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吊舱是指悬挂在运动载体（如飞机、船舶）外的舱体有效载荷容器装置，根据内置设备的不同功能，可以分为导航吊舱、瞄准吊舱、红外测量吊舱、电子干扰吊舱以及电子情报吊舱等。而无人驾驶航空器系统一般挂载光电吊舱，此外还包含与其相关的控制台（站）、任务载荷和控制链路等，其中球形光电吊舱（以下称吊舱）是无人机光电载荷中的主流，其类型多样、参数繁杂且厂家众多，给无人机厂家在多任务场景的设备选型方面造成一定困扰，本文结合工作经历尝试从吊舱的主要参数解析方向入手来通俗化的解决这个问题。 一、中小型无人机常用光电吊舱功能要求 无人驾驶航空器系统的光电吊舱是基于惯性导航技术，能够有效隔离载体运动对光电传感器造成的角运动干扰，且能实现对任务目标的识别、跟踪和锁定功能的导航控制技术应用产品，其最本质的功能就是实现远距离的侦察与高质量的成像，不同吊舱参数的选取以及功能的要求最高的需求为作用距离，这是吊舱的最最核心的需求，一切的结构设计、设备组合、重量控制、性能指标的平衡等都是基于作用距离上的需求的满足。 目前，中小型无人机系统对挂载的吊舱重量集中在1公斤到5公斤之间，对吊舱常用的功能要求有几个：目标搜索、目标识别、目标跟踪和目标定位。根据成像原理不同分为可见光成像与红外热成像两种，跟踪定位功能可通过目标与无人机或吊舱的相对位置计算得出，或者吊舱增加激光测距机的方式实现。 二、中小型无人机常用光电吊舱的主要技术参数解析 因为吊舱涉及参数较多，为便于叙述，现就一款典型产品进行解析。
2.1系统主要参数 一般厂家提供吊舱结构、重量、尺寸等基础信息，其中最核心的指标就是稳定精度。 吊舱因为特殊的工作环境，要持续有效的隔离无人机平台运动对光电传感器造成的运动干扰，会受到无无人机的振动、姿态变化、风阻力矩等各种影响，为了保证成像设备能够稳定清晰成像，吊舱必须保证视轴在惯性空间上持续稳定，即稳定精度的提高（稳定精度一般用弧度来标测，其中弧度的定义为把圆周的1/360所对的圆心角成为1度角，记作1°，1°=60分，1分=60秒。而把等于半径长的圆弧所对的圆心角叫做1弧度的角，记作1(rad)，1rad 约等于57.3°）。稳定精度、最大角速度和最大角加速度等可理解为吊舱运转的平稳水平和响应快慢速度。 跟踪精度是吊舱的另外一个核心指标，它是在一定的扰动条件下跟踪固定或移动目标，并使其保持在视场中心的能力，直接关系到照射精度、目标定位精度等指标。但跟踪精度是个综合指标，除跟伺服系统的控制精度有关外，还与图像跟踪器的跟踪效果、光照强度和能见度等均可能有关系，此指标是建立在强大的实力基础上，民用领域一般很少提及。 此外吊舱结构中会涉及“框”与“轴”的概念。中小型无人机常选用两轴或三轴吊舱，因一般要求吊舱结构紧凑、重量轻，且要求较好的环境适应性等，最常用的结构为“两轴两框”，三轴吊舱是在两轴吊舱的方位与俯仰轴外，增加横滚轴。那两轴和三轴到底哪个更好？三轴增加了横滚方向，且在无人机转弯或逾越目标存在超角度飞行时，避免目标丢失也会起一定作用。但多一个结构多一个问题隐患，并且多结构重量，需要综合考量。 另外，每个飞行器设计专业的学生都致力于航空器的减重，则吊舱分系统同样具有系统集成的典型特征，每个吊舱厂家的元器件均为货架产品采购，集成能力的高低最直接体现就是系统重量。所以，在比较吊舱产品的时候会发现很多指标都类似甚至相同，但重量、尺寸绝对不一样，这一定程度上也体现了每家不同的设计理念和集成能力。但中小型无人机加载吊舱普遍质量较小，在厂家选取时可以参考其“大球”设计与集成能力。
2.2成像参数 成像参数是所有吊舱都推介的性能指标，一般主要有可见光和红外热成像指标。 2.2.1可见光成像 可见光成像依赖于反射光线的物理成像性能，受到反射光线数量和强度的限制，其主要关注像元素/分辨率、焦距、视场、变焦比等主要指标。 像元素/分辨率：像素是指由图像的小方格组成的，这些小方块都有一个明确的位置和被分配的色彩数值，小方格颜色和位置就决定该图像所呈现出来的样子。可以将像素视为整个图像中不可分割的单位或者是元素。通常，“分辨率”被表示成每一个方向上的像素数量，比如640X480等。分辨率和图像的像素有直接关系，一张分辨率为640 x 480的图片，那它的分辨率就达到了307200像素，即我们常说的30万像素。 焦距是指光学系统的像方主点到主焦点之间的距离。假设以相同的距离面对同一被摄体进行拍摄，那么镜头的焦距越长，则被摄体在胶片或影像传感器上所形成的影像的放大倍率就越大。
视场代表能够观察到的最大范围，通常以角度来表示，视场角的大小决定了光学仪器的视野范围，视场角越大，视野就越。通俗地说，目标物体超过这个角就不会被收在镜头里。视场与焦距的关系：一般情况下，视场越大，焦距就越短。 变焦比（Zoom Ration），又叫光学变倍数:是指变焦镜头的最短焦点和最长焦点之比，变焦倍数越大，取景范围的变化就越大，但它是一个比值，并不能全面的反映相机镜头变焦水平和镜头的性能。需要说明的是数码变焦/数字变焦等是通过软件手段将一张已经固定的照片进行放大，并通过一定的算法补偿而得到，因此数码变焦没有实际意义。因为光学变焦是通过物理手段实现变焦，也就是调整硬件的镜片间的距离实现，只是改变了光线传输的距离，光线本身没有变化，所以成像质量不会发生变化。 2.2.2红外热成像 红外热成像是因为自然界中一切温度高于绝对零度（-273.15℃）的物体，每时每刻都在辐射红外线，不同的物体辐射温度不同辐射强弱不一，因此目标和环境或者目标各部分之间的温度差或辐射差异形成的红外辐射特征，就能用于形成图像，最终用来发现和识别目标。
实际能被人类所探测并加以利用的红外波段只占了整个红外辐射波段的很小部分。吊舱的红外热成像主要关注像元尺寸、分辨率/像元数、噪声等效温度、最小可分辨温差等主要指标。 像元尺寸：红外成像系统，小像元意味着对物体分辨能力的提升；红外探测系统，大像元意味着更强的能量收集能力。 分辨率/像元数：是衡量热像仪探测器优劣的一个重要参数，表示了探测器焦平面上有多少个单位探测元，分辨率越高，成像效果也就越清晰。 NETD:噪声等效温度，是表征红外成像系统受客观信噪比限制的温度分辨率的一种量度，也就是热敏感度，即热像仪能分辨出的最小温度，NETD越小表示成像画面质量越好。 MRTD:最小可分辨温差，综合描述在噪声中成像时，红外成像系统对目标的空间及温度的分辨能力。 吊舱中使用的红外探测器可分成制冷型和非制冷型两类，制冷型红外探测器具有响应速度更快、画面细节更细腻、灵敏度更高、探测距离更远及性能更稳定等诸多优点，但是需在低温环境下才能体现性能优势。这就使得制冷型红外探测器的成本高，体积重量大，主要应用在军事和科研领域。而非制冷红外热像仪的成像探测器无需低温制冷，场景变化会导致红外探测器温度变化，从而转化为电信号，并经过处理产生图像，设备整机小巧，成本低，而且使用的寿命长，但是精度相对较差，在对成像性能要求不高的领域应用广泛，中小型无人机加挂吊舱以非制冷型红外探测器为主。 2.3其他参数 激光测距仪是指利用激光器作为光源的电磁波测距仪，其指标主要关注测距范围和测距精度。此外根据项目要求不同，还需要关注吊舱满足的环境温度与工作温度、机械接口类型与电气接口类型，尤其是关注通信接口、视频输出接口以及通信协议等。在工业现场能够选择的通讯接口非常多，常见的是如下几种：串口232、422、485、以太网口、GPIB、USB、无线、光纤等，其中吊舱常用通讯接口为232、422或以太网口。视频接口较多如下，其中吊舱常用的视频接口为HD-SDI、HDMI、以太网口等。
三、中小型无人机光电吊舱选取中的其他考虑因素 中小型无人机的应用场景多样，需要根据任务场景挂载不同任务载荷，对吊舱提出快速装卸结构的要求，且随着对巡航速度要求的提升，吊舱厂家可谋划内埋式结构设计。在一些特定运行环境中，还需考虑吊舱的防尘防雾、防腐蚀能力。当然，在吊舱选取过程中还要综合考虑产品适配性、可靠性和项目成本等因素，还需要考虑吊舱厂家的供货周期与售后服务能力。更多的是先通过实际测试，验证厂家提供吊舱参数的实际效果，检核接收到的视频图像质量，在满足项目需要后再确定选取最适合的吊舱。 (供稿：刘鹏。转载请先联系作者获取授权。) 作者简介 刘鹏(1983年8月—)，男，毕业于西北工业大学，西南财经大学在职研究生，工程师、中级经济师，先后就职于重庆通航集团、电科特飞等企业，现任浩孚科技市场总监，对有人机、无人机与任务载荷系统有较深入的研究。 欢迎业内同行交流切磋 |
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