光電微型傳感器負載在有人及無人車中的應用

微型傳感器已經成為戰斗中士兵們寶貴的眼睛和耳朵，它們可搭載于航天系統、有人機、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來更好地應對尺寸、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量及態勢感知能力。

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

通過使用相對短的紅外波與可見光，主動光電系統比起標準雷達，角度分辨率超過2萬倍且距離精度更高。主動光電系統比起被動光電系統的另一個優勢在于它可以控制環境（其中的目標自身不發光）光照。

“目前我們面臨的首要問題是由單波段向多波段系統的轉變，系統包含二個或三個波段，有時是將其融合而非在其間切換。”UTC航天系統公司業務發展主管塔拉·馬丁說道，“我們遇到更多的另一種需求是應對自相摧毀的激光定位與解碼。鎖定目標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。”

“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距離更遠，特別在想要對黑暗陰影區域或明亮光源周圍進行觀測的城市區域。”馬丁還表示，“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。”

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

Blueforce研發公司的創始人兼首席執行官邁克爾·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開始大面積出現。即使是在早晨的弱光條件下，此種圖像的距離與精度已經改變了我們對一些模型的處理方法。”

DARPA的自適應微型傳感器系統（ADAPT）項目致力于使用類似于商業智能手機產業的初始設計制造工藝將無人照應微型傳感器轉化為軍用型。

邁克爾?赫爾弗里希看到了毫米波紅外技術在進攻和防御領域的應用。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），因為后者可對大區域遠距離，甚至是極低光照條件下進行良好探測。

隨著預算資金越來越緊，軍方用于尖端科研的經費下降，這增加了對商業貨架產品（COTS）的依賴。但在全球市場經濟下，商業貨架產品不受美國技術類貿易管制，如國際武器貿易條例（InternationalTraffic in Arms Regulations，ITAR）。這使得許多最新的技術在美國軍方和商業實驗室獲得的同時，許多潛在對手也能獲得了。

《戰略防御情報》在一篇關于“2014至2024全球軍用光電/紅外市場”的報道中預測，到2014年底，該市場會達到73億美元，而到2024年會升至100億美元。

陸軍與海軍

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

馬丁表示，“一旦當人有某種能力，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微型傳感器，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。因此，我們也一直致力于實現它，例如智能集成微型傳感器（不增加SWaP且仍提升性能）。但在目前的政府預算條件下，出價都要更低一些。”

“海軍更愿意冒險去嘗試新技術，而陸軍更愿意采用現有的技術。遺憾的是，海軍沒有能力及預算支持研發制造自身的微型傳感器，所以通常只能從陸軍購買。特種作戰司令部愿意將秘密任務以外的解決方案中80-90%采用最新最好的技術。雖然他們能夠使最好的技術發揮最大的作用，但特種作戰司令部的科研經費有限，并且他們的想法比預算更宏大。”

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

在20世紀80年代和90年代，隨著當時的高科技夜視鏡（NVGs）問世，美國陸軍與海軍陸戰隊都可以稱得上“占據夜晚”。但到20世紀末，技術進展使得唯有掌握最新的技術，才能在微光作戰中占據優勢。

“美國軍方長期以來一直以‘占據夜晚’引以為豪，但當所有人都擁有夜視鏡以及廉價手機來探測照明器后，這一情況改變了。擁有非對稱優勢十分重要，但我認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這一目的主要方式，并且以更小的SWaP封裝去實現將會是系統發展的一個很大的驅動因素。在未來的五到十年，我認為所有系統都將是多微型傳感器的混合系統。”

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

Blighter Scout監視系統，帶有輕型電子掃描雷達和設計用于邊界安全熱點區域及其他相似安全應用的快速部署相機監視系統。

此種情況下，微型傳感器融合適用于有人及無人地面車系統、單兵攜帶或戰場固定系統，融合還能用于集齊由這些系統收集的數據。但這是一個全球范圍都很關注的領域，正如德國泰勒斯國防安全系統公司現在研發的背負式熱偵查系統（輕型監視裝置）所展示的那樣。

泰勒斯集團的官員稱，“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備，或需要使用非常小的車輛（沙灘車、雪車等）進行運輸。然而，這些非常小的用戶越來越需要復雜精密監視設備來完成各種作戰任務以及保護邊界或自衛使用。”

MRS是一種集成的、模塊化的可擴展解決方案，其中地面監視雷達（GroundSurveillance Radars，GSR）、光電系統、無人照應地面微型傳感器（Unattended Ground Sensor, UGS）和其他微型傳感器通過一個一站式控制系統集成在一起。所有的微型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、電池電源以及通信措施。

泰勒斯手冊在它的MUSEC2控制系統中稱該系統可以集成16個雷達和16個光電微型傳感器，并帶顯示器和雷達、UGS、光電及其他微型傳感器數據疊加，且對所有微型傳感器可控，還可像對那些微型傳感器一樣給相機提供信息。士兵攜帶的MRS微型傳感器探測距離為5英里，輕型車輛安裝的微型傳感器可達7英里，大型車輛安裝的微型傳感器可達近10英里。

在美國，STARA技術公司的車載監視系統提供了一個基于桅桿的多微型傳感器負載，能夠針對作戰與不同用戶的微型傳感器需求，進行定制化，包括光電/紅外、地面移動目標指示（Ground Moving Target Indicator，GMTI）雷達和通用態勢圖（CommonOperational Picture，COP）。

STARA的官員稱，“VMSS是一個多微型傳感器、桅桿安裝的持久監視平臺，用于探測與確認敵意或外來物體。靈活的設計實現了在大范圍的商用和/或軍用車輛上（包括皮卡車、SUV、戰術車輛等）進行設備安裝。”

可選的機上操作員工作站可對整個戰場系統進行控制，融合了移動地圖顯示與自動工具（如轉換提示、報警區域和記錄/回放）以輔助擁堵環境的威脅優先級劃分。每個VMSS都可獨立運行，或與其他設備無線連接，構成一個高度靈活的移動監視網絡。

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

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