Los sensores electroópticos, aquellos que detectan la luz en una variedad de espectros diferentes, permiten a los combatientes ver por la noche, detectar suelos removidos que podrían sugerir la presencia de bombas en las carreteras, detectar lanzamientos de misiles y encontrar pequeñas embarcaciones en el mar.
Si bien estos sensores dan alas a la pretensión militar de «dominar la noche», las capacidades que ofrecen los sensores electroópticos modernos en el campo de batalla están a punto de experimentar mejoras revolucionarias, que prometen aumentar su alcance, mejorar la resolución de las imágenes, a la vez quee reducir su tamaño, peso y consumo de energía (SWaP) e identificar objetivos automáticamente mediante inteligencia artificial (IA).
En la actualidad, las tecnologías de detección electroóptica están reduciendo el tamaño de los píxeles de las imágenes digitales, desarrollando nuevos materiales revolucionarios que permiten la detección a temperaturas más elevadas, encontrando nuevos métodos de refrigeración de los sensores para mejorar el alcance y la resolución de las imágenes, y reduciendo el SWaP de las nuevas generaciones de sensores no refrigerados.
Y lo que es más importante, esta tecnología está integrando estrechamente las capacidades de los sensores y del procesamiento digital de imágenes no sólo para reducir la SWaP, aumentar el alcance y mejorar la resolución, sino también para introducir la IA y los algoritmos de aprendizaje automático en el procesamiento de imágenes para el reconocimiento automático de objetivos, combinar la detección espectral para la detección multiespectral e hiperespectral y crear arquitecturas de sensores y procesadores adaptables que sigan los estándares del sector y ofrezcan una rápida inserción tecnológica.
«Nos encontramos en un punto de inflexión en el que los nuevos diseños de sensores, los enormes avances en el procesamiento digital de señales e imágenes, los nuevos materiales para sensores de alta temperatura y los píxeles de imagen cada vez más pequeños están a punto de ofrecer capacidad de detección sin precedentes por la noche, durante el día y en condiciones de humo, niebla y mal tiempo», afirma Art Stout, Director de Gestión de Productos del equipo de soluciones de inteligencia artificial y OEM de Teledyne FLIR LLC en Goleta (California).
Píxeles pequeños para mayor resolución y alcance
«Se está trabajando mucho para reducir el tamaño de los píxeles», afirma Chris Bigwood, vicepresidente de desarrollo de negocio de Clear Align LLC, especialista en sensores electroópticos de Eagleville (Pensilvania). «Cambia el número de píxeles que se pueden poner en el objetivo y cambia la resolución. Se trata de soluciones ópticas complicadas para conseguir el rendimiento que se busca».
Un píxel pequeño «puede dar lugar a conjuntos de plano focal extremadamente grandes, lo que proporciona conocimiento de la situación y rendimiento de largo alcance», prosigue Bigwood. «Antes había que elegir entre una cosa u otra, pero ahora se puede tener largo alcance y buena resolución».
Los sistemas de búsqueda y seguimiento por infrarrojos, en particular, pueden beneficiarse de sensores más pequeños. «Con un tamaño de píxel reducido no hay retardo en absoluto; se elimina la dependencia del tiempo», afirma Bigwood. «Se obtiene toda la resolución y el campo de visión sin comprometer el rendimiento en aplicaciones marítimas y aéreas».
Sin embargo, los píxeles pequeños no siempre son la mejor solución para todos los problemas de detección electroóptica. «Intentamos mejorar la sensibilidad de los píxeles más pequeños, pero a veces se necesitan píxeles más grandes para captar la luz», señala Angelique X. Irvin, Directora General de Clear Align.
Según John Baylouny, Director de Operaciones de Leonardo DRS en Arlington (Virginia), las mejoras en el tamaño de los píxeles también pueden ayudar a fusionar distintos tipos de sensores electroópticos para proporcionar a los combatientes más información sobre la situación.
«Con la detección en general se trata de conseguir alcance cada vez mayor para detectar amenazas», afirma Baylouny. «La detección de tercera generación consiste en ver e identificar cada vez más lejos». Esto puede mejorar las miras de las armas para que dispar más eficazmente a los objetivos localizados.
«Algunas de las tendencias que estamos observando consisten en poder fusionar estas imágenes procedentes de varios visores de armas y sensores diferentes, y ver desde cualquiera de ellos», afirma Baylouny. «Podemos superponer la imagen del DVE [potenciador de la visión del conductor] en onda larga térmica, y superponer las miras del comandante o del tirador para comprender mejor la situación».
Otras tendencias que ofrece el tamaño de píxel mejorado son la fusión de RF, microondas y otros sensores en imágenes electroópticas, explica. «Podemos fusionar sensores de radiofrecuencia en esas mismas imágenes y ver lo que hay en el campo de batalla mediante múltiples modalidades. Si algo vuela por ahí, podemos fusionar la RF, el sonido y la imagen».
Ampliar el alcance de los sensores electroópticos es una de las principales ventajas de la mejora del tamaño del píxel, afirma Aaron Maestas, Director Técnico de Soluciones Electroópticas e Infrarrojas de RTX Raytheon en McKinney, Texas.
«Valoramos a los operadores, que son los expertos», afirma Maestas. «Queremos proporcionarles apoyo con inteligencia artificial (IA), meterlos en ese bucle de decisión para que puedan responder más rápidamente que antes. Queremos aumentar la capacidad de supervivencia de las plataformas reconociendo las amenazas a mayor distancia. Podremos ver al enemigo un 50 por ciento más lejos que hoy. Cuanto más lejos podamos detectar la amenaza, mejor nos irá».
Reducir el tamaño de los píxeles de imagen de los sensores electroópticos tiene ventajas evidentes a la hora de reducir la SWaP, señala Jeff Schrader, Vicepresidente de conocimiento de la situación global en el segmento de sistemas espaciales de Lockheed Martin Corp. Space Systems en Denver. A Schrader le preocupan especialmente los sensores electroópticos en órbita, en los que cada gramo de peso es crítico. » Debemos tener en cuenta el elemento SWaP: cuánta potencia necesita un sensor, cómo influye en lo que se desea que recoja el sensor», afirma Schrader.
También están apareciendo nuevos materiales para sensores electroópticos que mejoran el tamaño del píxel, el SWaP, el alcance y la resolución. «Estamos pasando del telururo de mercurio-cadmio y el antimonuro de indio a un material llamado superred de capas tensadas, también conocido como SLS», explica Stout, de Teledyne FLIR. «Son materiales semiconductores que pueden funcionar a temperaturas mucho más altas». Los sensores fabricados con estos materiales también se denominan detectores de alta temperatura de funcionamiento (HOT).
Estos materiales ayudan a los sensores electroópticos a convertir los fotones directamente en electrones, y se usan para fabricar conjuntos de planos focales infrarrojos. «La ventaja del material SLS es que permite reducir el tamaño de los píxeles», explica Stout. «Los píxeles más pequeños pueden ofrecer resolución y rendimiento de reconocimiento del detector mucho mejores». Las ventajas de este nuevo material son mejor SWaP y píxeles más pequeños que permiten obtener imágenes de alta definición».
Refrigeración y gestión térmica
Actualmente, los sensores electroópticos de alto rendimiento para alta resolución y largo alcance siguen necesitando refrigeración para mejorar el contraste entre los objetos de interés y sus fondos. Los refrigeradores suelen ser grandes, pesados y caros, y pueden ser puntos críticos de fallo en aplicaciones importantes.
«La innovación en la longevidad de los refrigeradores es fundamental», afirma Irvin, de Clear Align. » Gran parte del mercado consiste en mantenerlos; la refrigeración es un elemento de mantenimiento importante. Se están desarrollando refrigeradores sin piezas móviles, lo que representa que cada vez sean más baratos y pequeños.»
La necesidad de abordar la refrigeración conecta directamente con las nuevas generaciones de detectores HOT, que por naturaleza requieren menos refrigeración que los sensores fabricados con materiales de generaciones anteriores. «Si se trabaja a temperaturas de funcionamiento más elevadas, los requisitos de potencia del refrigerador criogénico disminuyen», afirma Stout, de Teledyne FLIR. «Esto repercute en la vida útil del refrigerador. En Teledyne FLIR hemos pasado los últimos cinco años desarrollando nuevos diseños de refrigeradores, sabiendo que pasaremos a ellos y a temperaturas de funcionamiento más elevadas.»
La necesidad de nuevos detectores HOT para el mantenimiento de los refrigeradores es considerable. «Ahora disponemos de nuevos sensores de primera clase con MTBF [mean time between failures- tiempos medios entre fallos] cercanos a las 30.000 horas», afirma Stout. «El impacto de esto en el Ejército es enorme, ya que ahora podemos duplicar la vida útil del refrigerador».
Los materiales de estos nuevos detectores HOT no sólo pueden mejorar la logística y el mantenimiento, sino que también pueden reducir los requisitos de refrigeración para los diseñadores de sistemas de sensores. » Gran parte de esto es la menor demanda de refrigeración, por lo que la capacidad de su refrigerador puede ser menor; se traducirá directamente en la energía, y también en las necesidades de fuentes de alimentación como las baterías, la reducción de la necesidad de disipación de calor térmico contribuye a reducir el SWaP.»
Algunas aplicaciones de sensores electroópticos, como las miras de los fusiles de infantería, son extremadamente sensibles al tamaño, peso, consumo de energía y coste (SWaP-C). A menudo, estas aplicaciones deben renunciar al alcance y la resolución en aras de la reducción del tamaño y coste. «Los sensores de onda larga no refrigerados representan un gran mercado porque son baratos», señala Irvin, de Clear Align.
Las soluciones no refrigeradas también deben compensar su relativa debilidad en cuanto a alcance y resolución con lentes más grandes para mejorar la sensibilidad a la luz. Las compensaciones de diseño para los sensores no refrigerados suelen implicar un intrincado baile. «Las cámaras no refrigeradas se usan cuando el coste es un factor importante, al igual que el SWaP», afirma Stout, de Teledyne FLIR.En los detectores HOT, «los refrigeradores son más eficientes, la carga térmica es menor y se dispone de un módulo sensor extremadamente compacto», prosigue Stout. «El consumo de energía se reduce, el tamaño disminuye drásticamente y la resolución es mejor, en relación con el antimonio de indio».
La reducción de las demandas de refrigeración tiene gran influencia en el diseño y la capacidad de los sensores electroópticos militares, señala Baylouny, de Leonardo DRS. «De las miras electroópticas que se ven en los vehículos de combate, una es para el tirador y otra para el comandante», dice. «Se trata de detectores de onda larga refrigerados con campos de visión largos que cambian de amplios a estrechos. Ganamos un programa de tercera generación para sustituir los detectores de onda larga refrigerados por sensores de onda media y onda larga en el mismo plano focal del detector, lo que permite a las tripulaciones ver en cualquiera de las dos bandas. La ventaja de la onda larga es que se puede ver a través del humo y los agentes oscurecedores. La onda media tiene mejor resolución, por lo que se puede ver más lejos. Podemos alternar entre las dos vistas o superponerlas».
Sensores no refrigerados
«Con un objetivo de apertura F1 se tiene cierta sensibilidad», afirma Stout, de Teledyne FLIR. «En una solución refrigerada podrías hacerlo con un objetivo F4. Una cámara no refrigerada podría tener una carga de 1 vatio, pero normalmente se llega a un límite en la distancia focal y en lo lejos que se puede ver. Los sensores no refrigerados son para ayudas al conductor, no para sistemas de largo alcance».
Aun así, hay avances en los detectores no refrigerados que están mejorando la resolución y el alcance. Por ejemplo, la cámara microbolométrica que Teledyne FLIR diseña para el helicóptero no tripulado Black Hornet 4 del tamaño de la palma de la mano ha pasado de un detector de 160 por 12 píxeles en el Black Hornet 3 a una cámara de 640 por 512 píxeles en el Black Hornet 4.
Con ese tipo de resoluciones, «la capacidad de identificar objetos a la misma distancia es mucho más significativa. Es 16 veces la resolución de la cámara de la generación anterior. Se puede ampliar y tener más conocimiento de la situación con el mismo número de píxeles, o se puede reducir y tener mayor distancia».
Fte. Military & Aerospace Electronics (John Keller)
John Keller es redactor jefe de la revista Military & Aerospace Electronics, que ofrece una amplia cobertura y análisis de las tecnologías electrónicas y optoelectrónicas en aplicaciones militares, espaciales y de aviación comercial. Miembro de la plantilla de Military & Aerospace Electronics desde la fundación de la revista en 1989, Keller asumió el cargo de redactor jefe en 1995.
