光電分散式孔徑系統

美國海軍研究局研發的感測器

光電分散式孔徑系統(英語:Electro-Optical Distributed Aperture System,縮寫:EODAS)是一種紅外光電感測器,主要應用於高解析度動態成像,能將所成像細節最大化,體型小巧。光電分散式孔徑系統最早由美國海軍研究局於上個世紀90年代末,發展自分散式紅外孔徑海軍先進技術演示計劃。

光電分散式孔徑系統可以使航空器、裝甲車輛和艦船有一個全方位的清晰視野,能提供相當於指揮官觀察器、射手瞄準具、駕駛員觀察器的功能,自動識別防禦來襲目標並提供一個高分別率成像預警。大大提高了航空器、裝甲車輛和艦船戰場態勢感知能力。

信息簡介


EODAS最初的簡稱是DAIRS——分散式孔徑紅外系統,因其強調使用IR感測器而得名。DAIRS的初期,美國海軍研究局為其提供了部分資金(項目6.2),在這個項目下,誕生了2個樣機感測器和實驗室測試用的支持軟體。在資金項目名稱為“海軍先進技術演示”的“多功能紅外分散式孔徑系統(MIDAS)”的標題下DAIRS在FY-00上使用了4個感測器。經歷機載測試。MIDAS包括綜合一個頭盔顯示器(HMD)用於態勢感知的成像。MIDAS項目是從2000年開始的一個先進技術演示項目,為期3年。是在DAIRS感測器和演演算法成功演示的基礎上進行的,演示了功能的應用情況。在MIDAS項目下,設計和開發出具有形狀係數的高解析度感測器,為EODAS打下了基礎。

技術應用


EODAS可以用於成像,目的是將細節最大化,還可以用於遠距探測不可辨目標,如導彈或飛機,目的是獲得靈敏度和抑制干擾雜波。成像應用包括領航/導航、態勢感知、瞄準和戰場損傷評估的支援。不可辨目標探測的應用包括導彈威脅告警和IRST。

成像應用

美國F-35戰機的EODAS系統
美國F-35戰機的EODAS系統
對導航應用來說,EODAS與顯示系統和飛行員的互動決定了需求。需要統一放大倍數的解析度給飛行員提供“窗戶外”的環境,以滿足相當於VFR,目視飛行規則,的操作需要。在當前使用導航IR感測器的經驗基礎上,0.5~1.0mrad的解析度被認為是最低可接受的範圍。由於飛機振動對飛行員視覺的影響會導致系統性能降低,因此獲得人眼解析度極限(0.15mrad),並不是必須的。頭盔瞄準顯示器(HMD)對克服座艙顯示器視界的限制非常有吸引力。為了避免使用HMD時產生的贗像,具有很少或沒有畸變的無縫圖像很重要。EODAS和HMD聯合起來提供了一種新的工作模式,即當JSF以VSTOL降落時具有一種“穿透地板”觀察的能力。
飛行員利用電子可控“後視鏡”,可以提高態勢感知能力,從而看到附近的飛機。戰鬥損傷評估,BDA,只有在一個非常高解析度感測器的幫助下,才能得到最好的實現。EODAS可以通過提供連續的全向覆蓋來提供有用的數據,並為其有限的解析度做出補償。在時間歷程是重要線索的事件里,包含著發炸藥、產生熱氣或碎片噴射羽煙的延遲起爆武器和武器爆炸后燃燒的目標。對這些情況來說,EODAS是一個功能BDA感測器,可以替換高解析度的感測器。關鍵的要求是要有足夠的動態範圍,可以感應這些密度高、時間短的事件,而對當前部署的系統來說,不會造成過載和產生很長的恢復時間。

探測應用

中國殲-20機頭下方的EODAS探頭
中國殲-20機頭下方的EODAS探頭
EODAS在不可辨目標探測上的應用,就是在導彈告警和IRST方面的應用。雜波抑制是探測不可辨目標的關鍵問題。解決雜波抑制的方法包括空間濾波、跟蹤文件濾波、速度濾波和多光譜濾波。跟蹤文件濾波器是最簡單的雜波鑒別器。對跟蹤文件濾波器來說,最困難的是從連續幀中聯繫觀察結果的關聯問題。關聯通常是用時間投影來進行的,後者定義了下一個幀里的一個窗口,這一幀應該包含被跟蹤的物體。這個投影的精度直接取決於感測器的解析度,因而更高解析度的感測器是最佳選擇。速度濾波器工作在整個視景上,因為它們是檢波前濾波器。辨別速度的能力是這個方法成功的關鍵。
由於確定慣性背景地形的LOS速率相對容易,因此速度濾波是把威脅從地形中隔離出來的最有效方法。一個波段以上的多光譜感測器是解決雜波抑制的好方法,它是基於這樣的一個前提,即威脅物體的光譜特徵有別於雜波特徵。一般情況下,它需要對2個或多個波段上點目標的IR特徵進行相對精確的測量。為IRST所作的主要工作是研製掃描的高解析度感測器。因為IFOV小,因此這種感測器可以提供良好的靈敏度和碧空範圍,但是在目標瞄準之間具有相對低的幀速率(小於1Hz)。有一個階段在EODAS上使用了凝視型感測器,結果表明,高幀頻、30Hz、像雜波抑制技術一樣,大大提高了速度濾波的效能。EODAS中IRST所需要的處理包括空間濾波與速度濾波在檢波前模式里的耦合

應用實例


美國F-35

光電分散式孔徑系統
光電分散式孔徑系統
由於EODAS的先進性,它已經成為美國第五代戰鬥機奪取空中優勢、先發制人的重要裝備。有報道稱,F-22上也有類似分散式孔徑系統的裝置,稱為導彈發射探測器(MLD),它也包括6個IR攝像機,裝在F-22的機身周圍,提供全向覆蓋能力。但是,正式裝備部隊的F-22上並沒有此類配置,據報道F-22上被削減的IR感測器出現在JSF上。因此可以認為在F-22的設計之初是考慮了分散式孔徑系統的,可能因為某些技術還沒有突破,因此,把它的實現寄托在F-35上。
F-35 戰場感知示意圖
F-35 戰場感知示意圖
諾斯羅普·格魯門公司為F-35研製的EODAS直接裝在機身上,不需要吊艙。6個IR攝像機嵌在飛機上,可提供圍繞飛機360º的球形紅外探測圖像,為F-35的飛行員提供導彈接近告警、電子對抗措施的投放情況、與空空雷達相似的被動探測、空空導彈的離軸瞄準及寬視場的晝夜視覺。採用離軸瞄準時,飛行員可為HMD分配一個感興趣的顯示畫面,並將其頭部指向要攻擊的目標,進行指示併發射導彈。由於EODAS可提供穿透座艙底部的視覺,故可為操縱飛機著陸的飛行員提供幫助。它還可用於黑夜中的轟炸破壞指示(BDI)。

中國J-20

J-20
J-20
在中國2011號殲-20戰機的最新照片中,機頭下方新增了一個一個菱形的窗口,從窗口表面規則的多邊形分佈形態和材質來看,應該是一個光學窗口。有分析認為,該裝置表明了殲-20戰鬥機可能採用了分散式光學孔徑系統。實際早在2001號殲-20戰鬥機試飛的時候,機頭部位也有類似的窗口。在早期的殲-20照片中,機頭部分可以清晰看到有明顯的凹陷,這與F-35戰鬥機上的AN/AAQ-37分散式光學孔徑系統(EODAS)的探測頭十分相似。