短波红外应用

第35卷第6期 V0l+35 No．6 红外与激光工程 Infrm~d and Laser Engineering 2oo6年 l2月 Dec．2oo6 短波红外成像技术及其军事应用 蔡 毅，胡 旭 (昆明物理研 究所，云南 昆明 650223) 摘要：短波红外可以提供可见光、微光夜视、中波、长波红外所不能提供的信息。实现短波红外成 像，填补微光夜视和中波红外成像之间的光谱空缺，实现在三个大气红外透射窗口的“无缝隙撂测”． 对在红外波段全面获取 目标的信息具有重要意义，可应用于夜视、侦察与监视、遥感、遥感系统、红外 成像制导、光电对抗等领域。 关键词：短波红外； 红外成像 ； 无缝隙撂 测 中图分类号：TN21 文献标识码：A 文章编号：1007—2276(2006)06一O643—05 Short wave infrared imaging technology and its defence application CAI Yi，HU Xu (Kunming Institute of Physics，Kunming 650223，China) Abstract：The information of short wave(SW)infrared imaging is complementadly of visible，low- light-level night vision，middle wavelength infrared and long wave infrared．It is important that SW infrared imaging is used to fnl the spectrum vacancy between low-light—level night vision and middle wavelength infrared，realize “gapless infrared detecting”among three atmosphere tran smission windows． Thus full—scale inform ation of interested target can be acquired ．Th e SW infrared imaging is applied in night vision， counterm easure，etc+ Key words：Shortwave； 1短波红外的基本概念 ， surveillance， remote sensing， infrared imaging guiding， optoelectronic Infrared imaging； Gapless infrared detecting 1-l红外成像与热成像的概念 所有利用红外辐射成像的技术都是红外成像技 术，它包括被动红外成像技术和主动红外成像技术。 没有人工红外光源照明、只依靠接收景物自身发射的 红外辐射信号成像的技术是被动红外成像技术．它包 括热成像和短波红外成像两种。热成像是指接收景物 发射长波红外成像 与接收景物发射 中波红外成 像；短波红外成像是指接收景物反射短波红外成像。 有人工红外光源照明、依靠接收景物反射回来的红外 辐射信号成像的技术是主动红外成像技术。包括主动长 波红外成像、主动中波红外成像和主动短波红外成像。 所有物体都发射与其温度和面特性相关的热 辐射或红外辐射。室温物体的热辐射集中在长波红外 波段，其次在中波红外波段。热成像的物理基础是：决 定室温景物表面可见光反射和反射率差的因素。也决 定着景物热辐射发射率差，因此室温景物热辐射通量 分布的图像——热图像．可复现由室温景物表面反射 率差所形成的可见光图像的大部分细节。热成像技术 收稿 臼期：2006-08—05； 修订 日期 ：2006—09一lO 基金项目：“973”资助项 目 作者简介：蔡毅(1959一)，男 ，云南盐律人，研究员，博士，博士生导师，研究方向为红外热成像技术。 维普资讯 http://www.cqvip.com 红外与激光工程 第 35卷 是能够摄取景物热图像、并将其转换为人眼可见图像 的技术。目前，文献资料中使用的红外热成像的概念 就是热成像的概念。该词可以理解为红外波段的热辐 射成像。 短波红外是指在 1—2．5 m 的红外波段 ，所有物 体都反射环境中普遍存在的短波红外辐射。被动红外 成像的物理基础是：决定室温景物表面对短波红外辐 射反射率差与可见光反射率差的因素非常类似，因此 室温景物反射的短波红外辐射通量分布的图像—— 红外图像，同样也可以复现室温景物表面反射率差所 形成的可见光图像的大部分细节。 广义上讲，能够摄取景物红外图像、并将其转换为 人眼可见图像的技术是红外成像技术，它是热成像技 术向短波红外的扩展．并使得红外成像的概念更加完 善。短波红外成像技术的发展，使红外成像的波段覆盖 了位于长波、中波和短波红外的三个大气窗口。虽然都 是被动红外成像。但在机理上存在差异：长波、中波红 外成像是利用室温景物自身发射的热辐射，短波红外 成像则是利用室温景物反射环境中普遍存在的短波红 外辐射。但是，当目标的温度升高到能发射足够强的短 波红外辐射时．短波红外成像又变成既接收目标自身 发射。又接收景物反射的短波红外辐射。 1．2短波红外成像所需的光源 ， 图1是在满月和大气辉光条件下夜空的光谱辐 射亮度曲线．图中大气辉光的光谱辐射亮度随波长增 加，在接近 2 m时有一峰值；图2是在月光、晴朗的 星空、晴间多云的星空条件下夜空的光谱辐射通量曲 线，同样表现出了辐射随波长增加的特点。上述测试 结果表明：夜天光的大部分能量集中在 l一2．5 p．m短 波红外波段，特别是在晴朗星空的夜间，短波红外辐 射亮度随波长增加．并远远超过可见光的亮度。 lO ￡ }10 锯 ● 叩g 0 ● 旁l0 ^，lLm 图 l在满月和大气辉光条件下夜空的光谱辐射亮度曲线 Fig．1 Curve of radiant intensity in condition of night of plenilune and air glow Wavelengtldnm 图 2在 月光 、晴 朗星 空 、晴I可多石 的星空 条件 F夜 空 的 光谱辐射通量曲线 Fig．2 Curve of atmosphere radiant flux in condition of moonlight， clearness and cloudy star field in the night 1．3短波红外焦平面探测器技术 】 第二代热成像技术可选择长波和中波红外。提高 红外焦面探测器的积分时间，弥补了中波红外能量比 长波红外能量低的不足．所以也能获得像质优良的室 温景物热像。现在。人们用同样办法将红外成像的波 段扩展到短波红外 。以获取室温景物反射夜天光的红 外图像。 短波红外成像仪主要由红外望远镜、红外焦平面 探测器、信号处理部件／软件、光学机械平台等组成。 因其他组部件相当成熟。故短波红外成像技术的关键 是短波红外焦平面探测器技术。 量子型短波红外焦平面探测器可以有效探测短 波红外信号，是探测短波红外辐射的最佳。用半 导体探测短波红外辐射的主要优点是：半导体中 电子跃迁所需的能量很小，可以有效响应 l一2．5 m 的短波红外辐射 ；发生在半导体主能带之 间，可达到 60％一95％。同时，还具有如下优点 ： (1)利用量子效应探测的灵敏度高，响应速度快。 (2)短波红外探测器可在室温下工作 ，不需要制冷 器，制冷后性能更高，寿命更长(在 104 h量级)。 (3)短波红外焦平面探测器的厚度很小 (2 ran1左 右)，不需要真空，体积小，质量轻(预计只有数十克)。 (4)因没有制冷限制，所以容易实现“片上系统”。 1．4短波红外成像与微光夜视 非制冷红外成像技术 的比较 短波红外焦平面探测器是新型红外焦平面器件。 采用短波红外焦平面探测器 ，可利用夜天光 l一2．5 m 波段的所有能量，明显提高夜视器材的灵敏度和作用 距离。 苦 暑量 g留每歪 E昌 ￡ 维普资讯 http://www.cqvip.com 第6期 蔡 毅等 ：短波红外成像技术及其军事应用 短波红外成像仪与非制冷长波红外热像仪在红 外光学望远镜上的差别是：在军事应用中非制冷长波 红外热像仪一般需要锗晶体的大口径红外望远镜，增 大了非制冷热像仪的体积、质量和价格。短波红外成像 仪的体积、质量与可见光、微光器材接近。表 1对三种 技术进行了简要比较，便于理解三者之间的异同。 表 1短波红外成像 系统与微光夜视器材、非制冷 成像系统的}匕较硎 Tab．1 SW infrared imager(SWP)compared with uncooler infrared imager and low-light level-image intensifier(L3Iz)‘。 Remark：# compare witll visible iillage： depmd on window CUt· wave； adjustable wave-band depend Oil material 准确地讲，短波红外成像技术的发展填补了从可 见光到长波红外波段之间在短波红外光谱的空白，在 某些应用中有其独特的优势。 2国外发展概况 美国在短波红外成像方面投入了很大力量。研制 了 PbS短波红外探测器用于“响尾蛇”空空导弹之后 ， 又成功研制 了用于“响尾蛇”导弹改进型的 PbSe短中 波红外探测器。此外 ，最早研制的截止波长在大气水 汽吸收峰2．7 m的6 000元 PbS短波红外焦平面探 测器．已成功用于弹道导弹早期预警卫星。 PbS、PbSe等探测器用于地面室温景物成像，与夜 天光短波红外的光谱匹配效果不够理想，但通过降低 工作 温度解决 了这一问 。美 国 RCA公 司研 制 了 2 560x2的 Pt：Si集成式短波红外焦平面探测器 。但量 予效率低(在 1％一lO％)，并需要制冷到128 K。Ge材料 也用于研制短波红外焦平面探测器，不足之处是其光 谱响应不能和夜天光 的短波红外实现最佳匹配。 HgCdTe材料通过改变组份可以实现最佳光谱匹配，由 于技术成熟．已研制出规模达到 2 048x2 048的短波红 外焦平面探测器，并且性能很好。在室温条件下工作， InGaAs短波红外探测器在 1．68 m达到了目前短波红 外探测器的最高性能。已有 128x128、320x240的短波 红外焦平面探测器产品问世。 美 国圣巴巴拉研究 中心研制了 l 280xl元的 HgCdTe短波红外线列焦平面探测器，已用于卫星遥 感，主要性能参数如表 2所示。 袭 2 1 280xl元 HgCdTe短波红外线列焦平面 探测器的主要性能参数 Tab．2 Main parameter of l 280xl SW FPA Type Pm 结 Magnitude Size／~m Pitch／~Lm RoIC Respond wave／pxn Cut wave／~m D ／era Hz -W 一1 Operating Temperature／ 美国洛克韦尔科学具中心研制出了规模达2 048~ 2 O48元 的、与夜天光具有最佳光谱匹配效果的 HgCdTe短波红外焦平面探测器，其读出电路芯片集成 了超过3 4 0万个晶体管。主要性能参数如表 3所示。 美国Sensors Unlimited．Inc(传感器无限责任公司) 是 InGaAs短波红外焦平面探测器的主要供应商 ，现达 到的最高水平是：面阵 640~512元。线列 512xl元，主 要性能参数如表 4所示。如果器件制冷到250 K，探测 率将达到 l015 cm Hz z／W 的量级。还有规模为 128x 128、320x256的焦平面探测器产品。 美 国 Indigo公司是另一个研制 InGaAs短波红外 一 一∞一一 一蛐 维普资讯 http://www.cqvip.com 红外与激光工程 第35卷 焦平面探测器的厂商。2001年。Indigo公司采用320~ 240元 InGaAs短波红外焦平面探测器。成功研制了商 用短波红外成像仪AlphaTM NIR，质量仅为350 g。 表 3 2 048~2 0鹌元 HgCdTe短波红外线列 焦平面探测器的主要性能参数 Tab．3 Mainparameters of2 048~2 048 SW MCT FPA Type M agnitude Pitch／tim R0IC Respond wave／pan 表 4 640x512元 InGaAs短波红外焦平面探测器 的主要性能参数 Tab．4 M ain parameters of O10~512 SW InGaAs FPA Type Magnitude Pitch／ixrn ROIC Respond wave／~m Cut wave／pan D'／cm Hz ·W 一 Quantum efficiency／％ Operating temperature／~C 法国现已有两种产品问世。并研制成功短波红外 成像仪。表 5、表6给出了法国Sofradir公司的两类短 裹5法国Sofradir公司的HgCdTe短波红外焦平面 探测器的性能参数 Tab．5 Main parameters of Sofradir SW MCT FPA Parameters Value 表 6法国 Thomson、Sofradir公司的 InGaAs短波 红外焦平面探测器的主要性能参数 Tab．6 Main parameters of THOMSON、SOFRADIR SW InGaAs FPA 波红外焦平面探测器的性能参数。 目前研制和生产 PbS、PbSe探测器的公司主要有 美国SensArray Infrared公司。可提供 160~1、256×1的 线列器件，并已研制规模为 160~160的PbSe焦平面 探测器。研制出同样器件的还有 BAE Systems美国公 司 、美 国 Northrop Grlxmman ElectroOptical Systems 公司，现提供 64~1、128~l、256~1的 PbSe线列探测 器，并研制出了320~240的PbS焦平面探测器。PbSe 焦平面探测器正在研发之中。 3短波红外成像技术在军事上的应用 短波红外成像仪的军事应用是以其技术特点为 基础的，其技术特点为： (1)可见光／短波红外双波段成像[4] 多数可见光的光学材料都可以透过短波红外 。因 此可见光与短波红外可以实现共 口径的可见光／短波 红外的双波段成像。例如。实现白光与短波红外图像 的融合、电视与短波红外的图像融合．提高光学器材 的性能。 (2)探测短波红外激光阎 短波红外成像仪可以探测相应波段的短波红外 激光，特别是探测测距或照射指示的 1．06 m、人眼 安全的 l，5x tJan激光。 (3)被动／主动短波红外成像 短波红外成像仪与激光照明光源结合，形成被动／ 主动的红外成像，提高了作用距离。俄罗斯的试验表 镐 O S 墙 呲 ～ 墙 一 ～ C I {薹．一 一～ 一 一 维普资讯 http://www.cqvip.com 第6期 蔡 毅等：短波红外成像技 术厦其 军事应 用 647 明：作用距离为2 000 m的短波红外成像仪用激光进 行照明后，可提高到 6 000 113。此外，采用距离选通方 式，可获得某一距离区间的红外图像，提高红外成像仪 识别 目标的能力。 (4)激光／短波红外成像系统集成 将激光测距仪与短波红外成像仪集成在一起可产 生新的功能，同时获得目标的距离像和红外图像，将两 者融合后获得了具有距离信息的红外图像。将激光识 别仪与短波红外成像仪集成，实现探测、敌我识别一体 化。将激光通信与短波红外成像仪集成为一体，可实现 视距内的点对点观察与通信。 基于上述技术特点。短波红外成像技术在军事上 的典型应用如下： (1)夜视 短波红外成像仪将来可以作为新一代的夜视器 材大量装备于部队。图3为飞机的短波红外图片。 图 3空中飞机的短波红外 图像 Fig．3 SW IR image of plane in the sky 此外。还可以作为轻武器昼夜瞄具、机动平台的 夜间辅助驾驶仪等。 (2)侦察与监视、遥感 短波红外成像仪可用于C4ISR系统中的侦察、监 视、遥感等车载、机载、星载的战场感知部分，用于战场 侦察、监视、毁伤评估、遥感等。例如，绿色植物对可见光 的反射很弱．对近红外和短波红外的反射能力很强，人 造绿色涂料对短波红外的反射能力却很弱，采用短波红 外成像有利于识别用绿色涂料伪装的军事目标。 (3)遥感系统 短波红外成像仪易于与光学、电视集成为一体， 作为各种武器系统的图像传感器。 (4)红外成像制导 将短波红外成像与电视集成为一体，形成电视／短 波红外双波段成像制导，使红外成像制导内容更丰富。 (5)光电对抗 短波红外成像仪能大范围、精确地探测短波红外激 光光源的位置。可以作为光电对抗系统的传感器使用。 4结束语 综上所述．短波红外成像是提高夜视器材性能的 发展方向之一。短波红外成像可以提供可见光、微光夜 视、中波、长波红外成像所不能提供的信息。实现短波 红外成像，填补微光夜视和中波红外成像之间的光谱 空缺．实现在三个大气红外透射窗口的“无缝隙探测”， 对在红外波段全面获取目标的信息具有重要意义。 短波红外焦平面探测器的应用领域非常广泛，除 了用于夜视、侦察与监视、遥感 、火控系统、红外成像 制导及光电对抗等军事领域外，还可用于光谱学、无 损检测、工业多光谱成像分析、资源遥感、红外天文 学、交通、风切变探测、医疗、公安等领域，是一项很实 用的军民两用技术。 参考文献： 【l】CAI Yi。HU Xu．State of山e art and future irend of detectors for infrared imaging seekers【J】．Infrared and Laser En~neering (蔡毅，胡旭．红外寻的器用红外探测器现状和发展．红外与激光 工程)，2006，35(1)：7—11． 【2】CA／ Yi．Importance of uncooled thermal imaging tecl3nology in night vision【J1．Infrared and Laser Engineering (蔡毅．非制热 成像在夜视技术中的作 用和地位 ．红外与 激光 工程 )。2001，30 (3)：214-217． 【3】WU Cheng，SU Jun-hong，PAN Shun-chen，et a1．A review of the technology base on uncooled infrared focal plane array[J1． 1nfrm-ed T~hnology(吴成 ，苏君红，潘顺 臣。等．非制 冷红外平 面技术评述 (上 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