光電傳感器”這個術語涵蓋了廣泛的傳感器技術和應用。從根本上講，光電傳感器是將光或 光的變化轉換為電子信號，并對其進行分析以觸發預設響應的電子探測器。

任何光電傳感器的能力都源于對分辨率與靈敏度的結合和像素化這兩個基本限制之間的平衡。分辨率表示可以有效看到多小的物體，靈敏度意味著信號在被環境噪聲淹沒之前可以有多暗。像素化則是指傳感器圖像的采樣。

每個部分的重要性取決于最先進的技術和使用傳感器所要完成的任務。例如，彈道導彈防御中包含的導彈發射探測系統就是在雜亂的背景中尋找極其明亮的光點。

時任美國導彈防御局（MDA）行政副主任 J.D. Syring在2017年6月向眾議院軍事委員會戰略部隊提出，“隨著各國通過增加射程、采用彈道導彈防御（BMD）對策持續改進導彈，使其復雜性、存活性、可靠性和精確性更高，因此彈道導彈的威脅越來越復雜。”

威脅控制繼續得到發展和部署。雖然最早從第二次世界大戰起就提出了高超音速滑翔式飛行器和非彈道導彈的設想，但只有當下的技術進展才能使這些系統變得切實可行。2016年俄羅斯和中國 都宣布成功發射了高超音速滑翔式飛行器。

由于導彈發射探測系統可能基于陸地、海洋、空中或太空，許多導彈防御倡導者呼吁增加軌道傳感器，以提供其他種類的傳感器所無法比擬的全天候晝夜全球監視，尤其是在目標發射中心位于像朝鮮這樣被封鎖的深空領域時。

紅外的重要性

戰

略與國際研究中心的國際安全項目高級研究員兼該中心導彈防御計劃負責人 Thomas Karako說道：“彈道導彈防御的具體任務是探測、跟蹤和識別。首先在跟蹤威脅蜂群時紅外線發揮了大部分作用，這是因為分解目標需要不同的技術才能識別清楚，以便攔截器與最具威脅性的目標相撞并避開其余部分。這才是識別挑戰。”

K

arako 表示，考慮到目前的威脅現狀，最重要的是在新一代技術出現前做好切實可行的導彈探測傳感器部署。“從政策的角度看，最重要的是，我們不要為了等待最好的技術而阻礙次好技術的研究與發展。獲取天基傳感器并不是真正的技術問題，而是政治與成本問題。當前的技術已足夠實現一個強大的天基導彈防御層，無需等候更先進的技術出現。”

他補充道，天基傳感器層是本世紀20年代彈道導彈防御中最重要的一步，可應對新導彈時代的演變，不僅是彈道，還涉及到高度和射程的各個方面。天基傳感器層提供了更好的有利位置、更強的持久性以及從另一種不同視角來看待中途發射的導彈所產生的威脅云。

軌道（LEO）的紅外衛星可從側面觀察威脅云，不僅觀察彈頭和其他目標的雷達橫截面，還觀察與空間冷背景形成對比的熱量特征。將地面雷達與上面軌道運行的光電傳感器相結合會極大 幫助攔截器找到目標。

K

arako 說道：“從做決定到全面部署還需要多年時間，因此更加有理由從現在就開始行動起來。目前我們的系統主要基于雷達，因此需要增加系統性能，來爭取更多時間獲取額外的能力以應對包括大型洲際彈道導彈（ICBM）在內的各種威脅。”

我們將需要利用各種傳感器組合多種解決方案。現在我們受限于嚴重依賴陸基雷達這一種技術，”Karabo 繼續說道：“隨著各類威脅出現一定會發生變化，我們需要向前邁進以增加技術多樣性和應對能力，以多種能力來應對當前的威脅以及未來可能出現的威脅。任何單系統都不可能單打獨斗，而是需要組合多種系統來應對。”

2017 年 4 月，美國海軍團隊在馬里蘭州帕圖森河海軍航空站進行的航空無人駕駛任務控制系統 （UMCS）演示期間模擬了未來 MQ-25 的作戰

多彈頭摧毀

位于美國佛羅里達州奧蘭多市洛克希德·馬丁導彈火控公司的先進攔截系統項目主管 Bruce Jurcevich 表示，按照上述規劃，目前的一個努力方向是降低導彈防御局的多目標攔截器（MOKV）技術風險計劃，它將使用最新的光電技術來提高系統的可靠性，并同時降低其總成本。

Jurcevich說：“光電傳感器的技術進步可能會縮短多源信息融合的響應時間，提高導彈防御應用中的存活性和可靠性。”

洛克希德·馬丁公司、雷聲導彈系統公司以及波音防務、航空和安全公司這三家承包商與美國導彈防御局簽訂合同，定義 MOKV 概念驗證原型機、展示風險緩解步驟、評估其概念的技術成熟度，以及對使設計風險最小化的技術進行排序。

“在過去的10年中，光電傳感器的材料和可生產性都得到改進，波長更長、光譜響應能力更好，且成本更低，Jurcevich 說道。“展望未來，我認為我們將繼續聚焦在降低光電傳感器的成本上。與此同時，還將提升人工智能、多感官數據處理的機器學習、傳感器融合、自治系統管理以及更寬的光譜容量。”?

“最先進的紅外傳感器具有多種格式尺寸，由多種材料及合金制成，可在短波與長波傳感器的所有光譜波段中運行，具有極低的背景噪聲，”Jurcevich 介紹，“紫外線傳感器采用了多種先進的基質材料，可以利用光電二極管、光電池和倍增管探測器測量紫外線輻射，并針對輻照度測量對光譜響應、噪聲和暗信號進行優化。”

2017 年 4 月，戰略與國際研究中心發布的《2020 年導彈防御：保衛祖國的下一步》報告中，Karako與其合作者Ian Williams和Wes Rumbaugh 指出,“沒有比傳感器和指揮控制系統更好的導彈防御系統了，它能確定威脅的位置并指導如何除掉威脅”,“雖然攔截器往往能激發人們的想象力，但傳感器是導彈防御作戰中被低估的支柱力量。從早期預警、跟蹤、火控、識別和毀傷評估來看，整個攔截周期都需要傳感器。國土導彈防御依賴于來自各種陸基和海基雷達以及高空衛星的傳感器信息。”?

命令和控制

道導彈防御傳感器將有關目標的信息提供給位于科羅拉多州斯普林斯 Schriever 空軍基地的陸基中段防御（GMD）火控部件。在命令、控制、戰斗管理和通信（C2BMC）軟件的支持下，系統通過飛行中攔截器通信系統（IFICS）數據終端（IDT）將此信息集成并傳輸給飛行中的陸基攔截彈。

美

國彈道導彈防御工作的天基部分包括持續近半個世紀的對地球同步（GEO）軌道中紅外衛星進行系統排列的國防支援計劃（DSP），地球同步和高橢圓軌道天基紅外系統（SBIRS）。該系統于 2006 年發射進入高地球軌道，2011年進入地球同步軌道，取代了 DSP 和低地面軌道（LEO）可變 波段紅外空間跟蹤和監視系統演示器（STSS-D），旨在從太空提供持續深入的導彈傳感器覆蓋。STSS-D 于 2009 年推出，但尚未完全集成。

利用光電傳感器探測和跟蹤導彈發射的天基、陸基和海基系統的組合在 2017 年 5 月進行了演示，用于對抗從西太平洋夏威夷和關島之間的瓜加林環礁發射的洲際彈道導彈目標。一個陸基攔截彈（GBI）最初在傳感器融合數據的引導下，從加州中部的范登堡空軍基地發射。一旦進入太空，GBI 就會釋放一個大氣層外殺傷飛行器（EKV）。

這是EKV的模塊Ⅰ新功能增強 2 的第一輪完全攔截測試，該測試利用其自身的機載光電傳感器定位并撞擊目標。這是通過陸基攔截彈或任何其他彈道導彈防御系統（BMDS）部件對洲際彈道導彈進行的首次攔截。”

美國導彈防御局新的研發工作包括天基毀傷評估（SKA）實驗計劃，以確定使用商用衛星有效載荷將傳感器送入軌道的可能性。由美國約翰霍普金斯大學應用物理實驗室研發并放置在商業衛星網絡上的傳感器將評估導彈攔截成功的概率并向戰士傳遞信息，改進射擊原則，確保不向已被消除的威脅發射額外的攔截器。

美國陸軍“紅隼眼”衛星部署在國際空間站上。光電納米衛星將使戰術領導者能夠同步行動，抓住主動權并保持近乎實時的態勢感知

傳感器越多越好

戰略與國際研究中心的報告指出，“長期以來對傳感器的需求是從盡可能多的不同的有利位置、用盡可能多的技術或現象學配備盡可能多的傳感器，然后將其輸入數據進行有效集成并通過集中指令和控制網絡理解輸入數據。傳感器的重要性不容小覷。傳感器的改進可能是提高殺傷力、提高有效彈匣容量并讓防御能力更強大的最佳途徑之一。正如一項研究所觀察到的，傳感器的冗余是另一個分層的形式。”

“在高空沒有天基傳感器運行的情況下，國土導彈防御任務僅依靠地面雷達進行跟蹤和識別，”該研究繼續寫道。“這給傳感器網絡帶來了更大的負擔，使其在來襲導彈的威脅云內識別物體變得更加困難，因此需要攻擊云中的更多物體以確保彈頭被摧毀。這反過來意味著要向單一威脅云上發射更多的攔截器，從而降低了陸基攔截彈彈藥庫的有效容量。”

半個多世紀以來，彈道導彈一直是主要威脅，也是光電傳感器面臨的一項重大挑戰

美國導彈防御局的先進技術項目主管 Richard Matlock 表示，美國目前依賴高橢圓軌道天基紅外系統（SBIRS）和海基 X 波段雷達，再輔以地面傳感器來探測彈道導彈的發射，這樣就無法提供所需的持久全球傳感器覆蓋來應對不斷發展的、更具機動性且更復雜的威脅。相反，導彈防御局呼吁建立一個“全球持久的天基傳感器陣列”，包括雷達和光電傳感器，以便對導彈從發射到終止都進行探測、跟蹤和瞄準。

Matlock 說：“重要的是在未來幾年內我們從基于地面的系統向主要從太空發揮作用的系統做出 了更廣泛的轉變。”導彈防御局先進技術項目執行辦公室正在尋求改進彈道導彈防御光電傳感器的研究途徑。其中包括：

識別技術：近期目標是將高空機載或空基光電傳感器添加到彈道導彈防御系統（BMDS）架構中，該架構可以獲取、跟蹤并識別彈道導彈目標。該機構正在研發和測試目前部署在無人機上的傳感器。

高級概念和性能評估：“智能買家”方法，使用基于模型的工程工具和技術，評估新出現的導彈防御需求，并分析替代概念和技術，以便了解需求、降低風險并確保具有成本效益的任務解決方案。

高校研究計劃：該機構向學院和大學授予合同，以便研發有可能在彈道導彈防御系統中實施的新一代技術。許多技術領域都正在進行研究，包括最大限度地減少碎片的影響、快速響應架構優化、推進、光電傳感器和材料表征。

企業創新研究計劃（SBIR）：SBIR 利用國家小型科技公司的創新人才。它資助旨在刺激技 術創新的早期研發，擴大在聯邦政府研發支持下私營部門的商業化，提高聯邦政府資助的研發項目中小企業的參與度，并促進少數族裔和弱勢企業參與技術創新。

小企業技術轉讓計劃（STTR）：與 SBIR 結構相似，但 STTR 資助涉及小企業和研究機構的合作研發項目（例如，大學、聯邦政府資助的研發中心、非營利研究機構）。STTR 有助于將國家研究機構的想法轉移到市場，從而使私營部門和軍用領域客戶都受益。

美國導彈防御局已經向國會申請 1700 萬美元繼續進行天基毀傷評估實驗，使用快速幀紅外傳 感器作為綜合攔截后毀傷評估能力的一部分。Syring 證實，天基毀傷評估有效載荷于 2016 年12月開始安裝在商用主機衛星上，整個網絡應在 2018 年進入軌道。

Syring 告訴國會，“我們正在投資雷達并研發先進的光電傳感器，以實現一個能最終提供高精 度中段跟蹤和識別的多樣化傳感器架構。” Syring 告訴立法者終端高空防御（THAAD）系統的測試結果——在 15 次測試中成功攔截了 15 次——證明它可以從空中射落彈道導彈，但下一代彈道導彈防御系統需要更進一步，使用新的雷達技術和傳感器算法使武器系統不僅可以探測到威脅，還可以了解確切的威脅。

尺寸、重量和功率

尺寸、重量、功耗和成本（SWaP-C）同樣影響了光電傳感器的未來發展和使用，關鍵在于小型化和持續研發更持久、更小、更輕的電源系統。

多目標殺傷器（MOKV）項目旨在通過一次導彈發射摧毀多枚來襲的彈道導彈彈頭。在一枚助 推火箭上可發射多達六個 MOKV，它部署在太空邊緣，可進行轉向，并使用單獨的動能殺傷飛行器摧毀多枚來襲的彈道導彈彈頭和誘餌彈

美國陸軍航空和導彈研究、發展與工程中心（AMRDEC）的紅外與光學技術實驗研發人員 Chris Dobbins 說：“從根本上講，無論先決條件可能表明什么，SWaP-C 始終是一個驅動因素。因為最終體積、重量和功率將限制傳感器的性能，進而影響到整個系統的能力。成本是設計者始終關心的問題，因為成本最終決定了一個項目從成本/效益比率看是否能成功。”

“紅外傳感器技術在過去的 10 年中發生了巨大的變化。探測器像素尺寸的減小使其已不再成為設計中的限制因素，”Dobbins 介紹，“隨著像素尺寸的減小，陣列尺寸已經增加到百萬像素領域。由于新型 HOT（高工作溫度）材料的改進，探測器的工作溫度已經上升。”

光電傳感器通常將光探測技術與控制多個光源的軟件相結合，在不同角度轟擊具有不同光波形的目標。然后分析反射的光波從而對探測到的目標特征進行識別。Syring 告訴國會，導彈防御局特 別關注設計能夠區分致命威脅和非致命威脅的傳感器算法。

在第三屆控制、自動化和機器人國際會議（ICCAR 2017）上發表的論文中，來自海軍研究生院系統工程系的兩名研究人員 Chee Mun Kelvin Wong 和 Oleg Yakimenko 假定使用無人機（UAV）配備光電傳感器探測并跟蹤大型洲際彈道導彈的發射。在―利用光電傳感器進行火箭發射探測和跟蹤論文中表示其最終目標是評估洲際彈道導彈上升的參數，并提供瞄準信息，使攻擊無人機進入攔截航線對碰撞殺傷攔截器導彈進行部署。

光電傳感器在有人駕駛飛機上也能發揮出新的彈道導彈防御作用。2017 年 4 月，諾斯羅普·格魯曼公司系統公司贏得了美國海軍航空系統司令部（NAVAIR）為大型飛機紅外對抗計劃簽訂的價值9950萬美元的合同。大型飛機紅外對抗系統（LAIRCM）將在各種美國海軍和空軍飛機上安裝基于激光的光電導彈防御系統，以自動探測導彈發射，確定它是否是一種威脅，并激活一個高強度 激光對抗系統來跟蹤和擊毀導彈。

計劃配備大型飛機紅外對抗系統的飛機包括 C-5，C-17，C-37，C-40 貨機和通用噴氣式飛機、 C-130H 和 MC-130W 四引擎通用渦輪螺旋槳飛機、CV-22 傾轉旋翼機、KC-46 空中加油機、海軍 P-8A 海上巡邏機，和一些大型軍用直升機。美國空軍的 C-17 和 C-130 飛機將使用早期的臨時版本， 包括紫外線傳感器、對抗處理器和小型激光炮塔組件。

美國導彈防御局的多目標殺傷器（MOKV）計劃利用了光電技術的最新進展來提高系統的可靠性，同時降低總成本

未來的紅外系統?

未來紅外系統將采用更小的激光轉塔，在光學雜波中提供更好的分辨率和性能，以及更大的探測范圍。大型飛機紅外對抗系統（LAIRCM）被視為飛機防護紅外對抗未來研發的先驅，能夠探測 來襲導彈并進行分類，然后發出定制的干擾能量將其擊敗。

朝鮮導彈攻擊關島的威脅已導致世界上第一架武裝無人機——通用原子公司 MQ-9“收割者”（Reaper）無人機發揮新的用途。

現在經過雷聲公司特殊的多光譜瞄準系統C傳感器的改進后，“收割者”無人機將能對朝鮮和 關島之間的天空進行掃描。使用光電紅外傳感器探測導彈助推段的熱量并利用來自兩個或更多個“收割者”的數據，該系統可以對導彈羽流進行三角測量，為美國海軍攔截戰艦創建 3D 目標數據。

通用原子公司總裁 David Alexander 拒絕給出詳細說明，但同時表示公司正在努力提高“收割者”對導彈防御的貢獻。“我們只想說在未來的幾年內，跟蹤能力會有很大的改進。它提供了在早期助推階段的準確性，這將是顛覆性的。”?

公司還計劃將其最初為海軍的“無人艦載空中偵察和打擊（UCLASS）作戰無人機計劃”（后被取消）設計的“捕食者”（Predator）C“Avenger”改換用途作為彈道導彈防御平臺。正在對Avenger 重 達 3000 磅的大容量武器艙進行改造，以容納聯合技術公司的遠程 MS-177A 多光譜傳感器系統，該系統目前正在競爭對手諾斯羅普·格魯曼公司的“全球鷹”無人機上飛行。

Alexander 解釋說：“該傳感器將非常大，無法真正裝在 MQ-9 上，” 并補充說通用原子公司正在研制另一款面向未來的具有“超大孔徑的遠程傳感器，當無人機沿著別國邊界飛行的時候，該傳 感器可以幫助無人機進行深入探測。”

多光譜瞄準

部署最廣泛的光電系統之一是雷聲空間和機載系統多光譜瞄準系統（MTS），在過去的 15 年中安裝在500多架美國海軍飛機上。

該系統的光電全動態攝像系統可實現遠程監控和高空采集、跟蹤和激光指示。MTS-C 變體包括一個長波紅外探測器，用于跟蹤冷體，如助推階段后的導彈和彈頭，以及助推階段期間的導彈和火箭羽流及尾氣。

與幾乎所有技術要素一樣，特別是在需要瞬間軍事理解和決策的地方，人工智能至少在部分彈道導彈防御傳感器環境中發揮的作用還有待考證。

Dobbins 說道：“在紅外傳感器剛誕生的時候，信息通常被直接輸入顯示器，只進行了最小的處理就讓用戶決定如何使用它。如今超大規模的信息和數組格式要求在用戶使用之前完成預先進行處理。”

“對于發射后鎖定的導彈，人眼永遠不會看到目標圖像，Dobbins 補充說道：“導彈不是人工智能，而是一臺狀態機。它遵循一組基于所呈現內容的操作。簡單說，就是通過算法告訴它去這里，張開眼睛，尋找到目標并與目標交戰。”

（西安應用光學研究所?張璐?徐航）

編輯：黃飛