光电传感器负载在有人及无人车中的应用

胡薇 发表于 2018-08-18 09:29:19 收藏 已收藏
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光电传感器负载在有人及无人车中的应用

胡薇 发表于 2018-08-18 09:29:19

光电传感器负载增强了当今的装甲战车、卡车以及地面无人车的性能,使用户可以发现并解除爆炸物、探索崎岖地形以及从安全距离发现敌人位置。

传感器已经成为战斗中士兵们宝贵的眼睛和耳朵,它们可搭载于航天系统、有人机、舰船以及陆基平台。陆基平台对于士兵们最具难度也最具时效价值,他们要依赖这些快速变革的技术来更好地应对尺寸、重量及功耗(Size, Weight andPower,SWaP)的要求,并且显著改善可获取的图像质量及态势感知能力。

作为最适合移动战场应用的引领者,光电传感器主要分为两类:第一类是被动型,它能感知目标发射或反射的能量;第二类是主动型,它们有自己的光源,通常用于照射目标或探测反射。两种情况下,光电传感器将光线或光线的变化转换为电子信号,探测闪光(如枪口焰)、由移动物体或距离造成的中断以及传感器视场内的物体。

图1  iRobot背负式小型无人地面车可搭载多种光电传感器负载

通过使用相对短的红外波与可见光,主动光电系统比起标准雷达,角度分辨率超过2万倍且距离精度更高。主动光电系统比起被动光电系统的另一个优势在于它可以控制环境(其中的目标自身不发光)光照。

“目前我们面临的首要问题是由单波段向多波段系统的转变,系统包含二个或三个波段,有时是将其融合而非在其间切换。”UTC航天系统公司业务发展主管塔拉·马丁说道,“我们遇到更多的另一种需求是应对自相摧毁的激光定位与解码。锁定目标并对其实施打击且要减少自相摧毁这一时间是比较长的,例如,从信任瞄线到看见激光指示器。”

“自911事件以来,一个大变化就是微光成像敏感度更高且动态距离更远,特别在想要对黑暗阴影区域或明亮光源周围进行观测的城市区域。”马丁还表示,“这是使用短波红外的一个推动因素,除此,夜视镜越多的暴露在光线下,它们就弱化的越快,更换周期越短。”

计算与相关技术的迅猛发展催生了更加敏感且高能的光电传感器。过去十多年里在亚洲西南部的战争产生了大量此类需求。陆军士兵与陆上海军都希望拥有SWaP显著改善的系统,而美国将这种需求变得低成本化了。

Blueforce研发公司的创始人兼首席执行官迈克尔·赫尔弗里希指出:“毫米波红外(MMWIR)的使用在一些国家实验室已经开始大面积出现。即使是在早晨的弱光条件下,此种图像的距离与精度已经改变了我们对一些模型的处理方法。”

DARPA的自适应传感器系统(ADAPT)项目致力于使用类似于商业智能手机产业的初始设计制造工艺将无人照应传感器转化为军用型。

迈克尔•赫尔弗里希看到了毫米波红外技术在进攻和防御领域的应用。从防御的角度讲,它对综合基地防御很有用,对攻方的阻击任务也十分有用。短波红外(SWIR)很适合迫近与短距渐出场景,但它不及毫米波红外(MMWIR),因为后者可对大区域远距离,甚至是极低光照条件下进行良好探测。

随着预算资金越来越紧,军方用于尖端科研的经费下降,这增加了对商业货架产品(COTS)的依赖。但在全球市场经济下,商业货架产品不受美国技术类贸易管制,如国际武器贸易条例(InternationalTraffic in Arms Regulations,ITAR)。这使得许多最新的技术在美国军方和商业实验室获得的同时,许多潜在对手也能获得了。

《战略防御情报》在一篇关于“2014至2024全球军用光电/红外市场”的报道中预测,到2014年底,该市场会达到73亿美元,而到2024年会升至100亿美元。

陆军与海军

就尖端传感器技术的资金支持与使用场合来说,美国陆军、海军陆战队和特种作战司令部(Special OperationsCommand,SOCOM)是不同的。但用户对未经验证的新型好产品也会有一些抵触。

马丁表示,“一旦当人有某种能力,他绝不会希望这种能力被剥夺。所以,如果某人有一个光电长波传感器,他不会允许你将之带走,除非你能提供一个更好的,要体积更小、更廉价且性能更强。因此,我们也一直致力于实现它,例如智能集成传感器(不增加SWaP且仍提升性能)。但在目前的政府预算条件下,出价都要更低一些。”

“海军更愿意冒险去尝试新技术,而陆军更愿意采用现有的技术。遗憾的是,海军没有能力及预算支持研发制造自身的传感器,所以通常只能从陆军购买。特种作战司令部愿意将秘密任务以外的解决方案中80-90%采用最新最好的技术。虽然他们能够使最好的技术发挥最大的作用,但特种作战司令部的科研经费有限,并且他们的想法比预算更宏大。”

iRobot 510小型无人地面车采用光电传感器负载用于探测、定位并解除隐藏的临时爆炸装置(IEDs)和其他威胁。

在20世纪80年代和90年代,随着当时的高科技夜视镜(NVGs)问世,美国陆军与海军陆战队都可以称得上“占据夜晚”。但到20世纪末,技术进展使得唯有掌握最新的技术,才能在微光作战中占据优势。

“美国军方长期以来一直以‘占据夜晚’引以为豪,但当所有人都拥有夜视镜以及廉价手机来探测照明器后,这一情况改变了。拥有非对称优势十分重要,但我认为未来的夜晚将不再只由一方掌控,”马丁说到,“多图像带混合是实现这一目的主要方式,并且以更小的SWaP封装去实现将会是系统发展的一个很大的驱动因素。在未来的五到十年,我认为所有系统都将是多传感器的混合系统。”

使用长波红外、夜视镜或仅微光系统的时代即将结束。当你打开夜视镜照射器的时候,很可能就相当于打开了闪光灯,因为几乎所有人都可以看到它们。所以工业制造的趋势是更小、更轻、更廉价,更先进并拥有多波段的产品,提供大范围光照及环境条件下更好的识别、辨认和探测能力,且同时改进SWaP。

Blighter Scout监视系统,带有轻型电子扫描雷达和设计用于边界安全热点区域及其他相似安全应用的快速部署相机监视系统。

此种情况下,传感器融合适用于有人及无人地面车系统、单兵携带或战场固定系统,融合还能用于集齐由这些系统收集的数据。但这是一个全球范围都很关注的领域,正如德国泰勒斯国防安全系统公司现在研发的背负式热侦查系统(轻型监视装置)所展示的那样。

泰勒斯集团的官员称,“步兵、空军和特种部队及边防人员可能仍需要在大距离范围上徒步人工部署他们的设备,或需要使用非常小的车辆(沙滩车、雪车等)进行运输。然而,这些非常小的用户越来越需要复杂精密监视设备来完成各种作战任务以及保护边界或自卫使用。”

MRS是一种集成的、模块化的可扩展解决方案,其中地面监视雷达(GroundSurveillance Radars,GSR)、光电系统、无人照应地面传感器(Unattended Ground Sensor, UGS)和其他传感器通过一个一站式控制系统集成在一起。所有的传感器和组件都为便携式,每个可由一或两人携带且为自持式,包含定位/校准、电池电源以及通信措施。

泰勒斯手册在它的MUSEC2控制系统中称该系统可以集成16个雷达和16个光电传感器,并带显示器和雷达、UGS、光电及其他传感器数据叠加,且对所有传感器可控,还可像对那些传感器一样给相机提供信息。士兵携带的MRS传感器探测距离为5英里,轻型车辆安装的传感器可达7英里,大型车辆安装的传感器可达近10英里。

在美国,STARA技术公司的车载监视系统提供了一个基于桅杆的多传感器负载,能够针对作战与不同用户的传感器需求,进行定制化,包括光电/红外、地面移动目标指示(Ground Moving Target Indicator,GMTI)雷达和通用态势图(CommonOperational Picture,COP)。

STARA的官员称,“VMSS是一个多传感器、桅杆安装的持久监视平台,用于探测与确认敌意或外来物体。灵活的设计实现了在大范围的商用和/或军用车辆上(包括皮卡车、SUV、战术车辆等)进行设备安装。”

可选的机上操作员工作站可对整个战场系统进行控制,融合了移动地图显示与自动工具(如转换提示、报警区域和记录/回放)以辅助拥堵环境的威胁优先级划分。每个VMSS都可独立运行,或与其他设备无线连接,构成一个高度灵活的移动监视网络。

同时,随着3-5微米中波红外和8-12微米长波红外波段内先进识别焦平面阵列技术的发展,通过使用大量半导体材料与焦平面阵列(FPA)架构,雷声视觉系统公司正在研发下一代光电/红外探测器。

雷声公司的官员在2014年1月公司发布的《今日技术》杂志中称,“这些包括先进III-V1半导体应变层超晶格(SLS)FPA、II-VI2半导体碲镉汞(HgCdTe)双波段FPA以及使用微米微电子机械系统(Micro-electromechanicalSystems,MEMS)的非制冷辐射热计FPA。以上的每一种FPA技术应用于不同的任务需求,正在研发的方向不仅要增加传感器性能,还在于降低制造难度与成本。”

工作温度更高的中波红外FPA对于减小制冷系统的SWaP是有优势的。出于这个原因,基于分子束外延的砷化铟/锑化镓(InAs/GaSb)SLS带隙设计隔离器结构正在设计高工作温度的FPA。目的是研发出具有传统III–V砷化铟技术制造优势的材料,但也要有碲镉汞的工作温度优势,这些因素加起来对于采用SLS材料制造的FPA可提高其性能,增加产量,且降低成本。

美国军事指挥官和战场士兵看到了近年来光电/红外传感器的进展,且提出了更高的要求。

Blueforce公司的赫尔弗里希说,“可以确定的是要范围更远、距离精度更高、微光观测能力更强,还需要提升技术,利用非人工分析、虚拟绊线和触发盒能力等。士兵需要监测更多的地面和空中机器,所以自动化与分析的需求很多。且关联图像与地面打击的需求也很高,从而获取更加深入的精确信息。”

在2014年5月8日约旦安曼的特种作战部队展会上,位于土耳其首都安卡拉的一家土耳其军方附属公司Aselsan A.S.宣布了它与中东侯赛因国王设计和开发署(King Abdullah Design andevelopment Bureau,KADDB)的合作会加强他们与约旦军方的联系。这将会包括Aselsan公司的边界监视系统,采用先进的Aselsan雷达地面监视车辆和光电装置(制冷热像仪、白昼可见光相机、激光测距机)作为主要传感器。

赛莱克斯伽利略公司的Gyrocam 15英寸三重传感器系统安装于一台国际MaxxPro防地雷反伏击车上(MRAP),此车用于意大利军方的联合作战中。Gyrocam 15英寸三重传感器可安装在几乎所有的陆地车辆的桅杆上,进行远程监视。

ASELSAN公司表示,“这些系统集成了ASELSAN公司的软件,声音和数据可以由软件定义的广播传播。选项包括许多其他通信与传感器子系统的集成。公司拥有可适应与模块化的系统解决方案,可根据出现的威胁、任务需求和操作场景在对用户的需求进行分析后进行系统定制化。”

2014年,国家研究委员会发布了一份报告,评述了主动光电系统在不危害美国安全方面的进展——《激光雷达:主动光电感知进展与机遇》一文报道了主动光电系统的一个潜在应用,即生成3D图像,为无人车辆提供更大范围的态势感知。

“主动光电感测已做好准备,要打破商业、军事及情报行动的平衡,就像雷达在过去70年所做的一样。传统雷达与主动光电感测这一相近的类比可引导主动光电感测的发展。”报道称,“许多雷达技术对于主动光电感测也是有相似性的,例如先进波形与对称孔径成像,且这些技术正在应用于主动光电感测。对多种雷达技术应用的了解实现了相对短的时间帧内更加多样化的主动光电感测模式。”

以色列ISR巡逻车Granit,装有先进雷达、传感器和通信系统

美国引领着高性能主动光电系统在军事领域的发展。然而,全球范围现在都在研发关键光电技术。例如,大多数商业映射和调查系统都在美国以外生产,并且“DARPA大挑战(2004-2005)”中所有的自主车辆都使用了德国SICK公司制造的系统,因为他们更加廉价且实用。在文献中,欧洲已经展示了多类型军用传感器领域的强大能力。比起美国竞争者,许多非美国的组件激光器和探测器技术在商用和高端主动光电传感器领域要更加先进。

应注意到,激光照射器、敏感宽带探测器和快速数据处理领域近期的发展“正在促使主动光电感测为映射、目标定位、自控机器人、环境监测、天气预测和情报收集等领域带来革命性的发展。”委员会将此描述称作“首要结论”。

艾姆波音特公司的FCS12火控系统应用于瑞典陆军84毫米CARL GUSTAV M3多用途武器系统(由瑞典萨博动力公司制造)。

主动光电感测是一项迅速崛起的技术,它应用广泛,覆盖情报、军事、科学与商业领域。此技术有潜力改变这些领域的平衡。研发与应用主动光电感测的兴趣在其他国家也被激发起来,威胁到了美国的引领地位,甚至在某些情况下美国已经不再领先了。

Blueforce公司的赫尔弗里希表示他同意这一说法,但美国许多先进的技术真正从实验室走向了战场,包括商业货架产品,而这些产品使用的方式是其他极少国家可以比拟的。

“我见过很多代传感器,现在我见到的是传感器与不同观测距离的图像设备间更加紧密的联合。他们在无人照应地面车中紧密耦合了商业货架产品的性能,小型规格、更小的光学系统、更小传递信息的通道、传递数据的方式与数据格式更加自由、标准化而且专有化。”赫尔弗里希说,“所以我们看到东西变得更小,传输数据的方式更多,互操作性更强。之前使用的是铱,然后是通信卫星,使用传统射频光谱的地面传感器,而现在有更多的地面宽带选用方式,以及LTE、4G等。并且公司将无人照应地面车做的越小,开放标准的使用就越多。”

对于未来,“我们不得不继续缩小尺寸,对无人值守的应用,功耗效率必须提高。”赫尔弗里希说道,“编码器所做的压缩仍要使我们丢失一些图像分辨率。如果可以减小数据流大小且保持图像质量,对通信的要求就会放宽。”

对于可能会导致相机拍照或打开通信系统的传感器,特别是选择了错误设备的信号探测器,对其宽度与种类需要有额外的考虑。所以,以服务为导向的架构可以与光电传感器集成,成为“系统中的系统”。

许多人称最初用于保护美国优势的技术限制现在反而令美国在战斗中失去了优势。UTC航天系统的马丁也回应了这一担忧。

DARPA使用QinetiQ TALON IV履带式地面无人车携带多种传感器负载作为自主地雷探测系统,用以探测、标记并消除爆炸危害。

马丁认为,“我们会持续看到美国公司共同研发方案以建立这些系统,总的来说,我们拥有一个非常强大的工业与技术基础,但ITAR可能是个大问题,它并没有保护美国技术,而仅仅是鼓励别国发展自己的技术。虽然这相比于美国预算来说不算一个大投资,但它仍然创造了一个受保护的市场,而我们不能进入。”

我们见过到很多与短波红外的类似情况,成为军品清单上受保护的一项,这给商业应用带来了很大挑战。这意味着必须完全依靠军事预算来推动技术进步。而当我们在其他地方需要优于现有的技术时,就需要很大的资金支持,而且这一问题现在变得愈加严重了。

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