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(qiáng)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(jī)載、地面、海上。光電紅外系統(tǒng)為軍隊(duì)提供特定的戰(zhàn)場能力，光電/紅外系統(tǒng)在情報(bào)、監(jiān)視、目標(biāo)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(zhǔn)確及時(shí)地對目標(biāo)部隊(duì)的部署進(jìn)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(bào)道，現(xiàn)在可在ASDReports獲得，預(yù)計(jì)全球光電/紅外系統(tǒng)市場在2015年價(jià)值91億美元——這一數(shù)字預(yù)計(jì)在2025年將達(dá)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(jìn)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(jī)、海軍艦艇、地面車輛和無人機(jī)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(yù)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(bào)告中，專家們對此發(fā)現(xiàn)進(jìn)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(jìn)行了劃分。

報(bào)告認(rèn)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(yù)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(yù)算的削減導(dǎo)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(lán)海戰(zhàn)略”（BlueOcean）將使市場快速增長。

主要有兩大因素驅(qū)動(dòng)了光電和紅外市場的強(qiáng)勁增長，一個(gè)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(gè)因素是技術(shù)進(jìn)步帶來的效率上的提高。此外對使用無人機(jī)（UAV）進(jìn)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(gè)因素。

無人機(jī)和飛機(jī)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(bào)、監(jiān)視和偵察活動(dòng)由無人機(jī)（UAV）和飛機(jī)執(zhí)行。這造成了全球?qū)C(jī)載光電/紅外系統(tǒng)的需求。飛機(jī)現(xiàn)在包括多個(gè)光電/紅外系統(tǒng)，例如瞄準(zhǔn)和導(dǎo)航艙，或紅外搜索和跟蹤（IRST）系統(tǒng)?！盁o人機(jī)的到來為光電/紅外市場提供了巨大的推動(dòng)力，因?yàn)檫@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(dòng)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(shí)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(jī)?！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(duì)——現(xiàn)在普遍存在于正規(guī)軍隊(duì)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(jìn)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(jī)載應(yīng)用方面。

預(yù)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(jìn)激光和紅外技術(shù)的發(fā)展，可能會(huì)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(yuǎn)距離的目標(biāo)進(jìn)行定位和確認(rèn)。

此外預(yù)計(jì)還將研發(fā)一些原型光學(xué)監(jiān)視和觀察系統(tǒng)，該系統(tǒng)可展示出遠(yuǎn)距離辨認(rèn)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(xué)原件的大氣湍流。

軍隊(duì)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(jì)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(shí)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(duì)的眼睛。

軍隊(duì)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(fù)雜性上增加了投入，以保持技術(shù)優(yōu)勢。

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

通常光電紅外傳感器的研發(fā)價(jià)值只在實(shí)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(dǎo)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(dòng)力是可提供晝夜、大范圍目標(biāo)監(jiān)視的光電紅外傳感器的運(yùn)動(dòng)圖像，它能提升目標(biāo)識別能力、提供威脅評估能力并通過自動(dòng)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(shí)為武器系統(tǒng)和態(tài)勢感知系統(tǒng)所用的。海軍領(lǐng)導(dǎo)希望瞄準(zhǔn)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(qiáng)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(gè)傳感器的技術(shù)，還需要將兩個(gè)或多個(gè)傳感器集成在單個(gè)裝置中并進(jìn)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(shí)現(xiàn)從戰(zhàn)區(qū)指揮官到單兵的實(shí)時(shí)信息共享。光電紅外監(jiān)視的發(fā)展潮流是分布在整個(gè)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(gè)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(jī)代替大飛機(jī)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(biāo)識別技術(shù)，我們需要分辨率更高、防區(qū)外距離更遠(yuǎn)傳感器，這就要求更大更好的焦平面陣列。

軍用實(shí)驗(yàn)性態(tài)勢感知系統(tǒng)（SAWS），包括兩個(gè)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(yuǎn)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(shí)用信息之間的時(shí)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(jìn)行預(yù)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(diǎn)運(yùn)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(gè)光電紅外傳感器，一個(gè)筆記本電腦控制站和多個(gè)數(shù)字視頻錄像機(jī)提供環(huán)艦360°視覺覆蓋，用于武裝防范、導(dǎo)航、搜索和捕獲操作

軍隊(duì)在復(fù)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(zhǔn)任務(wù)。更廣泛的態(tài)勢感知可通過畫中畫和步進(jìn)凝視實(shí)現(xiàn)。我們希望今后有集成性更好的負(fù)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(jìn)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(jī)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(fèi)電子產(chǎn)品領(lǐng)域，但目標(biāo)的高清熱成像是一項(xiàng)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(jī)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(yàn)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(yuǎn)距離目標(biāo)識別和分類。

增大視場

使用大視場的目的是加入自動(dòng)探測和多目標(biāo)跟蹤性能以增強(qiáng)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(diǎn)是可進(jìn)行更近距離的識別、威脅評估、辨別虛假警報(bào)等等。我們的另一個(gè)關(guān)注點(diǎn)是采用短波紅外傳感器改進(jìn)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(fù)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(diǎn)（例如在平面雷達(dá)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(dá)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(shí)，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(huì)（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(jìn)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(yuǎn)距離觀察時(shí)沒有近攝或特寫功能。NVESD的增強(qiáng)型夜視鏡使用了一個(gè)像增強(qiáng)通道、一個(gè)熱通道和可與相機(jī)輸出相組合在一起的光學(xué)覆蓋范圍，在小型顯示器上進(jìn)行圖像增強(qiáng)。目前的增強(qiáng)型夜視鏡仍然不具備完全的數(shù)字化性能。