军用光电检测设备模块化发展分析

沈晓彦，朱 懿，李炜娜，杜梦影

（中国兵器工业标准化研究所，北京 100089）

0 引言

“模块化设计”的概念源于20世纪50年代的欧美，被定义为“在对产品进行功能分析的基础上创建并设计出一系列的功能模块，并通过模块的选择和组合构成不同的产品来满足市场的不同需求”。模块化设计的优点在于：1）能有效解决客户个性化需求和大批量生产之间的矛盾；2）有利于产品快速设计，并节约生产成本；3）有利于产品的更新换代和新产品的开发；4）有利于提高产品质量和可靠性；5）模块互换性强，便于实现标准化和通用化。20世纪90年代后，模块化设计已被广泛应用于军事领域。美国“海狼”号攻击型核潜艇是世界上第1艘全部采用模块化设计和建造的核潜艇。2017年4月，美国国防部高级研究计划局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）继续支持Hydra项目第2阶段的工作，研发具备提供情报、监视与侦察（Intelligence, Surveillance, and Reconnaissance，ISR）和反水雷等重要能力的模块化有效载荷。特别是近年来，装备维修保障模块化的理念已被美俄等外军采用。

随着我军现代化水平不断提升，新型光电装备陆续列装部队。光电装备从以前单一化和简单化的模式逐渐向复杂化和集成化方向发展，由简单单体装备向复杂系统装备方向发展。光电装备是运用各类光电传感器，结合相应光电技术，实现侦测敌方信息、传递保密消息，以及感知自身姿态等功能的武器系统。而其对应的光电检测设备是一个集测试、控制和数据处理为一体的集成化应用系统，用于完成光电仪器的性能检测、状态监控和故障诊断等诸多任务。目前我军光电检测设备大都基于特殊检测装备或者任务配备，导致检测设备日益增多且维护和升级难度加大，故迫切需要引入模块化的理念。所谓光电检测设备模块化是指针对光电装备检测性能指标参数，将光电检测功能设计成一系列模块，并通过功能模块的组合，满足不同光电装备的检测需求。本文分析外军光电检测设备最新发展动态，提出光电检测设备模块化建设思路，为我军光电检测设备研制与发展提供借鉴。

1 外军光电检测设备介绍及分析

1.1 外军光电检测设备

美国、以色列和法国等国家研制的光电检测产品多为面向多种类型光电仪器的通用化检测设备，已被广泛应用于军用光电装备的主要性能检测。本文选择法国HGH红外系统公司的通用光电仪器测试系统（Comprehensive O ptoelectronics I nstrument Test System，COPI）、以色列CI System公司的模块化光电测试系统（Modular E lectro-Optical T est System，METS）、美国SBIR公司的未来光电检测设备（Future Electro-Optical Test Device，FEO）和便携式多光谱测试设备（Portable Multi-spectral Test System，PMTS），以及 AAI公司的先进校轴设备（Advanced Bore-sight Equipment，ABE）等具有代表性的产品进行介绍，分析外军光电检测设备模块化结构和技术特点。

1.1.1 通用光电仪器测试系统

HGH红外系统公司研制的通用光电仪器测试系统（COPI）的工作波段为0.5～14 μm，可实现可见光、微光、激光、电视和红外热像等光电仪器的光学性能和光电性能的全方位综合评价与测试。COPI由3个主要模块组成：1）光学准直模块，包含1块大口径离轴抛物面反射镜，反射镜口径为150 mm，能够满足绝大部分单兵便携式光电仪器的检测需求。在检测不同波段光电仪器时，通过电控旋转反射镜可选择可见光光源、激光光源和差分面源黑体。根据测试需要，也可选配 CCD相机、亮度计、能量计和激光光束质量分析仪等传感器。2）电源控制模块，主要用于控制目标光源、切换靶标和校准光轴，同时为被测装置（Unit-Under-Test，UUT）提供电源与控制信号。3）数据处理模块，主要是预装自诊断软件的图形工作站，用来远程控制光源、选取靶标以及全方位评估 UUT的光学性能和光电性能参数。COPI外观与检测过程图见图1。

图1 C OPI外观与检测过程图

1.1.2 模块化光电测试系统

CI System公司研制的光电测试设备既涵盖便携小型的光电检测模块，也具备功能强大的光电综合测试系统。2019年CI System推出了模块化光电测试系统（METS）。METS主要包括高度集成化的光学准直模块、数据处理软件和电源控制系统。光学准直模块将离轴抛物面主镜、面源黑体和积分球等通过电动靶轮有机整合在一起，配备在生产车间、光学实验室或后方修理工间，可满足不同波段光电装备光学性能、光电性能以及轴线一致性的检测。METS内部结构图见图2。

图2 M ETS内部结构图

为满足通用化测试的要求，METS初步实现了检测设备的模块化和系列化。METS光学准直系统的口径和焦距可根据不同测试对象和测试任务进行组配以满足所有传感器孔径的要求。在数据处理软件方面，CI System设计的自动测试软件可通过预编程，对短波红外、可见光以及激光仪器的主要性能参数进行测试。

1.1.3 未来光电检测设备

美国国防部制定的下一代自动测试系统研究计划，主要目的是制定下一代自动测试系统（Automatic Testing Systems，ATS）开放式体系架构与相关标准，明确美军下一代自动测试系统(Next Generation A TS，NGATS)的发展方向。SBIR公司提供的未来光电检测设备（FEO）是NGATS的重要组成部分。

FEO数据处理软件采用专用模块研制、与货架产品相结合的硬件开发策略以及开放的系统软件架构，能够在最大限度降低成本的前提下，加快研制满足多种类型光电仪器主要性能指标检测的保障设备，同时其模块化设计思路也极大拓展了FEO的技术升级和产品迭代能力。此外，FEO数据处理软件采用 IR W indows部署军事测试程序集（Test Program S et，TPS）的光电测试开发和执行环境，能够极大缩短TPS的开发和调试时间。FEO外观图见图3。

图3 FEO外观图

FEO所有测试模块均集成在1个标准机柜中，其核心部件为1个口径为183 mm的离轴抛物面主镜，大孔径和长焦距光学准直系统的设计能够使其满足美陆军便携式光电装备、大型装甲车辆昼夜瞄准系统，以及多传感器武器发射与跟踪传感器的主要性能指标的检测需求。为便于安装 UUT，FEO的前面板安装有不同的适配接口，能够利用专用夹具可靠连接UUT，并将其光学窗口和FEO的准直器进行光学准直，从而方便又快捷地完成检测任务。另外，不同波段的目标光源和分划图案可在程序控制下自动定位在FEO准直器的焦平面上。根据不同UUT的光学特性，电控调整红外黑体、可见光光源、激光能量探测器和激光距离模拟传感器，以实现不同波段光电装备的主要性能检测。

1.1.4 便携式多光谱测试设备

SBIR和Lockheed Martin公司联合研制，提供给美国海军的一种基于模块化设计的、便携小型的第3代测试装置（Third Echelon Test Set，TETS），属于便携式多光谱测试设备（PMTS）。PMTS采用模块化设计，分为光学准直系统、电源系统和目标光源3个模块，使用时可实现快速组装，测试完成后可快速拆解，便于运输或携带。PMTS的测试对象包括美国海军各型可见光、红外热像和激光系统。PMTS功能模块图见图4。

图4 多光谱测试设备外观图

1.1.5 先进校轴设备

多光轴一致性检测是确保武器系统打击精度的重要保证，AAI公司在美国国防部支持下从20世纪90年代就开始研究基于惯性原理的校轴方法，解决了以往大口径平行光管无法完成的大间距机械轴线与光电轴线一致性测量的问题。研制的先进校轴设备（ABE）累计订购160余套，保障了20余种高技术兵器的打击精度。AAI公司研制的310A型 ABE采用惯性测量技术，无须架设平台或三脚架、不用将被测对象顶起及调整水平位置，可应用于多任务平台。图5为310A型ABE设备组成情况，主要包括动态惯性测量装置、基准惯性测量装置、数据处理运算装置、基准框架、手持式显示控制器，以及一系列校靶转接镜。

图5 310A 型ABE设备组成情况

1.2 外国军队光电检测设备模块化结构分析

外国军队（尤其是美军）装备实行的是部队级和基地级2级维修体制。根据部队级维修检测和基地级维修检测不同的条件和需求，外国军队研制了适用于不同场景的光电检测设备。HGH红外系统公司的COPI，CI System公司的METS以及SBIR公司为美军NGATS研制的FEO均可作为基地级光电检测设备，一般配属在后方修理工间，具有检测范围广和检测精度高等优点。SBIR公司的 PMTS、AAI公司公司的ABE，以及CI System公司的CTU等光电检测设备，因体积小巧、操作简单、检测质量稳定，主要配备于基层部队使用。但不论是基地级检测设备还是部队级检测设备，在结构上均体现了模块化。表1总结了上述5种军用光电检测设备的模块化结构。

表1 军用光电检测设备的模块划分

1.3 外国军队光电检测设备模块化技术分析

外国军队光电检测设备无论是小型便携的部队级检测设备，还是测试范围更广的基地级检测设备，都是依据实际任务需求开展功能分析与设计研制的。外国军队部队级光电检测设备多为完成特定功能检测而研制，如光轴一致性的检测。光电检测模块通常包括可见光、微光、激光和红外等光源模块，以及光学准直模块等。外国军队基地级光电检测设备一般采用开放式的架构和可共享的光学平台，搭配通用模块和专用检测模块进行多光谱多参数的测量。

外国军队光电检测设备模块化技术的特点如下：

1）遵循模块化设计理念，根据检测原理，适当划分功能模块。光电装备的检测原理比较成熟，可分为成像式和非成像式。对于成像式光电装备，一般都需要为UUT提供无穷远目标，因此，可划分出光源模块、准直模块、数据采集模块和电源模块。光源模块提供特定波段的光线，照亮模拟靶标，然后通过准直模块形成平行光，再经过 UUT的数据采集模块收集和处理检测信息，最终得到检测结果。成像式光电装备被检参数包括分辨率、光轴一致性和畸变等。对于非成像式光电装备，一般只需提供相应的接收测量模块，如亮度计、能量计和光束质量分析仪等，测量复杂度相比成像式较为简单。非成像式光电装备的被检参数包括激光的能量、发散角和脉冲参数等。

2）在波长不同、检测参数相同的情况下，可以共用同一模块。最典型的是核心部件光学准直模块，其光谱作用范围需要覆盖可见光、微光、激光、中波红外和长波红外波段。因此，一般采用离轴抛物面作为主反射镜的反射式光学结构，其优点在于光谱作用范围宽，能够涵盖所有需要用到的波段，且由于金属抛物面镜良好的反射特性，可有效避免色差对检测结果的影响。此外，反射式光学准直系统设计还可大大减小检测设备的体积和重量。其他模块也或多或少具有该特点，如黑体光源可同时提供可见光和红外光，集成化的多光谱靶标可同时对多种光谱光电装备进行光轴一致性检测。

3）不同的检测参数可共用同一模块。凡是需要使用平行光作为输入进行检测的参数，都需要用到光学准直模块，如分辨率、视场和畸变等参数。同理，同一光源模块和相机模块也可用于多种参数的检测。数据处理模块是大多数参数检测不可缺少的组成部分。

4）大量创新技术的应用加快了光电检测设备的升级换代。如在校轴设备研制方面，惯性自准直技术、光路折转技术和分光技术的应用，大大提高了检测设备的通用化水平，使得研制一种检测设备即可满足多型号或同类型装备的技术保障要求成为可能。

5）在光电检测设备的论证设计方面，充分考虑了不同层级修理任务的实际需求。美军现行维修体系包括部队级和基地级维修作业体系，为满足不同任务需求，光电检测设备在总体方案设计上更具有针对性，不但有适应陆军基地级维修的FEO系统，也有能够快速部署且便携机动的小型专用检测装置。

2 借鉴和启发

军用光电检测设备对武器装备迅速恢复侦察打击等作战性能至关重要。未来的军用光电检测设备应向模块化和系列化发展。争取做到检测功能的通用化和系列化、检测技术的自动化和智能化，以及模块结构的标准化。军用光电检测设备的研制重点包括3点：

1）开放式的结构

为满足不同任务需求，光电检测设备在总体方案设计上应具有开放式架构。结构上的硬件必须满足可操作性、可移植性和可互换性等基本要求，这样有利于系统维护、扩展和升级。将用途相同的共性功能统一整合，形成可共享的光学平台，它是任何一套光电检测设备都应具备的部分。将不同的功能检测形成不同类型的模块实现。多样化的专用模块与通用模块组合，可形成适用于各种检测对象的不同检测设备。只要是符合标准化、模块化设计，在机械结构、接口等方面与光学平台兼容的模块，均能够接入到检测系统当中。软件的设计必须多方面考虑，采用框架化、模块化和多层次化的处理方法，把数据和测试程序分开（如 FEO），从而实现测试软件的通用性和灵活性。根据不同的检测应用，将软件划分成通用软件、管理软件与应用软件，通用软件连接对应的应用软件进行运作。

2）模块化的设计

检测模块的设计需要为检测指标（模块功能）和模块结构进行解析和划分。军用光电装备的检测内容相对比较简单，一般涉及分辨率、光轴一致性和成像质量等。以分辨率检测举例，检测对象涉及可见光和红外光，这2种波长分辨率的检测原理相同。光源（可见光或黑体）通过分辨率靶标和光学系统（透镜或金属反射镜），进入电荷耦合器件（Charge Coupled Device，CCD）或互补金属氧化物半导体（Complementary M etal Oxide Semiconductor，CMOS）成像系统，由传感器采集数据后在软件系统上处理。CCD成像系统或CMOS成像系统是较为成熟的货架产品，可作为模块来看待。可见光及黑体可设计成光源模块。靶标和光学系统有2种模块设计方案。方案1将分辨率靶标和透镜组合成模块1用于检测可见光，并将分辨率靶标和金属反射镜组合成模块2用于检测红外光。方案1的优点是光学系统相对稳定、成像质量好，以及方便携带；缺点是模块体积相对较大和测试功能单一。方案1适用于部队级检测。方案2将靶标做成模块1（可以是靶标轮的形式），将透镜和金属反射镜组合成模块2。方案2的优点在于：（1）靶标轮可插装多种靶标，进而实现多种指标检测，如视场、畸变和均匀性等。（2）可通过改变靶标图案，做成系列化靶标，以检测不同分辨率精度。根据武器系统可见光和红外检测波长的要求，通过切换可测波长，以及改变透镜镀膜特性等方式，形成系列化光学系统。（3）此种模块体积相对较小，可根据检测任务快速更换，适用于光学平台。根据上述分析，方案2适用于基地级检测。

3）标准化的要求

军用光电装备的功能结构各异，为提高检测设备的通用性和灵活性，缩减检测维修设备种类，需要对不同功能模块的性能指标分配和安装基础等提出标准化要求。在研究制定军用光电装备检测设备模块相应标准规范时，可根据功能用途划分为通用模块和专用模块。通用模块大致包括共享光学平台、软件、光源和接口；专用模块则可按波段划分为可见光、激光和红外检测模块，并在需要时开展进一步的模块细化标准研究。通过对军用光电检测设备提出模块及模块化共性要求，规范模块设计研制。

3 结论

结合军用光电装备检测任务的特点，引进模块化检测设备的研制方法，既有利于提高军用光电检测设备的可靠性，又有利于检测设备的更新换代和新产品的开发，可在费用合理的前提下以尽可能小的经济代价获取装备维修保障效益的最大化提升。因此，有必要对军用光电检测设备的模块化设计相关关键技术及其应用开展进一步研究，为研制单位实施检测模块化提供通用的和可操作的技术方法。