编者按：
军事监视和瞄准平台的侦察能力主要取决于所用传感器的性能。一般来说，中波红外热像仪为主要的传感器，使用可见光相机可以提高平台在白天长距离观测范围内的识别能力。除了成像传感器外，激光指示器、激光测距仪（LRF）和组合式激光测距仪指示器（LRF/D）也构成了传感器套件。文中选用的中波热像仪分辨率为1280x1024，光学变焦范围在1.2°和20°（水平视场）之间，可以采集720P或1080P的视频数据。摄像机内置软件图像稳定器和智能色调映射算法有效提升了使用者的侦察效果。
一个组合相机使用普通的光学元件覆盖可见光、近红外和短波红外光谱范围。彩色相机的分辨率为1920x1080，InGaAs焦平面阵列的分辨率为640x512。组合式VIS/NIR/SWIR相机在特殊（例如有雾）环境条件下提供了更好的探测距离，还改进了对激光光斑的检测，例如在450nm到1700nm的光谱范围内具有高灵敏度的集成激光指示器，大多数军用激光都在近红外和短波红外光谱带内工作。平台中传感器的组合大大提高了工作效率，而平台的应用不仅限于军用侦察车，传感器也可以集成在具有类似性能但有其他环境要求的目标平台中。
关键词：侦察、中波红外、可见光、短波红外、长波红外
舰船和陆地车辆的军用光电平台可根据其性能和特性进行分类，但一般而言，所有应用和各级性能都需要类似的功能子集和数据输出。
对于高性能应用，光电平台可以完全集成到作战管理系统中，以配合其他标准传感器完成测量，例如具有额外光电能力的雷达传感器。作为这种传感器套件的一部分，光电平台提供目标坐标，例如到目标的方向和距离，以及要融合并与其他传感器数据组合的近/远环境的实时视频图像。在高温环境中长距离飞行时，大气湍流需要对退化图像进行实时补偿，以接收准确的目标坐标数据。为了使用同类零件进行批量生产，开发可用于陆地和海上侦察应用的模块化平台系列产品是必要的。文中提到的军事平台包括一个用于各种移动车辆的双轴稳定光电平台和一个用于静止条件下军事侦察的机械不稳定平台。
对于陆地应用，低重量和便携的尺寸是有益的，抗冲击和振动以及耐低温和高温是必不可少的条件。平台可选配不同的中波红外热像仪、彩色相机或组合式彩色短波红外照相机，激光测距仪或组合式激光测距仪指示器。对于战斗车辆的目标定位应用，这里不详细讨论，可以选择使用长波热像仪。通信和数据传输通过以太网、局域网、微局域网或局域网开放上的不同标准协议来执行，视频流可以通过导弹制导系统的标清-标清、高清-标清、千兆视频、RTSP标准或视频原始数据来完成。
图 1 不稳定侦察平台，适用于安装在军用侦察车的桅杆上（左）、用于陆地应用的完全稳定的军用侦察平台（中）使用不同密封概念实现海水阻力的海上版侦察平台（右）。所有型号均配备标准热成像仪、可见光摄像机和激光测距仪
热像仪的集成视频处理器还支持标准图像改进算法，如色调映射、对比度和亮度控制以及视频流中的运动目标指示和目标跟踪。稳定平台和不稳定平台的不同配置如图1所示。
平台的模块化架构满足不同的军事应用需求。摄像机的分辨率、测距精度和重复性以及平台头部角度的确定对目标定位具有重要意义。传感器、云台和控制及接口单元与标准内部接口通信的控制，满足不同应用的模块化方法，图2给出了一个示意性设置。
图 2 平台系统概图（左）包括传感器、云台和倾斜头以及控制和接口单元。视频数据流既可以使用光纤，也可以使用电缆，陀螺信号只在稳定平台上才需要。传感器结构（右）带有对齐的成像传感器和激光测距仪指示器，还包括公共电源、视频转换器、陀螺仪和旋转接头
头部保护装置使集成传感器免受恶劣环境的影响，使用一个用于稳定的集成陀螺仪以及一个集成媒体转换器和一个公共电源。为了方便全天候使用，系统配备了一个雨刮器清洁硬碳涂层的窗口。
在传感器头部装置内使用数字点对点接口（HD-SDI），该接口具有每个通道的未压缩视频流传输功能，能够实现几乎无延迟的图像传输。有些应用还需要外部图像处理所需的原始数据，这些数据由摄像机传送并通过旋转接头传输。
控制接口与视频接口分离。确定性实时协议（CANopen）用于满足应用程序的实时性能要求。由于标准化的机械和电气视频和控制接口，图像传感器是可交换的，传感器头部装置可以适应特定的需要，例如关于距离性能或光谱波段。媒体转换器将高速数字视频数据转换成光信号。
不稳定平台允许通过俯仰角范围在-30°和+75°之间的云台进行N*360°方位角旋转，混合旋转接头通过光纤传输视频和控制数据。即使在车辆运动的情况下，也需要高速实时控制接口来满足位置精度和稳定性要求。
这种单点连接适用于任何类型的电气接口。支持标准或专有通信协议，如MilCAN、CANOpen和以太网。高级图像处理可以在附加的图像处理单元上实现。支持的功能有多目标视频跟踪、运动目标指示、图像融合、图像稳定、湍流校正和图形叠加生成。传感器融合可以将其他成像和非成像传感器的信息集成到元数据中，也可以直接包含在实时视频流中。高速网络接口使所有网络客户机都可以使用数据，并允许将平台嵌入到新的通用车辆架构中。控制和接口单元中的视频压缩单元减少用于存储或分发给其他车辆的视频流的带宽。
在新的通用车辆架构中嵌入该平台。控制和接口单元中的视频压缩单元减少了视频流的带宽，以便存储或分发给其他车辆。内置的测试功能可以实现系统的轻松维护和更新，并提供了监视维护状态的可能性，结合网络集成，远程维护成为可能。
表1总结了不同平台的性能数据，列出的传感器可以自由选择。
表 1 两轴稳定军事目标平台和非稳定侦察平台的性能参数
稳定平台的热像仪有不同版本。热成像仪MWIR1的水平视场范围在2.6°到27°之间（连续光学变焦系数为10.4x）。窄视场（NFOV）的入口瞳孔直径限制为92mm，设计包括9个Si和Ge透镜，8个非球面镜。为了补偿色差，使用了衍射结构。热成像仪MWIR2的水平视场在1.2°到20°之间，因此变焦系数为17倍。该系统将最大可能的入射光瞳直径限制在125mm，但要求最小光学视场约为1.2°。这些限制导致在1.2°和1.9°之间的最小视场为F/7.4，从而产生光学低通滤波器和非常长的积分时间。
表 2 列出了不同的选项和基本设计参数
表2中所示的热成像仪MWIR 1和MWIR 2的单个窄视场（NFOV）的最小感知温差（MTDP）是用TRM 4模型计算的。结果如图3所示。平台热像仪的MTDP与预期一致，由于最小的视场，MWIR 2的MTDP可以分辨三台热像仪的最高频率。
图 3 平台热成像仪的MTDP
表3列出了所讨论的两种热成像仪的典型范围。
表3北约标准目标（2.3mx2.3m，dT=2K）和良好天气条件（sigma=0.2/km）的不同热像仪的射程，采用TRM4射程模型[6]计算，任务完成概率为50%，并提供性能优良的大型显示器。
根据图3和表3，MWIR2在1.2°和1.9°视场中的MTDP值和距离性能非常相似，但是1.2°的光学低通滤波器提高了成像的几何分辨率。
热像仪的视频电子设备由处理器板和接口板组成，带有一个FPGA和一个DSP的处理器板是板对板连接到接口板上的，可以根据特定的接口要求进行修改。标准视频接口提供两个独立的视频流，具有可能不同的视频标准和额外的图形叠加和定时功能，提供数字和模拟视频标准，包括数字压缩视频和均匀化检测器原始数据。视频输入可以用作外部触发信号，也可以使用如下所述的可用功能进行处理。
为用户提供增益和偏移、数字连续变焦、不同等级边缘增强、极性变化、冻结图像、数字稳定、自动增益、自动偏移、自动对焦、自动积分时间自动图像采样等标准功能。
此外，使用全位分辨率作为输入数据的不同色调映射算法，用来改善图像质量，图4显示了融合的效果。为了减轻对最佳图像质量的调整，一种新的色调映射算法根据实际场景内容自动实时调整参数，如图5所示。
图 4 将色调映射算法混合到原始图像中的示例（手动调整）
图 5 右侧图像的自动色调映射算法
所谓的“等温线函数”可以支持监视任务。用户在所有红色像素内定义一个灰度范围。该功能也适用于均匀化检测器原始数据的整个动态范围。因此，对象的着色与增益和偏移设置无关，即使在饱和图像中，该功能也能正常工作（如图6所示）。
图 6 等温线函数。右图显示了增益偏移设置时等温线函数导致图像过饱和
对于与安全相关的应用，例如消防系统，需要安全完整性级别（SIL级别），以确保显示的图像是实时的，并反映实际的战场情况。为了指示操作者，图像仍然是活动的，在任何视频处理操作检测器数据之前，由FPGA在视频处理链中插入运动模式。显示移动模式，只要该模式旋转，系统的操作员就可以确认图像是实时的。
（未完待续）
本文编译自欧洲空中客车公司2017年发表在国际光学工程学会（Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers，SPIE）的文献，分为上下两篇，数据结果仅供参考。由于大量资料从互联网多个渠道收集整理，加之作者水平有限，可能存在认识或理解不当之处，更多精彩的国内外测试、仿真以及数据分析等内容，欢迎各领域专家联系本公众号探讨研究，交流指正。
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