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美军新型机载光电瞄准系统工作原理分析

陈健 王伟国 刘廷霞 张振东

陈健, 王伟国, 刘廷霞, 张振东. 美军新型机载光电瞄准系统工作原理分析[J]. 中国光学, 2017, 10(6): 777-782. doi: 10.3788/CO.20171006.0777
引用本文: 陈健, 王伟国, 刘廷霞, 张振东. 美军新型机载光电瞄准系统工作原理分析[J]. 中国光学, 2017, 10(6): 777-782. doi: 10.3788/CO.20171006.0777
CHEN Jian, WANG Wei-guo, LIU Ting-xia, ZHANG Zhen-dong. The operational principle analysis of new airborne Electro-Optical Targeting System(EOTS) of US army[J]. Chinese Optics, 2017, 10(6): 777-782. doi: 10.3788/CO.20171006.0777
Citation: CHEN Jian, WANG Wei-guo, LIU Ting-xia, ZHANG Zhen-dong. The operational principle analysis of new airborne Electro-Optical Targeting System(EOTS) of US army[J]. Chinese Optics, 2017, 10(6): 777-782. doi: 10.3788/CO.20171006.0777

美军新型机载光电瞄准系统工作原理分析

doi: 10.3788/CO.20171006.0777
基金项目: 

长春市科技计划项目 长科技合(2013270)号

详细信息
    作者简介:

    陈健(1981-), 吉林长春人, 博士, 助理研究员, 2005年于吉林大学获得学士学位, 2007年于吉林大学获得硕士学位, 2014年于中国科学院大学获得博士学位, 现为中国科学院长春光学精密机械与物理研究所助理研究员, 主要从事高精度快速数字伺服系统方面的研究

    通讯作者: 陈健, E-mail:chenjian4500@163.com
  • 中图分类号: TN976

The operational principle analysis of new airborne Electro-Optical Targeting System(EOTS) of US army

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出版历程
  • 收稿日期:  2017-07-11
  • 修回日期:  2017-09-13
  • 刊出日期:  2017-12-01

美军新型机载光电瞄准系统工作原理分析

doi: 10.3788/CO.20171006.0777
    基金项目:

    长春市科技计划项目 长科技合(2013270)号

    作者简介:

    陈健(1981-), 吉林长春人, 博士, 助理研究员, 2005年于吉林大学获得学士学位, 2007年于吉林大学获得硕士学位, 2014年于中国科学院大学获得博士学位, 现为中国科学院长春光学精密机械与物理研究所助理研究员, 主要从事高精度快速数字伺服系统方面的研究

    通讯作者: 陈健, E-mail:chenjian4500@163.com
  • 中图分类号: TN976

摘要: 光电瞄准系统(EOTS)将前视红外和红外搜索跟踪进行了综合,进而可以获得高分辨率图像,实现自动跟踪、红外搜索跟踪、激光指示、激光测距和激光点跟踪。本文针对美国研制的EOTS的工作原理展开分析和研究,概述了EOTS的概念和技术特点,显示了其作为新一代机载光电瞄准系统的先进性。对EOTS多功能系统、光学元件、红外搜索跟踪、维护和研制规划进行了介绍,着重分析了EOTS的自动视轴校准系统,主要包括自动视轴校准系统的工作原理和工作步骤。最后,本文对EOTS系统的性能进行了总结。

English Abstract

陈健, 王伟国, 刘廷霞, 张振东. 美军新型机载光电瞄准系统工作原理分析[J]. 中国光学, 2017, 10(6): 777-782. doi: 10.3788/CO.20171006.0777
引用本文: 陈健, 王伟国, 刘廷霞, 张振东. 美军新型机载光电瞄准系统工作原理分析[J]. 中国光学, 2017, 10(6): 777-782. doi: 10.3788/CO.20171006.0777
CHEN Jian, WANG Wei-guo, LIU Ting-xia, ZHANG Zhen-dong. The operational principle analysis of new airborne Electro-Optical Targeting System(EOTS) of US army[J]. Chinese Optics, 2017, 10(6): 777-782. doi: 10.3788/CO.20171006.0777
Citation: CHEN Jian, WANG Wei-guo, LIU Ting-xia, ZHANG Zhen-dong. The operational principle analysis of new airborne Electro-Optical Targeting System(EOTS) of US army[J]. Chinese Optics, 2017, 10(6): 777-782. doi: 10.3788/CO.20171006.0777
    • 美国研制的“光电瞄准系统”(Electro Optical Targeting System, EOTS)首次将前视红外和红外搜索跟踪功能集于一体。EOTS对于空对空和空对地跟踪提供了一种价格较低、高性能、轻量化的多功能系统。通过该系统,飞行员可以获得高分辨率图像、及进行自动跟踪、红外搜索跟踪、激光指示、激光测距和激光点跟踪。EOTS与F-35机身相结合,外部由蓝宝石玻璃保护,内部通过高速视觉光纤和机上计算机连接[1-4]

      EOTS采用了先进的传感器技术,还采用了不引人注意的蓝宝石玻璃设计,先进的算法可以提供远程的目标识别和跟踪。在红外搜索跟踪模式下,EOTS可以在远程定位和跟踪多飞行器目标,以保证高杀伤性和高生存性[5-7]

      EOTS的模块化设计使得其维修非常方便,确保了二级维护。

      EOTS具有以下特点:(1)结实、不引人注意的、小面玻璃设计,适用于超音速、低观测行动;(2)紧密的单一孔径设计;(3)轻量化设计(<90.72 kg),包括玻璃机构;(4)先进的传感器技术;(5)空对地/空对空前视红外跟踪、空对空红外搜索跟踪模式; (6)模块化设计应用于二级维护,减少了生命周期成本;(7)自动视轴校准与飞行器成一条直线;(8)战术上有利于保障人眼安全的二极管泵浦激光器;(9)激光点跟踪;(10)被动与主动搜索;(11)高精度地理坐标生成用以满足精确打击。

      本文首先概述了EOTS的技术特点,然后着重分析了EOTS的系统组成,最后重点研究了EOTS的工作原理,并对其主要技术性能和关键技术进行了分析。

    • 导弹和火控方面的专家在瞄准系统设计方面具有足够的经验和优势,他们设计的系统指标甚至可以超过F-35所要求的指标。AN/AAQ-33狙击手先进瞄准吊舱和AN/AAS-42红外搜索跟踪系统中的设计经验被应用到AN/AAQ-40光电瞄准系统(EOTS)的设计中。EOTS是世界上第一个也是唯一一个将前视红外和红外搜索跟踪功能集于一体的系统。将这两个功能整合到一个传感器是一个巨大的技术挑战[8-11]

    • 作为空对地瞄准吊舱,EOTS最初用于三分之一的F-35战机。但是美国海军成功地论证了EOTS可作为绝对不可替代单元来装备每架F-35战机。EOTS为协同作战提供激光指示和激光点跟踪、空对空和空对地红外前视跟踪、数字变焦、广域红外搜索跟踪、地理坐标生成用以支持GPS制导武器。后来,F-35的3种型号全部配备EOTS。

      EOTS的尺寸(W×D×H)大约为493 mm×698 mm×815 mm,EOTS安装于一个不到0.11 m3的盒子中,重91 kg。DAS传感器安装在EOTS的左侧和右侧,雷达设备安装在EOTS的上方,空间非常紧凑。相比较,狙击手吊舱长2.3 m、重200 kg。制冷方式的不同是造成狙击手吊舱和EOTS吊舱尺寸差异的一个原因。大多数常规瞄准吊舱,例如狙击手,采用的是风冷方式,其需在吊舱背后携带一个必要的风冷系统,而EOTS是液冷系统,使用飞机内部的PAO(聚α-烯烃)进行制冷。EOTS如图 1所示。

      图  1  光电瞄准系统(EOTS)图

      Figure 1.  Photo of EOTS

      EOTS位于F-35机身前部下方,雷达和座舱舱壁之间。EOTS安装位置如图 2所示。EOTS在F-35上的空间紧凑,所以它不具有以往瞄准系统那样像望远镜一样长直的光路。由于空间非常有限,导致标准瞄准系统的直线光路物理上不可实现。因此EOTS的光路通过反射镜折叠,通过棱镜将光线折射到几个不同的焦平面阵列。从入光点到焦平面阵列或者探测器,光线至少被折反射4次[12]

      图  2  EOTS在F35上安装位置

      Figure 2.  Installation position of EOTS on F35

      F-35之所以如此神奇是因为其具有融合传感器。APG81雷达针对空中目标具有比红外目标更高的精度,同时EOTS的方位精度可以达到一个像素,超过雷达系统。将这两个系统结合使用,F-35可以实现更小目标的定位。这样,武器系统将会更加有效,同时也可以将高精度的定位信息传递给其他作战单元。

    • EOTS封装在由7块蓝宝石玻璃组成的玻璃机构中。每一块蓝宝石玻璃都是一个单独部分,固定在一个整体框架上,共同组成玻璃机构。根据飞行器雷达标记的需求,EOTS的玻璃机构首次使用这种设计方式。与此不同的是,AAQ-33狙击手吊舱仅由4块较小的玻璃组成,并且传感器和窗口之间存在一个小角度。在满足光学性能需求的同时需满足雷达标记的要求,这是一个真正的挑战性设计。而EOTS玻璃机构的设计,满足了以上的功能需求。EOTS玻璃机构如图 3所示。

      图  3  EOTS玻璃机构

      Figure 3.  Glass assembly of EOTS

      EOTS内部对于万向节和主入透镜采用独特的设计,主入透镜(A-focal)称为无焦透镜组或者方位机构,此机构用于提供水平到水平的视场。主入透镜安装在距离保护玻璃0.635 cm的右上方。这种复杂的设计是针对低可观测的数字变焦多视场观察需求而设计的。第二个透镜是俯仰机构,这是一个全新设计的透镜,它被安装在主入透镜对面与主入透镜成45°角,它的旋转提供垂直方向的视场。俯仰机构使光直线进入光路。系统的上侧是激光器,与狙击手ATP使用的激光器相同,但是出光路径不同。激光器下面、万向节机构的上面是两块电路板或者电子控制机构。其中一块电路控制功率伺服,另外一块电路是图像处理电路。通过光导纤维通道将传感器数据直接传输到综合核心处理器。整个EOTS机构综合为一个稳定的系统。系统的稳定性可确保在地面上保持一个点指示,这样可以为GPS制导武器瞄准提供稳定的地理坐标。

    • 对于F-35战机这样的隐形作战平台,其飞行器标记需要精心管理。由于F-35具备红外搜索跟踪系统,其红外传感器是被动探测,不发射任何射线,除非激光系统启动。如果APG81雷达超出探测范围,飞行员可以通过使用红外跟踪探测模式将数据发送给EOTS,进行高精度的被动光电跟踪,这样可以最大限度地减少传输的射频能量和对飞机标记[13]

      EOTS红外搜索跟踪装置使用万向节、惯性测量单元和快速旋转镜提供精确的稳定性。红外搜索跟踪采用被动跟踪方式,具有广域搜索能力,由于其采用了独特的万向节设计,相比于APG81雷达具有高速扫描和较高摆率的。

    • EOTS是二级维护系统,支持维修人员使用嵌入式测试功能、对独立线性可更换单元(LRC)进行快速更换。EOTS可以从F-35战机上拆除,维修人员可以更换其中的15个LRC。

    • EOTS传感器设计在2010年9月F-35系统发展和演示阶段完成。大多数EOTS的飞行测试是在亚利桑那州完成的。2007年5月完成首次飞行测试,测试人员包括飞行员、副飞行员、传感器操作员和飞行测试主管。

      2010年5月,EOTS悬挂在波音737飞机上进行了对地面出租车的测试。配备DAS、APG81、ESM、CNI、F-35座舱和工程测试平台,CatBird可以测试全部的传感器。EOTS安装在一个与F-35相同的玻璃机构中,将图像传输到测试座舱中。EOTS测试实验如图 4所示。

      图  4  EOTS测试实验

      Figure 4.  Testing experiment of EOTS

      2011年3月,EOTS开始悬挂在F-35战机上进行实验。

    • 每次EOTS启动时,自动视轴校准机构将激光和前视红外校准到一条直线。视轴校准机构是一个安装在万向节后面的单元。当EOTS启动时,传感器旋转进入视轴校准单元,并且使自己同前视红外和激光成一条直线,这样它们就可以指向同一个点。具有单一孔径意味着前视红外和激光都通过同一光路[14]

      飞机上的所有传感器在空间上都需要通过视轴校准到同一个点,这样飞行员在雷达显示上看到的地面上的点与在光电系统上看到的是同一个点。

      设计人员致力于设计一个更大孔径系统EOTS,来提高飞行器更大的探测范围。

      EOTS结构部件示意图如图 5所示。通过此图片可以看到部分的EOTS组件,其中包括方位旋转万向节、俯仰旋转反射镜、窗口透镜和视轴校准机构。其中,方位旋转万向节可以提供360°方位旋转;俯仰旋转反射镜可以提供210°俯仰旋转;窗口透镜可以提供光学发射和接收的单一孔径;视轴校准机构可以提供自动视轴校准。

      图  5  EOTS结构部件示意图

      Figure 5.  Sketch of EOTS structure assembly

      每次EOTS上电启动时,都先将红外视轴和激光发射轴调整到一条直线上[15]

      工作步骤如下:

      (1) 视轴校准机构工作,红外光源发光,经过反射镜,将光源发射出去;

      (2) 俯仰旋转反射镜旋转,将视轴校准机构光源调整到红外视场中心,这样保证红外视轴和视轴校准机构的光轴在同一条直线;

      (3) 激光发射机构工作,发射激光,经过俯仰旋转反射镜入射到视轴校准机构;

      (4) 激光经过衰减片减少能量;

      (5) 激光经过衰减后,入射到传感器;

      (6) 理论上,激光点应该在传感器视场中心,但是实际上激光发射轴和红外视轴间存在一定的偏差,所以激光点落在视场偏离中心位置;

      (7) 调整激光发射轴的慢速反射镜,直至使激光点落在中心位置;

      (8) 至此,完成红外视轴和激光发射轴调整,此时EOTS系统的红外视轴和激光发射轴在同一条直线上。

      视轴校准机构工作示意图如图 6所示。视轴校准机构传感器成像示意图如图 7所示。

      图  6  视轴校准机构工作示意图

      Figure 6.  Operation diagram of boresight calibration mechanism

      图  7  视轴校准机构传感器成像示意图

      Figure 7.  Diagram sketch of sensor imaging of boresight calibration medanism

    • EOTS是美国研制的世界上第一个也是唯一的一个整合前视红外和红外搜索跟踪功能于一体的系统。通过EOTS,飞行员可以获得高分辨率图像,可以进行自动跟踪、红外搜索跟踪、激光指示、激光测距和激光点跟踪。在红外搜索跟踪模式下,EOTS可以远程定位和跟踪多飞行器目标,以保证高杀伤性和高生存性。机载光电设备在现代信息化战争中具有独特的优势,已经成为信息作战体系的重要组成部分。随着EOTS的出现,必将带来机载光电设备的又一次飞跃发展。

参考文献 (15)

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