活、体积小以及价格低、能耗小、易于操作的方向发展。
(5)动态性能测量方法仍需进一步规范化与标准化，可靠性研究尚需加强。航空光电侦察平台中的关键技术及其发展
江苏航空／2005．第3期
本文介绍了国内外航空光电侦察平台的技术发展概况，并针对航空光电侦察平台的单元优化与系统集成技术、光电侦察平台框架数目的选择和平台框架结构形式的选材等关键技术问题进行了全面分析与研究。文后。依据作者的工作体会，论述了航空光电侦察平台的未来发展趋势。
◎ 蒋定定 许兆林 李开端
海军航空工程学院
引言
航空侦察是军队为获取敌情、地形和有关作战情报而采取的行动，是实施正确指挥的前提，是取得作战胜利的重要保证。因此有人称它为战场力量的倍增器。在不同的历史条件下，尽管获取情报的技术手段不一样，但是航空侦察在军事上的重要地位从未削弱。由于航空侦察具有时效性强、准确度高、侦察范围宽广深远、机动灵活、针对性强的特点，既可克服地面侦察受地球曲率和地形障碍物对视线的限制和较强的危险性，又可弥补卫星侦察的细节和时效不足，所以目前它仍是获取战术情报的基本和有效手段。近年来，在商用救助、灾情防救、边防稽私等也有其重要应用。
航空侦察以光电设备为主，如合成孔径雷达、各种胶片相机、实时传输相机，红外相机等。在此仅对光电侦察平台与有效载荷的相关技术及其发展进行讨论。由于市场的牵引，国外近年在光电侦察平台与有效载荷等技术发展很快，向着平台质量更轻、传感器更多更小、稳定精度更高的方向发展。
2航空光电侦察平台关键技术
2．1单元优化与系统集成技术
由于航空技术对体积和重量的特殊要求，其减少就意味着飞行速度、飞行距离的增加， 因此各单元优化集成的优劣决定了飞行器的飞行距离、飞行速度。在满足侦察要求的前提下，进行系统优化和一体化设计十分必要；在经济成本允许的条件下，优选比强度、比刚度好的材料(如玻璃钢、钛合金、碳纤维等等)。
(1)光电侦察平台结构框架数目
的选择双轴二环架结构是航空侦察平台中使用最多的一种，是较为成熟的技术。在未来系统中，由红外、激光、电视等组成的负荷，其稳定负载较重，会导致增加很多各种干扰力矩，以往二环架平台系统的设计和工艺技术要使稳定精度达到微弧级是十分困难的。采用四环架二轴结构，可以克服二环架的缺点：因内二环始终互相垂直，减小了几何约束耦合，处于更良好的稳定环境，从而对干扰运动起到更佳的隔离作用，易于提高系统的稳定精度；内外环控制回路相互独立，互不影响，可以消除大角度运动的环架自锁；四环架稳定系统使用的内二环、外二环的电机力矩较同等的二环系统减小，如果合理安排被稳定的光电传感器，按精度要求分布在内、外环上，甚至可使内二环的负载非常小，有利于系统带宽的增加。
(2)平台框架结构形式和选材
平台框架是支承台体的受力件，其结构形式和选材直接影响框架的刚度和质量，通常可分为方形和球形框架，其中以球形框架受力情况最佳。采用薄壁体结构— — 加强筋、变截面、E形结构形式的框架。材料使用铍合金和铝合金，其中铍合金材料的性能最佳，但由于它的高成本及特殊的工艺条件的限制，通常选用锻铝和铸铝铝合金作为框架的结构材料。锻铝的结晶组织稳定，比刚度和比强度较高，并且具有优良的力学性能：铸铝框架机械加工量较小，但铸造的热应力及气孔、疏松、砂眼等缺陷影响框架质量，甚至造成框架断裂，可靠性较差，所以平台框架通常选用锻铝。
(3)有效载荷的配置和选择
在光电侦察平台中，根据使用需求，配置各种类别和性能的可见光电视、红外热成像、激光测距或它们之间的组合。可见光电视技术相对比较成熟，但在光学系统的设汁、加工和材料方面仍需进行深入研究，如二元光学和非球面的应用、高折射率材料的制备、小型化光学结构的设计等。在红外热成像技术方面，由于我国在探测器的研制上与国外尚存在相当大的差距，因此发展相对受限制。尽管国内己通过进口国外探测器，研制出多种航空红外热成像系统，但是对于红外在大气中的传播、成像机理、制冷技术、信号处理及光学设计、材料、
加工、检测、装校等方面仍需做深入的研究工作。激光测距机多采用半导体激光器，国内研制的尚需在缩小体积和重量、提高发射功率、重复频率和寿命等方面做深入的研究工作。
(4)环境适应性设计
对航空光电产品的环境适应性要求很高，力学、热学、电磁兼容等，在总体集成设计中
给予充分考虑方能达到较好的效果。在保证仪器性能、重量、体积的前提下，并在经济成本允许的条件下，优选比强度、比刚度好的材料和结构形式，以满足力学环境的要求。作为航空产品大都工作在高空环境下，随高度的变化，温度与气压逐渐降低，为克服这种动态变化对光学成像的影响，必须采取必要的环控措施。电磁兼容性设计是保证飞行安全和设备性能的基本要求，在设计中要给予高度重视。
2．2提高光学成像质量控制技术
航空光电平台在使用过程中是建立在动基座的基础上，载体的振动、姿态变化和相对目标的位移都将对成像质量造成影响，因此，适宜的控制技术是提高成像系统的图像质量和侦察能力的关键。
(1)惯性稳定控制技术
惯性稳定控制使视轴稳定在固定的惯性空间方向， 以克服动基座角姿态变化和低频角振动对光学成像系统的影响。摩擦干扰力矩、质量不均衡、空气阻力、轴间耦合和传感器噪声等都是影响惯性稳定控制的因素，需采取有效的控制方法，才能达到较高的稳定精度。最优控制、变结构控制、神经网络以及模糊控制等都己应用于航空光电平台的惯性稳定控制中，针对具体的问题，人们使用了各种自适应控制技术，如增益自适应调整、变带宽、模型参考自适应、自校正控制等。
(2)被动减振与阻尼技术光电
平台与航空载体相联各点的振动相位与振幅不一致时，光学视轴发生角位移，对光学成像质量会造成影响。因此，在进行系统设计时尽可能地控制载体传来的角位移，并应排除平台座架基体的线振动转为角位移的可能性。合理采取减振措施，可以消除载体10Hz以上高频振动扰动， 而且可靠、无能源、结构简单、经济实用。在设计减振器时要保证弹性轴对称且相互平行、线性度好、其刚度中心与平台重心重合、固有频率与伺服系统带宽相匹配，最大限度地减少各种工作频率的振动传递率。合理选择减振器的固有频率、阻尼参数，使减振系统能减小高频振动，又不发生共振。减振就是动能转化为热能(材料内部分子的摩擦)的过程，因此被动减振装置要尽量设计成无角位移的结构形式，如平行四边形、三向等刚度平移等形式，这样既耗能又不产生有害的角运动。
(3)电子稳像技术电子
稳像技术近几年才达到实用化程度，它受益于半导体技术的飞速发展，高速运算芯片的出现使得利用软件图像处理算法实现稳像成为可能。有两种电子稳像的方法，一种是帧内稳像(in-frame)，如可以用维纳滤波或逆滤波等方法复原线运动形成的模糊图像；另一种是帧间稳像(per-frame)，解算出运动矢量的参数去控制CCD输出像元各行列的起始读取位置，从而达到图像补偿稳定的目的。电子稳像是应用图像处理的方法来直接确定像偏移并进行补偿的技术。与传统的光学稳像、机电结合的稳像方法相比，电子稳像具有易于操作，更精确，更灵活，体积小以及价格低，能耗小等特点，同时由于大规模集成电路技术的不断提高，又便于实现设备的小型化。可见电子稳像方法将是观瞄或摄像系统中的更新换代的稳像方法。
2．3电视跟踪与图像处理技术
目前，图像处理技术已经在许多不同的应用领域受到重视并取得了重大开拓性的成就，航空光电平台工作在动态飞行过程中，为精确瞄准、观测或测量某一特定目标，需保证视轴一直指向目标，除惯性稳定控制外，采用图像跟踪与处理技术，计算出脱靶量，反馈给伺服控制系统，驱动平台框架旋转、跟踪目标。空对地电视跟踪与图像处理技术的关键仍是自动目标识别和跟踪算法，这是一项集人工智能、模式识别、计算机视觉、人工神经网络等学科理论于一体的算法研究。根据视场中的运动目标的分类及运动状态也可实现多目标跟踪；利用控制理论中的估值理论，可以给出目标参量的当前最佳估值即滤波估值，还可以给出未来时刻的目标状态的预测估值，从而实现对目标的记忆跟踪。在实际应用中，使用最多的是以重心、形心、边缘提取和相关跟踪为主体，再根据具体情况和目标特性融进其它处理算法， 目前国内已经能做到目标与背景对比度4％的情况进行捕获和有效跟踪。
2．4动态检测技术
由于航空光电平台是在动基座上成像与测量，性能的优劣主要取决于动态使用精度，因此在地面进行系统全面的动态特性模拟和检测是十分必要的，能够分析和解决在航空试验中许多难以解决的问题，也可大大降低校飞试验成本。在动态特性模拟和检测试验中，主要考核和检测在不同频率的角扰动、角加速度、角速度下平台的动态稳定精度、电视捕获和跟踪能力等。为此我所自行研制了两轴摇摆台，其最大角速度为110。／S，最大角加速度为100。／s2，可承载体积小于ψ600mm X800mm、重量小于200kg的平台做试验。同时配以动态靶标，可提供可见和红外点目标，用以对双探测器跟踪和捕获的模拟和检测使用。
3航空光电侦察平台发展趋势
根据现代战争的特点和发展趋势，航空侦察的发展势头强劲，朝着空间的立体化、情报信息的实时化、手段的多样化、侦察与打击一体化、提高装备生存能力方向发展。
因此要求侦察装备技术先进、手段多样、空间广延、时间连续、信息传递快速。因此，航空光电侦察平台需要向以下几个方面发展：
(1)使用新型光学和结构材料，缩小光学系统和结构框架的体积，减轻重量。
(2)多探测器并用。一方面保证全天时、全天候工作；另一方面不仅限于对目标外形和轮廓的侦察，同时获取目标特性，并可进行测量、定位和防伪识别等。
(3)全数字化方式工作，提高信息获取和处理能力。包括数字化图像采集、捕获、识别和跟踪、数字电控、数字信息传输和显示等等。
(4)稳像技术向着更精确、更灵活、体积小以及价格低、能耗小、易于操作的方向发展。
(5)动态性能测量方法仍需进一步规范化与标准化，可靠性研究尚需加强。