關(guān)于無(wú)人機(jī)的機(jī)載任務(wù)載荷的問(wèn)題探討

一、任務(wù)載荷的定義

1、無(wú)人機(jī)裝載的實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)飛行要完成的特定任務(wù)的儀器、設(shè)備和分系統(tǒng)，統(tǒng)稱為無(wú)人機(jī)的有效載荷（Payload），或者叫任務(wù)載荷（Mission Payload）。

2、屬于無(wú)人機(jī)的核心部分，應(yīng)該在無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)中起到主導(dǎo)地位。

二、載荷分類

（一）光電類：偵查監(jiān)控、巡視；

（二）投放類：武器、人影、架線；

（三）獲取類：大氣監(jiān)測(cè)、采樣；

（四）其他：通信、實(shí)驗(yàn)、中繼。

三、常用的光電傳感器

無(wú)人機(jī)的機(jī)載任務(wù)載荷是由無(wú)人機(jī)的尺寸和載重量以及任務(wù)需求所決定的。

常用的光電類任務(wù)載荷設(shè)備有可見(jiàn)光載荷、紅外熱像儀、紫外熱像儀、合成孔徑雷達(dá)、激光雷達(dá)以及多光譜相機(jī)等。

機(jī)載任務(wù)載荷根據(jù)無(wú)人機(jī)的不同用途而配置。

光電載荷的優(yōu)點(diǎn)：

1、隱蔽性好。光電載荷采用電視或紅外工作模式，能夠主動(dòng)或被動(dòng)接收目標(biāo)的形狀、亮度和熱輻射等信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的搜索跟蹤。

2、探測(cè)精度高。光電載荷的測(cè)角精度可以達(dá)到毫弧度（mrad），而雷達(dá)的測(cè)角精度一般在度（°）的數(shù)量級(jí)

3、圖像顯示直觀。光電載荷的顯控臺(tái)直接顯示目標(biāo)的幾何圖像或熱圖像，也容易實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的自動(dòng)跟蹤。

4、設(shè)備少、質(zhì)量輕。與雷達(dá)相比，光電載荷設(shè)備少、體積小、質(zhì)量輕，而且采用模塊化結(jié)構(gòu)，便于組裝維護(hù)，可靠性高。

四、可見(jiàn)光載荷

無(wú)人機(jī)可見(jiàn)光載荷主要分為光學(xué)相機(jī)和電視攝像機(jī)。

光學(xué)相機(jī)是一種經(jīng)典的光學(xué)成像設(shè)備，也是最早裝在無(wú)人機(jī)使用的偵察設(shè)備。其最大的優(yōu)點(diǎn)是具有極高的分辨率，目前其他成像探測(cè)器還無(wú)法達(dá)到。

無(wú)人機(jī)上使用的電視攝像機(jī)應(yīng)用廣泛，其主要優(yōu)點(diǎn)是體積小、質(zhì)量輕、功效低、靈敏度高、抗沖擊震動(dòng)和壽命長(zhǎng)。該載荷常和紅外成像儀組成雙光吊艙系統(tǒng)，滿足全天候?qū)崟r(shí)圖像監(jiān)測(cè)需要。

五、紅外熱像儀

通過(guò)探測(cè)目標(biāo)的紅外輻射，將目標(biāo)的紅外圖形轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光圖形，發(fā)現(xiàn)并獲取目標(biāo)參數(shù)。

紅外熱像儀通常和電視跟蹤器、激光測(cè)距器等組成綜合探測(cè)系統(tǒng)，用于探測(cè)、跟蹤目標(biāo)，向火控計(jì)算機(jī)輸送目標(biāo)的方位、仰角、距離信息。在這種綜合探測(cè)系統(tǒng)中，紅外熱像儀的主要作用是晝夜探測(cè)、監(jiān)視、跟蹤目標(biāo)。{#Content_Pages#}

六、紫外熱像儀

在高壓設(shè)備電離放電時(shí)，根據(jù)電場(chǎng)強(qiáng)度（或高壓差）的不同，會(huì)產(chǎn)生電暈、閃絡(luò)或電弧。電離過(guò)程中，空氣中的電子不斷獲得和釋放能量。當(dāng)電子釋放能量即放電時(shí)，會(huì)輻射出光波和聲波，還有臭氧、紫外線、微量的硝酸等。紫外成像技術(shù)，就是利用特殊的儀器接收放電產(chǎn)生的紫外線信號(hào)，經(jīng)處理后成像并與可見(jiàn)光圖像疊加，達(dá)到確定電暈的位置和強(qiáng)度的目的，從而為進(jìn)一步評(píng)價(jià)設(shè)備的運(yùn)行情況提供依據(jù)。

電暈是一種發(fā)光的表面局部放電，由于空氣局部高強(qiáng)度電場(chǎng)而產(chǎn)生電離。該過(guò)程引起微小的熱量，通常紅外檢測(cè)不能發(fā)現(xiàn)。紅外檢測(cè)通常是在高電阻處產(chǎn)生熱點(diǎn)。紫外成像儀可以看到的現(xiàn)象往往紅外成像儀不能看到，而紅外成像儀可以看到的現(xiàn)象往往紫外成像儀不能看到。因此，紫外成像技術(shù)與紅外成像技術(shù)是互補(bǔ)關(guān)系，紫外檢測(cè)放電異常，紅外檢測(cè)發(fā)熱異常，原理完全不同，各自具有不可互替的優(yōu)點(diǎn)，檢測(cè)目的、應(yīng)用方法也各具特性。

（1）運(yùn)行中絕緣子的劣化以及復(fù)合絕緣子及其護(hù)套電蝕檢測(cè)；

（2）高壓變電站及線路的整體維護(hù)；

（3）支柱式絕緣上的微觀裂紋檢測(cè)；

（4）懸掛式瓷絕緣中的零值絕緣子檢測(cè)；

（5）評(píng)估絕緣設(shè)備表面的污穢程度；

（6）評(píng)估驗(yàn)收高壓帶電設(shè)備布局、結(jié)構(gòu)、安裝、設(shè)計(jì)是否合理；

（7）高壓輸變電設(shè)備上可能搭接的導(dǎo)電物體，如金屬絲；

（8）大型發(fā)電機(jī)定子線棒端部和槽壁電暈放電檢測(cè)；

七、合成孔徑雷

合成孔徑雷達(dá)（Synthetic Aperture Radar， SAR）通過(guò)向目標(biāo)區(qū)域持續(xù)發(fā)射電磁脈沖，并接收來(lái)自目標(biāo)區(qū)域的回波信號(hào)。首先對(duì)接收到的目標(biāo)回波信號(hào)進(jìn)行一些處理，通過(guò)成像技術(shù)得到目標(biāo)區(qū)域中的形狀。根據(jù)不同的工作模式，SAR可以分為條帶式和聚束式兩種。

八、激光雷達(dá)

LiDAR（Light Detection And Ranging），即激光探測(cè)與測(cè)量，是利用GPS（Global Position System）和IMU（Inertial Measurement Unit，慣性測(cè)量裝置）機(jī)載激光掃描。其所測(cè)得的數(shù)據(jù)為數(shù)字表面模型(Digital Surface Model, DSM)的離散點(diǎn)表示，數(shù)據(jù)中含有空間三維信息和激光強(qiáng)度信息。應(yīng)用分類(Classification)技術(shù)在這些原始數(shù)字表面模型中移除建筑物、人造物、覆蓋植物等測(cè)點(diǎn)，即可獲得數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model, DEM)，并同時(shí)得到地面覆蓋物的高度。

九、多光譜相機(jī)

多光譜照相機(jī)是在普通航空照相機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的。多光譜照相是指在可見(jiàn)光的基礎(chǔ)上向紅外光和紫外光兩個(gè)方向擴(kuò)展，并通過(guò)各種濾光片或分光器與多種感光膠片的組合，使其同時(shí)分別接收同一目標(biāo)在不同窄光譜帶上所輻射或反射的信息，即可得到目標(biāo)的幾張不同光譜帶的照片。

多光譜照相機(jī)可分為三類：

（1）多鏡頭型多光譜照相機(jī)。它具有4-9個(gè)鏡頭，每個(gè)鏡頭各有一個(gè)濾光片，同時(shí)記錄幾個(gè)不同光譜帶的圖像信息；

（2）多相機(jī)型多光譜照相機(jī)。它是由幾臺(tái)照相機(jī)組合在一起，各臺(tái)照相機(jī)分別帶有不同的濾光片；

（3）光束分離型多光譜照相機(jī)。它采用一個(gè)鏡頭拍攝景物，用多個(gè)三棱鏡分光器將來(lái)自景物的光線分離為若干波段的光束。

十、常用的光電設(shè)備——光電吊艙

1、光電吊艙原理

飛機(jī)要在空中完成對(duì)目標(biāo)的探測(cè)和跟蹤任務(wù),需要一個(gè)機(jī)載平臺(tái)和搭載一個(gè)在該平臺(tái)上由探測(cè)設(shè)備組成的集成系統(tǒng)，在硬件表現(xiàn)形式上稱之為吊艙。

根據(jù)內(nèi)置設(shè)備的功能，機(jī)載吊艙可以分為導(dǎo)航吊艙、跟蹤瞄準(zhǔn)吊艙、紅外測(cè)量吊艙、電子干擾吊艙及電子情報(bào)吊艙等。飛機(jī)上的精確制導(dǎo)武器主要靠飛機(jī)上的跟蹤瞄準(zhǔn)吊艙來(lái)指示目標(biāo)。光電跟蹤瞄準(zhǔn)吊艙是一個(gè)光電成像跟蹤系統(tǒng)，它的捕獲、跟蹤、瞄準(zhǔn)(ATP)功能最后是通過(guò)跟蹤伺服系統(tǒng)來(lái)完成的。這個(gè)跟蹤伺服系統(tǒng)主要由光電傳感器系統(tǒng)、信號(hào)處理和控制系統(tǒng)和跟蹤穩(wěn)定系統(tǒng)(穩(wěn)像系統(tǒng))三個(gè)部分組成。

無(wú)人機(jī)光電吊艙是無(wú)人機(jī)吊艙中的一種，一般由可見(jiàn)光相機(jī)、紅外機(jī)芯、信號(hào)處理單元、圖像壓縮單元、穩(wěn)定平臺(tái)單元等組成，有拍照和攝像的功能，可實(shí)現(xiàn)全天候?qū)h(yuǎn)距離目標(biāo)的追蹤、攝像、監(jiān)控。無(wú)人機(jī)光電吊艙運(yùn)用的技術(shù)種類較多，并且根據(jù)功能不同，技術(shù)類型也略有不同，最常用的、具有代表性的技術(shù)有三種：紅外熱成像技術(shù)、數(shù)字圖像處理技術(shù)、動(dòng)態(tài)目標(biāo)跟蹤技術(shù)。

2、光電吊艙陀螺穩(wěn)定系統(tǒng)

主要包括三大部分:

（1）主體儀器：穩(wěn)像系統(tǒng)的主體儀器是兩軸支撐的常平架結(jié)構(gòu)，內(nèi)環(huán)（水平環(huán)）用于安裝光電測(cè)量?jī)x器,外環(huán)（方位環(huán)）垂直安裝在基座上。兩環(huán)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸正交，兩環(huán)上分別安裝一只二自由度撓性陀螺儀，通過(guò)鎖定回路構(gòu)成速率陀螺，用以測(cè)量?jī)奢S的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度。

（2）控制放大器：控制放大器根據(jù)操作指令和跟蹤目標(biāo)的脫靶量控制兩環(huán)上的驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),使測(cè)量?jī)x器的光軸始終對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)。

（3）脫靶量計(jì)算單元：脫靶量計(jì)算單元根據(jù)光電跟蹤儀器測(cè)量的圖像，計(jì)算目標(biāo)的脫靶量，輸入控制器作為系統(tǒng)位置環(huán)的輸入量。

3、圖像處理技術(shù)

基于圖像信息的目標(biāo)跟蹤，簡(jiǎn)稱為圖像跟蹤，是以圖像處理技術(shù)為核心，有機(jī)融合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、模式識(shí)別、人工智能等多種理論和技術(shù)的新型的目標(biāo)識(shí)別跟蹤技術(shù)。它依靠成像技術(shù)，可以獲取更加豐富的目標(biāo)信息、有極強(qiáng)的抗干擾能力、以及良好的全天候作戰(zhàn)能力。能夠利用目標(biāo)與真實(shí)空間信息之間的相互關(guān)系，有效地減小機(jī)動(dòng)估計(jì)延時(shí)、提高跟蹤性能。因此，這種基于圖像傳感器及圖像處理的直接機(jī)動(dòng)估計(jì)方法具有廣闊的發(fā)展前景。圖像跟蹤基本上可分為波門跟蹤、相關(guān)跟蹤、基于目標(biāo)運(yùn)動(dòng)模型的濾波器跟蹤三種方式，其中以第三種跟蹤方式應(yīng)用最為廣泛，效果最好。

無(wú)人機(jī)光電吊艙主要應(yīng)用于森林消防、農(nóng)業(yè)、環(huán)保、應(yīng)急、電力巡檢等領(lǐng)域，其中電力巡檢，消防部門（包括消防、森林防火的過(guò)），武警、公安應(yīng)急救援部門是目前需求量最大的三個(gè)領(lǐng)域。隨著無(wú)人機(jī)市場(chǎng)的快速發(fā)展，以及無(wú)人機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓寬，無(wú)人機(jī)光電吊艙市場(chǎng)需求量不斷增長(zhǎng)，行業(yè)未來(lái)仍有較大的發(fā)展空間，發(fā)展前景看好。中國(guó)企業(yè)應(yīng)該與高校、研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行聯(lián)合，推進(jìn)“產(chǎn)學(xué)研”一體的技術(shù)研發(fā)策略，為企業(yè)提供技術(shù)支持，降低技術(shù)投入成本，同時(shí)推動(dòng)國(guó)內(nèi)無(wú)人機(jī)光電吊艙技術(shù)水平的提高。
編輯：hfy