中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
據Military aerospace網(wǎng)站2023年12月19日報道，光電傳感器可以感應各種不同光譜的光，使作戰人員能夠在夜間觀(guān)察、探測擾動(dòng)土層下的路邊炸彈、發(fā)射中的導彈和海上小型船只?，F代光電傳感器提供的戰場(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(guò)人工智能（AI）自動(dòng)識別目標。
如今的光電傳感技術(shù)發(fā)展趨勢是減小數字圖像像素尺寸；開(kāi)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字圖像處理能力緊密集成，這樣不僅可以降低SWaP、增加探測距離和提高分辨率，還可以將人工智能和機器學(xué)習算法引入圖像處理以實(shí)現自動(dòng)目標識別、混合光譜傳感,進(jìn)而實(shí)現多光譜和超光譜傳感，以及創(chuàng )建遵循行業(yè)標準并提供快速技術(shù)插入的傳感器和處理器架構。
在這個(gè)轉折點(diǎn)上，新的傳感器設計、數字信號和圖像處理的巨大進(jìn)步、新的高溫傳感器材料以及越來(lái)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上放置的像素數量和分辨率?！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)勢感知和遠程性能，尤其是更小的傳感器有利于紅外搜索和跟蹤系統。低像素間距消除時(shí)間依賴(lài)性的同時(shí)不會(huì )帶來(lái)時(shí)間延遲。然而，小像素并不總是解決所有電光傳感挑戰的最佳方案，有時(shí)需要較大的像素來(lái)捕捉光線(xiàn)。
縮小像素間距也有助于融合不同類(lèi)型的光電傳感器，為作戰人員提供更多的態(tài)勢感知信息。目前的一些趨勢是將來(lái)自幾種不同武器瞄準器和傳感器的圖像合并，并從任何一種瞄準器中進(jìn)行觀(guān)察。例如在長(cháng)波熱條件下疊加DVE（駕駛員視覺(jué)增強器）圖像，并疊加指揮官或炮手的瞄準器，以更多地掌握態(tài)勢。像素間距增強帶來(lái)的其他趨勢還包括將射頻、微波和其他傳感器融合到光電圖像上通過(guò)多種模式查看戰場(chǎng)上的情況。
用于光電傳感器的新材料也正在上線(xiàn)，以改善像素間距、SWaP、探測距離和分辨率。Teledyne FLIR正在從碲汞鎘和銻化銦轉向一種稱(chēng)為應變層超晶格的材料，也稱(chēng)為SLS。這種半導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(chēng)為高工作溫度（HOT）探測器。這些材料有助于光電傳感器將光子直接轉換為電子，并用于制造紅外焦平面陣列。新材料的優(yōu)勢是更低SWaP以及更小像素，可以實(shí)現高清成像。
冷卻和熱管理
如今，用于高分辨率和遠距離的高性能光電傳感器仍需冷卻以增強探測目標與其背景之間的對比度。而冷卻器往往體積大、重量重、價(jià)格昂貴，在重要應用中可能是關(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 )對冷卻器的預期壽命產(chǎn)生影響。Teledyne FLIR新的傳感器MTBF（平均無(wú)故障時(shí)間）接近30000小時(shí), 這對軍方用戶(hù)的影響是巨大的。
非制冷傳感器
步兵步槍瞄準器等光電傳感器應用對尺寸、重量、功耗和成本（SWaP-C）極為敏感。為縮小尺寸、降低成本，這些應用往往需在探測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(lái)彌補其在范圍和分辨率方面的相對弱點(diǎn)，以提高感光度。
盡管如此，非制冷探測器仍在進(jìn)步，提高分辨率和射程。例如，Teledyne FLIR為黑蜂4的無(wú)人直升機設計的微測輻射熱計相機已經(jīng)從黑蜂3中的160×12像素探測器升級到黑蜂4中的640×512像素相機。
數字圖像處理
目前光電傳感器的嵌入式計算數字信號處理能力與傳感器本身同樣重要，甚至更重要。高級處理技術(shù)，如高性能中央處理器（CPU）、現場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）、通用圖形處理單元（GPGPU）和新一代稱(chēng)為三維異構集成（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，并從每張數字圖像中提取出更多的態(tài)勢感知信息。輔以先進(jìn)的處理技術(shù)，如人工智能、機器學(xué)習、新形態(tài)處理、基于標準的快速自適應嵌入式計算架構和3DHI，光電傳感器設計師可以從數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(lái)看，信號處理有助于識別和辨認目標。在雷達、以及SIGINT（信號情報）和 COMINT（通信情報）中的被動(dòng)傳感等應用中，信號處理可以促進(jìn)信息融合。這些傳感器需要非常高端的圖像和信號處理，以獲得盡可能多的信噪比，從而提高信號并消除噪聲。
信號處理也有助于系統設計師融合來(lái)自光電傳感器和射頻傳感器甚至聽(tīng)覺(jué)傳感器的信息，以創(chuàng )建一個(gè)豐富、深入的戰場(chǎng)畫(huà)面。信號處理混合長(cháng)波紅外、中波紅外、短波紅外、射頻、雷達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測，例如機動(dòng)高超音速導彈將撞擊何處。
Teledyne FLIR在過(guò)去的五、六年里已經(jīng)開(kāi)發(fā)了嵌入式處理器，能夠運行高計算算法進(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傳感器的性能。五年前必須在服務(wù)器上運行這些算法，現在可以在無(wú)人機或熱武器瞄準器、云臺或瞄準解決方案的產(chǎn)品中更好運行。例如Jetson Orin處理器，每秒可提供200萬(wàn)億次操作。
人工智能與機器學(xué)習
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器學(xué)習。這些技術(shù)不僅可以幫助銳化圖像、提高探測距離和檢測隱蔽物體，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別較小目標，還可以幫助降低部署系統的SWaP。人工智能和成像系統將改進(jìn)這些傳感器，使其更緊湊，并真正實(shí)現在相機內部邊緣進(jìn)行處理。
人工智能可以使作戰人員以極低延遲實(shí)時(shí)進(jìn)行目標檢測，而無(wú)需考慮電源和熱管理問(wèn)題。人工智能算法可以幫助過(guò)濾大氣湍流等條件下的噪聲，以減少圖像中的運動(dòng)和失真。
人工智能的一個(gè)挑戰是訓練算法來(lái)獲取正確的數據，尤其是訓練人工智能所需的許多軍事條件少可實(shí)現。而像Teledyne FLIR這樣的公司正在創(chuàng )建計算機模型和生成合成數據用于訓練人工智能系統。他們可以創(chuàng )建框架，將其轉化為紅外圖像，并使用圖形引擎從各個(gè)角度和距離觀(guān)察車(chē)輛。將合成數據引入訓練是一個(gè)重大進(jìn)步。
人工智能還可以幫助人類(lèi)收集當今傳感器收集的大量有用的數據?，F在的趨勢是動(dòng)態(tài)范圍越來(lái)越大，人工智能和機器學(xué)習的功能也越來(lái)越強。這項工作的重點(diǎn)是基于特征和動(dòng)力學(xué)的自動(dòng)目標識別。
預測光電傳感器的故障和其他問(wèn)題也是人工智能和機器學(xué)習的一項工作。洛馬公司正在與英特爾公司合作開(kāi)發(fā)新的形態(tài)處理器以實(shí)現分布式指揮和控制。在這種處理器中，機載處理器與其他系統相互通信，必要時(shí)可以在沒(méi)有彼此的情況下工作并使系統變得更為智能。
（天津津航技術(shù)物理研究所 張雨彤）
