军用航空相机发展分析与展望

项剑锋 李保霖 刘明 陈志超

摘 要：军用航空侦察相机是目前最常见、应用最广泛的航空侦察设备，通过分析典型的几种航空侦察相机的特点，根据该领域的发展形势以及主要西方国家的装备情况，结合每种相机的优缺点、应用前景和方便实用性，提出了航空侦察相机数字化、面阵、远距离倾斜式高分辨率、多光谱及集成吊舱的主要研究方向和发展趋势。

关键词：航空侦察相机；CCD相机；面阵CCD；长焦斜视相机；多光谱成像

中图分类号：V245.6 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）12-0222-04

1 引言

如图1所示，现代战争已进入多元化、全方位、海量数据融合的信息制导时代，航空侦察获得的情报信息对于把握战机、制定策略起到关键性作用，它不仅具有时效性强、目标明确和机动灵活等特点，又可以对目标进行精确的定位和跟踪，因而在现代战争中发挥着巨大的作用。航空侦察相机是目前最常见、应用最广泛的航空侦察设备，它起源于一战后期，经历了近一个世纪的发展历程，其功能和性能得到了不断的改善和提高。

2 航空侦察相机种类

航空侦察相机有多种分类方法，按照相机的成像光谱范围可以分为可见光侦察相机、红外侦察相机、紫外侦察相机和多光谱侦察相机，而红外相机还有近红外、中红外和远红外的分别，紫外相机又有紫外和极紫外的区别；按相机的成像介质分类可分为传统的胶片式相机、CCD相机和CMOS相机；另外，按成像介质的工作模式又可分为线阵推扫、线阵摆扫、面阵推扫和面阵摆扫相机等；按照相机的成像方式还可分为垂直成像和倾斜成像，后者一般是通过摆扫的工作模式对临近地面不可达区域进行侦照时采用，是目前较多采用的相机。

需要说明的是目前研制的军用航空侦察相机已不再是上述某单一功能的相机，有的是兼具可见和红外谱段的双光相机，或者是能够按要求进行垂直和倾斜方式切换的相机，甚至是容照相和跟踪于一体的变焦距相机。

3 航空侦察相机简介

3.1 胶片式相机

顾名思义，胶片式相机是利用航空胶片作为成像介质的航空侦察相机，一般来讲，航空胶片都是全色、黑白、低感光度、高分辨率胶片，由于其颗粒度小，胶片式相机具有分辨率高、成像面积较大的优点，目前在役的航空侦察相机中还有一部分是胶片式相机。美国在1922年生产了一款名为STRIP CAMERA的胶片式相机，在二战后就开始大规模生产胶片式航空侦察相机，其中KS-146胶片式相机是芝加哥航空工业公司1979年研制成功、八十年代初定型后生产，该相机除了装备美国海军、空军以外还出口到以色列、埃及、土耳其、中国等国家。焦距长、照相分辨力高是KS-146相机的特点，另外还拥有自动曝光控制、自动调焦控制、像移补偿控制、自动温度控制和主动稳像控制等先进技术，是一种先进的全自动化的航空侦察画幅式相机，它为未来的数字式航空侦察相机的自动控制技术奠定了基础。但是，它也拥有胶片式相机的所有缺点，包括体积大、结构复杂、可靠性差、附属设备多以及信息生成周期长等。

3.2 CCD相机

CCD是Charge Coupled Device（电荷耦合器件）的首字母缩写，它是一种利用半导体材料的光电效应将光信号转换成电压或电流信号，从而完成对景物的影像进行记录的器件。1970年，美国贝尔实验室的Willlard S. Boyle和George E. Smith两位科研工作者首次提出了CCD的概念，随后建立了以一维势阱模型为基础的非稳态CCD的基本理论，同年，利用半导体技术研制出第一个CCD，并用它制成了世界上第一台CCD相机。

通常的CCD分类方法是根据芯片中像元排列的结构将其分为线阵CCD和面阵CCD，线阵芯片中的像元呈一维线型排列，面阵芯片中的像元呈二维面型排列，如图2所示。

另一种特殊的线阵CCD为TDICCD，它的物理结构是面阵的，但是采用时间延迟积分（TDI：Time Delay and Integration）的工作模式，通过对同一物体的多次曝光累加电荷产生图像信号，如图3所示。它增加了同一目标在像面上的曝光时间，提高了信号的信噪比，同时成像时电荷在不停的转移，所以特别适合应用在光照条件不好且始终处于运动过程中的航空航天成像领域。

CCD的应用非常广泛，随着CCD器件的发展和升级换代，利用CCD成像的航空侦察相机也得到了快速的发展。CCD相机根据使用需求存在多种工作模式，包括线阵TDICCD的推扫成像、线阵TDICCD的摆扫成像、面阵CCD推扫成像、面阵CCD连续摆扫成像和面阵CCD步进分幅成像等，如图4所示。

美国Goodrich公司的DB-110相机和ROI公司CA-295相机为当前较先进的航空侦察相机，这两种相机都是中高空可见/红外双波段航空侦察相机，可昼/夜侦察拍照，其中DB-110相机的可见光成像利用了一个5120×64像元的TDICCD进行摆扫倾斜成像，而CA-295相机的可见光成像则是选择了一个特制的5040×5040像元、集成了片上渐变像移补偿功能进行步进分幅式成像。

3.3 航空侦察相机主要制造商

美国无论是在航空还是航天军事侦察领域，都始终走在世界最前列。

全球主要的航空侦察相机制造厂商包括美国BAE Systems公司（前身为洛克希德-马丁红外成像部）和它的AN/AAD-5、D-500红外扫描仪和吊舱系列产品；英国THALES Optronics公司（前身为W.Vinten公司）及其TYPE8010、8220、8042和MDS610等相机；德国Carl Zeiss Optronics公司及其VOS60相机等；美国Goodrich公司及其DB-110相机等；美国ROI公司及其CA系列相机。

4 分析與展望

纵观军用航空侦察相机近百年的发展史，随着感光介质、材料制备、制造工艺、控制技术、调试方法、检测手段等的持续发展和提高，同时在用户使用需求的拉动下，相机也得到了不断的更新和换代，对其发展分析和展望如下。

4.1 数字化成像

如前所述，传统的胶片式相机拥有分辨率高、覆盖范围大、控制技术成熟等优点，但存在体积大、结构复杂、可靠性差、附属设备多以及信息生成周期长等缺点，而数字化（CCD或CMOS）相机则不存在上述缺陷，其特点包括：

（1）与胶片式相机不同，它采用数字式成像器件作为图像传感器，所成的数字图像经过一系列数字化处理和无线电传输技术，可以在地面控制实体内实时或近实时的得到目标区域的图像。另外，在成像时通过相机自带的POS系统或者与载机导航系统交联，能计算出拍照时刻目标的位置，为指挥部门分析判定目标、把握战机，提供实时和超视距的情报。而且，数字化图像的无线电传输避免了类似曝光后的胶片盒返航后处理的二次曝光风险；

（2）与胶片式相机相比，数字化相机不存在供片、送片和收片等机构，并且基本不需要机械快门，增加了图像存储、压缩板卡等数字化设备，一般来讲，数字式板卡体积小、工作稳定性好且可靠性高，这样就缩小了相机的体积，减小了重量，同时结构也变得更紧凑，提高了可靠性；

（3）一般航空胶片的光敏光谱波段范围为500nm～700nm，而数字式光电传感器的感光光谱波段范围为500nm～900nm，这种数字传感器具有一定的透雾成像能力，这使得相机在天气条件不太理想如有薄雾时，也能获得满足使用要求的图像。

当前数字式图像的分辨率低于胶片图像，而且在照片的细节和层次上也不如胶片型相机，不过随着材料制备和制造工艺的不断完善，传感器指标也能不断提高，数字化相机的性能将不断改善。

需要说明的是，虽然目前数字式航空侦察相机使用的主要是CCD传感器，但CMOS技术出现于1969年，比CCD还早一年，只是由于存在填充因子小、噪声大、灵敏度低和响应速度慢等缺陷导致其成像质量较差，早期只能用于对图像质量要求不高的场合，直到1989年，出现了有源像元（APS：Active-Pixel Sensor），它不仅像无源像元一样集成了光敏元件和寻址开关，而且还有信号放大和处理等电路，有源像元的出现，提高了光电灵敏度，减小了噪声，扩大了动态范围，使CMOS图像传感器的一些性能参数与CCD图像传感器相接近，而在帧频、功能、功耗、尺寸和价格等方面要优于CCD图像传感器，CMOS图像传感器良好的集成性可以在很大程度上简化相机的设计，可对感兴趣区域的像素进行随机读取，实现开窗操作，增加了工作灵活性，所以得到越来越广泛的应用。目前在工业和民用领域，CMOS图像传感器已基本代替了传统的CCD传感器，对于要求较高的航空航天领域，CMOS器件也在逐渐代替CCD。

4.2 面阵成像

如图4所示，利用线阵探测器成像时，每一帧图像都是通过线阵传感器分时对不同的区域成像，然后合成一幅图像，分时成像时如果载机出现较大的姿态变化将会导致所成图像出现明显的扭曲或变形等失真现象，而采用面阵探测器成像时，整个覆盖面的地物在探测器上几乎同时成像，可以获得很高的几何保真度，并可采用立体成像精确的跟踪目标。图5分别是某线阵推扫式相机所得图像与某面阵成像相机的图像，可以看出，线阵推扫式图像中无论是道路、桥梁还是建筑都存在明显的失真，而面阵图像则较好的反映了景物间相对位置和比例关系。

另外，从面阵成像的特点可以看出，在相同时间内它比线阵探测器获得的信息量大，即成像效率高，如果是在任务区面积固定的情况下，采用面阵成像侦照目标区域比采用线阵扫描成像所需的时间会少很多，这样就大大缩短了在敌区域暴露的时间，尤其是在突防侦照时，可有效提高载机及飞行员的生存力。目前国外在役的军用航空相机中，面阵成像是最主要的照相方式。

4.3 远距离倾斜式高分辨率成像

对于航空侦察成像，有一种最普遍的需求就是当载机在本国领空进行边境侦察时，沿边界线内侧上空飞行，对非友好领国临近边境线附近纵深的热点区域或争议地区的建筑、设施和人员活动等情况进行侦照和监视，或者是对临近我领海进行海上勘探、作业和往来舰船进行巡逻、监控等，都要求侦察相机能够进行远距离倾斜式的高分辨率成像，同时对其进行定位和跟踪，以发现对方的不友好行为，及时作出应对和调整措施。

4.4 多光谱成像

光谱成像是利用目标与背景景物间的固有光谱差别进行成像的，它与传统的光电成像技术相比，具有更高的反欺骗能力，尤其适合对于人员和军事装备的外部伪装和隐身等军事侦察，因此光谱成像已越来越多的应用到军用航空相机中，例如，工作在0.4μm～1.5μm谱段、分辨率为0.01μm的超光谱成像能区分绿色帆布和坦克上的伪装涂料，而工作在3μm～12μm谱段、分辨率为0.001μm的极光谱成像技术能分析出类似气体物质，可探测烟缕成分或空气中是否存在神经性毒剂以及战机尾焰的捕获和跟踪等。

目前的軍事侦察中，都是对同一目标区域同时进行可见、红外及多光谱成像，有时甚至还包括合成孔径雷达（SAR）成像，然后融合所有数据信息，通过观察、比对和计算等，对目标进行全方位、多角度、立体式的分析、判断和处理。

4.5 集成吊舱侦察

航空相机研制初期，受相机尺寸要求限制，同时也是为了给相机提供一个相对更好的成像环境，都是将相机安装到飞机内部，通过机上的窗口对地侦照，这种相机的使用对载机要求较高，一般都属于专用飞行平台，不存在通用性，功能单一且可扩展性差，装拆和维修都很不方便。随着体积更小、性能更优越的航空相机的研制成功，使得方便实用的吊舱式侦察系统成为可能，它避免了对专用平台的需求，接口简单灵活，使用方便，通用性强，还可大大降低MTTR时间，另外，与在载机内部相比，吊舱里面可以更容易的增加或改造各类辅助设备，以适应用户对侦察设备功能及性能提高的需求，同时也降低了产品研制、生成和采购的成本，缩短了更新换代周期。美国Goodrich公司的DB-110相机就是装在RAPTOR侦察吊舱中。

5 结语

通过分析几种典型航空侦察相机的特点，根据其发展状况和技术前沿国家的发展动态，结合各种相机工作的优缺点、应用前景和方便实用性，给出了航空侦察相机未来数字化、面阵、远距离倾斜式高分辨率成像、多光谱以及集成吊舱侦察的研究方向和发展趋势。

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