克服精确制导弹药，感知挑战

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。

除了光源探测外，识别感兴趣的信号仍然是一项日益艰巨的挑战和高度优先事项。

第一代光电系统使用大功率单元，通常需要多个士兵才能正常操作。因此，这些效率低下的系统在20世纪初的全球冲突中并未普遍使用。

现代士兵需要无干扰且流线型的传感技术，无人机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)。需要更智能的目标定位和预警系统，能够从背景噪音中破译有用的数据，因为每个士兵现在也是一个潜在的光污染源。

此外，特殊运营团队的需求在新颖的光电阴极设计方面对夜视护目镜和激光器进行了推动的研究，这些设计对于通常部署设备基本上是看不见的。这种渴望连续地发展部署技术并保持领先于对手的推动者在传感研究方面取得进展。

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。Excelitas礼貌。

正如隐形战斗机使用独特的材料和表面饰面，以减少雷达签名，不同的伪装技术可以减少1064nm（YAG）和1550nm激光束的Albedo，并减少达到精密引导弹药引导系统的光量。

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。

多腔脉冲半导体激光器已成为商业激光测距市场的标准。工作在905纳米，每个腔被隧道结分开，使它们都能平行发光，允许从相同的形状因子发射两倍、三倍甚至四倍的光量。多腔设计对于较长的波长(YAG和1550 nm)更具挑战性，因为产生的热量增加，影响激光芯片的自加热效率。必须考虑散热、驱动电流和占空比(脉冲重复频率和时间脉冲宽度)的谨慎权衡，因为它影响精确制导弹药的射程精度、探测效率和有效射程。

象限探测器通常具有圆形有源区，分为四个均匀象限;每个从其邻居隔离，并且通常在其整个表面上表现出非常均匀的反应性。By projecting the field of view (FoV) onto the precision-guided munition’s detector, and with different algorithms dependent on the guidance capabilities, triangulation algorithms can help steer the missile so that the reflected light beacon remains as close to the boresight as possible until it reaches the target.

一些系统使用多个较小的分散的单元素检测器来扩展FOV。多种探测器可以表现出不同的灵敏度，并且应该在数据分析中考虑，因为它可以增加所需的电子设备的复杂性，这可以提高整体系统成本。

大多数系统使用最大可用的有源区域YAG增强型硅销光电二极管，以帮助它们尽可能多地吸收光线，因为较大的检测器可以每积分时段捕获更多的光子。这样做使能够检测最大的FOV最小信号。

早期的象限探测器是用最大的硅衬底制成的，大约1英寸。直径。硅片处理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硅片来支持不断增长的需求。图3是一个大面积象限光电二极管的例子。

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

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，硅仍然是大有源区器件最合适的检测材料。它的间接带隙需要较厚的吸收层和厚度之间的仔细平衡。准确检测激光指示脉冲需要响应速度。

晶圆处理技术提高了1064纳米的响应，如:

• 优化的防反射涂层
• 光线进入表面的图案
• 背面的反射表面允许第二次通过吸收层
• 加热探测器增加响应，以移动吸收边缘到更长的波长

检测超过1064nm必须依赖于III-V化合物，例如Ingaas，外延生长的材料，其中层组成，掺杂和厚度控制影响性能。它们还可以检测硅探测器响应性的两倍的YAG激光器，也可用于检测在1550nm处运行的激光测距柜和激光目标指示器。

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器件的总收益率降低，使得难以经济地处理高速探测器，与硅晶片一样大。最大的已知硅象限探测器比InGaAs选项大约两到四倍。红外光学和合适的导弹圆顶可用于扩展较小探测器的FOV。较小的探测器精密引导弹药通常由于灵敏度降低，并且又潜在地降低了靶向精度。

与硅晶片加工相比，每CM2的活性区域的成本仍然更高。这主要是由于用于III-V探测器的较小晶片和用于生长控制层组合物的昂贵的高纯度前体。外延生长缺陷倾向于增加噪声和暗电流，并且比扩散硅处理方法中的缺陷显着更普遍。

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——由于扩散缺陷较少，优于InGaAs雪崩光电二极管。正如麦金太尔模型所解释的那样，较小的电离系数将降低放大增益，并直接影响过量噪声系数（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倍的增益，甚至允许盖革模式操作，从而能够检测单个光子。

III-V化合物具有直接带隙，因此需要更薄的层来完全吸收入射光;这反过来又增加了光电二极管在一级放大阶段的电容和噪声。越来越厚的层增加了前体的使用和热预算，进一步增加了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的晶圆上以相对经济有效的速度生长非常厚的多结太阳能电池。另外，进一步分割的矩阵检测器可以减少每个单独元素的电容，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的AAR-47导弹警告系统集成了几个大型光电二极管，以检测发射导弹的UV签名和进入激光测距仪和激光目标指定器的到达角度。礼貌的雅加斯特/达文波特，Iowa Air表演。

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。其他的新技术已经发展到编码实际到达角(AoA)在方位角或仰角的激光信号。如Excelitas的高角度分辨率激光辐照探测器系列产品(图6)所示，通过Gray代码掩模，无需机械部件和对事故威胁的连续视觉锁定，可以实现更高的精度(精度超过1度)。

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。Excelitas礼貌。

由于AOA数据中的噪声将继续增长，大量部署激光可以产生负面影响效率。激光警告系统也可以很快被计算限制，并且无法及时隔离，以越来越多的激光束，并确定它们是否来自其各自的波长和编码的“朋友”或“敌人”。存在需要进一步的能力，包括开发合适的雪崩光电二极管，以增加检测范围和延伸的检测光谱范围，超出电流低噪声的电流限制，格子匹配的Ingaas化合物。

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。