1、第八章第八章 目标探测与兵器光电系统的新技术目标探测与兵器光电系统的新技术 8.1 概 述 获取目标信息，掌握战场态势，历来为军事家所关注。孙子兵法中早就提出知己知彼，百战不殆。争夺并获取信息优势，将成为获取战争胜利的关键。夺取了信息优势，甚至有可能不战而胜。因此，开发光电、电子目标探测新技术，提高目标探测能力，是目前各国科技发展的重要课题。随着光电、电子技术的发展，战场监视、目标探测的手段不断增多，并日趋完善，使军事部门有可能实施大范围、全天候、多频谱、昼夜、实时战场监视和目标探测。o 从空间上，利用距地面数十万米的空间轨道上的侦察卫星，中、低、高空侦察机，地面侦察车，侦察兵的便携式侦察器材
2、，隐蔽的固定式地面侦察器材，水下监听声纳等可以监视整个战场，甚至全球。o 从时间上，利用各种侦察器材不仅可以昼夜监视战场，探测目标，而且借助现代通信工具可以实时或近实时地获取目标信息。o 从电磁频谱上，工作在不同波段上的各类侦察器材覆盖了紫外、可见光、红外、微波、毫米波、直至声波的整个电磁波谱。这些侦察器材各有特点，综合应用时互相补充，取长补短，特别是借助于信息融合技术，将获取的信息进行处理，往往可以获得意想不到的结果。8.2 声探测技术o 声探测技术是一种被动探测技术，早在第一次世界大战期间就已应用于战场，探测火炮发射，确定火炮阵地的位置。但由于其布设时间长、测量精度低、反应速度慢，而逐渐被
3、其他探测手段所取代。o 20世纪90年代以来随着声探测器的改进和电子计算机、现代通信技术的应用，这项古老的探测技术重新焕发了青春，扩展了应用范围，以其特有的优点再次获得了军事部门的青睐。8.2 声探测技术o 声探测系统可通过接收火炮射击时产生的声波，确定火炮的位置。声测站工作时，根据声波到达位于声测基线两端的拾音器的时间差，可确定声源方向线。6个拾音器测出的3条声源线的交点，就是声源的位置。o 20世纪90年代国外装备的新型声测系统，如瑞典的Soras 6炮兵声测系统、美国的PALS被动声定位系统、英国的HALO敌方火炮定位系统、以色列的IGLOO系统等，都是采用计算机的自动定位系统，探测距离
4、可达20-40 km。以瑞典的Sora s6系统为例，该系统由计算机、气象设备和9个拾音器组成。9个拾音器预先布设在宽8km、纵深1-2km的区域内，并准确定位，其坐标值输入计算机。拾音器直接放置在地面，通过双线电缆与计算机相连。敌方火炮射击时，可立即将计算出的炮位数据显示出来，并可打印输出。该系统可同时处理200个目标，目标距离小于25km时，测量误差为2%。o 雷达难以在强电子干扰环境中有效地探测空中目标，并难以探测超低空飞行的直升机和巡航导弹。而声探测系统却可以不受干扰地接收并识别飞机发动机、直升机旋翼产生的特征声信号，实施预警。瑞典的直升机搜索系统、英国的哨兵系统、以色列的声预警系统等
5、就是以直升机、低速飞机为目标的声探测系统。直升机搜索系统由3个呈三角形排列的拾音器和信号处理机组成。处理机内存储20种直升机的声音特征。该系统可接收直升机发o 出的准连续或谐波式声信号，与存储的声音特征比较，区分直升机机型，并确定其方位。其探测距离为15-20 km，方位精度为，工作频率范围为5-100 Hz，频率精度为0.1 Hz，最多可同时探测6架直升机。而6个便携式的哨兵系统分散配置时，将作用范围互接，可覆盖700 km2的范围。目标探测的方位精度为1，并可每2s更新一次数据。o 美国研制的单兵操作的小型声测系统，则是完成监听和警戒任务的声探测系统。该系统可接收1-4 kHz的声音，并通
6、过声学和流体力学的结合将声音放大，从而监听话音和其他声音，在敌人临近时发出报警信号。8.3 狙击手探测技术o 狙击手的准确射击对作战人员、政府要员等造成极大的威胁。城区作战、维和行动、政府要员保卫等都需要有效地对付狙击手。狙击手往往隐蔽在建筑物内或丛林中，等待目标的出现。特别是在城市环境中，狙击手可以准备多个射击位置和多条逃跑路线，容易逃脱。因此，迅速发现并准确确定狙击手的位置，是实施反狙击手行动的首要条件。目前，主要已开发出采用声测、红外和激光等原理的狙击手探测技术。一、狙击手声测定位系统o 狙击手声测定位系统通过接收并测量膛口激波和弹丸飞行产生的冲击波来确定狙击手的位置，通常仅能探测超音速
7、弹丸。这种系统有单兵佩挂型、固定设置型和机动平台运载型。美国、英国、法国、以色列都研制出狙击手声测定位系统。o 美国BBN系统和技术公司的声测系统，通过测量弹丸飞行中的声激波特性来探测弹丸并进行分类。该系统利用一个包含6个参数的物理模型，根据测量的声激波数据，估算弹丸的飞行速度、减速度、口径等参数，可提供弹丸弹道系数及其弹道，然后与已知的地貌特征或人造特征相结合，最终提供射手位置数据。该系统为固定设置型，采用2个置于保护区两侧的传声器阵列或6个分布在保护区内的单向传声器。传声器(阵列)通过电缆或射频链路与指挥节点相连。为了准确定位，需事先确定传声器(阵列)的距离，精度要在lm以内。该系统可探测
8、到90%的射击，定位精度为方位1.2、水平3。o 美国的哨兵系统使用2个传声器阵列接收弹丸飞行产生的声波信号，利用4个信号处理器处理测量的数据，可在控制台/显示器上提供方位、距离、弹丸弹道、武器口径、膛口速度等数据。探测过程仅3 s，定位精度为方位1。2。、俯仰1。，距离精度为近程2%、远程10%。o 美国的安全有效控制城区环境安全系统，将声传感器和分析组件安装在欲防范狙击手的区域内的电线杆、路灯杆、交通标志等的顶部。该组件由传声器、处理线路和无线电发射机组成。传声器接收到高强度声能时产生信号。数字信号处理器和软件每0.01 s对传声器的输出处理一次，确定该声音是否是枪声。确定为枪声后立即将该
9、信息以及时间、识别码和其他相关数据由无线电发射机通过通信网发送给指挥中心。指挥中心根据2个或多个组件接收信号的时间差，在射击后15内即可确定射击位置。精度为：距离3m，方位2。，俯仰3。最大探测距离800m。o 法国的皮拉尔系统采用安装在三脚架上的有4个换能器的传声器组和带显示器的处理器。传声器组可探测360。范围内、口径为5.4514.5mm的武器发射的亚音速和超音速弹丸。探测距离为200m，使用2个或多个传声器组时可增加到1100 m。显示器可显示狙击手的方位角和俯仰角。o 英国的弹丸方向指示器也用一个传声器阵列探测弹丸在前30m飞行中产生的声激波，经处理后确定狙击手的位置。o 以色列的萨
10、兹狙击手声测系统为单兵佩带式，采用安装在头盔上的9个传声器探测枪口冲击波，并将数据传送给计算机，用于推算狙击手的位置。最大作用距离为1000 m。二、红外狙击手探测系统o 红外狙击手探测系统通过探测枪口闪光和跟踪飞行的弹丸，来确定狙击手的位置。美国已研制了蝰蛇、冠军、救生员、神枪手等系统。o 蝰蛇定向式红外单兵交战和反击系统由红外摄像机、计算机、步枪上安装的惯性传感器及显示器组成。红外摄像机采用CCD探测器阵列，探测枪口射击时的闪光，把闪光所产生的视频信号送至数字信号处理机，通过运行闪光算法推算出狙击手的位置。显示器可显示当地红外场景、枪口闪光位置以及反击瞄准点符号。这样，反击狙击手在发现目标
11、后110s即可反击。该系统在武器射程23倍的距离上探测概率达100%，能提供狙击手是位于窗后还是树后这样的详细信息。o 冠军快速红外狙击手跟踪器，采用孔径为7cm的光学系统、红外摄像机和脉冲激光雷达。摄像机利用512512元锑化铟焦平面阵列，以快照方式工作，快速生成高质量影像。光学系统以5 Hz的重复速率对180。38。或360。20。的范围进行搜索，一旦捕捉到弹丸，就转为跟踪，并启动激光雷达获取距离和速度信息。该系统可产生三维跟踪数据，在0.5s内计算出发射点。o 救生员系统利用弹丸的红外特征进行跟踪，在几毫秒中扫描4次，就可获得弹丸弹道数据，计算出发射点。在该系统的基础上研制的神枪手系统，
12、包括摄像机、激光照明器、聚光灯、激光眩目器和橡皮子弹发射器，在150 ms内可显示出弹丸轨迹和狙击手的位置。随后反狙击手再用150 ms自动瞄准，实施反击。三、激光狙击手探测系统o 激光狙击手探测系统利用猫眼效应探测狙击手。猫眼在黑暗中炯炯发光，是由于猫的眼睛比身体其他部位的反射能力强。同样，光学系统比周围背景的反射能力强，当激光照明器的光束照射到其上时，就会产生较强的反射光，这就是猫眼效应。法国的SLD 400型瞄准具激光探测器，可用红外半导体激光器扫描60。的范围。摄像机从动于激光器，接收狙击手步枪瞄准具反射的激光，将其位置叠加在场景的电视画面上，从而在狙击手射击前即可发现其位置。美国也研
13、制了类似的目标观测和定位系统。8.4 隔墙探人技术o 在城区作战、侵人探测等时，需要透过墙壁探测有无人员。目前已开发出利用静电场、超低频电磁能和雷达原理的探测技术。一、利用静电场原理的隔墙探人技术o 美国研制的探人器，利用人体能产生静电场以及两个极性相反的静电场之间存在着吸引力的原理进行工作。探人器可形成一个与人类似的静电场。使用时，操作手用探人器对四周进行扫描。当前方有人时，探人器的静电场与人体静电场产生引力，将探人器天线拉向人所在的方向，使探人器对准人，识别出匹配的静电场。探人器还可以根据需要定制，用于探测其他有生命和无生命的目标。o 探人器采用一个模块化的天线阵列。该阵列包含反射器、定向
14、器和放大器。采用放大器的目的是提高探测灵敏度，增加作用距离。操作手与装置构成回路，并起接地导体的作用。已研制出的探人器样机质量为0.45kg用9V电池供电，可使用34天，能探测到120140m距离内的位于墙壁后的人员，在风速达32km/h时仍能正常工作。实验表明，探人器的探测距离因遮蔽物的性质和操作人员的变动而不同。当被探测人员位于墙壁之后时，探测距离比无遮蔽时减少10%20%。由于人的静电场是变化的，操作手又作为该装置的接地导体，因而不同的操作手的探测效果不完全一样。在各种条件下的实验表明，80%90%的人可有效地使用该装置。o 在部队，探人器可用于发现并确定建筑物、隧道、甚至掩体中的敌人。
15、小型探人器可用做报警器，报告有无临近的敌人及其位置，使战士能实施规避机动。在民用中，探人器可用于地震、雪崩时寻找埋在废墟和雪堆中的遇难者，发现森林中的迷路人等。二、利用超低频电磁能探测人的技术o 美国近年推出的手持式生命卫士装置，通过探测人跳动的心脏产生的超低频电磁能，可以透过金属、墙壁、沙地、深水确定人的准确位置。该装置的极化滤波器可以滤除接收到的其他杂乱信号，只对活人360。全方位发出的非均匀超低频电脉冲有反应。试验表明，生命卫士能区分人和灵长类动物所产生的低频信号。最新的3型生命卫士，能在无混杂信号的环境中探测到500m距离处的人。这类装置是被动式工作，不会被对方发现，且不会被任何已知的
16、系统所干扰。三、用雷达生命特征信号监测技术探测人o 雷达生命特征信号监测器可以遥测人的心跳和呼吸速率。美国利用雷达生命特征信号监测技术，研制出一种手电筒式雷达，能探测到位于墙壁、房门、树丛后的人员。手电筒式雷达实际上是广种将多普勒雷达技术与高速信号处理技术相结合的定向X波段多普勒雷达，工作频率为10.525 GHz。通过微波透镜形成15。20。的波束，由天线向前发射出去。波束通过墙壁等时会产生一定的衰减，然后被人体反射，并被呼吸时胸部运动引起的多普勒频移所调制。o 信号处理器将接收到的频率高于呼吸频率的信号去除，从而消除了大部分杂乱回波。然后，信号由模-数变换器变换成12位数字信号，再由数字信
17、号处理器去除身体运动和雷达运动产生的杂乱回波，最终获得人所特有的信号。o 据称，以现成的商业技术为基础研制的手电筒式雷达，设置在房间中既可探测到房间周围运动的可疑人，也可以探测到未运动的、呼吸平稳的可疑人。但前者的作用距离比后者远得多。该装置目前仅能固定使用，尚不能在运动中使用。未来，该装置价格可望降低到300500美元，可用于城区作战和侵入者探测、治安执法、搜寻地震遇难者、寻找森林迷路人等。8.5 作战识别技术o 作战识别是指在较短的时间内和一定的距离之外准确地区分敌军、友军和中立部队，以保证做出正确的交战和武器射击的决定。o 作战识别涉及空-地、地-地、地-空、空-空作战识别。目前这四个领
18、域的作战识别能力从强到弱依次是空-空、地-空、地-地、空-地。总体上说，地面部队还不具备远距离作战识别能力，作战飞机仅有少量的作战识别装置，许多作战平台的作战识别系统是有缺陷的。目前在空-地作战中仍采用目视识别方法，在地-地识别中仍采用目视识别敌军和友军部队，因而容易造成误伤。这个问题已在海湾战争中暴露出来了。o 目前采用的作战识别技术主要有合作识别和非合作识别两类。采用雷达问答方式的合作识别技术已大量应用于空-空、地-空作战中的友军识别。海湾战争后，美、英、法、德等国开发了采用毫米波问答、毫米波信标、激光询问-无线电应答等方式的地-地、空-地作战用合作识别系统，并进行了试验。o 美国研制的B
19、CIS战场作战识别系统，以K波段(38 GHz)应答器为基础，包括K波段询问机-应答器装置、窄波束询问机天线、全向应答器天线和显示-接收装置。作战时，射手发射定向窄波束(3。)毫米波，询问瞄准具中看到的可能的目标。若该目标是友军车辆，则其上的毫米波应答器接收到询问波束后，就产生全向发射的应答信号。射手的系统接收到应答信号后，自动将一个红色圆圈投射到瞄准具中的目标上，表示这是友军车辆。为了防止应答信号被敌方利用，这些信号被加密，而且在问答期间发射机至少跳跃43次。试验表明，BCIS系统在晴朗天气和雨天的识别距离均在7.3km以上，大大超过了要求的5.5km和3km。o 法国BIFF战场敌我识别系
20、统的工作原理类似于美国的BCIS系统，但工作方法和波形不同。BIFF系统是一种工作在K波段的毫米波问答系统，使用了极短的信息和成熟的信号处理技术，并利用波束锐化技术进一步提高了方向性，减少了询问机天线尺寸，从而可提高生存能力。BIFF系统还可以根据问答之间的时间，计算出询问机和应答器之间的距离。BIFF战场敌我识别系统最终采用两种组件组合式询问应答机和捆绑式应答器。前者用于坦克等武器平台，后者用于非武器平台。o 德国的ZEFF目标敌我识别系统将D波段应答器和激光询问机相结合。激光询问机由小型激光发射装置、定向接收天线、处理装置和控制-显示装置组成。应答器由圆形激光探测器阵列、全向(或扇形)发射
21、天线、处理装置和显示-控制装置组成。射手处的激光询问机，向欲攻击的目标发射人眼安全的1.54编码激光脉冲。若该目标是友军，则其上的激光探测器，可感知激光能量，确定激光源方位，并触发应答器，通过全向(或扇形)天线发射低功率D波段应答信息。射手处的定向天线接收到应答信息后，即修改其车上的状态显示，标示出该目标为友军。o 英国的敌我识别方案不同于上述三种系统，射手不主动发射询问信号，仅依靠目标的发射。其方案是，所有友军车辆均安装称为M-TICE毫米波目标识别隐蔽发射机的廉价M波段(94 GHz)发射机，发射具有低截获概率波形调制的低功率信号。射手处则装有相干高增益定向接收机。这样，利用M-TICE毫
22、米波目标识别隐蔽发射机提供给射手的信息，射手可以区分出不响应(为敌方目标)、友军、友军在附近和故障等情况，并借助用标准化符号显示的显示器识别敌我。o 上述四种敌我识别系统均是供地面机械化作战平台使用的，由于系统质量大，因而不适合徒步士兵使用。为此，美国还继续按照徒步士兵作战识别计划开发可供士兵背负的识别装置。两项候选的技术是:激光询问-射频应答和激光询问-红外应答技术。该计划要求研制的装置不仅需在质量和作用距离间进行折中，而且需考虑与BCIS战场作战识别系统的联系。o 非合作识别技术主要有利用光电装置识别友军作战平台上的标记、探测作战平台发射的电子信号、分析作战平台的雷达反射信号、利用逆合成孔
23、径雷达识别舰船等，大部分仍处于发展阶段。o 目前，美国在作战识别方面处于领先地位。其今后的发展目标是，10年内在空中目标(地-空、空-空)的作战识别方面，能提供准确率大于99.9%的识别信息；地面目标(空-地、地-地)的作战识别方面，能提供准确率大于98%的识别信息；所有一线作战平台都具有初步的准确作战识别能力。最终目标是便所有作战平台都能及时得到所需的识别信息，且该信息能与作战平台武器的杀伤力、探测装置的作用距离相匹配，以便能对广阔地域上的部队进行识别，对敌方进行实时识别，对导弹进行超视距识别，对杂乱市区环境中的目标准确识别。显然，要实现这个目标，必须利用能够将合作识别、非合作识别装置(系统
24、)与掌握战场态势的能力结合起来的一体化作战识别结构。对作战平台来说，则需要将作战识别装置与通信、探测、掌握战场态势等的手段相结合，才能获得可靠的、经济上可承受的作战识别能力。8.6 遥控地面传感器技术o 遥控地面传感器技术，是将无人照管的地面传感器通过人工布设、空投、火炮投射等方法设置到预定的地区，探测由于人员、车辆的运动所产生的地面震动、声音、红外辐射以及压力和磁场的变化，拍摄可见光/红外影像，并通过有线或无线通信线路将探测到的信息传送给指挥中心的监控器。指挥员通过这种由无人照管地面传感器、通信线路、监控器构成的遥控地面传感器系统，可以实时掌握该地区敌方活动的情况。8.7 多光谱和超光谱探测
25、技术o 为了提高目标探测系统的反伪装、反隐蔽、反欺骗能力，多光谱、超光谱、特超光谱成像技术受到了普遍的关注。o 多光谱成像着眼于占据可见光和红外光谱区，利用特定的滤光镜，采集来自不同窄谱带的信息。由于材料在不同谱带的反射特性不同，因而茂密的植被与人造伪装材料在某个谱带可能看起来一样，在另一个谱带就会出现差异。利用伪装、遮蔽等手段很难将目标隐蔽在所有的谱带下，因而通过发现多个不同谱带影像间的差异，有助于识别伪装的目标。美国空军正在改进U-2侦察机上安装的赛尔斯光电侦察系统，便其能采集7个谱带上的信息，最终能在几十个谱带上对目标进行分析。美国PAR政府系统公司与空军罗姆实验室合作，正在开发自动探测目标的多光谱传感器技术，目的是在采集到来自各个谱带的信息后，通过利用计算机技术自动发现各谱带影像间的差异来识别和探测目标。8.8 综合传感器技术o 不同的信息采集传感器工作在电磁波谱的不同频段，具有各自的长处和弱点，单独使用时可以在一定的条件下发挥作用，但难以全部满足部队的目标探测和识别要求。20世纪90年代以来迅速发展的综合信息采集系统，通过工作频谱范围的扩展和传感器之间的互补作用，比较圆满地解决了昼夜全天候目标探测和识别的问题。目前已研制出供不同平台使用的综合信息采集系统。
