克服精确制导弹药、传感挑战

态势感知对于部署在广阔地区和参与多种冲突的武装部队来说是一个日益严峻的挑战。在当今复杂的指挥、通信和控制系统中，现代士兵已经成为数据收集者，因此他们被来自多个来源的广泛刺激所淹没。

在过去40年里，最小化附带损害的目标推动了向精确制导弹药的过渡，从而显著增加了战场上不同光源的数量。激光测距仪和激光目标指示器使远距离交战更安全，风险更低。这些设备还推动了更复杂的激光源、敏感探测解决方案、增强瞄准系统和激光预警系统的创新。

除了光源检测之外，辨别感兴趣的信号仍然是一个日益困难的挑战和高度优先事项。

第一代光电系统使用大功率装置，通常需要多名士兵才能正常工作。因此，这些低效的系统在20世纪初的全球冲突中并不普遍使用。

现代士兵需要无干扰且流线型的传感技术，而无人机（UAV）的部署进一步推动了对小型、轻型、高效系统的需求——设计目标通常被称为SWaP-C（尺寸、重量、功率和成本）。需要能够从背景噪声中破译有用数据的更智能的目标定位和警报系统，因为每个士兵现在也是一个潜在的光污染源。

此外，特别行动小组的需求推动了对夜视镜和激光器的新型光电阴极设计的研究，这些通常部署的设备基本上是看不见的。这种不断发展已部署技术并保持领先对手的愿望推动了传感研究的进展。

图2．激光目标探测器的激光能量投射到象限允许计算X和Y坐标，如连续快照所示。对齐算法的目标是在每个象限的光电流达到平衡，九。由Excelitas提供。

就像隐形战斗机使用独特的材料和表面饰面来减少雷达信号一样，不同的伪装技术可以降低1064 nm (YAG)和1550 nm激光束的反照率，并减少到达精确制导弹药制导系统的光量。

电池驱动的手持式半导体二极管脉冲激光器不如飞机上的系统强大，后者有大量的功率用于驱动光纤激光器、指向炮塔、激光光斑跟踪和操作更大的光学系统。因此，士兵需要接近目标，以便精确制导探测，同时还要保持与目标的安全距离，以避免被敌人发现。

具有多个激光腔的脉冲半导体激光器已成为商用激光测距仪市场的标准。在905nm下工作，每个腔体由隧道结隔开，使它们都能平行发光，从而使从相同形状因子发射的光量增加一倍、三倍甚至四倍。多腔设计对于较长波长（YAG和1550 nm）更具挑战性，因为产生的热量增加，并且通过自加热的激光芯片的效率受到影响。必须仔细权衡散热、驱动电流和占空比（脉冲重复率和时间脉冲宽度），因为这会影响精确制导弹药的射程精度、探测效率和有效射程。

象限探测器通常有一个圆形的活动区域，分成四个统一的象限;每一个都与它的邻居隔离，并在整个表面上表现出非常一致的响应性。通过将视场(FoV)投射到精确制导弹药的探测器上，并使用依赖于制导能力的不同算法，三角测量算法可以帮助引导导弹，使反射光灯塔尽可能地靠近瞄准轴线，直到它到达目标。

一些系统使用多个更小的分散单元件探测器来扩展视场。多个探测器可以显示不同的灵敏度，这应该在数据分析中考虑，因为它可能会增加所需的电子设备的复杂性，从而增加整个系统的成本。

大多数系统使用最大的有效面积yag增强硅PIN光电二极管，以帮助他们吸收尽可能多的光，因为更大的探测器可以捕获更多的光子在每个集成周期。这样做可以检测最大视场的最小信号。

早期象限探测器采用最大的硅衬底制成，约1英寸。直径。硅晶圆加工的改进使供应商能够提供大量具有成本竞争力的探测器，并通过迁移到更大的晶圆来支持日益增长的需求。大面积四象限光电二极管的示例如图3所示。

图3。Excelitas YAG-444-4AH硅象限探测器。由Excelitas提供。

雪崩光电二极管是PIN光电二极管的流行替代品。掺杂剂精确地扩散在光电二极管内，以创建一个电子和空穴相互碰撞的层，并以最小的噪声放大放大原始传入信号。基于雪崩光电二极管的系统比耦合到离散跨阻抗放大器的PIN探测器噪声更小，因为增加的电路寄生(电感、电容和电阻)会增加噪声水平。

雪崩光电二极管可以放大检测到的信号，提高信噪比，并允许激光目标指示器从更远的地方检测。即使是非常低噪声的雪崩光电二极管，也需要特别注意优化模拟混合接收器的性能(图4)，它通过处理初始电流到电压的转换，取代了对跨阻抗放大器的需要。基于定制专用集成电路的未来设计应该能实现更低的等效噪声功率。

由于大多数系统使用YAG激光器，硅仍然是大面积有源器件最合适的检测材料。它的间接带隙需要厚的吸收层和厚度之间的仔细平衡。准确检测激光指示器脉冲需要响应速度。

晶圆处理技术提高了1064纳米的响应，如:

• 优化减反射膜
• 光进入表面的图案
• 背面的反射表面允许第二次通过吸收层
• 加热探测器会增加响应度，从而将吸收边移到更长的波长

超过1064 nm的检测必须依赖III-V化合物，如InGaAs，外延生长材料，其中层组成，掺杂和厚度控制影响性能。它们还可以探测到YAG激光器，响应度是硅探测器的两倍，还可以用于探测在1550 nm工作的激光测距仪和激光目标指示器。

大多数激光测距仪使用1550纳米半导体脉冲激光器，其发射功率最低，既能正确测距，又能避免被探测到。这种对眼睛安全的波长即使在火焰、烟雾和烟雾中仍然有效，而yag激光光束被大气散射得更剧烈。增加的1550纳米激光发射功率可以使基于III-V探测器的精确制导弹药制导系统能够响应YAG和1550纳米光。这是向部署更长波长、夜视系统不可见的更隐秘的激光目标指示器迈出的一步。

III-V型器件的总收率较低，因此很难经济地处理像硅片那样大的高速探测器。目前已知最大的硅象限探测器大约比InGaAs选项大两到四倍。红外光学和适当的导弹圆顶可以用来扩大较小的探测器的视场。较小的探测器精确制导弹药通常由于灵敏度降低而减少射程，进而可能降低瞄准精度。

与硅片加工相比，每平方厘米活性面积的成本仍然较高。这主要是由于用于III-V探测器的更小的晶圆和用于生长可控层合成物的昂贵的高纯前驱体。外延生长缺陷倾向于增加噪声和暗电流，并且明显比扩散硅加工方法中的缺陷更为普遍。

硅雪崩光电二极管的性能参数-有源面积、增益和噪声放大性能(与电离系数或k因子有关)均优于InGaAs雪崩光电二极管，因为其扩散缺陷更少。正如McIntyre的模型所解释的，较小的电离系数将降低放大增益，并直接影响到过剩噪声因子(F，信噪比退化的度量)。最好的硅雪崩光电二极管可以达到几百的增益，甚至允许盖革模式操作，从而能够探测单个光子。

III-V化合物具有直接带隙，因此需要更薄的层来充分吸收入射光；这反过来又增加了第一级放大级中的光电二极管电容和噪声。越来越厚的层会促进前体和热预算的使用，进一步增加缺陷和性能下降的风险。III-V象限探测器市场可以从外延生长方法中获益，外延生长方法用于在较大晶圆上以相对经济高效的速率生长非常厚的多结太阳能电池。或者，进一步分段的矩阵检测器可以减少每个单独元件的电容，这将需要更复杂的机械装配和进化的制导算法。

由于潜在的大容量市场，如使用光探测和测距(激光雷达)的无人驾驶汽车，对大面积InGaAs雪崩光电二极管的需求已经在增长。对具有较低电离系数的新型III-V化合物的进一步研究，最终也将有利于国防市场。在增益超过10到30的典型范围时，保持适当的信噪比和足够低的噪声的潜力将大大提高对眼睛安全的激光测距仪的能力。

除了潜在的更安全的对峙距离外，还必须考虑到来自激光测距仪、激光目标指示器、激光制导PGMs、导弹和激光骑手的探测来袭激光威胁的防御措施。

大量部署的激光和激光制导精确制导弹药推动了对能够探测来袭威胁并迅速作出反应的系统的需求。考虑到一些激光测距仪使用单个激光脉冲，而波束驱动导弹通常会在最后几秒被引导离目标，以避免被发现，这一挑战非常重要(图5)。

图5。轨道ATK公司的ar -47导弹预警系统集成了几个大型光电二极管，以探测发射导弹的紫外信号和入射激光测距仪和激光目标指示器的到达角。来自爱荷华州达文波特航空展。

就像精确制导弹药一样，大多数激光预警系统使用大型光电二极管或光电二极管阵列来检测微弱信号，在检测到的交流信号中寻找任何脉冲序列。它们通常安装在旋转系统上，以连续扫描周围环境。已经开发了其他新技术来编码激光信号方位角或仰角的实际到达角（AoA）。如Excelitas的高角度分辨率激光辐照度探测器产品系列（图6）所示，这可以通过一个格雷码掩模以比一个精度更好的精度完成，无需机械部件和对事件威胁的连续视觉锁定。

激光预警系统的最终目标是将人类排除在反应回路之外。传感器的响应时间、采样电子设备和先进算法的计算工作可以确定来袭激光信号的位置，确定它是“敌”还是“友”状态，如果合适，还可以触发对抗措施——通常是照明弹、烟幕或激光眩光器来干扰精确制导弹药的制导同时提醒军队注意即将到来的威胁。

图6。Excelitas的高角度分辨率激光辐照度探测器是一个独立的激光警告系统引擎，它返回一个对应于进入的AoA的位代码。由Excelitas提供。

大量部署的激光器会对效率产生负面影响，因为AoA数据中的噪声将继续增长。激光警报系统也可能很快在计算上受到限制，无法及时隔离数量不断增加的激光束，并根据它们各自的波长和编码确定它们是来自“朋友”还是“敌人”。对进一步能力的需求是存在的，包括开发合适的雪崩光电二极管，以增加检测范围和扩展检测光谱范围，超越目前低噪声、晶格匹配InGaAs化合物的限制。

虽然已经开发了合适的激光和光电二极管材料，以满足当前部署系统的需求，并允许精确制导弹药的制导，但进一步增强激光预警系统的需求，以保护资产和部队免受精确制导弹药的攻击是至关重要的。除了经典的YAG激光目标指示器和1550纳米眼安全激光测距系统之外，对更隐秘行动的需求将继续推动新型探测和激光材料的开发。