时间：2022-09-12 05:39:25
光是我们再熟悉不过的物质，人们对光从认识到利用经历了数千年的时间。人们通过观察一些自然现象逐步认识到白光其实是多种颜色的光混合作用的结果；在对不同颜色的光进行探索研究的过程中又认识到了紫外、红外这些人眼看不到的光的存在；发现其本质是一种电磁波，具有粒子特性也具有波动的特性。近代“光电效应”与“电光效应”的发现，使得人们逐步掌握了转化光、产生光、控制光的办法，由此产生了诸如光电二极管、CCD、太阳能电池、激光器、LED灯、光通信器材、照相机、摄像机等生活中常见的光电产品。
军事领域对光学技术的运用由来已久，我们今天日常生活中许多光学相关的技术与产品都是军事应用在先，而后转化为民用品。光学手段在现代化战争中的重要作用，被大家深刻认识应该是从以美国为首的海湾战争及后来进行的几个局部战争的实效看出来的。随着“全天候作战”、“精确打击”、“复杂战场环境”及“无延迟攻击”等现代战争需求不断演变，光电武器装备也在不断推陈出新，广泛应用在预警、告警、瞄准、定位、监视、侦察、武器对抗、精确制导、信息通信、夜视观测等诸多领域；其地位也日益重要，渐渐成为或将与雷达同等地位的探测设备，与无线电网同等地位的光电通信装备，与化学能武器同等地位的激光武器装备等。
从一般光电系统到机载光电系统
通常，以光电相关技术为基础的构成系统都可以称为光电系统，现今人们对于光电系统并不陌生，在日常生活中随处可见。光电系统是以光学工程、激光工程、精密机械、信息处理、自动控制、计算机等高新技术为依托，实现对光的收集、转换、控制、处理、提取信息、能量转换、输出等，并集成多种传感器实现特定功能系统的总称。
从对光波利用方式不同，光电系统可以分为：信息感知，信息传递，能量传递等。它们从组成和机理上有许多相似之处，又有功能侧重不同带来的功能单元和性能指标的不同。
信息感知类光电系统组成示意框图如图1（a）所示。光电系统感知的信息是来自于目标/背景的光波特征，比如温度差异、颜色差异、灰度差异等，有反射光，如可见光探测，也有目标/背景自身的辐射，如红外探测，不同的温度在探测器上看到的亮度不同，其波段是指覆盖了紫外光、可见光、红外光、远红外光，波长从200纳米到几十个微米的范围。
信息感知类的光电系统是通过其光学通道收集来自目标/背景反射或自身辐射的光波，经探测器部件进行光电转换，形成图像（有时是电信号）信息，经信号处理单元得到目标信息。系统管理模块，管理调度伺服控制系统及光机运动部件运动，实现光学通道在一定角度范围内搜索或跟踪目标；有时为了获得目标的相对距离，控制激光输出并对回波进行处理得出需要的信息。主要指标包括：探测距离、分辨率、工作波长、定位精度等，光电系统大多数属于这一类。如地面防空系统中的红外周扫警戒系统、船载光电瞄准装置等。
信息传递类的光电系统是以光波作为信息载体，形成点对点或互联互通的光通信的网络，此类系统的组成示意框图如图1（b）所示。从图中可以看出，其组成图与图1（a）中组成相似，不同点在于将探测系统中的测距的激光收发功能模块演变为通信信息的收发处理模块。地面无线光通信设备已经有比较成熟的产品了，地-星光通信也已经有应用。目前主要有激光通信和紫外通信，主要指标包括，通信带宽、通信距离等。
能量传递类的光电系统，这里主要指用激光方式将较大的能量传递到另一个受体上，并发生作用，的光电系统。主要有激光干扰、激光毁伤、激光照明、激光充电等方式，其原理组成示意框图如图1（c）所示。激光光束定向性好，能量传递效率高，与其它两类系统相比，更加强调光束性能以及指向的控制和调节，如光束会聚、波前校正，光轴稳定等。包括地、空、舰船、星载激光定向干扰系统、激光致盲系统、激光武器、激光照明、激光充电系统等，主要技术指标有工作波长、输出光功率、作用距离、激光转换效率、光束指向精度等。
机载光电系统
机载光电系统与地基、舰载、车载、星载等光电系统原理是基本相同的。但是在机载环境中应用的装备，由于平台对设备要求苛刻、外部环境严酷、作战形态复杂多变，给光电系统设计带来了不同于其它应用平台的能力需求和技术难题，可以概括为以下几个方面：
1、来自机载平台本身的不利因素：包括宽频振动（0～2000Hz），大过载、大机动，机体变形，复杂的内部电磁干扰，宽幅波动的供电环境，严格的能耗要求，严格的重量体积要求，突出部分的气动限制，共形、隐身，长期反复使用等。这些对于“秒”级精度的光电系统设计提出了非常苛刻的要求；
2、外部严酷的环境要求包括：从极冷到极热（零下五六十摄氏度到一百多摄氏度的范围），风、雨、沙尘、盐雾、霉菌、阳光暴晒、气动加热、大气湍流等，这些因素往往是同时作用，综合影响，无疑给机载光电系统设计增加了许多难度；
3、战场形态复杂多变方面的不利因素：如距离远、运动快、机动大，光波传输通道的大气波动、散射、遮挡等随时存在，有些目标还进行隐身伪装。机载光电系统必须在这些不利因素影响下实现良好的性能。
因此，为了应对多种因素的影响，机载光电系统在保证性能的前提下，必须做到各方面的平衡。高动态、宽范围变化、容积率高等因素的综合作用，带来了机载光电系统设计上的不同理念、构型和方法。许多很好的光学、结构材料、器件适应不了环境要求不能用了；为了在动态环境中保证光学系统精度、运动精度，需要设计既轻巧又要有良好刚度的精密结构；为了保证在平台强烈振动和机动的状况下光轴的稳定性、图像的清晰度，机载光电系统必须考虑复杂的陀螺稳定系统和良好的减震系统，随着探测距离和激光束照在数百千米目标上的需求，有些系统已采取二级稳定系统等更为复杂的控制技术；在实现超视距进行探测时，背景复杂，目标辐射很弱加上大气通道上的湍流和散射，目标信息检出处理增加了很大的难度；随着平台飞行速度更高，飞行高度达到临近空间，特殊的热管理等带来的材料问题、运动补偿问题、热控问题等一系列技术难题也非常富有挑战性。
机载光电系统的优势
1、信息感知类机载光电系统的特点主要表现在：（1）被动探测，隐蔽性好；（2）能提供高分辨率可视化图像；（3）角分辨率精度高，能够远距分辨群目标；（3）不受电磁干扰影响，适应复杂电磁环境远距探测；（4）全天时工作，提升夜视夜战能力。
2、信息传递类机载光电系统的特点主要表现在：（1）光通信信号带宽宽，信息容量大；（2）无线光通信方向性好，保密性高。
3、能量传递类机载光电系统的特点主要表现在：（1）无延迟攻击，实现实时打击；（2）定向能输出，提高作战效率；（3）实现无线方式传送能量。
机载光电系统在拥有上述诸多优点的同时，也存在一些不足，由于光电辐射波长较短，易受气大气条件的影响而性能降低。
机载光电系统在现代战争中的应用
目前在国外三代机、四代机、预警机、直升机、无人机以及特种飞机等上面普遍都装备了光电系统，光电系统随着光电子、信息处理、计算机等相关技术的进步，已历经了三代的发展，目前性能更加先进的系统和技术也在大资金的投入下进行着研发。
按照应用细分，机载光电系统可分类如下：
信息感知领域
1、光电预警/告警探测系统，该系统通过对飞机、弹道导弹和巡航导弹等目标的搜索、跟踪和定位，为预警机以及防空反导体系提供目标信息，具有抗电磁干扰、反隐身和被动探测等特点，是实现战场态势广域预警/告警的有力手段。美欧、日本等国发展了多型光电预警/告警系统，国外目前的典型应用门警（Gatekeeper）系统对巡航导弹探测距离达到800千米左右；美国F-35战斗机的分布式孔径系统可实现对周视360度全向感知，告警距离达到十几千米。
2、光电监视与侦察（ISR）系统，通过利用光电传感器发现、识别、确认、监视、跟踪并定位目标，获取战场信息，具有高分辨率成像、昼夜侦察与监视、快速获取敌方情报等特点，是提供战场支援和夺取信息优势的重要手段。最具代表性的为美国雷神公司的“全球鹰”光电侦察系统，其对地目标分辨率小于0.2米。
3、机载跟瞄系统按使用方式又可分为光电雷达（红外搜索跟踪系统）、昼夜瞄准吊舱、光电转瞄转塔等。
（1）机载光电雷达是用于战斗机对空中目标进行大范围快速搜索、探测和跟踪定位的光电设备，具有抗电子干扰能力强、隐蔽性好、定位精度高、探测隐身目标能力强等特点，可在战场复杂电磁环境下进行远程探测跟踪，独立支持火控系统完成超视距攻击，已成为作战飞机任务系统重要的战术传感器之一。由意大利、英国和西班牙组成EURO-FIRST集团，研制的装备在“台风”战斗机上的PIRATE光电雷达，迎头探测距离达到50千米以上。
（2）昼夜瞄准吊舱是集红外、电视、激光于一体的机载光电探测系统，使用红外、电视可在昼夜条件下对地面目标进行搜索、识别和跟踪，跟踪状态下利用激光对目标进行测距，主要用于配合中近距电视/红外制导导弹、卫星/惯性制导炸弹、激光制导炸弹等空面武器对目标进行精确打击。美国诺思罗普・格鲁门公司的Litening吊舱对地探测距离可达30千米以上。
（3）光电观瞄转塔是用于直升机/无人机/反潜巡逻机等实现对地/对海侦察和攻击的光电瞄准设备，能够在昼夜条件下侦察和瞄准，为航炮、火箭等多种无控武器攻击提供瞄准参数，可进行激光制导武器（导弹或炸弹）等制导武器提供制导信息实现精确打击；美国FLIR公司的Star SAFIRE HD光电观瞄转塔，超小视场下可以识别18千米处的成年人目标。
信息传递领域
无线光通信技术区别于传统的射频通信技术，有其自身的特点：从红外波段到紫外波段，为信息传输提供了超宽频带能力，保密性好，不受电磁福射的影响。包括机群之间、卫星与飞机、飞机与地面站之间的无线激光通信。目前由于机载平台要求苛刻、动态影响大，机间激光无线通信还处在探索和实验阶段，如FALCON系统预期实现50km以上2.5Gbps带宽的数据通信，未来将达到几百千米的能力。同时，由于紫外日盲特性和大气层中良好的散射传播特性，与激光通信不同，可实现非视线传输，具有低窃听率，高抗干扰性和全天候工作等优点，但由于目前器件水平不高、数据传输速度不大，距离近，目前机载应用还处于实验室研究阶段。
能量传递领域
应用主要包括激光定向对抗系统、激光武器系统、激光照明、激光充电等方面。光电对抗是指敌对双方在光波段的抗争，目的在于破坏或摧毁敌方光电侦察装备和光电制导武器的作战使用效能。目前在光电对抗系统开发中有代表性的为诺格公司的LAIRCM（大型飞机红外对抗系统）、DIRCM（定向红外对抗系统），有效对抗红外制导导弹的距离达到十几千米，激光武器系统利用高能激光束对目标进行毁伤，具有无延迟攻击、射程远、无限次发射等优点，可用于拦截弹道导弹、巡航导弹、高机动的空中和地面目标等，虽然目前还在技术验证阶段，但未来将是重要的机载武器装备之一。波音公司、诺斯罗普・格鲁门公司和洛克希德・马丁公司联合在大飞机上开展了先进机载激光武器试验系统（ATL），其激光器功率100千瓦，作战距离达到20千米以上。由于超大功率的激光能源系统庞大，整个系统占了几乎一架飞机，因此，在作战飞机平台的装备还有很长的距离。
与日俱增的重要地位
相对于电磁波雷达而言，工作在光波段的机载光电系统，工作机理上具有高几何分辨力、高频谱分辨力以及被动获得信息等优点。随着光电子基础技术研究的不断突破，近30年光电系统获得了空前的发展，在“海湾战争”、“科索沃战争”、“阿富汗反恐战争”等一系列局部战争中得到了广泛应用，也取得了令人瞩目的效果，从中也展现了其在现代战争模式中的重要作用。
早期机载光电系统是为了解决夜视观察的辅助作用，随着作战模式向精确打击模式的演变，机载光电成为精确瞄准、精确定位、精确投放武器的必需装备，而从侦查监视及信息获取的角度，由于光电系统几何分辨力高、光谱分辨力高、图像真实，目前已成为获取高质量战略和战术情报的最有效手段。随着空中作战中电磁环境的日趋复杂，机载光电探测系统被动探测，不受电磁干扰、隐蔽性好、信息可视化等优势更显突出，发挥着与雷达等探测手段同等重要的作用。面对飞行器几倍声速，高机动，高隐身等新的作战需求的变化，以光电探测和激光攻击的光电武器系统是满足“无延迟攻击”的最佳选择。大数据率、多源、多机平台协同的数据传输离不开高带宽传输能力的机载光通信系统。
总之，随着光电子技术、量子探测技术、高速处理技术、高效率激光能量转换技术、高性能材料技术等光电技术不断突破，机载光电系统性能还将进一步得到提升，在未来机载平台上将会发挥更加重要的作用。
机载光电系统的发展趋势
为适应日益严酷的作战环境，应对作战对象的升级换代，未来的高科技战争对新一代机载光电系统不断提出新的需求。加之基础技术的持续进步，同时推动光电系统不断发展。机载光电系统未来的发展基本可以概括为性能提升、功能拓展、系统综合和概念创新。
1、性能提升、功能拓展：“看得更远、看得更清、瞄得更准”是机载光电系统发展永恒的主旋律。机载光电瞄准系统在新技术的推动下，探测能力较以往有了大幅提升。未来光电雷达将达到几十千米甚至上百千米的探测能力，成为反隐身、超视距作战的利器。瞄准吊舱将将达到更远的探测距离和更精确的瞄准定位，使战机能够在百千米距离就可以对地面目标发起精确打击。光电情报监视侦察系统分辨率将进一步提升，并将能够覆盖更广的战场侦察范围。未来系统分辨率将达到厘米级，甚或更高。并将通过光谱细分技术提高对伪装目标的识别能力，同时结合无人机长航时优点，实现对战场不间断地战略和战术高分辨率侦察监视，战场动态尽在掌握之中。
2、系统综合、概念创新：“从单一到综合、从传统到新体制”使机载光电系统充满活力。F-14飞机的IRST，F-15飞机的SNIPER吊舱都是单一功能的光电系统，而F-35飞机则采用一个EOTS和6个DAS进行系统综合，成为集空/地探测、导弹告警、态势感知为一体的综合光电系统。可以预计，在未来机载光电系统综合化程度会更高，不同功能、不同波段的光电单元有机结合，实现机载态势感知、探测瞄准、告警、干扰、毁伤和通信能力的一体化。新体制、新概念的光电产品将随着技术发展不断涌现。自由曲面共形光学天线将使未来的机载光电系统光学窗口不再突出，而与飞机机身融为一体；光学超材料的出现将使光电系统光学特性出现异于寻常的变化；孔径编码成像将改变传统几何光学的成像概念；采用光量子技术的量子雷达则将使经过隐身、伪装、防护的目标无所遁形…。
结语
机载光电系统的发展方兴未艾，几十年的时间里不间断地涌现出各种极具特色的光电产品，已在现代化战争中发挥着其不可替代且日渐重要的作用。目前在机载光电产品的研发和装备上各国都给于了高度的重视和资金投入；谁在光电产品研发上领先，谁就将在未来战争中拥有更多的主动权。虽然我国机载光电系统技术与这些军事发达国家相比还存在差距，但只要我们奋起直追、锐意进取、创新超越，实现机载光电系统技术的跨越式发展，是完全可以预期的。
（作者系中航工业光电所副所长）