维普资讯 http://www.cqvip.com ２８ 航天电子对抗 第２３卷第２期 无人机光电侦察、监视技术研究 娄树理 ，杨增胜 ，周晓东 （１．海军航空工程学院控制工程系，山东烟台 ２６４００１；２．中国人民９２８４０，山东胶南 ２６６４０５） 摘要： 无人机是获取战场情报、进行侦察和监视活动的良好平台，将成为未来战争中的 重要武器，而其侦察和监视能力的提升更依赖于无人机光电系统技术的发展。介绍了无人机 的光电设备及光电系统的侦察、监视技术，并对无人机光电系统技术的发展趋势加以展望。 关键词： 无人机；光电；侦察；监视 中图分类号：Ｖ２７９．３ 文献标识码：Ａ ＵＡＶ ｅｌｅｃｔｒｏ－ｏｐｔｉｃａｌ ｒｅｃ０ｎｎａｉｓｓａｎｃｅ ａｎｄ ｓｕｒｖｅｉｌｌａｎｃｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｏｕ Ｓｈｕｌｉ ，Ｙａｎｇ Ｚｅｎｇｓｈｅｎｇ ，Ｚｈｏｕ Ｘｉａｏｄｏｎｇ （１．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｖａｌ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｙａｎｔａｉ ２６４００１， Ｓｈａｎｄｏｎｇ，Ｃｈｉｎａ；２．Ｕｎｉｔ ９２８４０ ｏｆ ＰＬＡ，Ｊｉａｏｎａｎ ２６６４０５，Ｓｈａｎｄｏｎｇ，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＵＡＶ ｉｓ ａｎ ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｆｏｒ ｒｅｃｏｎｎａｉｓｓａｎｃｅ ａｎｄ ｓｕｒｖｅｉｌｌａｎｃｅ，ａｎｄ ｉｔ ｗｉｌｌ ｂｅ ａ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｗｅａｐｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ ｗａｒ．Ｔｈｅ ａｂｉｌｉｔｉｅｓ ｏｆ ｒｅｃｏｎｎａｉｓｓａｎｃｅ ａｎｄ ｓｕｒｖｅｉｌｌａｎｃｅ ｄｅｐｅｎｄ ｏｎ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ＵＡＶ ｅｌｅｃｔｒｏ－ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ．ＵＡＶ ｅｌｅｃｔｒｏ－ｏｐｔｉｃａｌ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｏｆ ｒｅｃｏｎｎａｉｓｓａｎｃｅ ａｎｄ ｓｕｒｖｅｉｌｌａｎｃｅ ａｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅ ＵＡＶ ｅｌｅｃｔｒｏ—ｏｐｔｉｃａｌ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｔｒｅｎｄ ｉｓ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＵＡＶ；ｅｌｅｃｔｒｏ—ｏｐｔｉｃａｌ；ｒｅｃｏｎｎａｉｓｓａｎｃｅ；ｓｕｒｖｅｉｌｌａｎｃｅ ｌ 引言 侦察和监视是无人机的首要任务，是无人机应用 最早、最多的领域ｎ］。无人机可以升空进行大面积、大 电视摄像机、前视红外仪、红外行扫仪具有实时信号传 输的能力，其中，电视摄像机主要在昼间使用，前视红 外仪和红外行扫仪主要用于夜间和能见度差的白天。 航空照相机虽具有极高的分辨率，但需回收冲洗， 不能满足实时情报的军事需要，一般认为它正在让位 给电荷耦合器件电视摄像机。机载可见光成像技术要 范围的搜索侦察，或者逼近敌作战前沿甚至飞临敌方 上空进行盘旋式的连续侦察，获取有针对性的、实时 的、详细的、不间断的信号情报，也可以对特定的敏感 目标连续侦察，还可对生化战剂进行侦测和识别，而这 些任务的完成主要靠无人机机载光电系统，因此本文 重点介绍无人机的光电设备及其侦察、监视技术，并对 无人机光电系统的发展趋势加以展望。 求摄像系统体积小、质量轻、功耗低、寿命长、可靠性 高、耐冲击等，目前只有ＣＣＤ摄像机能够满足这些要 求，这使它在无人机中获得了广泛应用。ＣＣＤ摄像机 不仅可用于监视、侦察获取实时图像情报，而且可用于 辅助地面操纵员遥控驾驶口］。另外，ＣＣＤ摄像机易于 和红外焦平面阵列结合形成多光谱摄像系统，是微型 ２无人机光电侦察、监视设备 目前，无人机安装的光电侦察设备主要有高分辨 率面阵ＣＣＤ电视摄像机、前视红外仪、红外行扫仪、激 无人机首选甚至是唯一供选的图像情报探测设备，很 受军方重视。 红外行扫仪和前视红外仪属于机载无源探测设 光测距／目标指示器、航空照相机、激光雷达等。ＣＣＤ 备，其最大优点是能探测地面物体自然的红外辐射而 无需借助环境光的照射，隐蔽性好，可进行夜间监视和 侦察。由于前视红外仪的迅速发展，目前红外行扫仪 收稿日期：２００６一ｌｌ一２Ｏ 作者简介：娄树理（１９７６一），男，讲师，博士研究生，研究方向为光 电制导、图像处理、红外图像生成、无人机等≠周晓东（１９４０一），男，教 授，博导，研究方向为光电制导、图像处理、红外图像生成、目标和背景 特性分析。 已很少在无人机上使用，可以说前视红外仪是高性能 昼夜全天候侦察无人机无可替代的设备［３］。 激光雷达和激光测距／目标指示器是主动式传感 器系统，利用所发射激光信号，经目标反射后被接收系 维普资讯 http://www.cqvip.com
２００７（２） 娄树理等：无人机光电侦察、监视技术研究 ２９ 统接收，实现对目标的测量及成像跟踪。激光雷达及 激光测距／目标指示器的分辨率高、抗干扰能力强、隐 蔽性好，缺点是激光受大气及气象影响大，并且由于激 光束窄，难以搜索和捕获目标。激光雷达除了进行空 中侦察外，还可以进行武器鉴定试验、武器火控、跟踪 景，当搜索区域和位置已指定时，就用步进和凝视相结 合的方式扫描该区域。按照这种方式，传感器的指向 可以很快地移动到地面上待观察视场的中心，然后停 留一段时间，以便观察一个固定场景，接着传感器快速 地回转移到下一个视场。传感器分别搜索区域内的每 个位置，存储被探测到的目标，并按优先序排列和关联 要求，以便将来进行脱机分析。如果实现了目标的自 动识别，那么就有可能通过减少在每一场景上的驻留 时间，很快完成搜索。 ３．２跟踪 识别、指挥引导和化学毒剂测量等。 ３无人机光电侦察、监视系统 目前，具有检测、识别、分类并确定目标的能力是 对无人机设备的需求［４］。现代光电系统大多己发展成 为成像系统，其相应的搜索跟踪系统也就变为成像搜 索跟踪系统，各类不同的搜索跟踪系统其原理大同小 异，基本原理结构如图１所示。 机载光电搜索跟踪系统基本原理：由光电成像传 ＡＴＲ算法是运动目标识别跟踪系统的关键技术 之一，通常由四部分组成：预处理、图像分割、特征提取 与选择、目标预测与跟踪 ５］。 ３．２．１ 图像预处理 感器获取目标图像信号，图像预处理电路对获得的目 标视频信号进行预处理，以增强对比度，改善信噪比。 经过图像分割、特征提取之后，可以有效识别目标，提 取目标的方位信息及相应于光轴的偏差，并将这个方 由于成像探测器以及环境干扰等原因，实际目标 图像不可避免地受到随机噪声、起伏背景的干扰，弱小 目标常常淹没在强的背景中，因此，在目标识别之前， 必须对图像进行滤波，以达到抑制背景噪声、改善图像 质量的目的。背景抑制的方法有多种，可以分为空域 和频域，如邻域平均、低通滤波、自适应滤波及中值滤 波等［６］，每种方法针对的噪声不同，因此需针对不同噪 声采用相应图像处理方法。 ３．２．２ 图像分割 位、俯仰偏差信号送到伺服系统，控制跟踪架位置的 变化，使所跟踪的目标始终保持在光轴附近，或者说 在视场之内，从而可以进行长距离探测和跟踪侦察特 定目标。 此外，通过加入相应的传感器和采用一定的算法， 还可以实现对目标的相对定位。定位方式有主动定位 和被动定位两种方式，主动定位是用激光测距仪通过 测量目标相对无人机的距离得到精确的目标相对位置 和相对速度；被动定位是用电视／红外成像测量传感器 平台测量目标的角度变化，得到粗略目标距离。 ３．１ 搜索 在这个阶段主要目的是把待识别的目标图像从原 始图像中分离出来。图像分割是依据一定的阈值将目 标图像从背景中分割出来的过程，它通常是成像跟踪 算法中必须首先解决的一个重要环节，包括阈值计算 和目标分割两个过程。 阈值的设定是图像分割的关键，确定一个合适的 阈值，就可以对图像进行正确、方便的分割。确定最佳 阈值可以采用实验法、直方图法、最小误差法等［７］，也 可以采取自适应阈值方法确定阈值。 ３．２．３特征提取与目标识别 无人机最常见的任务之一是侦察和大范围监视， 这要求无人机及其操作员搜索地面上的大范围区域， 寻找某类目标和活动，目前搜索类型有点搜索、区域搜 索、路径搜索ｕ 三种。 搜索时连续回转传感器会造成一些模糊，掩盖目 标运动，而且需要高的数据率以便传送不断变化的场 完成目标图像的分割后，要计算每个目标的一组 特征量，即目标特征提取。对分割出的目标，实时提取 的目标特征有辐射分布特征、形状特征、关 系特征等。根据提取的特征可进行目标识 别，目前提出的识别算法主要有：基于参数 分类的ＡＴＲ，基于模型的ＡＴＲ，基于多传 感器融合的ＡＴＲ，基于人工神经网络的 ＡＴＲ，基于知识的ＡＴＲ图像分割和特征 提取技术［８］。 ３．２．４ 目标预测与跟踪 图１ 无人机光电成像搜索跟踪系统原理结构图 目标识别后，系统经过滤波确定出跟 维普资讯 http://www.cqvip.com ３Ｏ 航天电子对抗 ２００７（２） 踪线位置，计算出误差用以控制瞄准线对准目标，实现自动跟踪。基于多图像传感器的图像跟踪算法研究与 实现是光电跟踪系统的核心内容，目前有多种算法可 用于目标跟踪，如形心跟踪、质心跟踪、波门跟踪、边缘 跟踪、区域平衡跟踪、相关跟踪等 ］。 ４．４焦平面技术 小型和微型无人机激发了对功率、质量和体积要 求不高的高性能器件的开发，雷西昂公司正在研制的 灵巧焦平面阵列技术（即前视红外技术）将采用 碲镉汞传感器和先进的信号处理融合技术，可以覆盖 ４无人机光电侦察、监视技术发展趋势 ４．１ 多光谱／超光谱成像（ＭＳＩ／ＨＩＳ）技术 将成为近距、低成本的成像侦察设备首选。 成像传感器的最长远发展趋势可能是多光谱和超 士． 光谱成像技术，所提供的图像信息将会更准确、更丰 一 富，可有效地用于战场侦察中对付敌人的普通伪装、隐 无人侦察机的任务设备向全天候、高分辨率、远距 蔽战术。预计，多光谱／超光谱成像技术将来可在无人 离、小型化、模块化、低造价方向发展，开发设计成本合 机上用于探测和识别生化战剂微粒，对气溶胶的被动 理、通用性强的无人机传感器，成为无人机发展的长期 超光谱成像也可以对非传统攻击提前告警。 奋斗目标，无人机侦察、监视技术更应当成为关注的焦 ４．２高清晰度电视视频格式 点，加快开发研制的速度。■ 高清晰度电视格式正在成为美国防部战术和中空 参考文献： 长航时无人机用视频系统的工业标准格式。采用高清 １昊汉平．无人机系统导论［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００３． 晰度电视格式，用数字格式提高整体图像的质量，减少 ２ Ｃａｍｅｒｏｎ Ｋ・Ｕｎｍａｎｎｅｄ ａｅｒｉａｌ ｖｅｈｉｃｌｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［Ｒ］・ 图像从模拟转换成数字，再转换成模拟的次数，减少处 ＡＤＡ２９３８８０，１９９５・ 理时间，提高图像质量，可大幅提高战时信息处理的速 ３朱耘，韩根甲・无人机光电探测技术的现状及发展趋势［Ｊ］． 度，保证地面终端可以准确判读视频数据。 ４ 科学技术’２ ０ ０４，２ ６ （６ ｃｅｏｆｔｈｅ 。 ｙｗ ｈｉｎ ＤＣ．ｕ 一 ４・３ 光探测和测距（ＬＩＤＡＲ）成像技术 ｍａｎｎｅｄ ａｅｒｉａｌ ｖｅｈｉｃｌｅｓ ｒｏａｄｍａｐ ２０００—２０２５［Ｒ］． 光探测和测距（ＬＩＤＡＲ）成像技术也就是机载激 ＡＤＡ３９１３５８．２００１． 光雷达成像技术，通过ＬＩＤＡＲ传感器量测地面物体 ５ 宋丰华．现代空间光电系统及应用［Ｍ］．北京：国防工业出 的三维坐标，生成ＬＩＤＡＲ数据影像。ＬＩＤＡＲ数据经 版社，２００４． 过相关软件数据处理后，可以生成高精度的数字地面 ６ Ｇｏｎｚａｌｅｚ ＲＣ，Ｗｏｏｄｓ ＲＥ．Ｄｉｇｉｔａｌ ｉｍａｇｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ［Ｍ］．北 模型ＤＥＭ、等高线图及正射影像图。ＬＩＤＡＲ也可用 京：电子工业出版社，２００２． 于透过障碍物成像，可透过云和树叶瞬时成像，还可以 ７杨枝灵，王开，等・数字图像获取、处理及实践应用［Ｍ］－北 同时获得树或建筑物的高度。ＬＩＤＡＲ还可满足特定 京：人民邮电出版社，２００３． 的侦察任务要求，协助探测和识别生化战剂，与超光谱 ８王自勇，廖朝佩・红外图像自动目标识别技术进展［Ｊ］・飞航 成像仪一同使用，进行更快更精确的识别。 导弹＇ ９９６‘７ ：４卜 ７・ Ｒａｙｔｈｅｏｎ公司测试改进型ＨＡＲＭ ２００６年１１月底，Ｒａｙｔｈｅｏｎ公司导弹系统部成功 引头锁定原目标雷达周围的其他友方或中立方雷达。 测试了一枚改进的ＡＧＭ－８８高速反辐射导弹 ＨＤＡＭ飞行测试是２００６年初开始的，由Ｆ＿１６战斗 （ＨＡＲＭ），该导弹的制导精度得到提高后可在没有雷 机发射一枚没有战斗部只有引信的ＡＲＭ，模拟目标是一 达辐射源引导的情况下攻击目标。 个不辐射任何信号的地地导弹发射架。今年初，Ｒａｙｔｈｅｏｎ 正如我们所知，ＨＡＲＭ ＢｌｏｃｋＶＩ，或称ＨＡＲＭ毁 公司对ＨＡＤＭ作了另一项测试，仍然由Ｆ－１６发射一枚 灭敌防空攻击模块（ＨＤＡＭ），采用了一种惯性导航系 装有该模块的ＡＲＭ，测试导引头是否能从两部雷达中分 统和全球定位系统（ＩＮＳ／ＧＰＳ）单元来弥补反辐射导 辨出所要攻击的预定目标。结果导弹正确选择了目标， 引头的不足。ＨＤＡＭ可以使反辐射导弹（ＡＲＭ）在辐 从而证明了ＩＮＳ／ＧＰＳ可以降低ＡＲＭ出错的可能性。 射源突然关机的情况下继续攻击雷达目标，并且阻止导 ＨＤＡＭ计划在２００７开始低速小批量生产。 （立平）
