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(tái)。陸基平臺(tái)對(duì)于士兵們最具難度也最具時(shí)效價(jià)值，他們要依賴這些快速變革的技術(shù)來更好地應(yīng)對(duì)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(dòng)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(dòng)型，它能感知目標(biāo)發(fā)射或反射的能量；第二類是主動(dòng)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(hào)，探測閃光（如槍口焰）、由移動(dòng)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(duì)短的紅外波與可見光，主動(dòng)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(dòng)光電系統(tǒng)比起被動(dòng)光電系統(tǒng)的另一個(gè)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(gè)或三個(gè)波段，有時(shí)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(duì)自相摧毀的激光定位與解碼。鎖定目標(biāo)并對(duì)其實(shí)施打擊且要減少自相摧毀這一時(shí)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(gè)大變化就是微光成像敏感度更高且動(dòng)態(tài)距離更遠(yuǎn)，特別在想要對(duì)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。”馬丁還表示，“這是使用短波紅外的一個(gè)推動(dòng)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(jì)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(shí)驗(yàn)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(duì)一些模型的處理方法。”

DARPA的自適應(yīng)傳感器系統(tǒng)（ADAPT）項(xiàng)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(jì)制造工藝將無人照應(yīng)傳感器轉(zhuǎn)化為軍用型。

邁克爾?赫爾弗里希看到了毫米波紅外技術(shù)在進(jìn)攻和防御領(lǐng)域的應(yīng)用。從防御的角度講，它對(duì)綜合基地防御很有用，對(duì)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?yàn)楹笳呖蓪?duì)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(duì)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(shí)驗(yàn)室獲得的同時(shí)，許多潛在對(duì)手也能獲得了。

《戰(zhàn)略防御情報(bào)》在一篇關(guān)于“2014至2024全球軍用光電/紅外市場”的報(bào)道中預(yù)測，到2014年底，該市場會(huì)達(dá)到73億美元，而到2024年會(huì)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(duì)和特種作戰(zhàn)司令部（Special OperationsCommand，SOCOM）是不同的。但用戶對(duì)未經(jīng)驗(yàn)證的新型好產(chǎn)品也會(huì)有一些抵觸。

馬丁表示，“一旦當(dāng)人有某種能力，他絕不會(huì)希望這種能力被剝奪。所以，如果某人有一個(gè)光電長波傳感器，他不會(huì)允許你將之帶走，除非你能提供一個(gè)更好的，要體積更小、更廉價(jià)且性能更強(qiáng)。因此，我們也一直致力于實(shí)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(jià)都要更低一些?！?/p>

“海軍更愿意冒險(xiǎn)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(shí)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(shí)的高科技夜視鏡（NVGs）問世，美國陸軍與海軍陸戰(zhàn)隊(duì)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(jià)手機(jī)來探測照明器后，這一情況改變了。擁有非對(duì)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(shí)現(xiàn)這一目的主要方式，并且以更小的SWaP封裝去實(shí)現(xiàn)將會(huì)是系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)很大的驅(qū)動(dòng)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)?！?/p>

使用長波紅外、夜視鏡或僅微光系統(tǒng)的時(shí)代即將結(jié)束。當(dāng)你打開夜視鏡照射器的時(shí)候，很可能就相當(dāng)于打開了閃光燈，因?yàn)閹缀跛腥硕伎梢钥吹剿鼈?。所以工業(yè)制造的趨勢是更小、更輕、更廉價(jià)，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(shí)別、辨認(rèn)和探測能力，且同時(shí)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(jì)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(gè)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(duì)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(gè)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(gè)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(gè)雷達(dá)和16個(gè)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(duì)所有傳感器可控，還可像對(duì)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(gè)基于桅桿的多傳感器負(fù)載，能夠針對(duì)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(dòng)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(gè)多傳感器、桅桿安裝的持久監(jiān)視平臺(tái)，用于探測與確認(rèn)敵意或外來物體。靈活的設(shè)計(jì)實(shí)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?！?/p>

可選的機(jī)上操作員工作站可對(duì)整個(gè)戰(zhàn)場系統(tǒng)進(jìn)行控制，融合了移動(dòng)地圖顯示與自動(dòng)工具（如轉(zhuǎn)換提示、報(bào)警區(qū)域和記錄/回放）以輔助擁堵環(huán)境的威脅優(yōu)先級(jí)劃分。每個(gè)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(gè)高度靈活的移動(dòng)監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)。

同時(shí)，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(shí)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(jì)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。”

工作溫度更高的中波紅外FPA對(duì)于減小制冷系統(tǒng)的SWaP是有優(yōu)勢的。出于這個(gè)原因，基于分子束外延的砷化銦/銻化鎵（InAs/GaSb）SLS帶隙設(shè)計(jì)隔離器結(jié)構(gòu)正在設(shè)計(jì)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(duì)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(dòng)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?！?/p>

在2014年5月8日約旦安曼的特種作戰(zhàn)部隊(duì)展會(huì)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(jì)和開發(fā)署（King Abdullah Design andevelopment Bureau，KADDB）的合作會(huì)加強(qiáng)他們與約旦軍方的聯(lián)系。這將會(huì)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(tái)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(xiàng)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(duì)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(huì)發(fā)布了一份報(bào)告，評(píng)述了主動(dòng)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(dòng)光電感知進(jìn)展與機(jī)遇》一文報(bào)道了主動(dòng)光電系統(tǒng)的一個(gè)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(dòng)光電感測已做好準(zhǔn)備，要打破商業(yè)、軍事及情報(bào)行動(dòng)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(dòng)光電感測這一相近的類比可引導(dǎo)主動(dòng)光電感測的發(fā)展?！眻?bào)道稱，“許多雷達(dá)技術(shù)對(duì)于主動(dòng)光電感測也是有相似性的，例如先進(jìn)波形與對(duì)稱孔徑成像，且這些技術(shù)正在應(yīng)用于主動(dòng)光電感測。對(duì)多種雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用的了解實(shí)現(xiàn)了相對(duì)短的時(shí)間幀內(nèi)更加多樣化的主動(dòng)光電感測模式?！?/p>

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(dòng)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?yàn)樗麄兏恿畠r(jià)且實(shí)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(dòng)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(dòng)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(bào)收集等領(lǐng)域帶來革命性的發(fā)展?！蔽瘑T會(huì)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(dòng)力公司制造）。

主動(dòng)光電感測是一項(xiàng)迅速崛起的技術(shù)，它應(yīng)用廣泛，覆蓋情報(bào)、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(dòng)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(shí)驗(yàn)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。”赫爾弗里希說，“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?，而現(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?！?/p>

對(duì)于未來，“我們不得不繼續(xù)縮小尺寸，對(duì)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(duì)通信的要求就會(huì)放寬?！?/p>

對(duì)于可能會(huì)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(cuò)誤設(shè)備的信號(hào)探測器，對(duì)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(huì)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(gè)非常強(qiáng)大的工業(yè)與技術(shù)基礎(chǔ)，但I(xiàn)TAR可能是個(gè)大問題，它并沒有保護(hù)美國技術(shù)，而僅僅是鼓勵(lì)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(gè)大投資，但它仍然創(chuàng)造了一個(gè)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(xiàng)，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(dòng)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(shí)，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。