舰载光电跟踪与火控系统发展

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言

引言

1 舰载光电跟踪与火控系统

1.1 光电跟踪与火控系统定义

舰载光电跟踪与火控系统是一种远距离监视、跟踪与火力打击装置，主要由光电跟踪仪、武器分系统和指挥控制台组成，如图 1 所示。光电跟踪仪采用被动式光电传感器探测目标，不易受电磁干扰，并且低仰角跟踪能力强，可对付低空和海面目标，是实施精确打击来袭目标的必要保障。光电跟踪仪主要由光电指向器和控制机柜组成。光电指向器内安装有电视摄像机、红外热像仪和激光测距机 3 个光电传感器。指挥控制台是控制光电跟踪仪和武器分系统的操控平台，主要由计算单元、操控单元和显示单元组成。

图 1 舰载光电跟踪与火控系统组成框图

光电传感器在指挥控制台的控制下实现对飞机、导弹、水面舰艇和岸上目标的搜索、捕获、跟踪和测距，将目标视频图像、角位置数据和距离数据实时传送给控制机柜。控制机柜对目标图像信息分析处理后传送给指挥控制台，通过显示单元输出复合视频。指挥控制台的计算单元对目标坐标数据进行平滑处理，根据舰艇姿态、弹道和气象数据，自动解算出目标运动参数和射击诸元，最后通过指挥控制台控制武器分系统转向并进行火力打击。目前舰载光电跟踪与火控系统趋于成熟，可靠性高，满足武器系统作战频繁使用、工作环境恶劣等要求。随着各传感器小体积、轻量化的发展及光电跟踪仪的抗震、抗冲击能力增强，光电跟踪仪传感器的组合形式越来越灵活，越来越多样。

1.2 光电跟踪与火控系统分类

根据体系结构的不同，光电跟踪与火控系统可分为分立式和综合式两类。

1）分立式光电跟踪火控系统分立式光电跟踪火控系统主要由独立的光电跟踪仪和武器分系统组成。光电跟踪仪对低空目标进行搜索、探测、跟踪，获取目标运动参数，并将参数传送给武器分系统；武器分系统进行火控解算，求取射击诸元，并控制武器射击目标。射击过程中，光电跟踪仪可实时测量目标位置坐标信息，并观测射击效果。但分立式系统信号传输环节较多，光电跟踪仪和武器分系统部分功能重叠，整个系统武器反应时间较长，此外系统性能受环境气候影响比较大。

2）综合式光电跟踪火控系统区别于分立式光电跟踪火控系统，综合式光电跟踪火控系统是将光电跟踪仪与武器分系统控制集成在一起。系统通过同一个控制设备，实现跟踪定位目标，实时测量目标位置参数，解算目标射击诸元，控制武器射击。因其信号传输环节较少，武器系统反应时间短、实时性高；缺点是光电传感器与武器系统共用一个基座，射击震动影响了光电跟踪系统的稳定性，对光电传感器的抗震能力提出了更高要求。

2 国外舰载光电跟踪与火控系统

发展现状与分析

2.1 系统发展现状

舰载光电跟踪与火控系统由早期的光机炮瞄准装备发展而来。20 世纪 70 年代研制出第 1 代光电跟踪系统，80 年代至 90 年代发展非常迅速，随着关键器件与关键技术的突破，光电跟踪与火控系统获得了长足发展，全世界先后研制出近百种型号舰载光电跟踪系统。

1）德国 MSP500 光电系统

MSP500 光电系统是德国莱茵金属防御电子公司研制的一种轻质、双轴稳定的光电系统，如图 2 所示。该光电系统主要由二代 Ophelia 96×4双视场长波热像仪、785×582 的 CCD 摄像机及激光测距机组成。德国海军所有的水面战舰都装备了 MSP500 光电系统，进行全天时监视和火控支援。

图 2 MSP500 光电系统

2）意大利“梅杜莎 MK4”光电系统

“梅杜莎 MK4”光电系统是意大利 Selex SI公司研制的一种球形指挥仪，如图 3 所示。该系统配有 CCD 电视、双视场中波焦平面热像仪及激光测距机，用户可根据任务使用需求选择传感器配置。“梅杜莎 MK4”有 MK4L、MK4N 和 MK4B 不同型号。MK4L 系统用于监视和跟踪任务；MK4N系统具有监视和水面舰炮防空拦阻能力；MK4B 系统提供监视水面和防空能力。该系统能显示目标数据的电视图像、红外图像和距离、速度、时间及地理位置等信息。既可作为独立系统使用，又能集成到火控系统中，遥控中小口径舰炮。

图 3 “梅杜莎 MK4”光电系统

3）英国 2500 型光电系统

2500 型光电系统是英国 Radamec 公司 2003年研制的一种光电侦察系统，如图 4 所示。该光电系统采用多面体外形设计，有效减少雷达反射截面，提供全天时中短程侦察，用于防空、舰对舰和海岸打击等中小口径的舰炮作战。这种光电系统可以控制 30 mm 加农炮和 105 mm 口径 MK8 Mod1型主舰炮，可以同时跟踪 5 个目标，并对其中 1 个进行打击。这种光电系统通过多功能控制台或专用控制台控制。2500 型光电系统传感器配有中波640×480 pixel 红外热像仪、CCD 彩色电视摄像机和激光测距机。目前英国海军 45 型“无畏”级驱逐舰、澳大利亚“阿德莱德”级护卫舰、文莱海军近岸巡逻艇、Waspada 级快速攻击艇以及销往罗马尼亚的护卫舰等多个平台上已装备该系统。

图 4 2500 型光电系统

4）以色列 Toplite 光电系统

Toplite 光电系统[1，4，7] 是以色列研制的一种多传感器光电目标瞄准与监视系统，如图 5 所示。该系统采用 4 轴稳定平台，体积小，重量轻，可安装在直升机、小型攻击艇、巡逻艇、无人艇、大型水面舰船和港口边防在内的各种载体上,与火控设备进行连接，可根据需要配置多种传感器。这些传感器包括黑白或彩色电视摄像机、3 视场中波（320× 240 pixel 或 640×480 pixel）热像仪、长波热像仪、激光测距机、激光指示器或双波段激光指示器。这种系统已销往澳大利亚、美国等多个国家。

图 5 Toplite 光电系统

5）美国 SeaFLIR 280-HD、380-HD 光电系统

SeaFLIR 280-HD、380-HD 是美国 FLIR 公司最新研制的舰载光电跟踪与火控系统。2013 年9 月，FLIR 公司为美国海岸警卫队提供了 SeaFLIR 280-HD 光电系统，如图 6 所示。该系统主要用于海上作战，是一种远程监视与侦察系统。利用全成像高清光学系统，多波段、主被动结合方式进行全天时侦察监视，可以探测和分辨远距离舰船，提供目标高清细节图像，并对可疑目标进行威胁评估。

SeaFLIR 280-HD 系统配有光学变焦高清 1 280×720 pixel 热像仪、连续变焦昼光 1 920×1 080 pixel CCD、微光 1 280 ×720 pixel CMOS 高清摄像机、640×480 pixel 短波红外摄像机、激光测距机、近红外激光照射器以及 IMU/GPS，激光测距能力可达 30 km。

图 6 SeaFLIR 280-HD 光电系统

SeaFLIR 380-HD 是首套图像稳定、远距离成像的全数字化高清系统，如图 7 所示。系统采用6 轴稳定，主要由高清 640×512 pixel 中波热像仪、彩色近红外 CCD、彩色微光高清摄像机、720×1 080 pixel 短波红外摄像机、激光测距机及数字式 IMU/GPS 组成，其中激光测距能力可达 25km。

图 7 SeaFLIR 380-HD 光电系统

6）瑞典 EOS 500 光电系统

图 8 EOS 500 光电系统

7）法国 EOMS NG 光电系统

图 9 EOMS NG 光电系统

8）法国 PASEO 光电系统

PASEO 光电系统[10-11] 是法国萨基姆公司研制的一种多任务光电系统，如图 10 所示。目前 PASEO系统有 PASEO NS、 PASEO XLR 和 PASEO IRST 3 种舰用型号，这些型号都可与舰载作战系统集成，或通过专门的控制台操作。PASEO 系统采用紧凑型设计，满足海上巡逻艇、轻型护卫舰等舰船的情报收集、交战及护卫要求。PASEO NS 系列由激光测距机和高分辨率摄像机组成。PASEO XLR系列除拥有 PASEO NS 所有性能外，还增加了超长距电视摄像机。PASEO NS 系统和 PASEO XLR 系统可安装弹道计算机与控制接口，实现与一门或多门火炮系统交联。PASEO IRST 系统是一种全景光电监视系统，能精确探测空中及海面威胁，提供雷达之外的侦察能力。

(a) PASEO XLR 光电系统

(b) PASEO IRST 光电系统

图 10 PASEO 光电系统

2.2 系统对比分析

表 1 国外舰载光电跟踪与火控系统对比表

表 1 为国外舰载光电跟踪与火控系统对比表，从表中可以看到光电指向器的结构、配置、作用距离等都逐渐发生变化。具体如下：

1）光电指向器的结构逐渐封闭

70 年代光电跟踪与火控系统的指向器大多采用“T 型”结构，将光电传感器置于光电座俯仰轴的左右两侧。这种结构的优点是加装及维修调试方便，但不利于指向器轻量化、小型化和转动惯量的降低，因而很多国家越来越倾向于采用“U 型” 封闭式结构，即将传感器置于 U 型架内，并封装在一个带窗口的壳体内。这样有利于指向器小型化，转动惯量的降低，还减少海洋条件下气候和环境的影响，但最大缺点是透过率降低，装调复杂，维修性差。结构封闭的光电指向器典型代表有德国 MSP500 光电系统、“梅杜莎 MK4”光电系统、以色列Toplite 光电系统、FLIR 公司的SeaFLIR 380-HD和 SeaFLIR 280-HD 系统及萨基姆公司的 PASEO系统等。

3）单一光电跟踪系统向综合光电系统转变通过系统软硬件升级与接口扩展，系统功能不断扩充，如增加侦察监视、反恐搜救、辅助导航、态势告警等，使得原有光电跟踪系统成为一种多功能综合光电系统。但系统以跟踪火控为主，兼顾非对称作战和非战时安全保障。典型代表有英国 2500 型光电系统、法国 EOMS NG 光电系统、FLIR系统公司的 SeaFLIR 380-HD 和 SeaFLIR 280-HD系统及萨基姆公司的 PASEO 系统等。

3 系统发展趋势

就目前发展情况来看，需突破的关键技术有多传感器协同探测引起的多数据特征挖掘、多传感器数据融合、多目标智能跟踪等。未来光电跟踪与火控系统的发展趋势将表现在以下几个方面。

3）系统使命任务多样化舰载光电跟踪与火控系统常应用于侦察监视、反恐搜救、辅助导航、态势告警等任务，不同任务有不同的数据需求、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选配电视摄像机、中波热像仪、长波热像仪、测距/压制/眩目激光等不同光电传感器，根据不同任务使命采用不同的信息流流转机制，实现专用的传感器管理、信息融合、综合操控等。但是，这种具有单一任务使命能力的系统适用任务场景较窄，费效比低，不满足现代战争瞬息万变的应用需求。为此，需要改变现有的研制策略，将系统的传感器配置进行统型，研究统一的信息流流转机制，在一套硬件系统基础上实现多种任务使命。

4 结束语

本文转载自《应用光学》期刊

版权归《应用光学》所有

（西安应用光学研究所杨红编辑）

转自：新光电

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