导弹防御的关键—光电传感器.docx

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1、导弹防御的关键一光电传感器目录1 -序言12 .光电传感器的应用场景33 .红外的重要性54 .多弹头摧毁65 .命令和控制76 .传感器越多越好97 .尺寸、重量和功率118 .未来的红外系统139 .多光谱瞄准141 .序言光电传感器是将光信号转换为电信号的一种器件。其工作原理基于光电效应。光电效应是指光照射在某些物质上时，物质的电子吸收光子的能量而发生了相应的电效应现象。根据光电效应现象的不同将光电效应分为三类：外光电效应、内光电效应及光生伏特效应。光电器件有光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光电池等。分析了光电器件的性能、特性曲线。光电传感器一般由处理通路和处理元件

2、2部分组成。其基本原理是以光电效应为基础，把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将非电信号转换成电信号。光电效应是指用光照射某一物体，可以看作是一连串带有一定能量为的光子轰击在这个物体上，此时光子能量就传递给电子，并且是一个光子的全部能量一次性地被一个电子所吸收，电子得到光子传递的能量后其状态就会发生变化，从而使受光照射的物体产生相应的电效应。通常把光电效应分为3类：（1）在光线作用下能使电子溢出物体表面的现象称为外光电效应，如光电管、光电倍增管等；（2）在光线作用下能使物体的电阻率改变的现象称为内光电效应，如光敏电阻、光敏晶体管等；（3）在光线作用下，物体产生一定方向电动势

3、的现象称为光生伏特效应，如光电池等。光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此,光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它是把光信号(可见及紫外镭射光)转变成为电信号的器件。光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器。它可用于检测直接引起光量变化的非电物理量，如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等；也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等。光电式传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点，因此在

4、工业自动化装置和机器人中获得广泛应用。新的光电器件不断涌现，特别是CCD图像传感器的诞生，为光电传感器的进一步应用开创了新的一页。“光电传感器”这个术语涵盖了广泛的传感器技术和应用。从根本上讲，光电传感器是将光或光的变化转换为电子信号，并对其进行分析以触发预设响应的电子探测器。任何光电传感器的能力都源于对分辨率与灵敏度的结合和像素化这两个基本限制之间的平衡。分辨率表示可以有效看到多小的物体，灵敏度意味着信号在被环境噪声淹没之前可以有多暗。像素化则是指传感器图像的采样。每个部分的重要性取决于最先进的技术和使用传感器所要完成的任务。例如，弹道导弹防御中包含的导弹发射探测系统就是在杂乱的背景中寻找极

5、其明亮的光点。时任美国导弹防御局(MDA)行政副主任JDSyring在2017年6月向众议院军事委员会战略部队提出，“随着各国通过增加射程、采用弹道导弹防御(BMD)对策持续改进导弹.，使其复杂性、存活性、可靠性和精确性更高，因此弹道导弹的威胁越来越复杂。”威胁控制继续得到发展和部署。虽然最早从第二次世界大战起就提出了高超音速滑翔式飞行器和非弹道导弹的设想，但只有当下的技术进展才能使这些系统变得切实可行。2016年俄罗斯和中国都宣布成功发射了高超音速滑翔式飞行器。由于导弹发射探测系统可能基于陆地、海洋、空中或太空，许多导弹防御倡导者呼吁增加轨道传感器，以提供其他种类的传感器所无法比拟的全天候昼

6、夜全球监视，尤其是在目标发射中心位于像朝鲜这样被封锁的深空领域时。2 .光电传感器的应用场景在现代工业化社会，一切自动化的生产几乎都需要传感器的存在，使得一些机器来代替人工，进行无人化的操作。其中光电传感器，由于反应速度快，精度高、分辨率高、非接触测量，非常可靠。并且光电传感器具有体积小、重量轻、功耗低、便于集成等优点，是目前产量最多、应用最广的传感器之一，广泛应用于军事、宇航、通信、智能家居、智能交通、安防、1ED照明、玩具、检测与工业自动化控制等多种领域。光电传感器的类型可分为对射型、镜面反射型和漫反射型。光电传感器的特点:1）检测距离较远如HeinxsPG8系列远距离对射型光电传感器，其

7、检测距离可达50m,检测距离是其他检测方法（磁力、超音波等）所望尘莫及；PG8系列远距离光电传感器。远距离对射型尺寸：mmO检测距离可达50mI，ONPN谕出、PNP谕出、继电器珀出O塑料外兜，接线端子连接，OIP65防护等级O特别适合在恶劣的环境下使用2）对检测物体的限制条件少不同于近接传感器，只能检测金属材质的物体，光电传感器的检测原理为透过检测物体进行遮光，因此无论是玻璃、木材、液体、橡胶等大部分的物体皆能检测；机器动作时间外，所需的应答时间极短；4）解析度更高高阶的设计技术，让投光光束必变为较小的光点，而且由于光电传感器采用特殊的受光光学系统结构，因此能实现高解析度的目标。如此一来，甚

8、至连微小物体检测或需要高精确度的位置检测等皆能迎刃而解；5）以非接触方式进行检测，在不损坏工件的同时，传感器使用寿命更长。从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，从各种复杂的工程系统，到日常生活的衣食住行，几乎每一个现代化项目都离不开各种各样的传感器!3 .红外的重要性战略与国际研究中心的国际安全项目高级研究员兼该中心导弹防御计划负责人ThOmaSKarako说道：“弹道导弹防御的具体任务是探测、跟踪和识别。首先在跟踪威胁蜂群时红外线发挥了大部分作用，这是因为分解目标需要不同的技术才能识别清楚，以便拦截器与最具威胁性的目标相撞并避开其余部分。这才是识别挑战。”KarakO表示，考虑到目前的威胁现状，最重要

9、的是在新一代技术出现前做好切实可行的导弹探测传感器部署。“从政策的角度看，最重要的是，我们不要为了等待最好的技术而阻碍次好技术的研究与发展。获取天基传感器并不是真正的技术问题，而是政治与成本问题。当前的技术已足够实现一个强大的天基导弹防御层，无需等候更先进的技术出现。”他补充道，天基传感器层是本世纪20年代弹道导弹防御中最重要的一步，可应对新导弹时代的演变，不仅是弹道，还涉及到高度和射程的各个方面。天基传感器层提供了更好的有利位置、更强的持久性以及从另一种不同视角来看待中途发射的导弹所产生的威胁云。轨道（1EO）的红外卫星可从侧面观察威胁云，不仅观察弹头和其他目标的雷达横截面，还观察与空间冷背

10、景形成对比的热量特征。将地面雷达与上面轨道运行的光电传感器相结合会极大帮助拦截器找到目标。KarakO说道：“从做决定到全面部署还需要多年时间，因此更加有理由从现在就开始行动起来。目前我们的系统主要基于雷达，因此需要增加系统性能，来争取更多时间获取额外的能力以应对包括大型洲际弹道导弹（ICBM）在内的各种威胁。”我们将需要利用各种传感器组合多种解决方案。现在我们受限于严重依赖陆基雷达这一种技术，Karab。继续说道：“随着各类威胁出现一定会发生变化，我们需要向前迈进以增加技术多样性和应对能力，以多种能力来应对当前的威胁以及未来可能出现的威胁。任何单系统都不可能单打独斗，而是需要组合多种系统来应

11、对。”4 图12017年4月，美国海军团队在马里兰州帕图森河海军航空站进行的航空无人驾驶任务控制系统（UMCS）演示期间模拟了未来MQ-25的作战5 .多弹头摧毁位于美国佛罗里达州奥兰多市洛克希德马丁导弹火控公司的先进拦截系统项目主管BrUCeJUrCeVieh表示，按照上述规划，目前的一个努力方向是降低导弹防御局的多目标拦截器（MOKV）技术风险计划，它将使用最新的光电技术来提高系统的可靠性，并同时降低其总成本。Jurcevich说：“光电传感器的技术进步可能会缩短多源信息融合的响应时间，提高导弹防御应用中的存活性和可靠性。”洛克希德马丁公司、雷声导弹系统公司以及波音防务、航空和安全公司这三

12、家承包商与美国导弹防御局签订合同，定义MOKV概念验证原型机、展示风险缓解步骤、评估其概念的技术成熟度，以及对使设计风险最小化的技术进行排序。“在过去的10年中，光电传感器的材料和可生产性都得到改进，波长更长、光谱响应能力更好，且成本更低，Jurcevich说道。“展望未来，我认为我们将继续聚焦在降低光电传感器的成本上。与此同时，还将提升人工智能、多感官数据处理的机器学习、传感器融合、自治系统管理以及更宽的光谱容量。”“最先进的红外传感器具有多种格式尺寸，由多种材料及合金制成，可在短波与长波传感器的所有光谱波段中运行，具有极低的背景噪声，JUrCeViCh介绍，“紫外线传感器采用了多种先进的基

13、质材料，可以利用光电二极管、光电池和倍增管探测器测量紫外线辐射，并针对辐照度测量对光谱响应、噪声和暗信号进行优化。”2017年4月，战略与国际研究中心发布的2023年导弹防御：保卫祖国的下一步报告中,Karako与其合作者IanWi11iams和WesRUmbaUgh指出,“没有比传感器和指挥控制系统更好的导弹防御系统了，它能确定威胁的位置并指导如何除掉威胁”，“虽然拦截器往往能激发人们的想象力，但传感器是导弹防御作战中被低估的支柱力量。从早期预警、跟踪、火控、识别和毁伤评估来看，整个拦截周期都需要传感器。国土导弹防御依赖于来自各种陆基和海基雷达以及高空卫星的传感器信息。”6 .命令和控制道导

14、弹防御传感器将有关目标的信息提供给位于科罗拉多州斯普林斯SChrieVer空军基地的陆基中段防御(GMD)火控部件。在命令、控制、战斗管理和通信(C2BMC)软件的支持下，系统通过飞行中拦截器通信系统(IFICS)数据终端(IDT)将此信息集成并传输给飞行中的陆基拦截弹。美国弹道导弹防御工作的天基部分包括持续近半个世纪的对地球同步(GEO)轨道中红外卫星进行系统排列的国防支援计划(DSP),地球同步和高椭圆轨道天基红外系统(SB1RS)。该系统于2006年发射进入高地球轨道，2011年进入地球同步轨道，取代了DSP和低地面轨道(1EO)可变波段红外空间跟踪和监视系统演示器(STSS-D),旨在

15、从太空提供持续深入的导弹传感器覆盖。STSS-D于2009年推出，但尚未完全集成。利用光电传感器探测和跟踪导弹发射的天基、陆基和海基系统的组合在2017年5月进行了演示，用于对抗从西太平洋夏威夷和关岛之间的瓜加林环礁发射的洲际弹道导弹目标。一个陆基拦截弹(GBI)最初在传感器融合数据的引导下，从加州中部的范登堡空军基地发射。一旦进入太空，GB1就会释放一个大气层外杀伤飞行器(EKV)O这是EKV的模块I新功能增强2的第一轮完全拦截测试，该测试利用其自身的机载光电传感器定位并撞击目标。这是通过陆基拦截弹或任何其他弹道导弹防御系统(BMDS)部件对洲际弹道导弹进行的首次拦截。”美国导弹防御局新的研

16、发工作包括天基毁伤评估(SKA)实验计划，以确定使用商用卫星有效载荷将传感器送入轨道的可能性。由美国约翰霍普金斯大学应用物理实验室研发并放置在商业卫星网络上的传感器将评估导弹拦截成功的概率并向战士传递信息，改进射击原则，确保不向已被消除的威胁发射额外的拦截器。图2美国陆军“红隼眼T卫星部署在国际空间站上。光电纳米卫星将使战术领导者能够同步行动，抓住主动权并保持近乎实时的态势感知7 .传感器越多越好战略与国际研究中心的报告指出，“长期以来对传感器的需求是从尽可能多的不同的有利位置、用尽可能多的技术或现象学配备尽可能多的传感器，然后将其输入数据进行有效集成并通过集中指令和控制网络理解输入数据。传感器的重要性不容小觑。传感器的改进可能是提高杀伤力、提高有效弹匣容量并让