F-35 战斗机载光电分布式系统发展及应用

原标题:F-35 战斗机载光电分布式系统发展及应用

导读:光电分布式孔径系统是一种红外光电红外传感器,主要应用于高分辨率动态成像,能将所成像细节最大化,体型小巧。光电分布式孔径系统最早由美国海军研究局于上个世纪90年代末,发展自分布式红外孔径海军先进技术演示计划。

光电分布式孔径系统可以使航空器、装甲车辆和舰船有一个全方位的清晰视野,能提供相当于指挥官观察器、射手瞄准具、驾驶员观察器的功能,自动识别防御来袭目标并提供一个高分别率成像预警。大大提高了航空器、装甲车辆和舰船战场态势感知能力。

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发展沿革

EODAS最初的简称是DAIRS——分布式孔径红外系统,因其强调使用IR传感器而得名。DAIRS的初期,美国海军研究局为其提供了部分资金(项目6.2),在这个项目下,诞生了2个样机传感器和实验室测试用的支持软件。在资金项目名称为“海军先进技术演示”的“多功能红外分布式孔径系统(MIDAS)”的标题下DAIRS在FY-00上使用了4个传感器。经历机载测试。MIDAS包括综合一个头盔显示器(HMD)用于态势感知的成像。MIDAS项目是从2000年开始的一个先进技术演示项目,为期3年。是在DAIRS传感器和算法成功演示的基础上进行的,演示了功能的应用情况。在MIDAS项目下,设计和开发出出具有形状系数的高分辨率传感器,为EODAS打下了基础。

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技术应用

EODAS可以用于成像,目的是将细节最大化,还可以用于远距探测不可辨目标,如导弹或飞机,目的是获得灵敏度和抑制干扰杂波。成像应用包括领航/导航、态势感知、瞄准和战场损伤评估的支援。不可辨目标探测的应用包括导弹威胁告警和IRST。

成像应用

美国F-35战机的EODAS系统

对导航应用来说,EODAS与显示系统和飞行员的互动决定了需求。需要统一放大倍数的分辨率给飞行员提供“窗户外”的环境,以满足相当于VFR、目视飞行规则的操作需要。在当前使用导航IR传感器的经验基础上,0.5~1.0mrad的分辨率被认为是最低可接受的范围。由于飞机振动对飞行员视觉的影响会导致系统性能降低,因此获得人眼分辨率极限(0.15mrad),并不是必须的。头盔瞄准显示器(HMD)对克服座舱显示器视界的限制非常有吸引力。为了避免使用HMD时产生的赝像,具有很少或没有畸变的无缝图像很重要。EODAS和HMD联合起来提供了一种新的工作模式,即当JSF以VSTOL降落时具有一种“穿透地板”观察的能力。

飞行员利用电子可控“后视镜”,可以提高态势感知能力,从而看到附近的飞机。战斗损伤评估,BDA,只有在一个非常高分辨率传感器的帮助下,才能得到最好的实现。EODAS可以通过提供连续的全向覆盖来提供有用的数据,并为其有限的分辨率做出补偿。在时间历程是重要线索的事件里,包含着发炸药、产生热气或碎片喷射羽烟的延迟起爆武器和武器爆炸后燃烧的目标。对这些情况来说,EODAS是一个功能BDA传感器,可以替换高分辨率的传感器。关键的要求是要有足够的动态范围,可以感应这些密度高、时间短的事件,而对当前部署的系统来说,不会造成过载和产生很长的恢复时间。

探测应用

中国歼-20机头下方的EODAS探头

EODAS在不可辨目标探测上的应用,就是在导弹告警和IRST方面的应用。杂波抑制是探测不可辨目标的关键问题。解决杂波抑制的方法包括空间滤波、跟踪文件滤波、速度滤波和多光谱滤波。跟踪文件滤波器是最简单的杂波鉴别器。对跟踪文件滤波器来说,最困难的是从连续帧中联系观察结果的关联问题。关联通常是用时间投影来进行的,后者定义了下一个帧里的一个窗口,这一帧应该包含被跟踪的物体。这个投影的精度直接取决于传感器的分辨率,因而更高分辨率的传感器是最佳选择。速度滤波器工作在整个视景上,因为它们是检波前滤波器。辨别速度的能力是这个方法成功的关键。

由于确定惯性背景地形的LOS速率相对容易,因此速度滤波是把威胁从地形中隔离出来的最有效方法。一个波段以上的多光谱传感器是解决杂波抑制的好方法,它是基于这样的一个前提,即威胁物体的光谱特征有别于杂波特征。一般情况下,它需要对2个或多个波段上点目标的IR特征进行相对精确的测量。为IRST所作的主要工作是研制扫描的高分辨率传感器。因为IFOV小,因此这种传感器可以提供良好的灵敏度和碧空范围,但是在目标瞄准之间具有相对低的帧速率(小于1Hz)。有一个阶段在EODAS上使用了凝视型传感器,结果表明,高帧频、30Hz、像杂波抑制技术一样,大大提高了速度滤波的效能。EODAS中IRST所需要的处理包括空间滤波与速度滤波在检波前模式里的耦合。、

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应用实例

美国F-35

由于EODAS的先进性,它已经成为美国第五代战斗机夺取空中优势、先发制人的重要装备。有报道称,F-22上也有类似分布式孔径系统的装置,称为导弹发射探测器(MLD),它也包括6个IR摄像机,装在F-22的机身周围,提供全向覆盖能力。但是,正式装备部队的F-22上并没有此类配置,据报道F-22上被削减的IR传感器出现在JSF上。因此可以认为在F-22的设计之初是考虑了分布式孔径系统的,可能因为某些技术还没有突破,因此,把它的实现寄托在F-35上。

F-35 战场感知示意图诺思罗普格鲁曼公司为F-35研制的EODAS直接装在机身上,不需要吊舱。6个IR摄像机嵌在飞机上,可提供围绕飞机360º的球形红外探测图像,为F-35的飞行员提供导弹接近告警、电子对抗措施的投放情况、与空空雷达相似的被动探测、空空导弹的离轴瞄准及宽视场的昼夜视觉。采用离轴瞄准时,飞行员可为HMD分配一个感兴趣的显示画面,并将其头部指向要攻击的目标,进行指示并发射导弹。由于EODAS可提供穿透座舱底部的视觉,故可为操纵飞机着陆的飞行员提供帮助。它还可用于黑夜中的轰炸破坏指示(BDI)。

中国J-20

J-20在中国2011号歼-20战机的最新照片中,机头下方新增了一个一个菱形的窗口,从窗口表面规则的多边形分布形态和材质来看,应该是一个光学窗口。有分析认为,该装置表明了歼-20战斗机可能采用了分布式光学孔径系统。实际早在2001号歼-20战斗机试飞的时候,机头部位也有类似的窗口。在早期的歼-20照片中,机头部分可以清晰看到有明显的凹陷,这与F-35战斗机上的AN/AAQ-37分布式光学孔径系统(EODAS)的探测头十分相似。

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最新进展

F-35战机的分布式孔径系统通过安装在机身外的六个红外摄像头采集高分辨率实时图像,并发送到飞行员的头盔上,使飞行员能够无论白天还是黑夜都能够看到周边环境。分布式孔径系统可全角度探测和跟踪威胁,为飞行员提供前所未有的战场空间态势感知能力。

雷声公司制造的分布式孔径系统将被安装到计划于2023年交付的第15批次F-35战机上。与现有系统相比,下一代分布式孔径系统的性能提升主要体现在:

  • 全生命周期成本节省超过30亿美元。
  • 单位续生成本大约减少45%。
  • 运营和维护成本降低50%以上。
  • 可靠性提高五倍。
  • 性能提升两倍。
  • 新系统间接有利于提高飞机战备水平和降低地勤人力需求。

洛•马公司将DAS集成到有代表性的F-35座舱显示器上,并将头盔显示器装在协同航空测试台CATBird上。在机头、机背和机腹各装2个传感器。可使洛•马公司工程师在动态环境测试F-35硬件和软件。

F-35 战场感知示意图

来源:网络、转自:新光电

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