美国光电/红外传感器七大特点、性能详解

军事研究学者和行业专家们将多种光电/红外（EO/IR）传感器组合使用，其组合性能远超各部件性能总和，态势感知能力比之前也大幅提升。

纵观战争史，态势感知已成为交战关注的焦点。随着21世纪战场不断朝向网络化、数字化、大数据战场演变，态势感知对于作战者安全和作战胜利的作用比以往任何时候都更加重要。这就是光电和红外传感器应用的舞台。这些传感器及其数据处理器能为军事部署提供前瞻。

军方面临的持续挑战是如何保持光电/红外传感器系统技术领先。面对战术和技术上更加成熟的敌手，美国军方在光电/红外传感器系统的重要性和难度上增加了投入，以保持其技术优势。

海军作战总署长官约翰•理查森在12月美国海军研究所年度防务论坛上讲到，“当你看到潜在性能和交付性能之间存在的差距，这个差距才刚刚开始，目前差距并不明显，可能小到有些时候我们甚至可以说服自己，认为自己做的还不错。但是可以看到，往前走，差距只会呈递增趋势越变越大。”

通常，光电/红外传感器的研发价值仅在真实军事环境演练中才凸显出来。“当技术在研发者手中实现，看到海员投入应用，奇迹发生。”理查森说道，“舰队创造力无比巨大。”

华盛顿海军海上系统指挥部（NAVSEA）海面光电/红外传感系统技术保证官基斯•雷南说，海军舰队认识到了光电/红外传感器的价值，因此其需求越来越大。

雷南说，“海军海上系统指挥部现阶段海上任务的重点工作是多项任务和功能的交叉，如导航、武装防范、水面战、防空和其他保障区域。关键驱动因素是可提供目标昼/夜、大范围监视的光电和红外传感器运动图像，它能提高用户目标辨识、威胁评估及根据交战规则预判意图的能力，并通过自动跟踪保障武器使用，通过瞄准线保障火控方案。传感器还能评价作战效果。”

美国海军的试验性态势感知系统（SAWS）利用置于航空母舰舰岛前、后方的2个光电/红外传感器进行360度侦察。

未来性能

对于未来性能，海军专家正致力于使用新的光电/红外技术提升现有传感器的性能。“态势感知目前发展重点是增强现有传感器的性能（过去主要关注特殊武器用传感器），配上用于态势感知的附加传感器，为船只提高态势感知能力，”雷南表示，“不同船级存在一些差异，但也有相似点。我们正在对传感器标准化做需求分析，以提升其性能并降低整个主舰船的成本。”

传感器正在发展成同时为武器系统和态势感知所用。海军领导层希望将瞄准和监视传感器用于特定作战任务，因此，海军海上系统指挥部正致力于加强上述传感器的态势感知能力，降低特殊用途传感器上的损耗。

“目前，我们的传感器被各种武器系统用作点方案，因此面临如何将传感器集成在舰船作战系统与视频流传输中，例如提升整体互操作性。标准有助于开放式系统内的集成，使传感器和其他的作战系统元件可更好地集成，”雷南说，“如果我们可以将传感器标准化，使用通用模块完成态势感知和作战保障将大有益处。有很多重点工作可以做，例如将系统接口和模块等级标准化，并且将其他的技术更新周期和维护模块标准化，这样它们可以在多个平台和系统中使用。标准化后，有助于实现海军的开放式架构目标，并在使用周期保持竞争力。”

保持技术领先不仅依赖于提高单个传感器技术，更需要将两个或多个传感器集成在一个元件里，融合原始数据，将平台数据处理转化为可用信息，从战场指挥官到单兵，实时分享整套装置的信息。

“我们研发的大方向是在作战网络实现全态势感知。”威尔逊维FLIR系统公司光电/红外监视产品部市场经理的安德鲁•萨克斯顿说，“未来5年中，将会看到每套战场装置的性能发展显著，不仅可以分享指挥中心的视野，还可将之传送到其他战域，我认为（相关传感器）的用途将保持相对稳定，但会使用不同的装置指挥它们。”

缩减尺寸

光电/红外传感器的一个普遍趋势是缩减尺寸、重量和能耗（Size, Weight, and PowerConsumption, SWaP）。“当从更小系统上获得更佳性能，就可以用小型无人机代替大飞机，或用轻型战车代替大型平台。随着更多传感器成为便携式系统后，更多的任务可以在地面而不是在空中完成。距离和操作条件促成的新系统能够让指挥者更灵活地实现目标。”

上述发展的领跑者是光电/红外传感器联合体的新应用，应用范围从海军舰艇到特殊操作员。“光电和红外目前或多或少连在了一起，”贝尔沃堡的美军情报及电子战与传感器项目执行办公室的传感器专家彼得•津斯说，“光电传感器白昼工作，红外传感器昼夜工作，但是光电传感器的观测范围更广；它更具备互操作性。从长期来看，我们关注更好的传感器、更多的传感器融合和辅助目标辨识（Aided TargetRecognition，AITR）。持续追求有着更大焦平面阵列（FPA）的分辨率更大、能在防区外距离更远工作的传感器。我对真正新型光学启动持怀疑态度。在这些传感器上加入更大孔径是个难题。”

在军用光电/红外传感器技术中传感器融合是一个大趋势。“所有类型的多传感器融合，以及建立提供非数据产品的软件，是长远发展的关键。它和传感器一样成本高昂，也需要更多的人力观测每个传感器。解析更多数据需要缩减原始数据和实用信息之间的时间，否则就要投入更多人力。”

几个主要合同商搭建了种类繁多的平台，融合了大量的焦平面阵列、光电/红外传感器、不同的帧速率、以及许多喷涌大量数据的通道。如柯蒂斯-莱特防务公司此类的一些公司在分系统建立了数字信号处理高性能嵌入式计算模块，用于捕获数据，通常为预数字化，一些是以高带宽格式。一些公司购买了独立模块，一些公司预装了分系统。

传感器处理

“通常没有一种处理技术适用于所有应用，” Curtiss-Wright防务公司的数字信号部高级产品经理马克·科图雷说道，“最常见的组合是采用现场可编程门阵列（FieldProgrammable Gate Arrays，FPGA），首先抓取光纤流，进行预处理，然后交由通用图表处理装置（General Purpose Graphicsprocessing units，GPGPU）处理—每秒万亿次浮点运算，高吞吐量处理和如Xeon D（认知力更强）的英特尔元件可以分析数据和更改模式，像是一个能够进行处理的指挥器或指挥官。”

美国海军装于航空母舰USS Dwight D. Eisenhower上的态势感知系统使用了2个光电/红外传感器，一个笔记本电脑控制站和多个数字视频录像机提供环舰360度视觉覆盖，用于武装防范、导航、搜索和捕获操作。

需将不同的处理技术进行特殊混和，以处理光电/红外传感器的高分辨率图像快速数据流。“上面提到的是一种“技术组合”，（但）每个应用采取的是现场可编程门阵列、图形处理器等的不同的组合。而且不同的主事者倾向于不同的组合，”科图雷说，“防务中最常见的封装是VPX。如果需要还可以使用更小封装技术，我们通常采用工业级芯片并使其适应极端温度、不同的振动剖面，并密封防止外来颗粒物。”

陆军同样在为加强战地态势感知做努力。“军队在复杂环境中制胜应充分了解态势，这种理念要求光电/红外传感器执行瞄准任务。还需要更广泛的态势感知，可以用画中画和步距凝视（本质即拼接）来实现。在这里向四周转动传感器并拍摄多幅图像，然后将其拼接，”津斯说，“我们希望今后有集成性更好的负载。可能有覆盖许多不同带宽的传感器，但有一些AITR带有的软件组件可以将输入数据转换成信息，或至少为操作员提供线索。”

技术嵌入

军方在近期及中期关注的是升级原有的平台和系统。研发预算困难促使陆军向外寻求合作实验室，以求得好的想法并开发最终可以获得转让的技术。

“我们已经从快速反应力操作模式转移，这种模式会导致更长时间帧去研发技术。光远端控制器（ORC）是战地急需的产品，而且在布什时代，有经济实力去解决死亡问题，”津斯说。

随着军用技术的增加，许多来自商业领域的尖端研究迎面而来，它们进行了调整以迎合战争需要，但是较之前更为先进，比特制的军用硬件设施反应更快。制造新系统，使战场士兵易于使用且直观，密切合作是关键。

“对更高分辨率、更稳定和更好成像性能的要求从未间断。英特尔那些系统的新趋势之一是提供高清图像之外的东西。我们的技术不仅仅是看见一幅清晰的图。而是实现由野外装备做其他决定，” FLIR公司的萨克斯顿说道，“我们的机载、便携式和车载系统为操作员提供精确的目标定位，他们可以与地区指挥官分享这些信息。”

装在Augusta Westland公司AW189直升机上的SAFIRE 380-HD

光电/红外传感器吊舱

首先是在商业领域开发了用于广泛部署的高清成像技术。“在军方广泛采用之前，高清成像出现在电子消费产品领域，但是目标的高清热成像是一项更难的技术。”萨克斯顿说道。“去年我们推出了一台装配来福枪的高清热像仪HISS-XLR，以前这种性能只有高端机载和车载级别，而目前士兵就能使用。”

海军海上系统指挥部专家已经检验了宽视场分布式孔径传感器和持续360度监视的潜在性能。包括了大格式、小像素焦平面阵列技术，拼接传感器图像，集成宽视场传感器和更常规的传感器用于远距离目标识别和分类。

增大视场

“使用宽视场的目的是加入自动探测和多目标跟踪性能以获取更广的态势感知，用于武器系统和作战保障。在它们和窄视场传感器之间加入宽视场和互操作性有一个大的优点，后者可进行更近距离的识别、威胁评估、判别虚假报警等等。”NAVSEA的雷南说，“我们的另一个关注点是采用短波红外传感器改进可见波传感器在海上的性能表现，协助抗衡退化的视觉环境。以及用作带内激光成像，”雷南继续说道，“图像将缓解一些工作负荷并提升在嘈杂环境的态势感知，有了那些图像，我们就能了解它们的管理与显示方式以避免信息超载。”

如沿海岸线和港口内的舰艇所遭受的攻击所证，海上态势感知不仅限于雷达对敌机的扫描或声纳对潜艇的探测。这对于设计用于执行昼/夜离岸、近岸和岸上任务的下一代气垫船尤其正确。气垫船操作员在这些任务环境中必须有最高级别的态势感知，不仅包含当日能见度，还有浪花、高湿度、雾、烟，甚至沙子和灰尘。目前的雷达、夜视仪和视觉手表“三套车”—二战之后相对没有变化—在海军的气垫登陆艇（Landing Craft, Air Cushion, LCAC）上，不再能满足要求，海军急于为这种登陆艇去寻求新持久的、费用低的光电/红外成像元件。

根据2015海军一则宣传通告，“光电/红外系统（或近似超光谱成像传感器）通过辨别陆地地形、海洋及航道特征和接触点，例如在平面雷达性能受限的近海岸区域的小型船只和巡逻艇，能极大地提高操作员态势感知。” “带有热对比度的超光谱成像系统，例如光电/红外传感器，可以探测和识别表面接触和海滩陆地威胁，这些威胁的雷达特征非常弱。”光电成像、红外成像、NV系统和激光以及测距工具的组合的独特性能将加强气垫船（Air CushionVehicles, ACV）的作战操作性。

通告中提到，这个系统还可以有双重用途，用于商用气垫船，渡船、领航船或其他在近海岸或岸上活动的船只，还有在岸上执行任务的陆军的内河舰和军用车辆。

征服黑暗

同时，在Fort Belvoir的陆军通信电子研究开发和工程中心的夜视与电子传感器理事会（Communications ElectronicsResearch, Development and Engineering Center’s Night Vision & ElectronicSensors Directorate，CERDEC NVESD）正致力于超越夜视系统。这种夜视系统装在夜视镜上，曾使佩戴它的每一位美军士兵在1990年代和2000年代“拥有黑暗”。作为单兵用品的关键部件，夜视镜征服黑暗需要新的更加先进的技术。

“现在的陆地普通士兵有一副图像增强目镜，”NVESD经理唐纳德博士在2015 SPIE防务安全和传感会议上说，“近红外夜视镜这个技术已经有40年历史，在放大星光和环境光并在人眼中生成图像方面有卓越表现。没有模拟，没有数字、光入、光出。”

夜视镜通常有着操作局限性：没有热容量，没有昼夜之间无缝转换，没有远距离观察闭合。NVESD的加强型夜视镜使用了一个视觉增强通道、一个热通道和一个可与相机输出连接的光学覆盖，在小显示屏上进行图像增强。目前的增强型夜视镜仍然不具备完全的数字化性能。

我们想要一种设备“有数字化传感器、头盔式显示器或成像仪，由数字式传感器向显示器发送信号。”NVESD的雷歌补充说道，他的目标是这样一个系统：一个照相机（位于后部）、一个传感器、光显示器、有存储器和记忆容量，可以运行应用软件。“这是士兵的发展趋势，这就是未来。”

重新回到近凝视/凝视敌手成为驱动光电/红外传感器和其他加强型态势感知技术进展的力量。

“在整个太平洋上，我们的对手比起过去的15年更加精明和敏捷，”Curtiss-Wright公司的扩科图雷说道，“一切在发展，我想我们也将更加灵巧，但是你无法假定我们永远稳居头牌，需要努力争取。就像海湾战争时，我们曾接到大量要求抵御热微颗粒的伤害。”