中國(guó)電子元件行業(yè)協(xié)會(huì)
China Electronic Components Association
據(jù)Military aerospace網(wǎng)站2023年12月19日?qǐng)?bào)道，光電傳感器可以感應(yīng)各種不同光譜的光，使作戰(zhàn)人員能夠在夜間觀察、探測(cè)擾動(dòng)土層下的路邊炸彈、發(fā)射中的導(dǎo)彈和海上小型船只?，F(xiàn)代光電傳感器提供的戰(zhàn)場(chǎng)能力正在進(jìn)行革命性改進(jìn)，有望增加傳感器的探測(cè)距離、提高圖像分辨率、減少傳感器尺寸、重量和功耗（SWaP），并通過人工智能（AI）自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)。
如今的光電傳感技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)是減小數(shù)字圖像像素尺寸；開發(fā)能夠在更高溫度下傳感的革命性新材料；尋找傳感器冷卻的新方法，以提高探測(cè)距離和圖像分辨率；并且降低新一代非制冷傳感器的SWaP。
更重要的是，光電傳感器技術(shù)的發(fā)展正在將傳感器和數(shù)字圖像處理能力緊密集成，這樣不僅可以降低SWaP、增加探測(cè)距離和提高分辨率，還可以將人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)算法引入圖像處理以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別、混合光譜傳感,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多光譜和超光譜傳感，以及創(chuàng)建遵循行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)并提供快速技術(shù)插入的傳感器和處理器架構(gòu)。
在這個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)上，新的傳感器設(shè)計(jì)、數(shù)字信號(hào)和圖像處理的巨大進(jìn)步、新的高溫傳感器材料以及越來越小的圖像像素，將在夜間、白天、煙霧、霾和惡劣天氣中提供前所未有的傳感能力。
小像素提高分辨率和范圍
縮小像素間距改變了可以在目標(biāo)上放置的像素?cái)?shù)量和分辨率?！靶∠袼亻g距”可以產(chǎn)生非常大的焦平面陣列，同時(shí)提供態(tài)勢(shì)感知和遠(yuǎn)程性能，尤其是更小的傳感器有利于紅外搜索和跟蹤系統(tǒng)。低像素間距消除時(shí)間依賴性的同時(shí)不會(huì)帶來時(shí)間延遲。然而，小像素并不總是解決所有電光傳感挑戰(zhàn)的最佳方案，有時(shí)需要較大的像素來捕捉光線。
縮小像素間距也有助于融合不同類型的光電傳感器，為作戰(zhàn)人員提供更多的態(tài)勢(shì)感知信息。目前的一些趨勢(shì)是將來自幾種不同武器瞄準(zhǔn)器和傳感器的圖像合并，并從任何一種瞄準(zhǔn)器中進(jìn)行觀察。例如在長(zhǎng)波熱條件下疊加DVE（駕駛員視覺增強(qiáng)器）圖像，并疊加指揮官或炮手的瞄準(zhǔn)器，以更多地掌握態(tài)勢(shì)。像素間距增強(qiáng)帶來的其他趨勢(shì)還包括將射頻、微波和其他傳感器融合到光電圖像上通過多種模式查看戰(zhàn)場(chǎng)上的情況。
用于光電傳感器的新材料也正在上線，以改善像素間距、SWaP、探測(cè)距離和分辨率。Teledyne FLIR正在從碲汞鎘和銻化銦轉(zhuǎn)向一種稱為應(yīng)變層超晶格的材料，也稱為SLS。這種半導(dǎo)體材料可以在更高的溫度下工作，由這些材料制成的傳感器也被稱為高工作溫度（HOT）探測(cè)器。這些材料有助于光電傳感器將光子直接轉(zhuǎn)換為電子，并用于制造紅外焦平面陣列。新材料的優(yōu)勢(shì)是更低SWaP以及更小像素，可以實(shí)現(xiàn)高清成像。
冷卻和熱管理
如今，用于高分辨率和遠(yuǎn)距離的高性能光電傳感器仍需冷卻以增強(qiáng)探測(cè)目標(biāo)與其背景之間的對(duì)比度。而冷卻器往往體積大、重量重、價(jià)格昂貴，在重要應(yīng)用中可能是關(guān)鍵的單點(diǎn)故障。
與舊材料制成的傳感器相比，新一代HOT探測(cè)器本質(zhì)上需要更少的冷卻。如果在更高工作溫度下工作，低溫冷卻器的功率需求就會(huì)下降，這會(huì)對(duì)冷卻器的預(yù)期壽命產(chǎn)生影響。Teledyne FLIR新的傳感器MTBF（平均無故障時(shí)間）接近30000小時(shí), 這對(duì)軍方用戶的影響是巨大的。
非制冷傳感器
步兵步槍瞄準(zhǔn)器等光電傳感器應(yīng)用對(duì)尺寸、重量、功耗和成本（SWaP-C）極為敏感。為縮小尺寸、降低成本，這些應(yīng)用往往需在探測(cè)距離和分辨率上妥協(xié)。非制冷解決方案需用更大的透鏡來彌補(bǔ)其在范圍和分辨率方面的相對(duì)弱點(diǎn)，以提高感光度。
盡管如此，非制冷探測(cè)器仍在進(jìn)步，提高分辨率和射程。例如，Teledyne FLIR為黑蜂4的無人直升機(jī)設(shè)計(jì)的微測(cè)輻射熱計(jì)相機(jī)已經(jīng)從黑蜂3中的160×12像素探測(cè)器升級(jí)到黑蜂4中的640×512像素相機(jī)。
數(shù)字圖像處理
目前光電傳感器的嵌入式計(jì)算數(shù)字信號(hào)處理能力與傳感器本身同樣重要，甚至更重要。高級(jí)處理技術(shù)，如高性能中央處理器（CPU）、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）、通用圖形處理單元（GPGPU）和新一代稱為三維異構(gòu)集成（3DHI）的電路技術(shù)，正在協(xié)助傳感器降低成本、增加范圍、提高分辨率，并從每張數(shù)字圖像中提取出更多的態(tài)勢(shì)感知信息。輔以先進(jìn)的處理技術(shù)，如人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)、新形態(tài)處理、基于標(biāo)準(zhǔn)的快速自適應(yīng)嵌入式計(jì)算架構(gòu)和3DHI，光電傳感器設(shè)計(jì)師可以從數(shù)字圖像中提取出比以往任何時(shí)候都更有用的信息。
從模態(tài)的角度來看，信號(hào)處理有助于識(shí)別和辨認(rèn)目標(biāo)。在雷達(dá)、以及SIGINT（信號(hào)情報(bào)）和 COMINT（通信情報(bào)）中的被動(dòng)傳感等應(yīng)用中，信號(hào)處理可以促進(jìn)信息融合。這些傳感器需要非常高端的圖像和信號(hào)處理，以獲得盡可能多的信噪比，從而提高信號(hào)并消除噪聲。
信號(hào)處理也有助于系統(tǒng)設(shè)計(jì)師融合來自光電傳感器和射頻傳感器甚至聽覺傳感器的信息，以創(chuàng)建一個(gè)豐富、深入的戰(zhàn)場(chǎng)畫面。信號(hào)處理混合長(zhǎng)波紅外、中波紅外、短波紅外、射頻、雷達(dá)和其他傳感器的信息還可以幫助軌道光電傳感器做出困難的預(yù)測(cè)，例如機(jī)動(dòng)高超音速導(dǎo)彈將撞擊何處。
Teledyne FLIR在過去的五、六年里已經(jīng)開發(fā)了嵌入式處理器，能夠運(yùn)行高計(jì)算算法進(jìn)行圖像處理，提取更好的夜間圖像，這些算法可以獲取傳感器的原始輸出并增強(qiáng)傳感器的性能。五年前必須在服務(wù)器上運(yùn)行這些算法，現(xiàn)在可以在無人機(jī)或熱武器瞄準(zhǔn)器、云臺(tái)或瞄準(zhǔn)解決方案的產(chǎn)品中更好運(yùn)行。例如Jetson Orin處理器，每秒可提供200萬億次操作。
人工智能與機(jī)器學(xué)習(xí)
光電傳感器最具革命性的改進(jìn)之一將涉及人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)。這些技術(shù)不僅可以幫助銳化圖像、提高探測(cè)距離和檢測(cè)隱蔽物體，還可以幫助傳感器獲取重要信息。
將人工智能嵌入光電傳感器不僅可以幫助識(shí)別較小目標(biāo)，還可以幫助降低部署系統(tǒng)的SWaP。人工智能和成像系統(tǒng)將改進(jìn)這些傳感器，使其更緊湊，并真正實(shí)現(xiàn)在相機(jī)內(nèi)部邊緣進(jìn)行處理。
人工智能可以使作戰(zhàn)人員以極低延遲實(shí)時(shí)進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)，而無需考慮電源和熱管理問題。人工智能算法可以幫助過濾大氣湍流等條件下的噪聲，以減少圖像中的運(yùn)動(dòng)和失真。
人工智能的一個(gè)挑戰(zhàn)是訓(xùn)練算法來獲取正確的數(shù)據(jù)，尤其是訓(xùn)練人工智能所需的許多軍事條件少可實(shí)現(xiàn)。而像Teledyne FLIR這樣的公司正在創(chuàng)建計(jì)算機(jī)模型和生成合成數(shù)據(jù)用于訓(xùn)練人工智能系統(tǒng)。他們可以創(chuàng)建框架，將其轉(zhuǎn)化為紅外圖像，并使用圖形引擎從各個(gè)角度和距離觀察車輛。將合成數(shù)據(jù)引入訓(xùn)練是一個(gè)重大進(jìn)步。
人工智能還可以幫助人類收集當(dāng)今傳感器收集的大量有用的數(shù)據(jù)?，F(xiàn)在的趨勢(shì)是動(dòng)態(tài)范圍越來越大，人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)的功能也越來越強(qiáng)。這項(xiàng)工作的重點(diǎn)是基于特征和動(dòng)力學(xué)的自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別。
預(yù)測(cè)光電傳感器的故障和其他問題也是人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)的一項(xiàng)工作。洛馬公司正在與英特爾公司合作開發(fā)新的形態(tài)處理器以實(shí)現(xiàn)分布式指揮和控制。在這種處理器中，機(jī)載處理器與其他系統(tǒng)相互通信，必要時(shí)可以在沒有彼此的情況下工作并使系統(tǒng)變得更為智能。
（天津津航技術(shù)物理研究所 張雨彤）
