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07 Jun,2021

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美军先进传感器系统主要研究进展
发布日期:2021-06-07 10:30:40


美军先进传感器系统主要研究进展


原创:太阳谷


美军先进传感器系统主要研究进展(图1)




导读

本文主要从先进机载传感器、新概念传感器、智能型传感器以及空间传感器四个方面对近年来美军先进传感器系统的主要研究进展进行梳理。可以得到,IRST Block II传感器系统将有望实现美军战机在数十公里范围内有效侦测J-20与Su-57等隐身战斗机的能力;AN/APS-154传感器可提升P-8A反潜巡逻机的广域对海/对陆探测能力和实时数据共享能力;新概念的石墨烯基新型微波辐射传感器与量子传感器将提升美军在热成像、电子战、无线电通信和雷达等领域的技术优势;智能型RedKite-I WAMI、海上智能浮动传感器系统、N-ZERO可部署传感器网络将有助于美军在海上与边远地域等构建持续的广域传感器监视网络;“高超音速和弹道追踪”空间传感器(HBTSS),则将有望提供持续检测与跟踪高超音速武器和弹道导弹的能力。


先进机载传感器研究

强电子干扰环境下侦测隐身战机的IRST Block II红外/光电传感器

波音公司制造的首批两架F/A-18E/F Block III舰载战斗机已经于2020年6月17日正式交付,机腹外挂型IRST Block II红外/光电传感器系统(也被称为AN/ASG-34)是该机型的重要改进项目之一,将替换IRST Block I。

IRST Block II传感器系统由无源长波红外接收器、处理器、惯性测量单元与环境控制单元组成,与其电源及冷却组件所组成的吊舱被安装于机腹下方FPU-13副油箱的前端。

该型传感器是被动式长波红外传感器,结合了红外和其他传感器技术,可实现高精度瞄准,并能够在强电子干扰环境下的有效距离内侦测到隐身飞机,且并不会对其识别与跟踪可能飞过F/A-18E/F的飞机以及在距目标飞机16公里处提供无限制飞行的能力产生不利因素,能见度约达18.288公里(也有消息称,波音公司宣称该传感器的探测距离可达16公里),并且更便于升级与改进,但同时也牺牲了部分载油量,油箱的载油量由480加仑(1817升)下降到330加仑(1250升)。


美军先进传感器系统主要研究进展(图2)

位于F/A-18F超级大黄蜂下的中间副油箱顶端的红外传感器IRST Block I

美国国防部并未透露AN/ASG-34吊舱对隐身和非隐身飞机探测距离的具体信息,仅称该型传感器将有助于美方战机在中距/近距有效抗衡对方的隐身战机,即使不开机载雷达,IRST Block II传感器系统亦能在数十公里范围内有效侦测J-20与Su-57等隐身战斗机。

IRST Block II传感器主要以红外、光电等探测手段发现、跟踪和锁定目标,无需像机载雷达一样发射探测电波,因此不会受到现有电子干扰手段的影响。其高角度精度使其还能够在最大范围内被动跟踪近距离目标,从而使F/A-18E/F Block III无需使用APG-79雷达即可进行跟踪,并作为智能传感器节点运行;其数据可供战机单独使用,也可与挂载IRST Block II传感器的相同/不同机型的战斗机进行态势感知数据融合。

  • IRST Block II传感器配合F/A-18E/F所搭载的新型分布式目标处理网络(DTP-N)与战术目标网络技术(TTNT)数据链,能够使多架F/A-18E/F共享融合红外传感器等多种传感器的数据,形成通用战术图片,从而极大提升战机编队的战斗力;

  • 多架挂载IRST Block II传感器的战斗机可进行分散型编队下的数据链联网作战,共享其被动探测到的目标数据,通过三角定位解算出每个目标的距离与航向数据,为导弹提供精确目标数据融合,实现单个IRST传感器所无法实现的全静默探测与攻击。


目前IRST Block II仍处于研发阶段,搭载该型传感器系统的F/A-18E/F的飞行将为波音公司与美海军在部署到舰队之前提供有关系统的珍贵数据。据称IRST Block II可能于2021年交付海军,并于下半年达到初始作战能力,将是未来F/A-18E/F的重要配置之一。

综上可知,美海军将发展IRST Block II新型红外/光电传感器系统作为F/A-18E/F战机的Block III重要升级计划之一的主要目的在于实现以被动方式对小型隐身无人机进行红外搜索,为美国航母的舰队防空增加一种全新的反隐身搜索方式,提升航空力量作战群中的战机独立作战的能力与生存能力,以及美海军协同一体化反隐身的作战能力,以应对敌方先进隐身作战飞机封锁己方预警机所带来的威胁等。

先进反潜巡逻机用AN/APS-154先进机载传感器系统(AAS)

近年来,尤其2020年以来,作为美海军最先进反潜巡逻机的P-8A频频抵近我国南海,据称该巡逻机是美军目前仅有的2种可以携带大型电子吊舱的机型之一,已经搭载了AN/APS-154先进机载传感器系统(AAS),引起我国高度关注。

AN/APS-154传感器由美国雷神公司研制,于2014年开始测试使用,美军并未全面披露该吊舱的相关性能细节,采购数量也仍处于保密状态。在此仅将所能调研到的资料进行梳理。

美军先进传感器系统主要研究进展(图3)

挂载AN/APS-154先进机载传感器系统的P-8A

AN/APS-154是具有移动目标指示(MTI)和合成孔径功能的有源相控阵(AESA)雷达。其吊舱体积巨大,容纳了多组相控阵/合成孔径雷达阵列,长度接近P-8A反潜机机身的一半,厚度接近飞机主起落架轮胎的高度,因此被挂载于机身腹部中线位置。据称在安装该型吊舱时,飞机的机身后部还要加装一对鳍片,用于稳定由巨大的非流线型吊舱而产生的乱流,使飞机能够保持平稳飞行。该型传感器不仅具备对海/陆移动目标的精确定位能力,还能够使载机成为空中信息节点。

美军先进传感器系统主要研究进展(图4)

此外,AN/APS-154传感器是P-8A的强大信息收集工具,可使飞机对任何打击进行快速评估,可能具备辅助电子战能力,还可能使该机实现作战功能转变。

除了该型传感器以外,P-8A的机头还安装有具备新一代合成孔径功能的AN/APY-10雷达,能够在数十公里的距离上侦测到复杂海况中仅露出水面数十厘米的潜艇通气管,但由于只能被固定安装在机身前部,在飞机前部180°视角范围之内进行扫描,对于广阔海面上各个方向可能出现的目标无法同时扫描。而AN/APY-10雷达与AN/APS-154相配合,则能够使得P-8A具有强大的广域对海/对陆探测能力和实时数据共享能力。

截至目前至少有7架次的P-8A挂载该型外挂吊舱公开亮相过。据称,挂载AN/APS-154吊舱的部分飞机已经与美海军一些最神秘的航空单位联系,并多次公开露面,这很可能与美军未来的战区功能部署有关,也表明了美海军正在越来越频繁地将强大的AN/APS-154传感器投入日常应用,以大幅提升其广域态势感知能力等。

新概念传感器研究

石墨烯基新型微波辐射传感器

2020年11月5日,由美国陆军研究实验室(ARL)、哈佛大学、美国光子科学研究所、麻省理工学院、韩国浦项科技大学与雷神BBN科技公司组成的研究团队宣称,已经制造出一种新型微波辐射传感器——基于单层石墨烯的薄型辐射热传感器。

美军先进传感器系统主要研究进展(图5)


综上可知,该微波辐射传感器的灵敏度非常高,将有望实现量子传感和雷达等应用的新能力,从而有助于进一步提升美军在热成像、电子战、无线电通信和雷达等领域的技术优势。其不但为提高雷达、夜视、激光探测与测距系统(LIDAR)和通信等电磁信号探测系统的性能开辟了新途径,还将有望使量子信息科学、热成像以及暗物质搜索等新的应用成为可能。

Rydberg量子传感器

早在2018年,在国防部长办公厅(OSD)和美国国防部高级研究计划局(DARPA)等的支持下,美陆军研究实验室等就研发出全球首例量子传感器——Rydberg传感器,并一直在持续开展相关研究以对该型传感器进行性能优化。

图表:美陆军Rydberg量子传感器

研究描述
技术核心利用具有高激发态电子的原子——Rydberg碱原子蒸汽进行电磁波的检测
最新进展

2018年,验证了10kHz~30GHz频率范围内的数据接收;

2020年,定量分析了Rydberg传感器在0~100GHz频率范围内对振荡电场的灵敏度;

2021年,实现了在现实世界中采样从零频率到20GHz的无线电频谱,并检测AMFM广播、蓝牙、Wi-Fi以及其他通信信号。
技术优势

尺寸小,不易被检测到,便于单兵装备;

可覆盖全通信频谱,能够可靠地检测整个频谱范围内的信号,可与电光晶体和偶极天线耦合无源电子技术等现有电场传感器技术相媲美

资料来源:调研整理

由上表可知,Rydberg传感器可以可靠地检测整个频谱上的信号,在灵敏度、带宽和频率范围方面均具有超越传统电子产品基本限制的潜力。由此推测,Rydberg传感器等量子传感器将有望提供高灵敏度与准确性,可检测各种关键任务信号,进一步解锁陆军传感器的新领域,以进行频谱感知、电子战、传感与通信,从而推动陆军现代化战略的实现进程。

美军先进传感器系统主要研究进展(图6)

Rydberg量子传感器检测通信信号的工作示意图

然而尽管美陆军研究实验室现阶段已经取得一定研究进展,但距离将Rydberg传感器集成到可现场测试的设备中仍需时日,仍然需要进行大量的物理与工程方面的研究工作,而深入探索在传感器尺寸不断减小的情况下保持和改善设备性能的方法,进一步提高传感器对较弱信号以及复杂波形的探测灵敏度,并研究士兵在野外环境中使用量子传感器的方法将是美陆军研究人员现阶段的研究重点所在。

总之,该项有关量子传感器的研究将为美陆军在下一代计算机网络和有保障定位、导航和授时方面的现代化优先项的工作开展提供支持,同时,也很可能会对用于地理定位射频信号探测的新通信概念或方法带来潜在的影响。

智能型传感器

RedKite-I广域运动图像(WAMI)传感器

目前能够用于小型战术无人机的WAMI传感器屈指可数,美军正在致力于该领域的研究。美国海军航空系统司令部已经于2020年7月授予美国弗吉尼亚国防科技公司Logos Technologies开发两个广域运动图像(WAMI)传感器原型的合同。

美军先进传感器系统主要研究进展(图7)

连接到测试舱机翼的BlackKite传感器

该型红外传感器基于Logos Technologies公司的商业产品BlackKite传感器,专为小型战术无人机而研发,重约12.7kg,体积小,其性能特点如下所示:

  • 具有操作像素达到5000万以上的电光学相机的能力;

  • 视野宽阔且分辨率非常高,可在一个城市大小的区域内监控所有的运动,能够与美军现有的全动态视频结合,使得操作人员能够全面了解地面情况,并且能够随时放大感兴趣的区域;

  • 能够存储多达8小时的数据,并能够将实施图像流传输到地面的移动设备。


RQ-21无人机是美军现阶段较具代表性的小型战术无人机之一,可以在没有跑道的情况下发射,射程约50公里,滞空时长可达16个小时,可全天候为海军提供情报,进行监视和侦察活动。据称,未来安装该WAMI传感器之后,将能够使RQ-21无人机同时监控12.95平方公里的区域,且同时提供清晰度更高的视频图像。

Logos Technologies公司还计划进一步推动该型传感器的小型化与轻量化,以适用于所有有人机与无人机。该传感器已经于2020年7月31日在北卡罗来纳州进行了试飞测试,Logos Technologies公司还计划进一步推动该型传感器的小型化与轻量化,以适用于所有有人机与无人机。该传感器已经于2020年7月31日在北卡罗来纳州进行了试飞测试,并于2021年4月搭载于RQ-21A无人机上完成了为期两周的飞行试验。据称,美陆军、特种作战司令部以及空军均对该传感器表示关注,该公司将于2021年夏季向美国政府展示WAMI传感器,并进行用户评估。

此外,Logos Technologies公司还于2021年4月在华盛顿特区的美国陆军协会年会与博览会上推出了Kestrel KS-200新型广域运动图像(WAMI)传感器。其比RedKite-I WAMI更为轻型小巧,亦能够提供整个城市大小区域的360°视图,并且可以日夜跟踪目标,能够与小型无人机兼容,而在搭载于较大型无人机之上时,则可与传感器和通信设备配对,而不会使高空作业平台出现过载问题。


海上智能浮动传感器系统

针对美海军与商船通常只能使用其机载传感器进行态势感知,而飞机和卫星的远程传感器又易受雾、雨、云层和其他环境条件的限制,所提供的的海洋数据有限的问题,DARPA于2017年底启动了一项原计划为期两年,耗资3700万美元的物联网(OoT)项目,旨在使用大量的智能浮标或浮标在大洋区域进行持续的广域传感器监视,是DARPA“马赛克战争”概念的一部分。物联网项目的第一阶段将涉及初始设计和概念验证性海试,而第二阶段将完善那些设计以进行可操作的海试。

图表:DARPA海洋物联网项目

项目描述
研究目标将智能传感器安装于多达50000个浮标上,以覆盖高达100万平方公里的广阔海洋区域。
研究重点建造能够感知并报告相关数据的低成本持久性海上浮标;开发数据处理以将浮动数据转换为有用的信息,如船只跟踪报告。
研究阶段

第一阶段

(2017~)
设计和建造用于构建智能传感器网络的浮标,传感器浮标能定期报告海洋温度、海况和位置等环境数据与运营活动,实现与计算机云的通信,并能够通过铱星的短数据数传终端接收铱星卫星的指令。

第二阶段

(2020~)
继续设计与生产浮标;基于云体系架构,对现场性能、命令和控制、可视化浮标位置、运行状况与现场能力进行高级数据分析以生成任务产品。
研究进展第一阶段,承包商已经开发了用户界面计算机,以分析南加州和墨西哥湾的几种小型浮标部署的数据集。

资料来源:调研整理


据称设计并建造浮标的每个承包商将建造1500个浮标用于海上测试。其中,每个浮标都有一套测量位置、运动、温度、风速、盐度、湿度与太阳强度的传感器,以及一个用于声、磁、光电和射频测量的任务传感器。DARPA意图在进一步的研究中将智能传感器安装于浮标之上,并通过所有的传感器检测、跟踪和分类水面舰艇和潜艇。

美军先进传感器系统主要研究进展(图8)

DARPA使用传感器浮标监视海洋监视

综上可知,DARPA的物联网项目中的智能浮标系统仍在设计与构建过程之中,仍有待于利用基于云的体系结构,探索可视化系统动态功能的方法,以及操作员与大量浮标进行交互的新方法,致力于在可视化浮标传感器的覆盖范围,预测浮标系统的性能,并控制单个浮标,以维持包括数千个浮标的浮标传感器场;使每一种舰载传感器模式都能够对有效的信号处理进行研究,以节约有限的通信带宽与存储浮标上的能量,同时充分利用先进分析技术提供的信息。

未来,一旦研究成功,美军将利用装备智能传感器的大规模浮标系统构建海洋物联网,通过分析和完善海洋中成千上万个浮动传感器的数据,以创建可操作的情报,帮助海军指挥官在海上执行任务,并通过项目第二价段研究对海洋环境进行更为深入的了解,使美军能够在公海更有效地行动。

N-ZERO可部署传感器网络

DARPA“近零功耗射频和传感器操作”(N-ZERO)项目于2015年启动,旨在开发近零功耗通用传感器技术,并对其提出如下性能要求。

美军先进传感器系统主要研究进展(图9)

在该项目的支持下,美国东北大学的研究人员已经于2017年成功开发了一款新型红外传感器,并投入使用。该传感器所消耗的待机功率为零,直到检测到红外波长为止,其能够基于检测红外光谱中所散发的热量检测、识别车辆与坦克,并能够在移动的车辆与飞机上实现探测能力。

梳理可知,通过触发事件唤醒传感器电路,并记录触发事件,或者定期(而非持续)监测战场或其他关注点的方式,是该项目研究中用于延长传感器电池寿命的技术方法所在。而射频、声学和红外唤醒能力是N-ZERO项目成功开发的传感器系统能力,从而使得近零功耗传感器实现由射频通信、测量声音水平与探测红外辐射触发,并发射无线电信号并发射无线电信号,使得基于纽扣电池的传感器寿命由四周延长到四年。

美军先进传感器系统主要研究进展(图10)



N-ZERO项目已于2020年5月完成,为无人值守的传感器系统建立了睡眠但持续报警的感知能力,这些传感器由特定的物理或射频信号触发,使用寿命将被延长至数年,将使无人值守传感技术在缺乏固定能源基础设施的地区实现成本效益和安全部署。该项目的研究使得美军不必进入潜在战区即可收集情报,并大幅减少了美军进入危险地区更换传感器的次数,还将有望促使推动智能传感器的研发进程,使得美军物联网中的无人值守传感器网络得以近乎无限期运行下去,探测偶然且具时敏性的事件,为物联网的应用普及奠定重要基础。

该项目有望使美军未来数十亿个物联网(IOT)设备能够在任何地方部署,并在任何时间进行任何访问。然而,尽管已经取得了一定进展,但在N-ZERO项目中测试的传感器电池寿命仍然受对事件的具体处理和通信的影响,并受限于电池的自放电问题。目前,DARPA的N-ZERO项目成果正在向更广泛的应用领域拓展,预计其最大的应用将在物联网内,传感器节点的功耗也将是该技术普及扩展的技术挑战之一。

据称,美军低功耗传感器技术的下一个重点将可能在存储器领域,源于设备上的存储容量需求不断增加,并需要不断改进,以能够使无人监管系统具有可重新编程的能力,同时使其对电源损耗具有强大的适应性。

高超音速和弹道跟踪空间传感器(HBTSS)

为应对高超音速导弹以及更为复杂且具备高机动性的弹道导弹的威胁,美国导弹防御局(MDA)正在努力开发“高超音速和弹道追踪”空间传感器(HBTSS),即建立一种在轨道上的传感器层,能够检测和追踪该国目前的导弹防御体系结构无法处理的高超音速武器。

HBTSS将是美国国防部的一项优先投资,源于其能够提高几乎所有导弹防御系统的效率,通过有效的轨道规划,该型传感器将有望提供持续检测和跟踪弹道导弹和高超音速导弹的能力。

  • 其性能优势在于具有更广阔的视野,不受限于地平线,使得天基传感器能够从发射到拦截连续跟踪导弹,而不必在导弹离开其视野时在地面传感器之间传递数据;

  • 所面临的重点技术挑战则在于其需能够消除杂波,有效检测威胁,还需能够在不同的航天器之间实现有效传递跟踪数据,并管理数据。


据称,未来HBTSS将被内置到低地轨道卫星群中,可灵活地改变自身位置,若结合先进数据链,将有望监控、发现并跟踪世界上任何一个地方发射的导弹目标,允许美军作出快速反应,并有机会实现对敌方导弹的助推段打击与摧毁。

美军先进传感器系统主要研究进展(图11)

诺斯罗普·格鲁曼公司的高超音速和弹道导弹天基传感防御概念图

美国导弹防御局已经分别授予诺斯罗普·格鲁曼公司、雷神公司、雷多斯公司和L3·哈里斯技术公司一份价值2000万美元的合同,以设计可以追踪高超音速和弹道导弹的空间传感器,作为天基预警系统的一部分,并被要求在2020年10月31日之前设计出原型装备,于2023年7月完成原型卫星交付,但截至2021年5月尚未见相关研究进展披露。

小结:美军正基于无线通信、人工智能、量子技术等开展了多型传感器的研究工作,以提升美军在反隐身战机、电子战以及军用物联网等方面的技术优势与作战能力。因此,美军致力于为性能优异的舰载战斗机和海上巡逻机装备更为先进的传感器系统,以提升美国航母舰队的协同反隐身防空一体化与广域对海/对陆探测能力和实时数据共享能力;通过对量子传感器等新概念传感器技术的研究,进一步提升美军在热成像、电子战、无线电通信和雷达等领域的技术优势;RedKite-I WAMI传感器、海上智能传感器系统与N-ZERO可部署传感器技术,将推动美军物联网的构建,进一步拓展美军军用传感器在作战、设施监控、边境守护等领域的应用范围;开发“高超音速和弹道追踪”空间传感器(HBTSS)则旨在大幅提升美军应对高超音速导弹以及更为复杂且具备高机动性的弹道导弹的威胁的能力。


转载:高端装备产业研究中心

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