张岚，赵显宇，熊钟秀

1.成都飞机工业（集团）有限责任公司，四川 成都 610091

2.航空工业洛阳电光设备研究所，河南 洛阳 471000

在现代军事斗争中，信息的获取能力成为决定战争发展的主要因素。美国等西方国家将情报、监视和侦察系统（ISR）所涉及的装备、数据综合到一起供作战指挥与决策。后来美国又将ISR 系统与指挥（command）、控制（control）、通信（communication）和计算机（computer）系统统一到一起，形成C4ISR系统，构成现代军队的神经中枢。

机载光电侦察作为C4ISR 系统的重要一环，是指利用光电探测手段，在飞机等航空平台上获取敌方目标分布、地形信息、人员及装备活动的军事斗争手段。光电侦察装备是指利用目标及背景对各类光源的不同反射特性或其自身辐射的差异来进行探测、识别乃至瞄准、跟踪的军用仪器或系统。相对雷达、声学等侦察设备，光电侦察装备成像效果直观，利于人员判读；光电侦察设备大多属于无源探测设备，隐蔽性好，不容易被敌方探测；并且光电侦察设备抗干扰性能好，可以在强电磁对抗环境中工作，是侦察体系中不可或缺的重要装备。机载光电监视侦察系统能够利用航空平台快速、灵活的优势高效地对目标进行大范围、远距离侦察，提供实时的战场态势情报，数十年来，机载光电侦察装备的应用为军事斗争的形态带来了深远的影响[1]。

从使用上讲，机载光电侦察包括光电侦察和光电监视两种类型，光电侦察主要指在大范围内对目标区域进行探测、识别等；而光电监视则主要是对已知目标进行观察，掌握目标随时间的变化情况。相对雷达等侦察手段，光电侦察可以实现被动探测，降低了被敌方发现的风险。同时得益于可见光及红外探测技术的发展，光电侦察可以实现高分辨、高帧频成像，成为提供战场支援和夺取信息优势的重要手段。

1 国外主要航空侦察平台

机载侦察装备是依托航空侦察平台而发挥作用的，航空平台的飞行速度、飞行高度，以及其隐身、气动要求都会直接影响航空侦察的结构甚至功能。而机载侦察装备（载荷）的性能与功能又直接影响航空侦察平台的效能与工作方式。航空侦察平台与光电侦察装备如何搭配使用主要取决于航空侦察任务需求与使用场景。不同侦察任务对区域范围、时效性乃至侦察设备的性能要求都有不同。一般来说，侦察任务是军事活动的重要前提，是军事情报获取的基本手段。在军事斗争的早期，一般由专用的大型侦察机平台携带高性能光电侦察装备对目标作战区进行广域搜索，获得全面完整的战场态势信息；在军事斗争进行中，战术侦察任务又成为侦察活动的主要形式，其特点是侦察区域小，时效性要求高。往往采用战斗机、无人机或直升机等航空战术平台加挂光电吊舱等多种形式的侦察装备对特定目标进行探测、识别及跟踪。

在分析机载光电侦察装备之前首先应该对目前主要的航空侦察平台进行梳理[2-4]。专用侦察机是执行航空侦察任务的重要平台，典型机型有美国的SR-71侦察机、U-2侦察机、EP-3 侦察机、EP-8 侦察机，以及RC-135 侦察机（见图1）等。其中SR-71侦察机由洛克希德公司研制，1966年开始在美军服役，该机实用侦察高度达到24000m，最大飞行速度超过Ma3，装备有可见光、红外及合成孔径雷达等侦察设备。U-2 侦察机同样由洛克希德公司研制，于1956年进入美军服役，实用升限同样超过24000m，但其早期型号有效侦察高度仅为5000～15000m，装备有8 台照相侦察用全自动照相机，还可安装合成孔径雷达。U-2 侦察机一直服役至今，其航电装置也在进行不断升级。而后三种侦察机均是在客机平台上改造而成，机体空间较大，搭载的侦察设备种类比较多，使用及维护成本较低。

图1 美国RC-135侦察机Fig.1 The RC-135 reconnaissance plane of U.S.

此外，侦察型直升机也是航空侦察的重要平台。由于其出动灵活度较高，侦察性直升机可以配属在海面舰艇上或在一些地面战场中使用。典型的侦察型直升机有美国RAH-66“科曼奇”直升机，俄罗斯卡-31、卡-52 直升机，法国“地平线”直升机，英国“海王”直升机等。美国陆军在2018 年提出了“未来攻击侦察直升机”（FARA）计划，开启了下一代军用直升机的研发。

近些年，世界各主要国家都在大力发展无人侦察平台，无人机使用效费比很高，成为当前的局部战争中使用频率最高的武器之一。典型无人侦察机有“扫描鹰”无人侦察机、RQ-4“全球鹰”无人侦察机、MQ-8 无人直升机（见图2），以及RQ-170隐身无人侦察机。此外，兼顾侦察与打击功能的无人机也在国际市场受到大量的关注，如美国的MQ-1、MQ-9 系列无人机（见图3），以色列“赫尔墨斯”900型无人机以及俄罗斯“猎户座”无人机，我国的“翼龙”系列无人机在该类机型中处于世界先进水平[5]。

图2 美国MQ-8“火力侦察兵”无人直升机Fig.2 The MQ-8“Fire Scout”Unmanned helicopter

图3 美国MQ-9察打一体无人机Fig.3 The MQ-9 reconnaissance and strike integrate UAV

除有人/无人飞机和直升机平台外，近些年飞艇等浮空平台再次得到人们的关注。飞艇具有留空时间长、覆盖面积大、能源消耗低等诸多优点，可作为边防、海防的空中监测平台。尤其是一些飞艇还能在平流层内长时间停留,可以进行低空预警。目前，美国军方将多艘飞艇（见图4）部署在伊拉克、阿富汗及其他地方，用于执行持久监视任务，这些平台执行任务的时间可达数周乃至数月。

图4 美国陆军混合飞艇Fig.4 The hybrid airship of U.S.army

2 典型机载光电侦察装备

针对机载平台与使用需求的不同，机载光电侦察装备主要有内装式和吊舱式两种类型。内装式光电侦察设备装载在航空平台内部，在机身留出光窗，通常在一些对隐身性或气动要求高的平台中使用；而吊舱式侦察设备可以挂在机头、机腹乃至机翼处，使用较为灵活。

不同的机载光电侦察传感器配置差异也比较大。有的只配置单红外传感器，有的只配置单可见光传感器，有的可以实现红外/可见光组合侦察。随着光电探测技术的发展，光电吊舱的传感器配置也在逐渐丰富，本节对几类典型的机载侦察装备进行介绍[6-9]。

2.1 光电侦察吊舱

依据装机条件、结构外形的不同，常见的光电吊舱主要有转塔式和吊舱式两种类型。吊舱型光电侦察系统主要用于战斗机等机动性强的平台，其外形必须满足一定的径长比以满足高速气动要求，通过外挂物挂架与飞机相连，拆装灵活，通用性较强，但体积较大、重量较重。转塔型光电吊舱多用于直升机、无人机以及部分巡逻侦察机等相对飞行速度较慢的飞行器，它一般与飞机固连，成为飞机的一个组成部分。

典型的转塔式光电侦察系统有加拿大L-3 韦斯凯（Wescam）公司生产的MX-20系列吊舱（见图5）以及美国菲力尔（FLIR）公司研制的Safire 系列吊舱（见图6）。MX-20 是一款90kg 级的高性能远距多传感器成像系统，红外成像分辨率有640×512或1280×1024可选，支持4个视场切换；可见光可提供720P 和1080P 两种分辨率，可连续变焦；此外还提供30km测距能力的激光测距器和激光照射器。该系列吊舱在美军P-8A、HC-130H、德军P-3C以及部分无人机、直升机和浮空平台上均有装备。Safire 系列吊舱同样提供上述分辨率的红外及可见光相机，光学镜头可120 倍变焦，红外窄视场为0.25°，宽视场为40°，电视摄像机窄视场为0.25°，宽视场为29°，此外还可提供近红外微光电视、短波红外成像、激光测距等功能。该系列吊舱同样在部分无人机、直升机及运输机平台上装备。

图5 加拿大L-3 MX-20吊舱Fig.5 L-3 MX-20 pod of Canada

图6 美军菲力尔Safire吊舱Fig.6 FLIR Safire pod of U.S.

典型的吊舱式光电侦察系统有美国MS-177 吊舱，法国泰雷兹公司的机载侦察识别系统（airborne reconnaissance observation system,AREOS）及泰勒斯英国公司研制的数字联合侦察吊舱（digital joint reconnaissance pod, DJRP）。MS-177吊舱（见图7）是从DB-110吊舱、MS-110吊舱一路升级而来，由原美国联合技术公司（现雷神技术公司）研制，可提供可见光、近红外、短波红外及中波红外图像，成像焦距达到了177in（约4496mm），识别距离达到80km。在短波红外及中波红外波段内还分出6 个波段实现多光谱成像、每小时侦察覆盖面积可达37000km2。泰勒斯公司的DJRP吊舱可提供可见光及长波红外图像，其中可见光传感器支持6倍光学变焦。DJRP吊舱（见图8）工作时光电传感器处于扫描状态，以实现对广域范围的侦察。

图7 美国MS-177系统Fig.7 MS-177 system of U.S.

图8 泰雷兹DJRP吊舱Fig.8 Thales DJRP pod

除传统的吊舱之外，近些年也有一些特殊外形的机载侦察装备。如装备在以色列“赫尔墨斯”900型无人机（见图9）上的“天空之眼”监视系统。将多孔径成像系统直接安装在机腹下，可在临空状态下对80km2左右范围内的地面区域进行持续监视。另外，它可以在实时观察时以特定分辨率和放大率记录和显示图像，利用不同观察角和放大率，用户可以同时分别观看10个以上感兴趣区域，在任何时候都可以“及时回放”，以分析态势的发展。

图9 装备有“天空之眼”系统的“赫尔墨斯”900型无人机Fig.9 The“SkEye”system in Hermes-900 UAS

2.2 内装式光电侦察装备

典型的内装式光电侦察系统有原美国雷神公司研制的综合传感器系统（ISS）以及原美国柯林斯公司研制的“毕业生”电光侦察系统（SYERS），目前上述公司已经合并，组建了新的“雷神技术公司”。ISS 系统主要装备在美国RQ-4“全球鹰”无人机上，包含一台1024×1024 像素数可见光传感器和一台640×512中波红外传感器，对地面进行远距离、高分辨率、倾斜侦察成像，同时利用飞机的飞行运动将扫描向前递推，从而获得广阔地域内的连续图像。ISS系统的相关技术已被融合进雷神技术公司下一代“休斯”综合监视识别系统（HISAR）中。SYERS-2C系统已经应用于美国U-2侦察机中（见图10），可提供可见光、近红外、短波红外、中波红外10个光谱波段图像，并且可对移动及静止目标进行探测、跟踪与评估。

图10 美国SYERS-2型侦察系统及其在U-2侦察机上的装载示意Fig.10 SYERS-2 reconnaissance system and the locad in U-2 plane

3 机载光电侦察技术

光电侦察装备的能力形成主要依赖光电探测技术的发展。可见光和红外探测技术已经发展多年，在机载侦察领域，限制可见光和红外探测性能的主要因素是探测器的性能以及光和热在大气传播过程中的衰减，相关技术的研究资料丰富，本文不再作过多介绍。本节主要介绍多光谱探测、偏振探测和深度学习等新型技术的原理及在机载光电侦察领域的应用[10]。

3.1 多光谱/高光谱探测技术

目前，伪装技术的发展对目标探测和识别技术提出了挑战。然而，伪装目标与真实目标的光谱图像信息之间存在着细微差异，光谱特性是物质的基本属性，不同波长的光谱反映原子或分子内能级跃迁的类型，通过分析这些光谱差别可以区分出真实目标与伪装目标之间的物质特征差异，从而实现反伪装探测。多光谱/高光谱成像是将传统光学成像技术和光谱测量技术相结合的一种新型侦察技术，其获取的信息不仅包括二维空间信息,还包含随波长分布的光谱辐射信息。我们可以通过多光谱/高光谱成像技术来分析被观测物体的光谱特征，从而探测、识别和评估表面材料，进而实现目标探测和地形分类。

常用的成像光谱波段主要有可见光波段、近红外波段、短波红外波段、中波红外波段和长波红外波段。他们分别根据目标的反射光和热辐射光来进行探测及识别，相同颜色的不同物体在可见光波段可能无法进行区分，但其热辐射水平会存在差异，据此可以实现目标识别与伪装揭露。而更精细的波段划分则能实现更强大的揭伪和识别能力，国外已研制出超过200个波段的航空多光谱相机[11]。图11为对室外汽车进行中波多光谱成像的效果。

通过图11对室外汽车的多光谱图像可以看出，在不同光谱通道内，不同物体反射的光学强度是不同的，在装备使用中可以利用这一特点来减弱伪装网、植被等物体对目标的遮蔽效果。

图11 汽车多光谱图像[12]Fig.11 Multispectral imaging for automobile

3.2 偏振探测技术

偏振是光的4 个基本特性之一，任何目标都存在一定的偏振特性。通常光电探测器中的图像信息主要反映视场内各物体到达探测器的光的强度差异。但实际场景中，一些雨雾或水面磷光等干扰因素也被叠加到目标的成像图上，会对目标的跟踪与识别有负面影响，甚至直接将有用的目标信号淹没。不过，水面磷光以及雨雾等干扰信息和目标的偏振特性是不完全相同的，利用不同物体的光学偏振特征差别，可以有效地去除干扰，提升目标的信噪比[13-14]。图12 和图13 分别展示利用偏振光学手段在图像去雾与发现伪装/隐蔽目标时的应用效果图。

图12 偏振去雾Fig.12 Polarization defogging

图13 偏振发现隐蔽目标Fig.13 Find camouflage targets through polarized light

偏振成像系统结构可分为两类：一类是有运动部件，通过旋转偏振器件等方法来滤除干扰图像，这种结构简单灵活、成本较低，不过实时性较差，对于变化场景的目标需要一定的反应和调整时间；另一类是无运动部件，如将不同方向的线偏振器件有规律地直接耦合在焦平面探测器阵列上，这种方法实时性较好，不过会牺牲一定的像素分辨率。

3.3 基于深度学习的目标识别技术

深度学习的思想来自人工神经网络，神经网络没有严格的定义，它的特点就是模仿人类大脑神经元之间传递信息的模式，是一个对接收到的信号不断迭代、不断抽象的过程。在侦察领域，深度学习方法在目标检测识别领域以其独有的精度与特征自动提取等优势，得到迅速发展并广泛普及。

目前，基于深度学习目标检测识别技术主要有二阶段（two-stage）和一阶段（one-stage）两种架构。二阶段结构的深度学习目标检测识别算法主要分为两步，首先通过显著性检测从图像中提取一系列候选框，然后通过深度卷积网络对每个候选框进行进一步的分类和回归定位以得到识别结果，其代表算法有RCNN、Fast RCNN、Faster RCNN（结构图见图14）等。一阶段结构的深度学习目标检测识别算法无须预先提取候选目标区域，而是将目标位置、类别和置信度以回归的方式求解，而不需要显著性检测过程，其代表算法有SSD 系列、YOLO 系列（结构图见图15），以及EfficietDet等。

图14 RCNN结构图Fig.14 Schematic diagram of RCNN

图15 YOLO结构图Fig.15 Schematic diagram of YOLO

对于两种架构而言，二阶段结构需要人工预先提取目标的特征，而一阶段结构是将特征提取环节也并入神经网络中，实现端到端的处理。在面对更多的目标种类，更复杂的应用场景中，一阶段效率更高，也逐渐成为深度学习的主流算法。不过一阶段发受样本的影响比较大，如果训练样本数量少或样本种类不够丰富，容易提取到非正确的目标特征，反而降低目标识别的正确率；另外一阶段法计算量比较大，训练时间长，因此在实际应用中还需根据真实应用场景选择合适的算法。

正因为深度学习技术的使用能极大地提升对目标的侦察识别效率，很多国家均对其持续投入研究。美国空军开发了一款“敏捷秃鹰”（agile condor）吊舱，集成了人工智能计算机，目前已在多型飞机上开展了试飞验证[15-17]。

4 结束语

机载光电侦察装备在军事斗争中的重要作用，在历次现代战争中得到了证明。光电探测技术的持续发展，使光电侦察系统的能力和效率得到了持续提升，也让各型光电侦察设备得以在越来越多的航空平台上装备。

相对于机载光电预警、光电瞄准等光电探测系统，机载光电侦察设备技术主要具有探测范围广、目标种类多、工作时间久、处理数据量大等特点。因此大面阵探测器、多光谱目标探测手段、偏振图像处理手段、深度学习数据处理手段越来越广泛地在光电侦察系统中得到应用。同时，航空光电侦察能力的发挥是航空平台与侦察载荷共同作用的结果。如今，各种作战平台不断涌现，其更新换代的频率也日益加快，尤其是无人化作战平台的广泛应用，使得战场形态发生进一步转化。为适应装备的快速发展，缩短光电侦察载荷的研发周期，减少后勤压力，机载光电侦察装备要逐步走上通用化、标准化和模块化的发展道路。目前，美国已经基本实现了侦察载荷的通用化，其MS-110 吊舱不仅可以挂载在多型战斗机和无人机上，其核心部件也可以作为内装载荷装备到一些侦察机及运输机上；而RQ-4“全球鹰”无人机也设计了可以调整的挂架，既能装载ISS系统，也能装载SYERS-2C系统。此外，随着光电侦察能力的提升，机载光电系统的复杂性也将提高，将带动航空电子系统的整体扩容，需要更先进的机载任务系统来支撑。

综合分析目前机载光电侦察系统发展趋势，我国机载光电侦察设备可以从以下几个方面着力：（1）提升我国大面阵探测器、高透过率光学镜片等一系列基础材料、基础器件的研发能力，进而提升侦察系统探测性能参数。（2）提高智能化程度，通过深度学习、大数据等手段提升侦察数据处理效率，快速形成情报信息，缩短战争准备时间。（3）提高通用化水平，注重开展型号统型设计和标准化工作，降低研发成本，缩短研发周期，同时可以有效地减轻保障负担。（4）提高产品集成度与功能复用性，将光电侦察与光电搜索、瞄准、跟踪等多种功能集成在一个装备中，提升单一装备的功能种类，同样有利于提升装备使用效率，减轻后勤压力。