中國電子元件行業(yè)協(xié)會
China Electronic Components Association
據(jù)Military aerospace網(wǎng)站2023年12月19日報道，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、探測擾動土層下的路邊炸彈、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)場能力正在進行革命性改進，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），并通過人工智能（AI）自動識別目標。
如今的光電傳感技術(shù)發(fā)展趨勢是減小數(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現(xiàn)自動目標識別、混合光譜傳感,進而實現(xiàn)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(gòu)。
在這個轉(zhuǎn)折點上，新的傳感器設(shè)計、數(shù)字信號和圖像處理的巨大進步、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上放置的像素數(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(tǒng)。低像素間距消除時間依賴性的同時不會帶來時間延遲。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)勢感知信息。目前的一些趨勢是將來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行觀察。例如在長波熱條件下疊加DVE（駕駛員視覺增強器）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多種模式查看戰(zhàn)場上的情況。
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)勢是更低SWaP以及更小像素，可以實現(xiàn)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、價格昂貴，在重要應(yīng)用中可能是關(guān)鍵的單點故障。
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下降，這會對冷卻器的預(yù)期壽命產(chǎn)生影響。Teledyne FLIR新的傳感器MTBF（平均無故障時間）接近30000小時, 這對軍方用戶的影響是巨大的。
非制冷傳感器
步兵步槍瞄準器等光電傳感器應(yīng)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(yīng)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彌補其在范圍和分辨率方面的相對弱點，以提高感光度。
盡管如此，非制冷探測器仍在進步，提高分辨率和射程。例如，Teledyne FLIR為黑蜂4的無人直升機設(shè)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(shù)字圖像處理
目前光電傳感器的嵌入式計算數(shù)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(xiàn)場可編程門陣列（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)勢感知信息。輔以先進的處理技術(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(yīng)嵌入式計算架構(gòu)和3DHI，光電傳感器設(shè)計師可以從數(shù)字圖像中提取出比以往任何時候都更有用的信息。
從模態(tài)的角度來看，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）中的被動傳感等應(yīng)用中，信號處理可以促進信息融合。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(tǒng)設(shè)計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)建一個豐富、深入的戰(zhàn)場畫面。信號處理混合長波紅外、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(yù)測，例如機動高超音速導(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，能夠運行高計算算法進行圖像處理，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(xiàn)在可以在無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(tǒng)的SWaP。人工智能和成像系統(tǒng)將改進這些傳感器，使其更緊湊，并真正實現(xiàn)在相機內(nèi)部邊緣進行處理。
人工智能可以使作戰(zhàn)人員以極低延遲實時進行目標檢測，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，以減少圖像中的運動和失真。
人工智能的一個挑戰(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現(xiàn)。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(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角度和距離觀察車輛。將合成數(shù)據(jù)引入訓(xùn)練是一個重大進步。
人工智能還可以幫助人類收集當今傳感器收集的大量有用的數(shù)據(jù)?，F(xiàn)在的趨勢是動態(tài)范圍越來越大，人工智能和機器學(xué)習的功能也越來越強。這項工作的重點是基于特征和動力學(xué)的自動目標識別。
預(yù)測光電傳感器的故障和其他問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發(fā)新的形態(tài)處理器以實現(xiàn)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(tǒng)相互通信，必要時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）
