“影子”２００ 战术无人侦察机机身下的ＰＯＰ ２００插接式光电有效载荷
●杜 木
ＭＸ－１５Ｄ多光谱目标捕获转塔红外摄像机拍摄的图片 任务载荷是战术无人侦察机的关键部分，不仅在重量上占无人机全重较大比重，而且也在成本上占据了无人机成本的大部分。以高性能、高成本的美军“全球鹰”、“捕食者”无人侦察机为例，其任务载荷的成本分别占其总成本的１／４和１／２，对于结构相对简单、造价更加低廉的战术无人机来说，这一比例不会低于以上数字。目前，战术无人侦察机的任务载荷有多种。比较成熟、简单的光电／红外传感器是最为通用的任务载荷。可以昼夜全天候工作的合成孔径雷达正越来越多被安装在先进的无人侦察机上。具有簇叶穿透功能的激光雷达发展迅速，很快就会成为一种重要的无人机任务载荷。另外，多光谱／超光谱相机、簇叶穿透雷达、超宽带雷达、信号情报传感器、化学战剂探测器和地雷探 测器等专用的传感器也在发展中，不久的将来也将被无人机采用。
光电／红外载荷
战术无人侦察机的一大优势是可以靠近目标实施侦察，小型机甚至可以飞临目标上空，在一二百米的距离拍摄。无人机的这一特点大大降低了对光电／红外任务载荷性能的要求。例如，下视摄像机在６００
０米高空利用焦距３０００毫米的复杂光学系统获得的空间分辨率，在１００米高度时用简单的焦距５０毫米的镜头就可以达到。而光电技术的发展，使电视摄像机、红外热像仪的重量、体积、成本都大大降低，这些侦察设备正在走进小型、甚至微型无人机。
小型摄像机已经可以在市场上买到，
目前在国外市场上就有一种小型彩摄像机，包括镜头在内重量约２克，功耗１５０毫瓦，成本约２００美元。能力更强的摄像机，通常重７０克，功率要２．７瓦，完全可以安装在美国“龙眼”小型无人机上。非制冷红外摄像机领域也取得了相当大的进展。例如，美国英迪戈系统公司的ＵＬ３红外摄像机，采用１６０×１２０微测辐射热计探测器阵列，使用Ｆ１．６镜头，可以获得优于８０ｍＫ的灵敏度。包括光学系统在内，摄像机重量不到２００克，需要的容积不超过５０厘米３，需要功率约１瓦。摄像机输出模拟视频和１４比特数字信号。量产后的ＵＬ３价格将降到几百美元，可以一次性使用。如果“龙眼”无人机安装两台７０克的摄像机和一台ＵＬ３红外摄像机，动力系统能够维持３９分钟的飞行时间。当然这种小型载荷
战术无人侦察机的几款任务载荷
件。标准传感器部件有热像仪、彩ＣＣＤ、自动视频跟踪器和激光瞄准器。为满足不同的作战需求，传感器组件可以快速更换。ＰＯＰ ２００重１５．８公斤，直径２６４毫米、高３８１毫米，探测距离３公里。“影子”２００ 未来可能采用正在研制的改进型光电／红外传感器。后者重１８．１ 公斤，包括索尼公司的ＣＣＤ电视摄像机、ＢＡＥ系统公司的前视红外系统和激光测距机／光斑跟踪器。前视红外系统的热像仪采用６４０×４８０锑化铟焦平面阵列，视场为２０°～２°。值得注意的是，几种传感器的数据融合将能提高探测能力，产生的影像是全数字的。新任务载荷将承担大面积监视任务，常平架能以１０００°／秒的速度旋转，稳定精度为５～１０微弧度。“改进型蚋蚊”（Ｉ－ＧＮＡＴ）无人机安装的ＭＸ－１５型多光谱目标捕获转塔尺寸为３８１毫米 ，最多携带４种类型（光电变焦 和定点摄像机、红外变焦摄像机、激光指示器和激光照明器）的６种传感器。摄像机的分辨率较高，光电变焦摄像机有宽、中和窄３种视场。地面的操纵员可以利用定点摄像机，得到极窄的视场。红外变焦摄像机有宽、中、窄、极窄４种视场。传感器是共轴的，以便操纵员从一个摄像机变换到另一个摄像机时，可以观看同一个目标区域。摄像机上安装了固体光纤陀螺，可以提供高的稳定性和目标定位精度。
旋翼式ＲＱ－８Ｂ“火力侦察兵”战术无人机采用重９１ 公斤的Ｕ－ＭＯＳＰ多任务光电稳定任务载荷。Ｕ－ＭＯＳＰ的传感器包括热像仪、电视摄像机、激光测距机和指示
不采用常平架和控制系统，直接安装在无人机上，但无人机与大型飞机相比，天生地稳定，震动比较小，而且距离目标近得多，因此仍能获得清晰的影像。
象“影子”２００之类的中型战术无人
侦察机就可以在头部安装球形转塔，容纳多种光电／红外任务载荷，如１台或２台昼用光电摄像机、夜用红外摄像机以及一种或几种激光传感器（如测距机或目标指示器），并利用常平架和小型惯性测量装置，控制传感器向上、向下摆动和３６０°旋转，实现稳定拍摄和精确的目标定位。美国的ＰＯＰ ２００插接式光电载荷、Ｕ－ＭＯＳＰ无人机多任务光电稳定载荷、ＭＸ－１５多光谱目
标捕获转塔等，都是比较有代表性的产品。
“影子”２００装载的ＰＯＰ ２００插接式光电载荷是能昼夜工作的组件式稳定光电传感器系统，使用可互换的插接式传感器部
其他几种无人侦察机和它们的光电载荷
器。高分辨率３～５微米锑化铟热像仪有３种视场（１３．５°～０．７５°）。电视摄像机可以连续变焦，具有类似的视场。
合成孔径雷达
合成孔径雷达在夜间和恶劣气候时能有效地工作，它能够穿透云层、雾和战场遮蔽，以高分辨率进行大范围成像，这一点是光电／红外任务载荷无法企及的。近十几年来轻型天线和紧凑的信号处理装置的发展以及成本的降低，使合成孔径雷达已经能够装备在战术无人机上。 美国已经为“影子”２００无人机研制了ＴＵＡＶＲ战术无人机雷达，为“火力侦察兵”无人直升机研制了ＡＰＹ－８“山猫”合成孔径雷达。ＴＵＡＶＲ是一种比较便宜的全天候昼夜传感器，具有高分辨率合成孔径雷达条幅、定点图、活动目标指示模式，能超视距全天候精确目标定位。目前，其重量为２８．８ 公斤，体积为０．０３７米３，但生产型重２５．９ 公斤，体积０．０２８ 米３。ＡＰＹ－８工作在Ｋｕ波段，在１００００米高空成像分辨率为１００毫米，重５２公斤，具有指示地面活动目标的能力，已在“火力侦察兵”上进行了评估。正在研制的“山猫”Ⅱ合成孔径雷达，重量降低到３９ 公斤，增程型“山猫”，则可在１３７００米的高空进行高分辨率成像。未来还将使雷达具有三维数字地面高度建模、自动探测人造金属目标、指示海上活动目标、以及进行分区成像等能力。
齐默尔曼联合公司研制的ＳｍａｌｌＳＡＲ轻型机载合成孔径雷达可用于探测地雷（甚至透过簇叶）和其他军事用途。实验证明，其分辨率为７５～１５０毫米，重量约２．３公斤，功率仅为１０瓦，成本不到２５万美元。安装在飞行高度３００米的无人机上时，有效作用距离２～３公里，无人机的前飞速度提供约１８米的合成孔径。由于发射功率低，还具有隐蔽工作的优点。
以列为“搜索者”Ⅱ无人机研制了ＥＬ／Ｍ－２０５５Ｄ合成孔径雷达／活动目标指示雷达具有条幅、定点和地面活动目标指示模式，可以全天候在防区外拍摄大范围影像，影像质量接近照片。定点模式可提供分辨率较高的影像，可进行目标分类。地面活动目标指示模式则可以发现地面活动
目标。雷达重３６公斤，功率为７００瓦。
德国２００２年开始研制的ＭｉＳＡＲ小型合成孔径雷达是一种调频连续波Ｋａ波段（３５毫米）雷达系统，重量仅３．９５公斤，可以装在０．０１米３的任务载荷舱内，功耗不到６０瓦，以条幅模式可以覆盖５００～１０００米宽的条形地带，分辨率为５００毫米，还能以聚光模式详查特别感兴趣的区域。雷达由处理器、数据记录装置和显示装置组
成。天线系统由安装在常平架上的天线以及振动、横滚和起落运动补偿装置组成。天线包括陀螺和天线控制电子系统。由于天线安装在常平架上，因此可以消除平台横滚、偏航的影响。原始雷达数据一般通过带宽５兆赫的标准模拟数据链路传送给以市售ＰＣ机为基础的地面控制站，进行实时图像处理、显示和存储。ＭｉＳＡＲ小型合成孔径雷达已安装在“月神”无人机上进行了飞行试验，可以昼夜产生接近照片质量的高分辨率雷达影像。
与德国一样，荷兰也在研制调频连续波合成孔径雷达可行性演示器，演示器打算安装在飞行高度３００米、速度９０公里／时的平台上，在４００～１０００米的距离上产生宽５００米条形地带的图像。
预计作战型尺寸为１４０×２００毫米，覆盖宽１０００米的条形地带，方位和距离分辨率为３００毫米。
另外，荷兰还在研制ＭｉｎｉＳＡＲ合成孔径雷达，该雷达工作在Ｘ波段（９．７５吉赫），体积为５００×３００×２００毫米，重量不到５０公斤，作用距离１０公里，能以条幅式地图、聚光、活动目标指示模式获得图像。
英国在研制的合成孔径雷达名为ＱｕａＳＡＲ，该雷达以条幅地图、聚光、宽域海上成像模式运转，可以装备任何能承载３０公斤以上任务载荷的无人机。当安装在飞行高度１８０００米的平台上时，可以覆盖
３．５～２０公里宽的条形地带，作用距离２０～１１５公里，分辨率为３米、１米或３００毫米。
“火力侦察兵”无人机上使用
的Ｋｕ波段合成孔径雷达
↑ＭｉＳＡＲ小型合
成孔径雷达结构
激 光 雷 达
与合成孔径雷达系统相比，激光雷达
的波长短，它不但可以探测到簇叶下的目
标，还可以对目标进行分类，为地面部队
提供实施交战所需的精确目标信息。美国
陆军和国防高级研究计划局联合投资，启
动了“线锯”激光雷达计划，目标是发展
一种无人机载的小型三维成像激光雷达。
“线锯”激光雷达的基本概念是，根据
合成孔径雷达的标示，携带“线锯”激光
雷达的无人机按程序飞行到目标的上空，
在预先确定的非常小的搜索区域内（例如，
两三辆军用车辆占据的几十米见方的区
域），利用树冠或和伪装中随机出现的空
隙，采集数据。这些空隙隐约露出目标未
被遮蔽的部分。激光雷达可以有效地通过
这些空隙“观看”目标的暴露部分，获得
场景的三维（角度－角度－距离）影像。无
人机运动时，对“线锯”激光雷达来说，就
会出现新的空隙分布，暴露出目标的其他
部分。如果“线锯”激光雷达从足够多的
角度观看目标，并将各帧影像融合成一个
合成影像时，就可以显现出目标的形状。
目前，美国的多家公司开展了无人机
载“线锯”激光雷达的研究工作。诺斯罗
普・格鲁曼公司研制的“线锯”激光雷达，
由激光器、激光放大器、二极管电源、热
控制装置、有效载荷控制器（ＡＲＭ微型控
制器）、接收机、惯性测量组件和相关的电
源等部分组成，安装在常平架的两侧。激
光器与接收机用机械方法校准。该激光雷
达利用窄脉冲发射机、高频接收机、近实
时数据显示用三维可视化软件，提供高分
辨率影像。窄脉宽发射机，可以发射具有
足够功率的窄激光脉冲，通过衍射光束成
形光学系统，照明方形的目标区，以便探
测距离达１００米的低反射率目标。照明区
与探测器视场匹配。接收机采用１２８×８像
素的探测器阵列和ＣＭＯＳ读出集成电路。
接收机阵列扫描目标区，提供２５６×３０４的
数据帧。在接收机探测器处理电路中，利
用多回波处理，排除杂乱环境和目标形成
的多个回波的影响。应用接收机控制的全
局阈值，使目标探测几率最大，并使噪声
导致的虚警最低。然后将飞行过程中获得
的各帧影像配准、显示，进行分类分析。根
据２００３年的报告，该激光雷达的地面试验
证明，它能通过树木、伪装网之类的遮蔽
物观看，根据凸起的可分辨的特征揭露和
识别隐蔽的目标。下一步将进行直升机系
留飞行试验，并研制和使用１２８×１２８元
的凝视探测器阵列。集成的系统将激光雷
达数据发送给战场指挥官，以确定和识别
敌方目标。
Ｌｉｔｅ Ｃｙｃｌｅｓ公司与先进科学概念公司、
科学应用国际公司组成联合研制集团，研
制了三维偏振测定闪光型激光雷达。该激
光雷达在１００～５００米的高度生成瞄准点
周围２４×２４米区域的合成三维影像。目
标位置处的像元尺寸为３×３×４英寸。利
用新的信号处理算法，目标位置距离精度
达到亚像素级（亚英寸级）。通过偏振识
别，增加了目标与簇叶的反差，提高了系
统的距离分辨率，使其超出（基于脉宽和
探测带宽的）传统极限。利用６纳秒长发
射机脉宽进行了实验，实验证明被簇叶遮
蔽的坦克类目标的距离分辨率为２５毫米，
瞄准器未遮蔽目标的距离精度为７毫米。
阿雷特联合公司则研制出用多缝条纹
管作为接收元件的闪光型激光雷达。其方
案是，使用条纹管进行高速时间采样，利
用ＣＣＤ摄像机进行数字化和读出。条纹管
成像激光雷达发射短激光脉冲，测量目标
反射光的往返时间。激光在方位维发散成
扇形光束。条纹管用多个时间分辨通道有
效地接收该光束。于是，每个激光脉冲均
产生一个２维方位－距离影像。由多个脉
冲产生三维（角度－角度－距离）影像。这
时，通过传感器平台的向前运动和使用单
轴俯仰扫描反射镜，使接收系统以航迹推
扫方式扫描。阿雷特联合公司研制的６４×
６４元多狭缝条纹管成像激光雷达的发射机
采用闪光泵浦倍频Ｎｄ∶ＹＡＧ激光器，脉
冲重复频率为３０赫兹，脉冲能量１００毫焦，
脉冲持续时间１０．５纳秒。利用市售的扩束
器和定制的光束发散器产生均匀的正方形
照明。该激光雷达具有５．８°的正方形视
场，飞行高度５０米时每次拍摄可以将４．８
×４．８米的一块地面成像。空间采样为每个
像素７５０毫米２。接收机孔径为４２毫米。在
空速为２５节时以３０赫兹的速率采集影像，
连续拍摄时的重叠约为８０％。新型前端光
纤组件使用４０９６根光纤，将６４×６４像素
焦平面阵列影像成像在条纹管光阴极的１６
条狭缝上。该激光雷达系统，能以３０赫兹
的速率、以每个像素４０个距离块（二进制
计数）获得６４×６４像素影像数据。处理
原始传感器数据，即可产生６４×６４像元
的距离和强度，或每个激光脉冲的立体影
像。在机载野外试验中，装载激光雷达的
直升机飞行高度５０米，以０°、５°、１０°、
２０°的前视角度，探测暴露的目标、伪装
网下的目标、树冠下的目标。数据的后处
理包括多次拍摄和多次通过的配准，证明
了闪光型激光雷达可以将伪装网和树冠下
的目标成像。 （编辑／万历）
“线锯”激光雷达的基本探测原理
→安装在“月神”
无人机上的侧视
ＭｉＳＡＲ合成孔径
雷达
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议