光電傳感器負(fù)載增強(qiáng)了當(dāng)今的裝甲戰(zhàn)車、卡車以及地面無人車的性能，使用戶可以發(fā)現(xiàn)并解除爆炸物、探索崎嶇地形以及從安全距離發(fā)現(xiàn)敵人位置。

傳感器已經(jīng)成為戰(zhàn)斗中士兵們寶貴的眼睛和耳朵，它們可搭載于航天系統(tǒng)、有人機(jī)、艦船以及陸基平臺。陸基平臺對于士兵們最具難度也最具時效價值，他們要依賴這些快速變革的技術(shù)來更好地應(yīng)對尺寸、重量及功耗（Size, Weight andPower，SWaP）的要求，并且顯著改善可獲取的圖像質(zhì)量及態(tài)勢感知能力。

作為最適合移動戰(zhàn)場應(yīng)用的引領(lǐng)者，光電傳感器主要分為兩類：第一類是被動型，它能感知目標(biāo)發(fā)射或反射的能量；第二類是主動型，它們有自己的光源，通常用于照射目標(biāo)或探測反射。兩種情況下，光電傳感器將光線或光線的變化轉(zhuǎn)換為電子信號，探測閃光（如槍口焰）、由移動物體或距離造成的中斷以及傳感器視場內(nèi)的物體。

圖1 iRobot背負(fù)式小型無人地面車可搭載多種光電傳感器負(fù)載

通過使用相對短的紅外波與可見光，主動光電系統(tǒng)比起標(biāo)準(zhǔn)雷達(dá)，角度分辨率超過2萬倍且距離精度更高。主動光電系統(tǒng)比起被動光電系統(tǒng)的另一個優(yōu)勢在于它可以控制環(huán)境（其中的目標(biāo)自身不發(fā)光）光照。

“目前我們面臨的首要問題是由單波段向多波段系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變，系統(tǒng)包含二個或三個波段，有時是將其融合而非在其間切換?！盪TC航天系統(tǒng)公司業(yè)務(wù)發(fā)展主管塔拉·馬丁說道，“我們遇到更多的另一種需求是應(yīng)對自相摧毀的激光定位與解碼。鎖定目標(biāo)并對其實施打擊且要減少自相摧毀這一時間是比較長的，例如，從信任瞄線到看見激光指示器?！?/p>

“自911事件以來，一個大變化就是微光成像敏感度更高且動態(tài)距離更遠(yuǎn)，特別在想要對黑暗陰影區(qū)域或明亮光源周圍進(jìn)行觀測的城市區(qū)域?！瘪R丁還表示，“這是使用短波紅外的一個推動因素，除此，夜視鏡越多的暴露在光線下，它們就弱化的越快，更換周期越短?！?/p>

計算與相關(guān)技術(shù)的迅猛發(fā)展催生了更加敏感且高能的光電傳感器。過去十多年里在亞洲西南部的戰(zhàn)爭產(chǎn)生了大量此類需求。陸軍士兵與陸上海軍都希望擁有SWaP顯著改善的系統(tǒng)，而美國將這種需求變得低成本化了。

Blueforce研發(fā)公司的創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官邁克爾·赫爾弗里希指出：“毫米波紅外（MMWIR）的使用在一些國家實驗室已經(jīng)開始大面積出現(xiàn)。即使是在早晨的弱光條件下，此種圖像的距離與精度已經(jīng)改變了我們對一些模型的處理方法?！?/p>

DARPA的自適應(yīng)傳感器系統(tǒng)（ADAPT）項目致力于使用類似于商業(yè)智能手機(jī)產(chǎn)業(yè)的初始設(shè)計制造工藝將無人照應(yīng)傳感器轉(zhuǎn)化為軍用型。

邁克爾?赫爾弗里?？吹搅撕撩撞t外技術(shù)在進(jìn)攻和防御領(lǐng)域的應(yīng)用。從防御的角度講，它對綜合基地防御很有用，對攻方的阻擊任務(wù)也十分有用。短波紅外（SWIR）很適合迫近與短距漸出場景，但它不及毫米波紅外（MMWIR），因為后者可對大區(qū)域遠(yuǎn)距離，甚至是極低光照條件下進(jìn)行良好探測。

隨著預(yù)算資金越來越緊，軍方用于尖端科研的經(jīng)費(fèi)下降，這增加了對商業(yè)貨架產(chǎn)品（COTS）的依賴。但在全球市場經(jīng)濟(jì)下，商業(yè)貨架產(chǎn)品不受美國技術(shù)類貿(mào)易管制，如國際武器貿(mào)易條例（InternationalTraffic in Arms Regulations，ITAR）。這使得許多最新的技術(shù)在美國軍方和商業(yè)實驗室獲得的同時，許多潛在對手也能獲得了。

《戰(zhàn)略防御情報》在一篇關(guān)于“2014至2024全球軍用光電/紅外市場”的報道中預(yù)測，到2014年底，該市場會達(dá)到73億美元，而到2024年會升至100億美元。

陸軍與海軍

就尖端傳感器技術(shù)的資金支持與使用場合來說，美國陸軍、海軍陸戰(zhàn)隊和特種作戰(zhàn)司令部（Special OperationsCommand，SOCOM）是不同的。但用戶對未經(jīng)驗證的新型好產(chǎn)品也會有一些抵觸。

馬丁表示，“一旦當(dāng)人有某種能力，他絕不會希望這種能力被剝奪。所以，如果某人有一個光電長波傳感器，他不會允許你將之帶走，除非你能提供一個更好的，要體積更小、更廉價且性能更強(qiáng)。因此，我們也一直致力于實現(xiàn)它，例如智能集成傳感器（不增加SWaP且仍提升性能）。但在目前的政府預(yù)算條件下，出價都要更低一些?！?/p>

“海軍更愿意冒險去嘗試新技術(shù)，而陸軍更愿意采用現(xiàn)有的技術(shù)。遺憾的是，海軍沒有能力及預(yù)算支持研發(fā)制造自身的傳感器，所以通常只能從陸軍購買。特種作戰(zhàn)司令部愿意將秘密任務(wù)以外的解決方案中80-90%采用最新最好的技術(shù)。雖然他們能夠使最好的技術(shù)發(fā)揮最大的作用，但特種作戰(zhàn)司令部的科研經(jīng)費(fèi)有限，并且他們的想法比預(yù)算更宏大?！?/p>

iRobot 510小型無人地面車采用光電傳感器負(fù)載用于探測、定位并解除隱藏的臨時爆炸裝置（IEDs）和其他威脅。

在20世紀(jì)80年代和90年代，隨著當(dāng)時的高科技夜視鏡（NVGs）問世，美國陸軍與海軍陸戰(zhàn)隊都可以稱得上“占據(jù)夜晚”。但到20世紀(jì)末，技術(shù)進(jìn)展使得唯有掌握最新的技術(shù)，才能在微光作戰(zhàn)中占據(jù)優(yōu)勢。

“美國軍方長期以來一直以‘占據(jù)夜晚’引以為豪，但當(dāng)所有人都擁有夜視鏡以及廉價手機(jī)來探測照明器后，這一情況改變了。擁有非對稱優(yōu)勢十分重要，但我認(rèn)為未來的夜晚將不再只由一方掌控，”馬丁說到，“多圖像帶混合是實現(xiàn)這一目的主要方式，并且以更小的SWaP封裝去實現(xiàn)將會是系統(tǒng)發(fā)展的一個很大的驅(qū)動因素。在未來的五到十年，我認(rèn)為所有系統(tǒng)都將是多傳感器的混合系統(tǒng)。”

使用長波紅外、夜視鏡或僅微光系統(tǒng)的時代即將結(jié)束。當(dāng)你打開夜視鏡照射器的時候，很可能就相當(dāng)于打開了閃光燈，因為幾乎所有人都可以看到它們。所以工業(yè)制造的趨勢是更小、更輕、更廉價，更先進(jìn)并擁有多波段的產(chǎn)品，提供大范圍光照及環(huán)境條件下更好的識別、辨認(rèn)和探測能力，且同時改進(jìn)SWaP。

Blighter Scout監(jiān)視系統(tǒng)，帶有輕型電子掃描雷達(dá)和設(shè)計用于邊界安全熱點(diǎn)區(qū)域及其他相似安全應(yīng)用的快速部署相機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)。

此種情況下，傳感器融合適用于有人及無人地面車系統(tǒng)、單兵攜帶或戰(zhàn)場固定系統(tǒng)，融合還能用于集齊由這些系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)。但這是一個全球范圍都很關(guān)注的領(lǐng)域，正如德國泰勒斯國防安全系統(tǒng)公司現(xiàn)在研發(fā)的背負(fù)式熱偵查系統(tǒng)（輕型監(jiān)視裝置）所展示的那樣。

泰勒斯集團(tuán)的官員稱，“步兵、空軍和特種部隊及邊防人員可能仍需要在大距離范圍上徒步人工部署他們的設(shè)備，或需要使用非常小的車輛（沙灘車、雪車等）進(jìn)行運(yùn)輸。然而，這些非常小的用戶越來越需要復(fù)雜精密監(jiān)視設(shè)備來完成各種作戰(zhàn)任務(wù)以及保護(hù)邊界或自衛(wèi)使用?！?/p>

MRS是一種集成的、模塊化的可擴(kuò)展解決方案，其中地面監(jiān)視雷達(dá)（GroundSurveillance Radars，GSR）、光電系統(tǒng)、無人照應(yīng)地面?zhèn)鞲衅鳎║nattended Ground Sensor, UGS）和其他傳感器通過一個一站式控制系統(tǒng)集成在一起。所有的傳感器和組件都為便攜式，每個可由一或兩人攜帶且為自持式，包含定位/校準(zhǔn)、電池電源以及通信措施。

泰勒斯手冊在它的MUSEC2控制系統(tǒng)中稱該系統(tǒng)可以集成16個雷達(dá)和16個光電傳感器，并帶顯示器和雷達(dá)、UGS、光電及其他傳感器數(shù)據(jù)疊加，且對所有傳感器可控，還可像對那些傳感器一樣給相機(jī)提供信息。士兵攜帶的MRS傳感器探測距離為5英里，輕型車輛安裝的傳感器可達(dá)7英里，大型車輛安裝的傳感器可達(dá)近10英里。

在美國，STARA技術(shù)公司的車載監(jiān)視系統(tǒng)提供了一個基于桅桿的多傳感器負(fù)載，能夠針對作戰(zhàn)與不同用戶的傳感器需求，進(jìn)行定制化，包括光電/紅外、地面移動目標(biāo)指示（Ground Moving Target Indicator，GMTI）雷達(dá)和通用態(tài)勢圖（CommonOperational Picture，COP）。

STARA的官員稱，“VMSS是一個多傳感器、桅桿安裝的持久監(jiān)視平臺，用于探測與確認(rèn)敵意或外來物體。靈活的設(shè)計實現(xiàn)了在大范圍的商用和/或軍用車輛上（包括皮卡車、SUV、戰(zhàn)術(shù)車輛等）進(jìn)行設(shè)備安裝。”

可選的機(jī)上操作員工作站可對整個戰(zhàn)場系統(tǒng)進(jìn)行控制，融合了移動地圖顯示與自動工具（如轉(zhuǎn)換提示、報警區(qū)域和記錄/回放）以輔助擁堵環(huán)境的威脅優(yōu)先級劃分。每個VMSS都可獨(dú)立運(yùn)行，或與其他設(shè)備無線連接，構(gòu)成一個高度靈活的移動監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)。

同時，隨著3-5微米中波紅外和8-12微米長波紅外波段內(nèi)先進(jìn)識別焦平面陣列技術(shù)的發(fā)展，通過使用大量半導(dǎo)體材料與焦平面陣列（FPA）架構(gòu)，雷聲視覺系統(tǒng)公司正在研發(fā)下一代光電/紅外探測器。

雷聲公司的官員在2014年1月公司發(fā)布的《今日技術(shù)》雜志中稱，“這些包括先進(jìn)III-V1半導(dǎo)體應(yīng)變層超晶格（SLS）FPA、II-VI2半導(dǎo)體碲鎘汞（HgCdTe）雙波段FPA以及使用微米微電子機(jī)械系統(tǒng)（Micro-electromechanicalSystems，MEMS）的非制冷輻射熱計FPA。以上的每一種FPA技術(shù)應(yīng)用于不同的任務(wù)需求，正在研發(fā)的方向不僅要增加傳感器性能，還在于降低制造難度與成本?！?/p>

工作溫度更高的中波紅外FPA對于減小制冷系統(tǒng)的SWaP是有優(yōu)勢的。出于這個原因，基于分子束外延的砷化銦/銻化鎵（InAs/GaSb）SLS帶隙設(shè)計隔離器結(jié)構(gòu)正在設(shè)計高工作溫度的FPA。目的是研發(fā)出具有傳統(tǒng)III–V砷化銦技術(shù)制造優(yōu)勢的材料，但也要有碲鎘汞的工作溫度優(yōu)勢，這些因素加起來對于采用SLS材料制造的FPA可提高其性能，增加產(chǎn)量，且降低成本。

美國軍事指揮官和戰(zhàn)場士兵看到了近年來光電/紅外傳感器的進(jìn)展，且提出了更高的要求。

Blueforce公司的赫爾弗里希說，“可以確定的是要范圍更遠(yuǎn)、距離精度更高、微光觀測能力更強(qiáng)，還需要提升技術(shù)，利用非人工分析、虛擬絆線和觸發(fā)盒能力等。士兵需要監(jiān)測更多的地面和空中機(jī)器，所以自動化與分析的需求很多。且關(guān)聯(lián)圖像與地面打擊的需求也很高，從而獲取更加深入的精確信息。”

在2014年5月8日約旦安曼的特種作戰(zhàn)部隊展會上，位于土耳其首都安卡拉的一家土耳其軍方附屬公司Aselsan A.S.宣布了它與中東侯賽因國王設(shè)計和開發(fā)署（King Abdullah Design andevelopment Bureau，KADDB）的合作會加強(qiáng)他們與約旦軍方的聯(lián)系。這將會包括Aselsan公司的邊界監(jiān)視系統(tǒng)，采用先進(jìn)的Aselsan雷達(dá)地面監(jiān)視車輛和光電裝置（制冷熱像儀、白晝可見光相機(jī)、激光測距機(jī)）作為主要傳感器。

賽萊克斯伽利略公司的Gyrocam 15英寸三重傳感器系統(tǒng)安裝于一臺國際MaxxPro防地雷反伏擊車上（MRAP），此車用于意大利軍方的聯(lián)合作戰(zhàn)中。Gyrocam 15英寸三重傳感器可安裝在幾乎所有的陸地車輛的桅桿上，進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視。

ASELSAN公司表示，“這些系統(tǒng)集成了ASELSAN公司的軟件，聲音和數(shù)據(jù)可以由軟件定義的廣播傳播。選項包括許多其他通信與傳感器子系統(tǒng)的集成。公司擁有可適應(yīng)與模塊化的系統(tǒng)解決方案，可根據(jù)出現(xiàn)的威脅、任務(wù)需求和操作場景在對用戶的需求進(jìn)行分析后進(jìn)行系統(tǒng)定制化?！?/p>

2014年，國家研究委員會發(fā)布了一份報告，評述了主動光電系統(tǒng)在不危害美國安全方面的進(jìn)展——《激光雷達(dá)：主動光電感知進(jìn)展與機(jī)遇》一文報道了主動光電系統(tǒng)的一個潛在應(yīng)用，即生成3D圖像，為無人車輛提供更大范圍的態(tài)勢感知。

“主動光電感測已做好準(zhǔn)備，要打破商業(yè)、軍事及情報行動的平衡，就像雷達(dá)在過去70年所做的一樣。傳統(tǒng)雷達(dá)與主動光電感測這一相近的類比可引導(dǎo)主動光電感測的發(fā)展?！眻蟮婪Q，“許多雷達(dá)技術(shù)對于主動光電感測也是有相似性的，例如先進(jìn)波形與對稱孔徑成像，且這些技術(shù)正在應(yīng)用于主動光電感測。對多種雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用的了解實現(xiàn)了相對短的時間幀內(nèi)更加多樣化的主動光電感測模式。”

以色列ISR巡邏車Granit,裝有先進(jìn)雷達(dá)、傳感器和通信系統(tǒng)

美國引領(lǐng)著高性能主動光電系統(tǒng)在軍事領(lǐng)域的發(fā)展。然而，全球范圍現(xiàn)在都在研發(fā)關(guān)鍵光電技術(shù)。例如，大多數(shù)商業(yè)映射和調(diào)查系統(tǒng)都在美國以外生產(chǎn)，并且“DARPA大挑戰(zhàn)（2004-2005）”中所有的自主車輛都使用了德國SICK公司制造的系統(tǒng)，因為他們更加廉價且實用。在文獻(xiàn)中，歐洲已經(jīng)展示了多類型軍用傳感器領(lǐng)域的強(qiáng)大能力。比起美國競爭者，許多非美國的組件激光器和探測器技術(shù)在商用和高端主動光電傳感器領(lǐng)域要更加先進(jìn)。

應(yīng)注意到，激光照射器、敏感寬帶探測器和快速數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域近期的發(fā)展“正在促使主動光電感測為映射、目標(biāo)定位、自控機(jī)器人、環(huán)境監(jiān)測、天氣預(yù)測和情報收集等領(lǐng)域帶來革命性的發(fā)展?！蔽瘑T會將此描述稱作“首要結(jié)論”。

艾姆波音特公司的FCS12火控系統(tǒng)應(yīng)用于瑞典陸軍84毫米CARL GUSTAV M3多用途武器系統(tǒng)（由瑞典薩博動力公司制造）。

主動光電感測是一項迅速崛起的技術(shù)，它應(yīng)用廣泛，覆蓋情報、軍事、科學(xué)與商業(yè)領(lǐng)域。此技術(shù)有潛力改變這些領(lǐng)域的平衡。研發(fā)與應(yīng)用主動光電感測的興趣在其他國家也被激發(fā)起來，威脅到了美國的引領(lǐng)地位，甚至在某些情況下美國已經(jīng)不再領(lǐng)先了。

Blueforce公司的赫爾弗里希表示他同意這一說法，但美國許多先進(jìn)的技術(shù)真正從實驗室走向了戰(zhàn)場，包括商業(yè)貨架產(chǎn)品，而這些產(chǎn)品使用的方式是其他極少國家可以比擬的。

“我見過很多代傳感器，現(xiàn)在我見到的是傳感器與不同觀測距離的圖像設(shè)備間更加緊密的聯(lián)合。他們在無人照應(yīng)地面車中緊密耦合了商業(yè)貨架產(chǎn)品的性能，小型規(guī)格、更小的光學(xué)系統(tǒng)、更小傳遞信息的通道、傳遞數(shù)據(jù)的方式與數(shù)據(jù)格式更加自由、標(biāo)準(zhǔn)化而且專有化?！焙諣柛ダ锵Ｕf，“所以我們看到東西變得更小，傳輸數(shù)據(jù)的方式更多，互操作性更強(qiáng)。之前使用的是銥，然后是通信衛(wèi)星，使用傳統(tǒng)射頻光譜的地面?zhèn)鞲衅鳎F(xiàn)在有更多的地面寬帶選用方式，以及LTE、4G等。并且公司將無人照應(yīng)地面車做的越小，開放標(biāo)準(zhǔn)的使用就越多。”

對于未來，“我們不得不繼續(xù)縮小尺寸，對無人值守的應(yīng)用，功耗效率必須提高?！焙諣柛ダ锵Ｕf道，“編碼器所做的壓縮仍要使我們丟失一些圖像分辨率。如果可以減小數(shù)據(jù)流大小且保持圖像質(zhì)量，對通信的要求就會放寬?！?/p>

對于可能會導(dǎo)致相機(jī)拍照或打開通信系統(tǒng)的傳感器，特別是選擇了錯誤設(shè)備的信號探測器，對其寬度與種類需要有額外的考慮。所以，以服務(wù)為導(dǎo)向的架構(gòu)可以與光電傳感器集成，成為“系統(tǒng)中的系統(tǒng)”。

許多人稱最初用于保護(hù)美國優(yōu)勢的技術(shù)限制現(xiàn)在反而令美國在戰(zhàn)斗中失去了優(yōu)勢。UTC航天系統(tǒng)的馬丁也回應(yīng)了這一擔(dān)憂。

DARPA使用QinetiQ TALON IV履帶式地面無人車攜帶多種傳感器負(fù)載作為自主地雷探測系統(tǒng)，用以探測、標(biāo)記并消除爆炸危害。

馬丁認(rèn)為，“我們會持續(xù)看到美國公司共同研發(fā)方案以建立這些系統(tǒng)，總的來說，我們擁有一個非常強(qiáng)大的工業(yè)與技術(shù)基礎(chǔ)，但I(xiàn)TAR可能是個大問題，它并沒有保護(hù)美國技術(shù)，而僅僅是鼓勵別國發(fā)展自己的技術(shù)。雖然這相比于美國預(yù)算來說不算一個大投資，但它仍然創(chuàng)造了一個受保護(hù)的市場，而我們不能進(jìn)入?！?/p>

我們見過到很多與短波紅外的類似情況，成為軍品清單上受保護(hù)的一項，這給商業(yè)應(yīng)用帶來了很大挑戰(zhàn)。這意味著必須完全依靠軍事預(yù)算來推動技術(shù)進(jìn)步。而當(dāng)我們在其他地方需要優(yōu)于現(xiàn)有的技術(shù)時，就需要很大的資金支持，而且這一問題現(xiàn)在變得愈加嚴(yán)重了。