2010年,國家研究委員會出版了報告《看見光子:可見光與紅外傳感器陣列進展》,該報告聚焦關(guān)鍵性的被動傳感器技術(shù),其結(jié)論表明,對于許多戰(zhàn)術(shù)場合,探測器技術(shù)正在接近紅外光探測背景極限(BLIP),因此新型探測器似乎難以催生任何“顛覆性”技術(shù)突襲。
相比之下,本書在2010年報告的基礎上擴展生成,討論主動光電技術(shù)催生顛覆性技術(shù)突襲的潛能,也就是,討論那些使用可見或紅外光波(一般為激光,但也不限于激光)作為光源探查目標,并使用靈敏探測器和處理器分析回波的系統(tǒng)。相比被動光電傳感,在系統(tǒng)中額外使用探查光源帶來了許多新現(xiàn)象,這催生了對新能力的探索。
當今世界,對美國軍事安全產(chǎn)生潛在威脅的技術(shù)領域急劇增加,包括爆炸材料的發(fā)展、傳感器、控制系統(tǒng)、機器人、衛(wèi)星系統(tǒng)和計算能力等,但遠不止于此。這些技術(shù)不僅增強了美國軍事能力,而且還增強了潛在敵對勢力的反擊能力——直接促進了更尖端武器的發(fā)展,或間接地增加了干擾美國防御性軍事系統(tǒng)功能的可能性。其中,被動和主動光電(Electro-optical,EO)傳感技術(shù)就是其中最好的例子。
2010年,國家研究委員會(National Research Council,NRC)出版了報告《看見光子:可見光與紅外傳感器陣列進展》,該報告聚焦關(guān)鍵性的被動傳感器技術(shù),其結(jié)論表明,對于許多戰(zhàn)術(shù)場合,探測器技術(shù)正在接近紅外光探測背景極限(BLIP),因此新型探測器似乎難以催生任何“顛覆性”技術(shù)突襲。
相比之下,本書在2010年報告的基礎上擴展生成,討論主動光電技術(shù)催生顛覆性技術(shù)突襲的潛能,也就是,討論那些使用可見或紅外光波(一般為激光,但也不限于激光)作為光源探查目標,并使用靈敏探測器和處理器分析回波的系統(tǒng)。相比被動光電傳感,在系統(tǒng)中額外使用探查光源帶來了許多新現(xiàn)象,這催生了對新能力的探索。
2011年底,由美國情報界和美軍牽頭,要求國家研究委員會開展研究以評估主動光電系統(tǒng)產(chǎn)生技術(shù)突襲的潛力。作為回應,國家研究委員會成立了“對主動光電系統(tǒng)進展進行述評以避免形成不利于美國國家安全的技術(shù)突襲”委員會(簡稱專職委員會),并于2012年9月簽訂了研究合同。
國家研究委員會專職委員會將開展以下工作:
(1)評估具有潛在軍事用途的主動光電傳感技術(shù)的基本規(guī)律和物理極限:闡明相關(guān)技術(shù)間的權(quán)衡關(guān)系,包括直接與外差探測系統(tǒng)、掃描與閃光雷達、蓋革/線性模式和基于偏振的激光雷達、合成孔徑和真實波束激光雷達,以及靈敏度、動態(tài)范圍、偏振靈敏度等參數(shù)間的關(guān)系。將當前技術(shù)水平與物理極限進行比較,明確制約主動光電傳感技術(shù)進步的影響規(guī)律、工藝和其他難點。
(2)明確在未來5~10年內(nèi),可能幫助克服上述難點的關(guān)鍵技術(shù),(該關(guān)鍵技術(shù))對未來軍事應用的可能影響,以及推進這些技術(shù)應用的項目的所有重要標識:對那些在未來10年內(nèi)可實現(xiàn)部署的高影響力萬能技術(shù)和應用進行思考和判斷:探討可行的激光照明技術(shù)及其插接效率,考慮飛秒脈寬激光源技術(shù);探討可行的探測器/接收機方案和技術(shù);探討激光束轉(zhuǎn)向方法;探討將激光雷達數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可用信息的處理方法。
。3)考慮已有技術(shù)或新興技術(shù)實現(xiàn)中的優(yōu)缺點,例如,噪聲、動態(tài)范圍、信息處理或帶寬瓶頸、技術(shù)強化性、功耗、重量等;明確當前全球范圍內(nèi)引領關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展、研究和資助的國家和非國家行為,突出這些研究和發(fā)展計劃的規(guī)模、范圍以及強度,并且預測其趨勢、持續(xù)時間及商業(yè)驅(qū)動力。
。4)評估主動光電傳感技術(shù)的潛在用途,包括三維測繪和多目標分辨激光雷達技術(shù)以及用于確定目標屬性和狀態(tài)的激光振動探測、大氣補償、多波長照明、偏振、散斑等技術(shù)。
專職委員會將解決上述任務并形成署名報告。
由于主動光電感知形式和相關(guān)技術(shù)眾多,因此完成上述任務頗具挑戰(zhàn)。此外,更復雜的問題在于,討論一個技術(shù)的軍民兩用或軍事應用通常會因為保密或其他問題所限制。本書的主體內(nèi)容并不涉及美國秘密,作者盡量嘗試采用非保密的公開出版資源對相關(guān)技術(shù)領域進行討論,而對于某些特殊領域,由于其過于敏感因此不在本書中體現(xiàn),受國際武器貿(mào)易條例(International Traffic in Arms
Regulations.ITAR)所限制的某些信息也不在本書中涉及。
本書以草稿的形式由專業(yè)人員審閱,這些專業(yè)人員根據(jù)不同角度和專業(yè)技術(shù),經(jīng)國家研究委員會報告審閱委員會制定的相關(guān)程序選舉產(chǎn)生。開展獨立審閱的目的是為本書提供公正而嚴格的審稿意見,從而幫助國家研究委員會形成高質(zhì)量出版物,并確保這些出版物達到國家研究委員會“客觀、有據(jù)、物有所值(研究經(jīng)費)”的標準。審閱意見和草稿將封存保密以保護審閱過程的完整性。
本書作者感謝以下專業(yè)人員對本書的審閱:新墨西哥大學的Steven R.Brueck,F(xiàn)ieldcraft Scientific的Joseph Buck,海軍研究實驗室的Ronald G.Driggers,曼徹斯特大學的James R.Fienup(國家工程院),新墨西哥采礦和技術(shù)學院的Robert Q.Fugate(國家工程院),普林斯頓大學的William Happer(國家科學院),麻省理工學院林肯實驗室的Sumanth Kaushik,南佛羅里達大學的Dennis K.Killinger,軟件工程學院的Paul D.Neilsen(國家工程院),喬治華盛頓大學的Julie J.C.H.Ryan。
雖然上述審閱人提出了許多建設性評價和建議,但并未要求他們形成結(jié)論或推薦信,在本書公開發(fā)表前,這些審閱人也未見本書最終稿。本書的最終稿由伊士曼柯達公司的Edwin P.Przybylowicz審閱。
第1章 緒論
1.1 三維測繪
1.2 風速測量
1.3 自動巡航器控制
1.4 目標與材質(zhì)識別
1.5 振動測量和目標描述
1.6 衛(wèi)星激光測距
1.7 水下水雷探測
1.8 武器目標搜尋
1.9 警用速度測量
1.10 娛樂
1.11 本書內(nèi)容及編寫方法
1.12 本書結(jié)構(gòu)
1.13 本章結(jié)論
第2章 主動光電傳感方法
2.1 測距技術(shù)
2.2 激光測距儀
2.3 一維距離剖面成像激光雷達
2.3.1 使用多幅多角度一維剖面像進行層析成像
2.3.2 反射層析成像研究現(xiàn)狀
2.4 二維主動-距離門成像
2.5 三維直接探測主動成像
2.5.1 掃描式三維激光雷達
2.5.2 三維瞬時成像激光雷達
2.5.3 基于APD的成像
2.6 主動偏振測量
2.7 水下探測
2.7.1 水面上主動照明與探測
2.7.2 通過距離門抑制后向散射
2.7.3 近海海底成像
2.7.4 泡沫激光散射探測
2.8 振動探測
2.9 激光誘導擊穿光譜儀
2.10 氣溶膠探測
2.10.1 傳統(tǒng)氣溶膠激光雷達
2.10.2 差分散射激光雷達一偏振和多波長探測
2.10.3 差分吸收激光雷達
2.11 拉曼探測
2.12 激光誘導熒光
2.13 風探測
2.13.1 氣溶膠相干探測
2.13.2 基于分子散射的非相干探測
2.14 商用激光器/激光雷達產(chǎn)品
第3章 新興光電探測方法
3.1 多波長雷達
3.2 時域外差探測——強本振信號
3.3 時域外差探測——弱本振信號
3.4 合成孔徑激光雷達
3.5 數(shù)字全息術(shù)/空間外差
3.6 多輸人多輸出主動光電傳感
3.7 散斑成像
3.8 使用飛秒激光源的激光雷達
3.9 先進量子方法
3.10 非量子先進技術(shù)
3.11 新興技術(shù)系統(tǒng)總結(jié)
第4章 主動光電傳感部組件技術(shù)
4.1 成像激光源
4.1.1 二極管激光器
4.1.2 固態(tài)激光器
4.1.3 基于非線性光學的光源
4.2 探測器/接收器
4.2.1 單像元、小尺寸和大尺寸陣列
4.2.2 蓋革模式APD陣列
4.2.3 線性模式APD陣列
4.2.4 線性模式和蓋革模式APD比較分析
4.3 分幅相機
4.4 距離門相機
4.5 遠距超低照度成像
4.6 石墨烯
4.6.1 石墨烯探測器
4.6.2 石墨烯材料在光電探測中的應用啟示
4.7 量子點紅外探測器
4.8 光學天線
4.9 光束轉(zhuǎn)向與穩(wěn)定
4.10 熱控技術(shù)
4.10.1 探測器
4.10.2 低溫冷卻器
4.10.3 杜瓦瓶
4.11 望遠鏡
4.12 自適應光學
4.12.1 自適應光學系統(tǒng)
4.12.2 應對擴展湍流的方案
4.13 處理、開發(fā)和傳播
4.13.1 目標跟蹤
4.13.2 目標分類
4.13.3 繪制三維地圖
4.13.4 三維目標度量
4.13.5 數(shù)據(jù)文件大小、壓縮、傳播和通信帶寬要求
4.13.6 三維成像與其他傳感方式融合或協(xié)同
4.13.7 計算需求、處理吞吐量和處理器swaP
第5章 有源光電探測的基本規(guī)律與工程極限
5.1 照明光源
5.1.1 固態(tài)激光器
5.1.2 光纖激光器
5.1.3 非線性光學
5.2 探測器
5.2.1 探測器基本參數(shù)和極限
5.2.2 信號
5.2.3 噪聲源
5.2.4 探測器增益
5.2.5 關(guān)鍵探測器技術(shù)和發(fā)展趨勢
5.3 信號處理及其物理極限
5.4 傳輸效應
5.4.1 大氣傳輸
5.4.2 水下傳播
總體結(jié)論和建議
附錄A 國家研究委員會工程和物理科學分部“對主動光電系統(tǒng)進展進行
述評以避免形成不利于美國國家安全的技術(shù)突襲”專職委員會人員介紹
附錄B 會議和參與組織
附錄C 激光源及其基本參數(shù)和工程極限