光电传感器技术和应用

光电传感器”这个术语涵盖了广泛的传感器技术和应用。从根本上讲，光电传感器是将光或 光的变化转换为电子信号，并对其进行分析以触发预设响应的电子探测器。
任何光电传感器的能力都源于对分辨率与灵敏度的结合和像素化这两个基本限制之间的平衡。分辨率表示可以有效看到多小的物体，灵敏度意味着信号在被环境噪声淹没之前可以有多暗。像素化则是指传感器图像的采样。
每个部分的重要性取决于最先进的技术和使用传感器所要完成的任务。例如，弹道导弹防御中包含的导弹发射探测系统就是在杂乱的背景中寻找极其明亮的光点。
时任美国导弹防御局（MDA）行政副主任 J.D. Syring在2017年6月向众议院军事委员会战略部队提出，“随着各国通过增加射程、采用弹道导弹防御（BMD）对策持续改进导弹，使其复杂性、存活性、可靠性和精确性更高，因此弹道导弹的威胁越来越复杂。”,威胁控制继续得到发展和部署。虽然最早从第二次世界大战起就提出了高超音速滑翔式飞行器和非弹道导弹的设想，但只有当下的技术进展才能使这些系统变得切实可行。2016年俄罗斯和中国 都宣布成功发射了高超音速滑翔式飞行器。
由于导弹发射探测系统可能基于陆地、海洋、空中或太空，许多导弹防御倡导者呼吁增加轨道传感器，以提供其他种类的传感器所无法比拟的全天候昼夜全球监视，尤其是在目标发射中心位于像朝鲜这样被封锁的深空领域时。
红外的重要性
战,略与国际研究中心的国际安全项目高级研究员兼该中心导弹防御计划负责人 Thomas Karako说道：“弹道导弹防御的具体任务是探测、跟踪和识别。首先在跟踪威胁蜂群时红外线发挥了大部分作用，这是因为分解目标需要不同的技术才能识别清楚，以便拦截器与最具威胁性的目标相撞并避开其余部分。这才是识别挑战。”,K,arako 表示，考虑到目前的威胁现状，最重要的是在新一代技术出现前做好切实可行的导弹探测传感器部署。“从政策的角度看，最重要的是，我们不要为了等待最好的技术而阻碍次好技术的研究与发展。获取天基传感器并不是真正的技术问题，而是政治与成本问题。当前的技术已足够实现一个强大的天基导弹防御层，无需等候更先进的技术出现。”,他补充道，天基传感器层是本世纪20年代弹道导弹防御中最重要的一步，可应对新导弹时代的演变，不仅是弹道，还涉及到高度和射程的各个方面。天基传感器层提供了更好的有利位置、更强的持久性以及从另一种不同视角来看待中途发射的导弹所产生的威胁云。
轨道（LEO）的红外卫星可从侧面观察威胁云，不仅观察弹头和其他目标的雷达横截面，还观察与空间冷背景形成对比的热量特征。将地面雷达与上面轨道运行的光电传感器相结合会极大 帮助拦截器找到目标。
K,arako 说道：“从做决定到全面部署还需要多年时间，因此更加有理由从现在就开始行动起来。目前我们的系统主要基于雷达，因此需要增加系统性能，来争取更多时间获取额外的能力以应对包括大型洲际弹道导弹（ICBM）在内的各种威胁。”,我们将需要利用各种传感器组合多种解决方案。现在我们受限于严重依赖陆基雷达这一种技术，”Karabo 继续说道：“随着各类威胁出现一定会发生变化，我们需要向前迈进以增加技术多样性和应对能力，以多种能力来应对当前的威胁以及未来可能出现的威胁。任何单系统都不可能单打独斗，而是需要组合多种系统来应对。”,2017 年 4 月，美国海军团队在马里兰州帕图森河海军航空站进行的航空无人驾驶任务控制系统 （UMCS）演示期间模拟了未来 MQ-25 的作战,多弹头摧毁
位于美国佛罗里达州奥兰多市洛克希德·马丁导弹火控公司的先进拦截系统项目主管 Bruce Jurcevich 表示，按照上述规划，目前的一个努力方向是降低导弹防御局的多目标拦截器（MOKV）技术风险计划，它将使用最新的光电技术来提高系统的可靠性，并同时降低其总成本。
Jurcevich说：“光电传感器的技术进步可能会缩短多源信息融合的响应时间，提高导弹防御应用中的存活性和可靠性。”,洛克希德·马丁公司、雷声导弹系统公司以及波音防务、航空和安全公司这三家承包商与美国导弹防御局签订合同，定义 MOKV 概念验证原型机、展示风险缓解步骤、评估其概念的技术成熟度，以及对使设计风险最小化的技术进行排序。
“在过去的10年中，光电传感器的材料和可生产性都得到改进，波长更长、光谱响应能力更好，且成本更低，Jurcevich 说道。“展望未来，我认为我们将继续聚焦在降低光电传感器的成本上。与此同时，还将提升人工智能、多感官数据处理的机器学习、传感器融合、自治系统管理以及更宽的光谱容量。” 
“最先进的红外传感器具有多种格式尺寸，由多种材料及合金制成，可在短波与长波传感器的所有光谱波段中运行，具有极低的背景噪声，”Jurcevich 介绍，“紫外线传感器采用了多种先进的基质材料，可以利用光电二极管、光电池和倍增管探测器测量紫外线辐射，并针对辐照度测量对光谱响应、噪声和暗信号进行优化。”,2017 年 4 月，战略与国际研究中心发布的《2020 年导弹防御：保卫祖国的下一步》报告中，Karako与其合作者Ian Williams和Wes Rumbaugh 指出,“没有比传感器和指挥控制系统更好的导弹防御系统了，它能确定威胁的位置并指导如何除掉威胁”,“虽然拦截器往往能激发人们的想象力，但传感器是导弹防御作战中被低估的支柱力量。从早期预警、跟踪、火控、识别和毁伤评估来看，整个拦截周期都需要传感器。国土导弹防御依赖于来自各种陆基和海基雷达以及高空卫星的传感器信息。” 
命令和控制
道导弹防御传感器将有关目标的信息提供给位于科罗拉多州斯普林斯 Schriever 空军基地的陆基中段防御（GMD）火控部件。在命令、控制、战斗管理和通信（C2BMC）软件的支持下，系统通过飞行中拦截器通信系统（IFICS）数据终端（IDT）将此信息集成并传输给飞行中的陆基拦截弹。
美,国弹道导弹防御工作的天基部分包括持续近半个世纪的对地球同步（GEO）轨道中红外卫星进行系统排列的国防支援计划（DSP），地球同步和高椭圆轨道天基红外系统（SBIRS）。该系统于 2006 年发射进入高地球轨道，2011年进入地球同步轨道，取代了 DSP 和低地面轨道（LEO）可变 波段红外空间跟踪和监视系统演示器（STSS-D），旨在从太空提供持续深入的导弹传感器覆盖。STSS-D 于 2009 年推出，但尚未完全集成。
利用光电传感器探测和跟踪导弹发射的天基、陆基和海基系统的组合在 2017 年 5 月进行了演示，用于对抗从西太平洋夏威夷和关岛之间的瓜加林环礁发射的洲际弹道导弹目标。一个陆基拦截弹（GBI）最初在传感器融合数据的引导下，从加州中部的范登堡空军基地发射。一旦进入太空，GBI 就会释放一个大气层外杀伤飞行器（EKV）。
这是EKV的模块Ⅰ新功能增强 2 的第一轮完全拦截测试，该测试利用其自身的机载光电传感器定位并撞击目标。这是通过陆基拦截弹或任何其他弹道导弹防御系统（BMDS）部件对洲际弹道导弹进行的首次拦截。”,美国导弹防御局新的研发工作包括天基毁伤评估（SKA）实验计划，以确定使用商用卫星有效载荷将传感器送入轨道的可能性。由美国约翰霍普金斯大学应用物理实验室研发并放置在商业卫星网络上的传感器将评估导弹拦截成功的概率并向战士传递信息，改进射击原则，确保不向已被消除的威胁发射额外的拦截器。
美国陆军“红隼眼”卫星部署在国际空间站上。光电纳米卫星将使战术领导者能够同步行动，抓住主动权并保持近乎实时的态势感知,传感器越多越好
战略与国际研究中心的报告指出，“长期以来对传感器的需求是从尽可能多的不同的有利位置、用尽可能多的技术或现象学配备尽可能多的传感器，然后将其输入数据进行有效集成并通过集中指令和控制网络理解输入数据。传感器的重要性不容小觑。传感器的改进可能是提高杀伤力、提高有效弹匣容量并让防御能力更强大的最佳途径之一。正如一项研究所观察到的，传感器的冗余是另一个分层的形式。”,“在高空没有天基传感器运行的情况下，国土导弹防御任务仅依靠地面雷达进行跟踪和识别，”该研究继续写道。“这给传感器网络带来了更大的负担，使其在来袭导弹的威胁云内识别物体变得更加困难，因此需要攻击云中的更多物体以确保弹头被摧毁。这反过来意味着要向单一威胁云上发射更多的拦截器，从而降低了陆基拦截弹弹药库的有效容量。”,半个多世纪以来，弹道导弹一直是主要威胁，也是光电传感器面临的一项重大挑战,美国导弹防御局的先进技术项目主管 Richard Matlock 表示，美国目前依赖高椭圆轨道天基红外系统（SBIRS）和海基 X 波段雷达，再辅以地面传感器来探测弹道导弹的发射，这样就无法提供所需的持久全球传感器覆盖来应对不断发展的、更具机动性且更复杂的威胁。相反，导弹防御局呼吁建立一个“全球持久的天基传感器阵列”，包括雷达和光电传感器，以便对导弹从发射到终止都进行探测、跟踪和瞄准。
Matlock 说：“重要的是在未来几年内我们从基于地面的系统向主要从太空发挥作用的系统做出 了更广泛的转变。”导弹防御局先进技术项目执行办公室正在寻求改进弹道导弹防御光电传感器的研究途径。其中包括>
识别技术：近期目标是将高空机载或空基光电传感器添加到弹道导弹防御系统（BMDS）架构中，该架构可以获取、跟踪并识别弹道导弹目标。该机构正在研发和测试目前部署在无人机上的传感器。
高级概念和性能评估：“智能买家”方法，使用基于模型的工程工具和技术，评估新出现的导弹防御需求，并分析替代概念和技术，以便了解需求、降低风险并确保具有成本效益的任务解决方案。
高校研究计划：该机构向学院和大学授予合同，以便研发有可能在弹道导弹防御系统中实施的新一代技术。许多技术领域都正在进行研究，包括最大限度地减少碎片的影响、快速响应架构优化、推进、光电传感器和材料表征。
企业创新研究计划（SBIR）：SBIR 利用国家小型科技公司的创新人才。它资助旨在刺激技 术创新的早期研发，扩大在联邦政府研发支持下私营部门的商业化，提高联邦政府资助的研发项目中小企业的参与度，并促进少数族裔和弱势企业参与技术创新。
小企业技术转让计划（STTR）：与 SBIR 结构相似，但 STTR 资助涉及小企业和研究机构的合作研发项目（例如，大学、联邦政府资助的研发中心、非营利研究机构）。STTR 有助于将国家研究机构的想法转移到市场，从而使私营部门和军用领域客户都受益。
美国导弹防御局已经向国会申请 1700 万美元继续进行天基毁伤评估实验，使用快速帧红外传 感器作为综合拦截后毁伤评估能力的一部分。Syring 证实，天基毁伤评估有效载荷于 2016 年12月开始安装在商用主机卫星上，整个网络应在 2018 年进入轨道。
Syring 告诉国会，“我们正在投资雷达并研发先进的光电传感器，以实现一个能最终提供高精 度中段跟踪和识别的多样化传感器架构。” Syring 告诉立法者终端高空防御（THAAD）系统的测试结果——在 15 次测试中成功拦截了 15 次——证明它可以从空中射落弹道导弹，但下一代弹道导弹防御系统需要更进一步，使用新的雷达技术和传感器算法使武器系统不仅可以探测到威胁，还可以了解确切的威胁。
尺寸、重量和功率
尺寸、重量、功耗和成本（SWaP-C）同样影响了光电传感器的未来发展和使用，关键在于小型化和持续研发更持久、更小、更轻的电源系统。
多目标杀伤器（MOKV）项目旨在通过一次导弹发射摧毁多枚来袭的弹道导弹弹头。在一枚助 推火箭上可发射多达六个 MOKV，它部署在太空边缘，可进行转向，并使用单独的动能杀伤飞行器摧毁多枚来袭的弹道导弹弹头和诱饵弹,美国陆军航空和导弹研究、发展与工程中心（AMRDEC）的红外与光学技术实验研发人员 Chris Dobbins 说：“从根本上讲，无论先决条件可能表明什么，SWaP-C 始终是一个驱动因素。因为最终体积、重量和功率将限制传感器的性能，进而影响到整个系统的能力。成本是设计者始终关心的问题，因为成本最终决定了一个项目从成本/效益比率看是否能成功。”,“红外传感器技术在过去的 10 年中发生了巨大的变化。探测器像素尺寸的减小使其已不再成为设计中的限制因素，”Dobbins 介绍，“随着像素尺寸的减小，阵列尺寸已经增加到百万像素领域。由于新型 HOT（高工作温度）材料的改进，探测器的工作温度已经上升。”,光电传感器通常将光探测技术与控制多个光源的软件相结合，在不同角度轰击具有不同光波形的目标。然后分析反射的光波从而对探测到的目标特征进行识别。Syring 告诉国会，导弹防御局特 别关注设计能够区分致命威胁和非致命威胁的传感器算法。
在第三届控制、自动化和机器人国际会议（ICCAR 2017）上发表的论文中，来自海军研究生院系统工程系的两名研究人员 Chee Mun Kelvin Wong 和 Oleg Yakimenko 假定使用无人机（UAV）配备光电传感器探测并跟踪大型洲际弹道导弹的发射。在―利用光电传感器进行火箭发射探测和跟踪论文中表示其最终目标是评估洲际弹道导弹上升的参数，并提供瞄准信息，使攻击无人机进入拦截航线对碰撞杀伤拦截器导弹进行部署。
光电传感器在有人驾驶飞机上也能发挥出新的弹道导弹防御作用。2017 年 4 月，诺斯罗普·格鲁曼公司系统公司赢得了美国海军航空系统司令部（NAVAIR）为大型飞机红外对抗计划签订的价值9950万美元的合同。大型飞机红外对抗系统（LAIRCM）将在各种美国海军和空军飞机上安装基于激光的光电导弹防御系统，以自动探测导弹发射，确定它是否是一种威胁，并激活一个高强度 激光对抗系统来跟踪和击毁导弹。
计划配备大型飞机红外对抗系统的飞机包括 C-5，C-17，C-37，C-40 货机和通用喷气式飞机、 C-130H 和 MC-130W 四引擎通用涡轮螺旋桨飞机、CV-22 倾转旋翼机、KC-46 空中加油机、海军 P-8A 海上巡逻机，和一些大型军用直升机。美国空军的 C-17 和 C-130 飞机将使用早期的临时版本， 包括紫外线传感器、对抗处理器和小型激光炮塔组件。
美国导弹防御局的多目标杀伤器（MOKV）计划利用了光电技术的最新进展来提高系统的可靠性，同时降低总成本,未来的红外系统 
未来红外系统将采用更小的激光转塔，在光学杂波中提供更好的分辨率和性能，以及更大的探测范围。大型飞机红外对抗系统（LAIRCM）被视为飞机防护红外对抗未来研发的先驱，能够探测 来袭导弹并进行分类，然后发出定制的干扰能量将其击败。
朝鲜导弹攻击关岛的威胁已导致世界上第一架武装无人机——通用原子公司 MQ-9“收割者”（Reaper）无人机发挥新的用途。
现在经过雷声公司特殊的多光谱瞄准系统C传感器的改进后，“收割者”无人机将能对朝鲜和 关岛之间的天空进行扫描。使用光电红外传感器探测导弹助推段的热量并利用来自两个或更多个“收割者”的数据，该系统可以对导弹羽流进行三角测量，为美国海军拦截战舰创建 3D 目标数据。
通用原子公司总裁 David Alexander 拒绝给出详细说明，但同时表示公司正在努力提高“收割者”对导弹防御的贡献。“我们只想说在未来的几年内，跟踪能力会有很大的改进。它提供了在早期助推阶段的准确性，这将是颠覆性的。” 
公司还计划将其最初为海军的“无人舰载空中侦察和打击（UCLASS）作战无人机计划”（后被取消）设计的“捕食者”（Predator）C“Avenger”改换用途作为弹道导弹防御平台。正在对Avenger 重 达 3000 磅的大容量武器舱进行改造，以容纳联合技术公司的远程 MS-177A 多光谱传感器系统，该系统目前正在竞争对手诺斯罗普·格鲁曼公司的“全球鹰”无人机上飞行。
Alexander 解释说：“该传感器将非常大，无法真正装在 MQ-9 上，” 并补充说通用原子公司正在研制另一款面向未来的具有“超大孔径的远程传感器，当无人机沿着别国边界飞行的时候，该传 感器可以帮助无人机进行深入探测。”,多光谱瞄准
部署最广泛的光电系统之一是雷声空间和机载系统多光谱瞄准系统（MTS），在过去的 15 年中安装在500多架美国海军飞机上。
该系统的光电全动态摄像系统可实现远程监控和高空采集、跟踪和激光指示。MTS-C 变体包括一个长波红外探测器，用于跟踪冷体，如助推阶段后的导弹和弹头，以及助推阶段期间的导弹和火箭羽流及尾气。
与几乎所有技术要素一样，特别是在需要瞬间军事理解和决策的地方，人工智能至少在部分弹道导弹防御传感器环境中发挥的作用还有待考证。
Dobbins 说道：“在红外传感器刚诞生的时候，信息通常被直接输入显示器，只进行了最小的处理就让用户决定如何使用它。如今超大规模的信息和数组格式要求在用户使用之前完成预先进行处理。”,“对于发射后锁定的导弹，人眼永远不会看到目标图像，Dobbins 补充说道：“导弹不是人工智能，而是一台状态机。它遵循一组基于所呈现内容的操作。简单说，就是通过算法告诉它去这里，张开眼睛，寻找到目标并与目标交战。”,（西安应用光学研究所 张璐 徐航）