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美军多方面推进军用传感器发展

时间:2017年07月14日 信息来源:大国重器 点击: 【字体:

在万物互联的背景下,作为物联网感知层的重要组成部分和数据来源,传感器受到各方重视,军事领域亦不例外。2015年以来,美军在传感器的多个方面,如基础原理、新应用、制造工艺、能耗、联网和数据融合等,都投入了研发力量。以下在各领域试举1~2例,以期管中窥豹。


1.基础原理

2015年12月中旬,美国国防部负责先进电子元器件技术研发的国防先期研究计划局(DARPA)发布“模块化光学孔径构建块”(MOABB)项目,寻求开发采用自由空间光学技术的轻小型光电传感系统,以满足超小尺寸、超低重量和成本、远快于现有扫描速度的发展需求。DARPA计划建立二维毫米尺度的发送/接收单元,实现高填充因数孔径、非机械光束控制和集成放大性能,然后组装成一个大型相干高功率孔径,并应用于光探测和测距(激光雷达)系统,达到能够从远在100米的距离处3D成像的目的。

2016年1月上旬,美国海军研究办公室发出寻求新型电光成像传感技术,以使水面舰艇和潜艇人员能够在恶劣环境中穿透雾、霾、雨和雪等遮挡物来捕捉图像。由于在实际情况中,海军船只必须使用电光(EO)、红外(IR)传感器实现态势感知和目标探测、跟踪、识别,满足在全球拥挤航道上航行的需要,然而EO/IR传感器短波长,成像易受水性气溶胶的散射影响而使性能降低。为解决透过浓雾成像这个固有难题,海军研究办公室考虑采用可使用先验信息的传感器后处理技术,同时克服水性气溶胶散射对EO/IR传感器信号-背景比带来的限制,如采用类似结构化激光照明和时间采集等主动图像处理方法,以及使用合理频段、极化分集、高速多帧采样等被动图像处理方法等。


2.新应用

2015年5月,美国陆军通信电子研发与工程中心表示正研发一种袖珍型导航装置“作战人员综合导航系统”。该系统可在全球定位系统(GPS)拒止情况下,通过采用多种高精度传感器,如计步器和加速度计等,从士兵最后已知位置跟踪其运动信息,记录运动足迹、速度、时间以及海拔等要素,并在地图中显示当前位置。

此外,美空军正在探寻可飞进建筑物并以蜂群形式应对目标的纳米无人机的效能。这些纳米无人机需要足够小的传感器以便安装于如人的手掌般大小的系统中。根据FLIR系统公司在2015年6月巴黎航展上的展示,公司已研制出一种名为Lepton热成像传感器,它与人的指甲大小相近。


3.制造工艺

2015年9月上中旬,美国DARPA发布“晶圆级红外探测器”(WIRED)项目,寻求开发可在晶圆级硅读出集成电路(ROIC)基板上直接制备红外传感器和摄像机的材料和晶圆级制造能力,以提高分辨率,或大幅减小尺寸和降低制造成本,满足短波红外(SWIR)、中波红外(MWIR)和长波红外(LWIR)光谱波段低成本、大幅面、高性能成像需求。短/中/长波红外探测器的具体研究目标是,分别生产3/10/12微米像素间距的焦平面阵列,同时无需低温冷却或混合凸块键合。该项目预期投资4000万美元。


4.能耗

2015年1月,美国DARPA发布“近零功耗射频和传感器运行”(N-ZERO)项目招标书,计划开发出能被特定事件以无线方式激活的传感器技术。该传感器仅在被激活后才能正常工作和消耗能量,休眠状态下的功耗小于10毫微瓦,约等于手表电池自动放电时的耗电量,以此降低传感器的总功耗。DARPA希望通过该项目使无人值守传感器的使用寿命从数周延长到数年,进而降低维护成本和重新部署传感器的频率;或在保持陆基传感器当前运行寿命的情况下,大大减少其电池大小和数量(至少20倍)。


5.联网

2015年8月,美国陆军合同司令部宣布向雷神公司综合防务系统部授予价值2700万美元的合同,用于升级100套远程先进侦察系统(LRAS3)单元。雷神公司将把零级LRAS3第二代前视红外(FLIR)系统升级到一级网络状LRAS3视觉传感器结构,通过将远程光电传感器联网,使操作者在每一个LRAS3网格上共享成像数据以提高态势感知能力和抗击敌方狙击手的能力。


6.数据融合

2015年7月,陆军合同司令部发布意见征询书,寻求能够开发利用分布式孔径系统的多光谱传感器融合技术,协助直升机飞行员在雾、灰尘、烟雾、黑暗和其他恶劣视觉环境(DVE)条件下飞行。需要融合的数据来源包括长波红外摄影机、由数个光线方向和测距(LIDAR)传感器组成的分布式孔径系统、现有地形和图像数据库等,并将形成的数据提供给飞行员,为模糊视觉环境引航。

多传感器数据融合可有效提升整个传感器系统信息的有效度。2015年6月,美国海军航空司令舒梅克中将在海军北岛航空站检验一台F-35C模拟器后表示,与传统攻击机相比,F-35C“闪电Ⅱ”联合攻击机依托“全传感器融合系统”带来的先进能力将为海军带来更大优势,可使飞行员利用所有机载传感器的信息生成一体化作战图,并将通过安全的数据链与互联网中其他飞行员及指挥控制操作中心实现自动共享。


从美军2015年至今开展的几个项目上可以看出,传感器正在从单个元器件向包含算法、网络在内的传感器系统发展,与应用的结合也日益紧密。在此基础上,美军除大力发展光电传感器外,着力推动传感器的微型化、轻量化和低成本化方向。随着军用新型传感器、组网、算法等技术的发展,将极大地拓展武器装备的性能,甚至带来武器装备的升级换代。

2016 年 5 月份,MIT 的原型 Lidar 芯片在 DARPA 的五角大楼演示日上的展示

(作者:佚名)
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