征服黑暗,漫談光電紅外系統(tǒng)的軍事應(yīng)用

軍用光電/紅外系統(tǒng)市場在新技術(shù)發(fā)展方面擁有巨大潛力，增長態(tài)勢穩(wěn)定。軍用光電/紅外系統(tǒng)市場按類型分為圖像增強技術(shù)、激光、紅外；按系統(tǒng)分為成像與非成像系統(tǒng)；按傳感器技術(shù)分為掃描、演示、多光譜、超光譜；按應(yīng)用平臺分為機載、地面、海上。光電紅外系統(tǒng)為軍隊提供特定的戰(zhàn)場能力，光電/紅外系統(tǒng)在情報、監(jiān)視、目標鎖定和偵察能力，以及現(xiàn)代化軍事力量部署中不可或缺。光電/紅外能力被視為眾中之重，能夠準確及時地對目標部隊的部署進行監(jiān)視和偵察。

根據(jù)宇航防務(wù)新聞網(wǎng)站2017年2月6日報道，現(xiàn)在可在ASDReports獲得，預計全球光電/紅外系統(tǒng)市場在2015年價值91億美元——這一數(shù)字預計在2025年將達到143億美元。光電/紅外系統(tǒng)在白天收集高分辨率光電（EO）數(shù)據(jù)，在夜間收集紅外（IR）圖像。在全球范圍內(nèi)，對先進態(tài)勢感知和信息傳播的需求不斷增加，使光電/紅外系統(tǒng)成為備受追捧的商品。許多國家正在投資開發(fā)和采購幾種基于飛機、海軍艦艇、地面車輛和無人機的光電/紅外系統(tǒng)。

根據(jù)全球第二大市場研究咨詢公司Markets & Markets的市場研究分析員們預測，未來六年內(nèi)全球?qū)τ谲娪霉怆姾图t外傳感器的需求將增長40%。

在Markets & Markets公司的一篇名為《軍用光電/紅外系統(tǒng)市場》的報告中，專家們對此發(fā)現(xiàn)進行了概述。他們將光電和紅外市場根據(jù)平臺、應(yīng)用、制冷和非制冷技術(shù)、凝視或掃描技術(shù)、高光譜和多光譜成像技術(shù)以及區(qū)域進行了劃分。

報告認為，在軍用光電/紅外系統(tǒng)市場中，成像技術(shù)的使用呈上升趨勢。紅外系統(tǒng)在預測期間快速增長。與其他地區(qū)相比，北美地區(qū)由于國防預算的削減導致市場份額略有下滑，印度、巴西、俄羅斯、沙特阿拉伯對光電系統(tǒng)的需求急劇上升。國防領(lǐng)域的“藍海戰(zhàn)略”（BlueOcean）將使市場快速增長。

主要有兩大因素驅(qū)動了光電和紅外市場的強勁增長，一個因素是國防軍對戰(zhàn)場感知方面的需求持續(xù)增加；另一個因素是技術(shù)進步帶來的效率上的提高。此外對使用無人機（UAV）進行邊境監(jiān)視和態(tài)勢感知這一需求的持續(xù)增加也是刺激光電紅外市場規(guī)模增長的另一個因素。

無人機和飛機對光電/紅外系統(tǒng)的巨大需求

沖突地區(qū)的大多數(shù)情報、監(jiān)視和偵察活動由無人機（UAV）和飛機執(zhí)行。這造成了全球?qū)C載光電/紅外系統(tǒng)的需求。飛機現(xiàn)在包括多個光電/紅外系統(tǒng)，例如瞄準和導航艙，或紅外搜索和跟蹤（IRST）系統(tǒng)。“無人機的到來為光電/紅外市場提供了巨大的推動力，因為這些無人駕駛飛行器是高度耐久的，并且因此能夠在起飛期間承載更多的重量，”卡爾表示。

技術(shù)創(chuàng)新推動了光電/紅外系統(tǒng)的采用

根據(jù)SDI，技術(shù)創(chuàng)新也是光電/紅外系統(tǒng)廣泛引入的原因。新版本的光電/紅外系統(tǒng)提供了更高分辨率的圖像，同時減少了尺寸和功耗，因此可以在更便宜的平臺上使用更多的攝像機?！斑@也是為什么光電/紅外系統(tǒng)——曾經(jīng)只提供給精英特種部隊——現(xiàn)在普遍存在于正規(guī)軍隊的主要原因之一，”卡爾表示。

對航天和國防研究規(guī)模的增加也促進了小型化和輕量級組件及國防設(shè)備的發(fā)展，尤其是在機載應(yīng)用方面。

預測期間軍用光電和紅外系統(tǒng)市場的成像系統(tǒng)部分由于先進激光和紅外技術(shù)的發(fā)展，可能會以最高年增長率增長。與現(xiàn)有光電系統(tǒng)相比，成像技術(shù)更有可能提供高清3D圖像以對更遠距離的目標進行定位和確認。

此外預計還將研發(fā)一些原型光學監(jiān)視和觀察系統(tǒng)，該系統(tǒng)可展示出遠距離辨認和識別能力，這能夠?qū)崿F(xiàn)防區(qū)外交戰(zhàn)并克服限制高清分辨率光學原件的大氣湍流。

軍隊發(fā)展的持續(xù)挑戰(zhàn)是保持光電紅外傳感器系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢

21世紀以來，戰(zhàn)場空間日益網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化，數(shù)據(jù)量越來越大，對于作戰(zhàn)人員的安全及作戰(zhàn)勝利，態(tài)勢感知能力比以往任何時候都更加重要。這正是光電紅外傳感器應(yīng)用的舞臺，這些傳感器及其數(shù)據(jù)處理器通常被看作軍隊的眼睛。

軍隊發(fā)展的持續(xù)挑戰(zhàn)是保持光電紅外傳感器系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢。面對戰(zhàn)術(shù)和技術(shù)上更加成熟的敵手，美軍在光電紅外傳感器系統(tǒng)的重要性和復雜性上增加了投入，以保持技術(shù)優(yōu)勢。

維修海軍攻擊機的機載光電傳感器單元，該傳感器幫助戰(zhàn)斗轟炸機精確投彈

通常光電紅外傳感器的研發(fā)價值只在實際軍事環(huán)境演練中體現(xiàn)。海軍海上秩序指揮部現(xiàn)階段主要致力于多任務(wù)和功能的交叉，例如導航、武裝防范、水面戰(zhàn)、防空及其他輔助領(lǐng)域的研究。主要推動力是可提供晝夜、大范圍目標監(jiān)視的光電紅外傳感器的運動圖像，它能提升目標識別能力、提供威脅評估能力并通過自動跟蹤和火控解算保障火力打擊，也可支持打擊效果評估。

未來性能

對于未來性能，海軍專家關(guān)注利用新的光電紅外傳感器技術(shù)優(yōu)化現(xiàn)有傳感器。傳感器正發(fā)展為能同時為武器系統(tǒng)和態(tài)勢感知系統(tǒng)所用的。海軍領(lǐng)導希望瞄準監(jiān)視傳感器能夠執(zhí)行特定任務(wù)，因此海軍海上秩序指揮部正致力于增強上述傳感器的態(tài)勢感知能力，以便降低特殊用途傳感器的損耗。

保持技術(shù)優(yōu)勢不僅依靠提升單個傳感器的技術(shù)，還需要將兩個或多個傳感器集成在單個裝置中并進行原始數(shù)據(jù)融合及平臺數(shù)據(jù)處理，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可用信息并實現(xiàn)從戰(zhàn)區(qū)指揮官到單兵的實時信息共享。光電紅外監(jiān)視的發(fā)展潮流是分布在整個戰(zhàn)場網(wǎng)絡(luò)間的總體態(tài)勢感知能力。

縮減尺寸

光電紅外傳感器的一個普遍趨勢是縮減尺寸、重量及功耗。如果有性能較好的小型系統(tǒng)，就可派出小型無人機代替大飛機執(zhí)行任務(wù)。隨著更多的平臺成為便攜式系統(tǒng)，就可在地面執(zhí)行任務(wù)，而不需要在空中完成任務(wù)。

光電和紅外現(xiàn)在或多或少地綁定在一起，光電傳感器提供晝間觀察能力，紅外提供晝夜觀察能力，但光電傳感器的觀測范圍更廣。未來我們需要更好的傳感器及傳感器融合技術(shù)和輔助目標識別技術(shù)，我們需要分辨率更高、防區(qū)外距離更遠傳感器，這就要求更大更好的焦平面陣列。

軍用實驗性態(tài)勢感知系統(tǒng)（SAWS），包括兩個放置在航空母艦艦頭和艦尾的光電紅外傳感器，能提供360°監(jiān)視能力

軍用光電紅外傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢是傳感器融合，多種類型的傳感器融合及建立相對數(shù)據(jù)提供產(chǎn)品的軟件是長遠發(fā)展的關(guān)鍵。它和傳感器一樣成本高昂，解析更多數(shù)據(jù)需要縮減原始數(shù)據(jù)與實用信息之間的時間。

傳感器處理

最常見的處理技術(shù)是使用現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA），首先抓取光纖流，進行預處理，然后交由通用圖表處理裝置（GPGPU）處理每秒億萬次的浮點運算。高吞吐量處理和英特爾元件（如XeonD）分析數(shù)據(jù)及更改模式。

美國海軍裝于航空母艦上的態(tài)勢感知系統(tǒng)，采用兩個光電紅外傳感器，一個筆記本電腦控制站和多個數(shù)字視頻錄像機提供環(huán)艦360°視覺覆蓋，用于武裝防范、導航、搜索和捕獲操作

軍隊在復雜環(huán)境中制勝需要充分了解態(tài)勢，這種理念要求光電紅外傳感器執(zhí)行瞄準任務(wù)。更廣泛的態(tài)勢感知可通過畫中畫和步進凝視實現(xiàn)。我們希望今后有集成性更好的負載，覆蓋多種不同帶寬的傳感器，一些軟件組件能將輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為信息，或至少為操作員提供線索。

技術(shù)嵌入

隨著軍用技術(shù)的增加，許多來自商業(yè)領(lǐng)域的尖端研究迎面而來，它們?yōu)橛蠎?zhàn)爭需要進行了調(diào)整，比特制軍用硬件設(shè)施反應(yīng)更快。制造更直觀新系統(tǒng)，使戰(zhàn)場識別易于使用，密切合作是關(guān)鍵。

裝在奧古斯塔威斯特蘭(AgustaWestland)公司AW189直升機上的SAFIRE380-HD光電紅外傳感器吊艙

首先是在商業(yè)領(lǐng)域開發(fā)了用于廣泛部署的高清成像技術(shù)。在軍方廣泛采用之前，高清成像就已出現(xiàn)在消費電子產(chǎn)品領(lǐng)域，但目標的高清熱成像是一項更難的技術(shù)。去年FLIR公司推出了裝配突擊步槍的高清熱像儀HISS-XLR，具有以前只能用于高端機載和車載級別的性能。

海軍海上系統(tǒng)指揮部專家已經(jīng)檢驗了大視場分布式孔徑傳感器和持續(xù)360°監(jiān)視的潛在性能。包括了大格式、小像素焦平面陣列技術(shù)、拼接傳感器圖像、集成大視場傳感器和常規(guī)傳感器用于遠距離目標識別和分類。

增大視場

使用大視場的目的是加入自動探測和多目標跟蹤性能以增強態(tài)勢感知并用于武器系統(tǒng)和作戰(zhàn)保障。大視場和互操作性的優(yōu)點是可進行更近距離的識別、威脅評估、辨別虛假警報等等。我們的另一個關(guān)注點是采用短波紅外傳感器改進可見光傳感器在海上環(huán)境的性能，以輔助視覺環(huán)境較差的情況及帶內(nèi)激光成像。圖像能緩解一些工作負荷并提升嘈雜環(huán)境的態(tài)勢感知，有了這些圖像，我們就能了解它們的管理與顯示方式以避免信息超載。

光電紅外系統(tǒng)（或類似超光譜成像傳感器）通過辨別陸地地形、海洋及航道特征和接觸點（例如在平面雷達性能受限的近海岸區(qū)域的小型船只和巡邏艇），能極大地提高操作員的態(tài)勢感知。帶有熱對比度的超光譜成像系統(tǒng)，能夠探測識別雷達特征非常弱的海面及海灘陸地威脅。光電成像、紅外成像、夜視系統(tǒng)及激光測距系統(tǒng)的結(jié)合能提升氣墊船的作戰(zhàn)操作性。

征服黑暗

同時，陸軍通信電子研究開發(fā)和工程中心的夜視與電子傳感器理事會（NVESD）正致力于超越美軍士兵1990-2000年代使用的夜視系統(tǒng)。這種夜視系統(tǒng)安裝在夜視鏡上，作為單兵裝備的關(guān)鍵部件，夜視鏡征服黑暗需要更先進的技術(shù)。

夜視鏡通常具有操作局限性：沒有熱容量，沒有晝夜之間的無縫轉(zhuǎn)換，遠距離觀察時沒有近攝或特寫功能。NVESD的增強型夜視鏡使用了一個像增強通道、一個熱通道和可與相機輸出相組合在一起的光學覆蓋范圍，在小型顯示器上進行圖像增強。目前的增強型夜視鏡仍然不具備完全的數(shù)字化性能。