未来智讯 > 无人驾驶论文 > 美国的无人机转塔系统
    美国作为世界上无人机技术最先进、应用最广泛的国家,在无人机转塔的研制上也处于领先地位。“捕食者”、“全球鹰”、“龙眼”等不同级别的无人机,装备了大小不一。型号各异的转塔系统。深入了解美国无人机的转塔系统,对于我国的相关研究是有借鉴意义的。
    现代无人机在遂行监视、侦察、目标获取、电子战、通信中继、对地攻击等任务时,以及在未来的空战中,都会用到机首下方安装的可360°旋转、有图像稳定功能的光电传感器转塔。转塔内的传感器可获得各种动态、静态图像,通过通信链路传回位于地面、舰艇或有人驾驶飞机上的控制台,供操纵人员控制无人机的飞行,以及情报和指挥人员进行分析、决策。因此,光电传感器转塔是无人机系统不可或缺的组成部分,它的性能在很大程度上决定着无人机系统的作战效能。
    
    无人机转塔的发展方向
    
    无人机光电传感器转塔由有人驾驶飞机和直升机的转塔发展而来。由于无人机载荷和空间的限制,重量和体积有所减小,采取了一系列新技术、新设计满足功能上的要求。
    减小重量体积,增大功能密度
    转塔系统内通常综合有多种传感器,因此若要转塔系统“瘦身”,首先就要采用微机电部件和高强度轻质材料,降低传感器组件的体积和重量,另一个途径就是提高集成度、改进内部布局,例如
    将各传感器组件中的电子系统分离出来综合设计制造。美国L3通信公司的MX-15和MX-15D型转塔,就通过这种方式将重量减轻了22.67千克。通过上述措施,就能在保证功能的前提下实现转塔系统的小型化、轻型化,提高无人机的滞空时间;或者在一定重量指标下,把更多的传感器集成进转塔,拓展无人机的任务能力。
    目前美国的无人机转塔系统通常包含4~7种传感器,例如用于飞行控制、监视、侦察的昼用相机系统;用于夜间飞行控制以及目标探测的红外热像仪;用于获取目标信息的激光测距仪、激光照射系统;较大型无人机的转塔系统还有体积、重量、耗能较大的激光目标指示系统,可引导激光制导武器实施攻击。
    传感器扩展功能、提高性能
    无人机转塔系统的性能主要取决于传感器组件。美国无人机转塔中的传感器组件功能大都比较完善。例如,各种视频相机和红外热像仪均采用多级变焦设计,可以拍摄从广角到长焦、从整体到局部的多种图像;超长焦距相机可以观察目标细节,便于识别目标的型号、观察目标的状态。传感器成像元件的分辨率也较高,如“影子400”等战术无人机使用的红外焦平面阵元为320×240,更大一些无人机则采用640×480阵元,可拍摄比较清晰的红外图像。
    集成多种新技术以提高效能
    无人机转塔还通过集成新系统和新技术来提高效能。例如,在转塔中集成惯性测量单元(IMU)。IMU由固态光纤陀螺和加速度计组成,可精确测量无人机的飞行姿态,并对转塔进行控制。这样,即便无人机进行剧烈的机动飞行,传感器系统也能够始终瞄准目标,进行持续观测和精确测定。一些高端的转塔系统还集成了图像融合功能,即对不同频谱传感器拍摄的图像进行处理,自动融合成一副包含各种频谱特征的目标图像,用于精确判定目标。以往是先通过数据链路,把多幅不同频谱的图像传输到控制站,然后在人的参与下进行融合处理。显然,现在的办法要先进得多。
    除了上述特点外,降低传感器及转塔系统的价格也是一个重要的发展方向。
    
    美军典型的无人机转塔系统
    
    Ultra 8500 XR转塔
    该型转塔由美国FLIR公司研制,已装备美军“影子400”和“影子600”无人机。它的直径只有22.9厘米、高34.3厘米、重13.1千克,是世界同级别转塔中重量最轻、体积最小的。传感器系统包括红外热像仪,采用320×240阵元的高敏感中波红外焦平面阵列,用于昼间侦察、监视的高敏感相机,采用变焦设计,便于切换观察目标的概貌和细节。
    FLIR公司还生产目前最小的商用红外热成像仪Thermo Vision Micron。其体积约3.42×3.68×4.65厘米,除镜头外的重量不足120克,功率不到1.5瓦。该热像仪的镜头有11、18、30毫米三种焦距,分别提供40°×30°、25°×19°、15°×11°的视场。这种热成像仪主要用于手掷式无人机,例如美国陆军的“大乌鸦”和海军陆战队的“龙眼”。它也是目前世界上销量最大的红外成像仪。
    Safire系列转塔
    StarSafire系列转塔也由FLIR公司研制。其中StarSafireⅢ型被美国海岸警卫队选定为标准转塔,配备“鹰眼”无人机。它直径38.1厘米,传感器包括红外相机、彩色变焦相机、高分辨彩色侦察相机(能穿透薄雾)、激光照射装置、激光测距仪。其中红外成像器件是640×480阵元的大型中波红外焦平面阵列,能产生相当清晰的红外图像。热成像仪有4种视场:视场范围25°的宽视场、5.4°的中视场、1.4°的窄视场以及1.4°的超窄视场。彩色昼用相机也可以提供宽、中、窄三种视场。彩色侦察相机除了中视场和超窄视场外,还有用于超长距离侦察的0.29°极窄视场。需要指出的是,镜头视场的选择涉及到画面范围和目标放大倍率的关系。视场越窄,目标的放大倍率越高,反之,视场越宽,涵盖的范围越广,但无法看清目标的细节。
    BriteStar转塔体形稍大,直径为40.6厘米、重54.43千克,目前主要配用美国海军“火力侦察兵”无人直升机。该转塔内除安装SatireⅢ型转塔配备的可见光/红外传感器、激光测距及照射系统外,还配备了为激光制导武器提供引导的激光目标指示系统。转塔内置有瞄准模块,可以使成像仪和光电相机自动瞄准激光指示器的照射点,保证两类传感器动作协调一致,便于控制人员在不同频谱图像间快速切换。
    Safire系列的最新成员是StarSafire HD。它是第一种全数字高清稳像式机载传感器转塔,使用焦距1500毫米的镜头:所有传感器生成的图像都是全数字式的,避免了模―数转换对分辨率造成的损失:高带宽的数字视频传输确保所有的场景细节能完整地从传感器传回平台:转塔内置7套成像传感器或激光传感器,只通过一根光纤就可实现控制。美国陆军已将Safire HD和Star SafireⅢ转塔系统用于“快速浮空器初始部署”(RAID)计划。该计划为小型系留式气球配备高性能传感器,在约100米高度实施监视、预警,为部署在伊拉克和阿富汗的美军提供警戒保护。
    MX系列转塔
    MX系列转塔由美国l―3通讯公司WESCAM分公司生产。它最初用于各
       种有人驾驶飞机,如用于美国海军P-3C海上巡逻机和海岸警卫队C-130侦察机的MX-20转塔;用于海岸警卫队HU-25“猎鹰”飞机、形体较小的MX-15转塔。经过进一步改进后,MX-15转塔配备了通用原子航空系统公司生产的“蚊式”改进型无人机,在伊拉克使用了1年半。传感器系统包括彩色变焦相机、配备超长焦距镜头的彩色或单色侦察相机、红外变焦相机、激光测距仪、激光照射装置。其中红外摄像机有宽、中、窄、超窄4种视场,彩色变焦相机有宽、中、窄3种视场:而利用超长焦的侦察相机,可以观测目标的细节。
    WESCAM还在MX-15基础上研制了MX-15D,将用于引导激光制导武器的激光目标指示系统整合进转塔。该公司称,MX-15D型是直径15英寸(38.1厘米)级转塔中,光电/红外识别距离最远的。还有形体更紧凑的MX-12型转塔,直径30.5厘米、重量24千克,可根据需要在三级红外变焦相机、彩色变焦相机、高倍率侦察相机、激光测距仪、激光照射装置中任选4种。为了拍摄清晰的图像、对目标精确定位,就要避免传感器的抖动、消除无人机飞行对传感器成像的影响,否则再长焦距的镜头、再高分辨率的成像元件也只能得到模糊的影像。为此,MX系列所有型号转塔的万向节中都置有由固态光纤陀螺和加速度计组成的IMU,用以精确测定平台的姿态、形成控制信号,使转塔传感器始终稳定指向目标。
    MIS系列转塔
    “多谱目标获取系统”(MTS)转塔由美国雷声公司研制,主要用于美国空军的“捕食者”及飞行性能更强的“捕食者B”无人机。MTS-A转塔用于配备“捕食者”,直径为43.2厘米,整合有光电/红外传感器和激光指示系统。用于配备“捕食者B”的MTS-B转塔比A型更重、传感器探测距离更远,直径53.9厘米、重量103.5千克。共设置有7种视场,其中2个超窄视场(0.08°×0.11°)、1个窄视场、3个中视场和1个宽视场(35°×45°)。在超窄视场(最高光学倍率)时,红外相机和光电相机分别有2倍、4倍的电子变焦比,以进一步放大图像。
    MTS系列转塔与MX系列转塔一样,也安置有IMU单元。MTS系列转塔最突出的技术特点是把图像融合能力作为标准配置,雷声公司对此进行了10多年的研究。系统把拍摄的30万像素(640×480)红外图像和可见光图像进行信噪比分析,然后选择两幅图像中最清晰的像素叠加生成一幅图像,处理过程完全自动化。雷声公司还将进一步改进MTS转塔,包括提高光电/红外系统的分辨率和清晰度、研制可包含更多细节的短波相机、采用体积更小的二极管泵浦激光器、开发压缩视频格式等方面,以提高转塔系统的性能,使信息传输更快、占用带宽更小。
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