军用光电系统发展综述
军用光电系统发展综述
来源：互联网责编：大嘴作者：刘中杰时间：2005-08-04【大中小】
1 引言
作为现代科技发展的标志性领域，光电技术正全面渗透到人类社会的各个方面，影响甚至部分改变着人们的生活环境与生活模式。借助计算机技术、信息技术、材料科学技术、先进制造技术、无线电技术等的推动与支持，以光电技术为核心形成了新的能力，扩展了人类了解自然、改善生存环境和提高主宰能力的空间，尤其在探测、感知、显示、通讯、存储、加工等方面显示了极强的发展潜力和扩展力。
军事应用历来是推动技术发展的重要原动力，光电技术也不例外。相关技术的发展及军事需求的推动和牵引,加速了全球范围内军用光电系统的发展。光电系统对武器系统、作战指挥及战场管理系统的“赋能”和“倍增”作用，已在世界范围内得到越来越广泛的认同。
在军事装备体系形成和军事实力竞争中，世界各国都高度重视光电技术这一范畴，不断利用和挖掘其“分辨率高、图像信息丰富、信息容量大”的优势。光电装备与系统已在预警与遥感、侦察与监视、火控与瞄准、精确制导、导航与引导、靶场测量、光通信，以及光电对抗等领域初具规模，并形成系列化，有效地支撑着现代高技术战争中“全球作战”、“信息主宰”、“精确打击”、“电子战”等战略战术能力的形成与拓展。“海湾战争”、“科索沃战争”以及“阿富汗反恐战争”，都无一例外地向世人展现了光电技术对现代战争模式的影响力。
2 定义和体系结构
军用光电系统是以光电器件(主要是激光器和光电探测器)为核心,将光学技术、电子/微电子技术和精密机械技术等融为一体,具有特定战术功能的军事装备。
就军用光电系统的分类而言,通常有两种分类体系：一种是基于其配置和运载方式的“搭载”分类体系;另一种是基于其战术功能属性的“功能”分类体系。
按照功能分类体系划分,军用光电系统可分为预警与遥感系统、侦察与监视系统、火控与瞄准系统、精确制导系统、导航与引导系统、靶场测量系统、光学通信系统和光电对抗系统等八大类。军用光电系统的体系结构见表1。
表1 军用光电系统的体系结构
军用光电系统
类别
光电系统
预警与遥感系统
激光测距机、红外捕获跟踪/激光雷达、红外行扫描仪、红外照相机、可见光CCD照相机、多光谱照相机、超光谱照相机
侦察与监视系统
激光测距机、激光成像雷达、激光测速雷达、激光差分吸收测量雷达、红外搜索跟踪雷达、FLIR 成像系统、红外夜视镜、可见光CCD摄像机、近红外主动电视成像系统、光电多传感器系统
火控与瞄准系统
火控雷达、红外摄像机、电视摄像机、激光测距机、照明器、微光电视摄像机、光电跟踪仪、光学目标指示器、热像仪、夜视仪/镜
精确制导系统
激光制导系统（驾束制导系统、半主动制导系统、主动成像末制导系统）、红外制导系统（点源制导系统、成像寻的和末制导系统）、电视制导系统（成像寻的和末制导系统）、光纤制导系统（指令制导系统）
导航与引导系统
飞机着舰与着陆引导系统（激光灯阵、机载FLIR视景增强系统、机载微光电视视景增强系统、光电多传感器引导系统、激光扫描飞机姿态监视系统、光电精密助降系统）、航天器交会对接与软着陆引导系统（激光跟踪测量雷达、激光下视成像雷达、有源视频对接导航雷达、CCD成像传感器）、低空飞行辅助导航系统（FLIR导航吊舱、激光成像防撞雷达、激光高度表、微光电视视景增强系统）、自主行走视觉导航系统（CCD电视摄像机、FLIR摄像机、激光成像雷达）、惯性导航系统（激光陀螺仪、光纤陀螺仪、激光加速度计）
靶场测量系统
激光测距仪、激光跟踪测量雷达、红外跟踪仪、电视跟踪仪、电影经纬仪
光通信系统
光纤通信系统、大气激光通信系统、水下蓝绿激光通信系统、空间激光通信链路系统
光电对抗系统
侦察告警系统（激光告警系统、红外告警系统、紫外逼近告警系统、多频段组合告警系统）、有源干扰系统（欺骗式激光干扰系统、阻塞式激光干扰系统、杀伤式激光干扰系统）、无源干扰系统（遮挡式干扰系统、诱饵干扰系统）
3 光电技术的特点及作用
3.1 光电技术是电子技术的组成部分之一
光电频谱覆盖电磁频谱的高端，是电磁频谱的重要组成部分。光电技术作为无线电技术的扩展与延伸，与无线电技术具有良好的融合兼容性。飞速发展的无线电技术、计算机技术和信息处理技术，直接带动、支撑光电技术的发展。大多数无线电技术的系统级到材料级的研究成果都已成功地移植应用到光电系统中。军用光电系统中的雷达与探测技术、信号检测处理技术、通信技术等都是电到光转化的结果。
3.2 光电系统是无线电系统的延伸与补充
基于光波段固有的优势，依托光电技术形成的军用光电系统，在武器装备和军事电子信息系统中形成了能力的扩展与延伸，包括电子系统和光电系统在内的多波段、多传感器集成系统在电子战环境中保持更强的目标探测能力就是最典型的例证。以光电技术为核心的后一代光通信、光探测、光存贮，将显著地提高信息获取、处理和利用能力。
3.3 光电系统的“赋能”与“倍增”效能
光电技术的应用，在战场透明显示、目标识别、低仰角目标探测、隐身目标探测、夜战观察等方面使武器装备产生飞跃性变化，为新一代武器装备带来了远程精确打击、夜战、情报获取等能力的形成与提高。军用光电系统成为现代化战争的支撑而不仅仅是辅助手段。
3.4 军用光电技术推动了新一轮军事技术革命
以激光技术、光电成像探测与识别技术、光电精确制导技术等为核心形成的新概念武器、全球作战、防区外精确打击等能力，促使现代战争由热兵器时代转入信息战、网络化背景下的“点穴式”远程打击时代。光电技术的应用对现代军事对抗模式的形成功不可没。军用光电技术推动了新一轮军事技术革命。
4 光电器件技术在军用光电系统发展中的作用
光电器件是光电系统的核心,因此激光器和光电探测器等光电器件的发展在很大程度上左右着光电系统的发展。例如,二极管泵浦固体激光器(DPL)的成熟,导致高重频火控激光测距仪和扫描激光成像雷达的出现;拉曼频移激光器(波长为1.54μm)和以DPL为泵浦源的光参量振荡器(波长为1.57μm)的发展,使得人眼安全激光测距仪和激光雷达日趋增多;频率可调谐激光器和高功率倍频Nd:YAG激光器的问世，为化学战剂探测激光雷达和水下目标探测激光雷达的研制奠定了基础;采用不同工作物质,输出不同等级能量的各种高效激光器的出现,为移动平台载激光致眩、致盲和
高能激光武器提供了能量辐射源;3～5μm中波红外激光器的成功研制，推动了对抗红外制导导弹的红外定向干扰系统的发展;红外探测器的发展,导致红外探测系统的不断升级换代；具有红外辐射探测、信号读出及处理能力而无需扫描的大型红外凝视焦平面阵列的商品化,使得红外光电系统在温度灵敏度、空间分辨率和时间分辨率三方面同时实现优异的性能,又使系统更加轻便、可靠,因而成为军用红外系统的发展方向;双色、多色红外探测器件的发展,使一部整机可以同时实现对不同波长的多光谱成像探测,从而大大提高目标识别能力;高性能室温红外探测器的研制成功,使得小巧、可靠、全固态化红外整机得以广泛应用；作为电视摄像传感器光电探测器的面阵CCD像素数的剧增(达107),灵敏度的大幅度提高(优于10-6 Lux)和工作频段的扩展(可见光/近红外/红外/X射线),导致高分辨率电视摄像机、近红外有源电视摄像机、红外电视摄像机和X 射线电视摄像机的出现,以及在军事遥感、微光夜视、火控、战场侦察和电视制导等领域的广泛应用。
5军用光电技术发展的制约因素
5.1 基础支撑薄弱
与无线电技术相比，光电技术在材料、元器件、工艺等方面存在较大差距。与光波段相适应的传感、传输、防护材料及器件都无法与半导体技术相提并论。信号变换和感知存在灵敏度低、动态范围小、频率单一等缺点，严重制约了光电技术的应用和发展。
5.2 支持技术不足
光电频段所具有的容量大、单色性好、分辨率高等优势，在应用中由于缺乏相应的支持技术与条件，如光频段的光电相关处理、光频段的光电转换与数字化处理、光学精度水平的自动调节系统、光学水平的加工制造技术等，使光电系统大多工作在直接探测、基本处理、简单传递、低级制造水平上，从而使光电系统难以突破作用范围小、手段简单的局限。
5.3 缺乏顶层设计
在先进平台系统、武器系统、电子系统的设计构建过程中，由于缺乏光电专家的参与，无法将光电技术的特色自顶层设计起融入系统，因而光电系统的应用和系统规模都缺乏顶层设计的支撑，从而影响了光电系统整体战斗力优势的发挥。
6 军用光电系统发展趋势
由于单个光电传感器不断发展和更新换代,军用光电系统的重要发展趋势是多频段、多传感器集成,即将工作于不同波段,具有不同功能的多个光电传感器组合在一起,实现结构上的一体化,或
者数据的融合,从而提高系统的感知能力和功能的互补性。这种多频段、多传感器集成的光电系统,在海基、陆基、空基和天基系统中已屡见不鲜,成为战场侦察、火力控制、精确制导、光电对抗、飞行辅助和太空作战等光电系统中的高性能装备。
6.1 系统集成化
目前，列入装备的光电系统以单功能模块堆砌型系统为主流，系统每一个模块的功能明确但相对独立，获取信息针对性强，但相对局限性较明显。在解决部分战术功能问题中，虽然形成了系列化装备门类，但还存在着作战对象相对单一或覆盖范围小的缺点。从打赢以信息战为主要特征的高技术战争的目标出发，考虑到单平台多功能要求、多平台联合作战要求和区域综合对抗要求，军用光电系统将迅速地通过多传感器融合、多频段合成、战场环境与态势感知分析、网络化多站信息共用共享等方式，实现复杂战场环境下的目标探测与识别，提高打击效能。此外，有效地依托电子信息系统和其它电子装备支持，在大系统平台上形成独具特色的战斗力，是光电系统永远追求的工作模式，也是推动光电系统发展的正确思路。
6.2 设计适装化
作为精密仪器型装备，军用光电系统大多用于恶劣战术环境，其预期战术能力能否实现，关键在于系统优化设计、适装化设计和支持系统设计，如环境适应性设计、热设计、电磁兼容设计、与平台链接设计、全寿命周期能力设计、冗余设计等。此外，通过优化系统指标，降低对平台技术状态的要求，降低战斗环境限制条件，利用平台资源等，使光电系统真正成为操作方便、维护简便、易于为平台接纳的装备门类。
6.3 攻防一体化
随着综合电子战技术和装备的发展，针对光电系统的攻防措施日趋周密，激光武器日趋成熟，光电系统已不仅仅是单一功能的系统。探测、火控、制导、导航等系统将逐渐与告警、干扰、致盲、硬杀伤等对抗系统共处于一个平台，联合作战，形成综合战斗能力。攻防各自为战的状态已无法适应未来的战场对抗要求。围绕光电系统的战术应用将产生下列能力（攻击能力和生存能力）的竞赛：
⑴探测、感知、攻击和防御生存能力更强；⑵系统反应时间更短；⑶反击能力更加多样化；⑷对人工干预的依赖性更小；⑸敌我识别能力更快速可靠；⑹友邻支持能力更强。
7 关键技术
军用光电系统未来的发展必须突破以下关键技术:高性能激光辐射源技术(波长、功率、效率、光
束质量、寿命、体积重量和成本等)；光电探测器及其阵列技术（灵敏度、波长、工作温度、阵元数、工艺、成本等）；波束指向控制及扫描技术（稳瞄、大范围快速线性扫描、电扫描等）；高灵敏度接收技术（噪声控制、外差接收等）；图像处理和自动目标识别技术（滤波、图像分割、特征提取、算法、硬件等）；多传感器数据融合技术（融合模型、融合算法等）；光学信道共用和结构一体化设计技术（光学材料、结构设计、电磁兼容设计等）；精密伺服跟踪瞄准技术（高精度误差信号传感器、复合轴伺服系统、高精密伺服支架等）；系统仿真技术（建模、仿真软件等）；目标的光电特性测量和数据库；光频的大气和水下传输特性测量和数据库等。
8 结论
以高分辨力和抗电子干扰为突出特点的军用光电系统已成为当今世界高技术军事装备发展的重点之一。光电系统作为传感器和能量武器，由于它以高于微波频率的光波为信息和能量的载体，导致系统战术性能质的飞跃——极高的时域、空域、频域分辨力，特强的抗电磁干扰能力，独有的夜间观察功能和良好的战场适应性等，在低可观测性目标探测、高分辨率目标识别、精确制导、火控和瞄准、飞行辅助和信息对抗等军事应用领域具有巨大的潜力。光电系统不仅是常规电子装备的重要补充手段，而且因其独特的性能，在夜视、高分辨率成像、高精度跟踪和制导、抗电子干扰、抗反辐射导弹、抗低空突防和反隐身等方面能够独当一面。
光电系统与电子系统的集成，与各种作战平台相结合，成为世界军事装备发展的重要趋势，这不仅大大提高了武器系统的作战效能，而且还显著改善了作战指挥和战场管理能力。军用光电系统已成为当代高技术武器装备不可或缺的组成部分，是形成高技术军事对抗的制高点之一。