中長波雙波段紅外成像技術(shù)的發(fā)展

摘要：中長波雙波段紅外成像技術(shù)能同時(shí)獲得中波、長波兩個(gè)大氣窗口的紅外輻射信息，同時(shí)具有兩種單波段成像技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。通過優(yōu)勢互補(bǔ)，中長波雙波段紅外成像技術(shù)能夠提高裝備對各種復(fù)雜環(huán)境條件的適應(yīng)能力，提高各類作戰(zhàn)任務(wù)的成功率。在過去二十幾年中，歐美主要國家實(shí)現(xiàn)了從雙探測器雙波段成像到單探測器雙波段成像的發(fā)展及批量裝備，目前正向更高分辨率、更遠(yuǎn)作用距離的方向發(fā)展。中長波雙波段紅外成像技術(shù)主要用于提高各類主戰(zhàn)裝備對不同的作戰(zhàn)環(huán)境的適應(yīng)能力以及各類搜索跟蹤識(shí)別系統(tǒng)對目標(biāo)的探測識(shí)別成功率。此外，可以通過中長波雙波段紅外成像技術(shù)獲取目標(biāo)的溫度、光譜特性等特征信息，可用于反干擾、反偽裝。

關(guān)鍵詞：雙波段紅外成像技術(shù)；紅外探測器；雙波段光學(xué)系統(tǒng)；圖像融合；復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性；探測識(shí)別成功率；目標(biāo)溫度

0引言

根據(jù)大氣對紅外輻射的吸收情況，紅外成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)通常分為5個(gè)光譜波段，分別是近紅外波段、短波紅外波段、中波紅外波段、長波紅外波段和甚長波紅外波段，根據(jù)目標(biāo)的紅外輻射特性，用于觀瞄系統(tǒng)的紅外成像設(shè)備通常工作在中波或者長波波段。在很長一段時(shí)間里，受到紅外探測器材料及器件的制造工藝和成本的限制，以及紅外熱成像系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)不夠成熟，紅外熱成像系統(tǒng)只能工作在某一個(gè)單一波段。

隨著應(yīng)用任務(wù)的復(fù)雜化、應(yīng)用環(huán)境的擴(kuò)展以及紅外隱身和干擾技術(shù)的進(jìn)步，單波段紅外熱成像系統(tǒng)在很多應(yīng)用場景下存在對目標(biāo)的探測識(shí)別能力較差、自動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)虛警率高以及動(dòng)態(tài)范圍不足等缺陷。如果能在熱成像系統(tǒng)中利用目標(biāo)在不同紅外波段圖像里固有的、較強(qiáng)的差異性和互補(bǔ)性，獲取目標(biāo)更多的有效信息，通過圖像融合技術(shù)，就能有效地提高系統(tǒng)的效能。本文綜述了幾種國外中長波雙波段紅外成像技術(shù)的發(fā)展情況，以及這些技術(shù)目前的應(yīng)用情況。

1中長波雙波段紅外成像技術(shù)的發(fā)展

從現(xiàn)有公開的文獻(xiàn)資料來看，國外對紅外雙波段成像從20世紀(jì)中期開始就有所討論，到90年代末開始出現(xiàn)較多的成果?？v觀這些文獻(xiàn)資料，國外中長波雙波段紅外成像技術(shù)目前主要有3種類型：雙探測器雙波段成像技術(shù)、雙線列雙波段成像技術(shù)以及單探測器雙波段成像技術(shù)。

1.1雙探測器雙波段成像技術(shù)

在早期，由于能夠同時(shí)響應(yīng)兩個(gè)波段的探測器尚未面世，以及相應(yīng)的光學(xué)系統(tǒng)材料和鍍膜技術(shù)的限制，只能采用兩個(gè)不同波段的探測器，分離的光學(xué)系統(tǒng)來構(gòu)建雙波段成像系統(tǒng)，然后通過圖像的配準(zhǔn)和融合技術(shù)來獲得雙波段圖像。美國、德國、意大利、加拿大等國家都開發(fā)出了相應(yīng)的系統(tǒng)，并且有的已經(jīng)實(shí)現(xiàn)裝備。表1所示是目前公開報(bào)道的國外典型雙探測器中長波雙波段紅外成像系統(tǒng)簡介。

德國Thermosensorik、FGAN-FOM等公司在2003報(bào)道了他們采用兩個(gè)探測器研制的雙波段紅外成像系統(tǒng)“CLEMENTINE”的情況，該系統(tǒng)采用了兩個(gè)探測器，配合兩個(gè)焦距為100 mm的光學(xué)系統(tǒng)，保證兩個(gè)波段視場一致，并在后端進(jìn)行圖像配準(zhǔn)和融合。研制方進(jìn)行了大量的數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)，獲得了大量640 × 512分辨率的圖像。圖1所示為用該系統(tǒng)采集的圖像數(shù)據(jù)，從左到右依次為中波、長波和融合圖像。

表1 國外典型雙探測器中長波雙波段紅外成像系統(tǒng)

圖1 德國“CLEMENTINE”系統(tǒng)采集的雙波段圖像

意大利軍用技術(shù)研究中心和SELEX GALILEO公司在2010年報(bào)道了他們?yōu)橐獯罄＼娧兄频撵o默發(fā)現(xiàn)和監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)用于裝備意大利海軍的新航母加富爾號(hào)（Camillo Cavour）。該系統(tǒng)采用一個(gè)中波（3.7 ~ 5 μm）和一個(gè)長波（7.75 ~ 10.25 μm）兩個(gè)掃描型熱像儀構(gòu)成，探測器規(guī)格為288 × 6，瞬時(shí)視場為0.16 mrad（H）×0.32mrad（V），可以實(shí)現(xiàn)360°搜索。圖2所示為該系統(tǒng)構(gòu)成以及實(shí)際裝備實(shí)物圖。

圖2 靜默發(fā)現(xiàn)和監(jiān)控系統(tǒng)及其裝備平臺(tái)

此外，美國軍方在1998年組織的多光譜傳感器的測試試驗(yàn)用一個(gè)中波紅外熱像儀和一個(gè)長波紅外熱像儀采集了兩個(gè)波段的圖像信息，加拿大ABB公司在2011年報(bào)道了他們和美國海軍合作開發(fā)的傅里葉變換光譜輻射探測設(shè)備。

基于雙探測器的中長波雙波段紅外成像技術(shù)是一個(gè)過渡階段的技術(shù)，歐美主要國家都研制出了相應(yīng)的系統(tǒng)，并驗(yàn)證了雙波段圖像融合、基于雙波段圖像的搜索跟蹤等技術(shù)，進(jìn)一步探索并驗(yàn)證了雙波段成像技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的相關(guān)理論和技術(shù)。這使得相關(guān)國家在雙波段紅外成像方面積累了一定的領(lǐng)先優(yōu)勢。

1.2雙線列雙波段成像技術(shù)

由于基于疊層材料的雙波段探測器無論是材料制備還是器件制造的難度都遠(yuǎn)超過單波段探測器，而基于線列探測器成熟的制造技術(shù)，在同一個(gè)焦面上并列放置兩個(gè)波段的探測線列，以獲得可以探測雙波段輻射的線列探測器不失為一種降低成本和難度的方案。

在目前的公開文獻(xiàn)中，只有美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室報(bào)道了雙線列雙波段成像系統(tǒng)的研究成果。該系統(tǒng)所采用的雙波段線列探測器的構(gòu)成示意圖如圖3(a)所示，將中波和長波兩種探測器線列封裝在一起，配合共光路雙波段光學(xué)系統(tǒng)和掃描機(jī)構(gòu)，可以獲得30° × 1.5°的視場。通過信息融合的方式，可以有效提高探測率并降低虛警率，圖3(b)所示為該系統(tǒng)采集的雙波段圖像。

圖3 雙線列雙波段成像系統(tǒng)

1.3單探測器雙波段成像技術(shù)

隨著雙波段材料制備和器件制造技術(shù)的進(jìn)步，歐美主要國家都研制出了雙波段探測器。由于量子阱材料波長控制靈活、制備相對容易，所以各個(gè)國家最早研發(fā)出來的都是基于量子阱材料的雙波段探測器。由于量子阱材料存在量子效率低、暗電流大等缺點(diǎn)，各國隨后都把重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到基于碲鎘汞材料的雙波段探測器的研發(fā)并取得了快速進(jìn)展，表2所示是美國RVS、德國AIM、法國Sofradir、英國SELEX等公司的碲鎘汞雙波段探測器，目前碲鎘汞已經(jīng)成為雙波段探測器的主流材料。此外，隨著二類超晶格材料制備技術(shù)的進(jìn)步，其優(yōu)點(diǎn)逐步顯現(xiàn)，也成為了雙波段探測器材料的一個(gè)重要發(fā)展方向。根據(jù)最新的報(bào)道美國已經(jīng)研制出面陣規(guī)格1280 × 720、像元大小12 μm的二類超晶格中長波探測器，其性能已經(jīng)大致達(dá)到了碲鎘汞探測器的水平。

隨著探測器技術(shù)的進(jìn)步，各個(gè)國家都基于單探測器開發(fā)了雙波段紅外成像系統(tǒng)，表3所示是公開報(bào)道的國外典型單探測器中長波雙波段紅外成像系統(tǒng)?？梢钥吹酱蠖鄶?shù)報(bào)道都是美國和德國，這也反映出他們該技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。

美國陸軍研究實(shí)驗(yàn)室和洛克希德馬丁公司早在2001年就報(bào)道了他們單探測器雙波段成像驗(yàn)證樣機(jī)的研究成果。該樣機(jī)采用洛克希德馬丁公司研制的中長波量子阱探測器，配合一個(gè)100 mm焦距的雙波段光學(xué)系統(tǒng)，并采用在雙探測器雙波段成像技術(shù)中驗(yàn)證過的彩色融合算法。美國陸軍和洛馬公司組織了大量圖像采集試驗(yàn)，對坦克、卡車、直升機(jī)等陸軍主要軍用目標(biāo)進(jìn)行了雙波段圖像采集。如圖4所示，從左到右依次為中波、長波和融合圖像。

美國陸軍夜視和電子傳感委員會(huì)、RVS（雷神視覺系統(tǒng)）公司和OASYS公司等在2008年報(bào)道了他們第三代熱像儀驗(yàn)證樣機(jī)的成果。樣機(jī)采用RVS公司研制的640 × 512碲鎘汞中長波雙波段探測器，該探測器采用了最新的可變冷屏光闌杜瓦，并結(jié)合OASYS公司研制的變F數(shù)雙波段光學(xué)系統(tǒng)?；谠擈?yàn)證樣機(jī)，美國軍方對中長雙波段紅外成像的優(yōu)點(diǎn)、變F數(shù)光學(xué)結(jié)合雙波段的優(yōu)勢以及中長波如何實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)等方面的問題進(jìn)行了研究和驗(yàn)證。圖5所示是用該樣機(jī)采集的圖像，左側(cè)為中波，右側(cè)為長波。

表2 國外各機(jī)構(gòu)中長波雙波段探測器

表3 國外典型單探測器中長波雙波段紅外成像系統(tǒng)

圖4 單探測器雙波段紅外成像設(shè)備采集的軍用目標(biāo)雙波段圖像

圖5 美國第三代熱像儀樣機(jī)采集的雙波段圖像

此外，美國的FLIR、Voxtel、QmagiQ等公司以及一些大學(xué)和研究所也都在軍方的支持下開發(fā)了相關(guān)的系統(tǒng)和應(yīng)用技術(shù)。德國IRCAM公司、AIM公司在2008年報(bào)道了他們的雙波段成像系統(tǒng)及先進(jìn)的雙波段圖像處理技術(shù)，該系統(tǒng)采用了圖像細(xì)節(jié)動(dòng)態(tài)增強(qiáng)、彩色融合以及拼接技術(shù)對雙波段圖像進(jìn)行處理，獲得了高分辨率的彩色圖像，具有出色的視覺效果。

1.4三種中長雙波段成像技術(shù)的比較

雙探測器雙波段成像技術(shù)通常采用兩個(gè)單波段探測器，配合兩個(gè)分離的光學(xué)系統(tǒng)或者一個(gè)共口徑分光路光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)雙波段成像。在雙波段探測器技術(shù)尚不夠成熟的時(shí)期，是雙波段成像的重要技術(shù)方向，可以利用單波段探測器分辨率較高、靈敏度較強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，獲得較高質(zhì)量的圖像。這種方案很大程度上相當(dāng)于采用了兩個(gè)單波段的成像系統(tǒng)，存在體積重量比較大，總體成本也比較高的缺點(diǎn)。同時(shí)由于采用分離光學(xué)系統(tǒng)或者分光路的形式，所獲取的成像場景不能完全一致，所以必須先進(jìn)行圖像配準(zhǔn)再進(jìn)行圖像融合，需要更復(fù)雜的圖像處理架構(gòu)，而且由于配準(zhǔn)精度的限制，往往存在由于圖像失配導(dǎo)致的景物重影。

雙線列雙波段成像技術(shù)利用線列探測器的制造技術(shù)，避免了生長疊層材料的困難，可以采用共光路雙波段光學(xué)系統(tǒng)，能夠同時(shí)獲得幾乎完全相同視場的雙波段圖像，具有單探測器體積、重量小的特點(diǎn)，相對成本更低。由于采用光機(jī)掃描成像技術(shù)，這種方案具有可以通過機(jī)械掃描提高圖像分辨率的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也存在光機(jī)穩(wěn)定性相對較差、掃描機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)控制較復(fù)雜的缺點(diǎn)。

單探測器雙波段成像技術(shù)，基于能夠同時(shí)響應(yīng)兩個(gè)波段輻射的雙波段探測器，配合能夠同時(shí)透過兩個(gè)波段輻射的共光路光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)雙波段成像。這種方案對探測器相關(guān)的材料制備、器件設(shè)計(jì)、讀出電路等技術(shù)以及光學(xué)系統(tǒng)相關(guān)的像差優(yōu)化、加工鍍膜等技術(shù)都有更高的要求，其具有的優(yōu)勢也是顯而易見的，更簡單的構(gòu)成帶來更小的體積、更低的成本和更高的穩(wěn)定性，同時(shí)不需要額外的圖像配準(zhǔn)和掃描機(jī)構(gòu)控制技術(shù)。此外，由于探測器材料響應(yīng)特性，一般會(huì)存在少量的光譜串音。

從發(fā)展歷史和趨勢來看，盡管各國雙波段成像技術(shù)進(jìn)展各有不同，以至于同一時(shí)期3種成像技術(shù)都有相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，但是3種技術(shù)的發(fā)展存在一定的先后順序。早期由于雙波段探測器尚未研制出來，最先出現(xiàn)的是雙探測器雙波段成像技術(shù)。隨著雙波段探測器的面世，單探測器雙波段成像技術(shù)發(fā)展迅速，同時(shí)限于雙波段探測器面陣不夠成熟，存在3種技術(shù)共同發(fā)展的局面。目前，隨著大面陣、小像元雙波段探測器發(fā)展和成熟，雙探測器雙波段成像技術(shù)和雙線列雙波段成像技術(shù)的優(yōu)勢逐漸被抵消，單探測器雙波段成像技術(shù)成為雙波段成像技術(shù)的主流方向，其他兩種技術(shù)則在一些特別的應(yīng)用場景中存在。

2中長波雙波段紅外成像技術(shù)的應(yīng)用

在進(jìn)行中長波雙波段紅外成像技術(shù)開發(fā)的同時(shí)，國外主要國家也對其應(yīng)用進(jìn)行了不同程度的研究。目前，該技術(shù)的應(yīng)用主要有3個(gè)方向：一是利用中長波優(yōu)勢互補(bǔ)，提高各類主戰(zhàn)裝備對不同的作戰(zhàn)環(huán)境的適應(yīng)能力，提高裝備面對各種不同作戰(zhàn)任務(wù)的成功率；二是利用各類目標(biāo)在兩個(gè)波段不同的輻射信息，提高各類搜索跟蹤識(shí)別系統(tǒng)對目標(biāo)的探測識(shí)別成功率；三是通過中長波雙波段紅外成像技術(shù)獲取目標(biāo)的溫度、光譜特性等特征信息，可用于反誘餌、反干擾、反偽裝。

2.1提高對復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)能力

美國相關(guān)機(jī)構(gòu)在其關(guān)于第三代熱像儀驗(yàn)證樣機(jī)的報(bào)道中，對雙波段成像技術(shù)的特點(diǎn)以及如何發(fā)揮其優(yōu)勢進(jìn)行了分析論證。雙波段成像技術(shù)最大的優(yōu)勢在于能夠同時(shí)獲得兩個(gè)波段的輻射信息，這帶來的最大效益在于提升裝備的全天候適應(yīng)性以及面對戰(zhàn)場偽裝的操作靈活性。雙波段成像技術(shù)帶來的效能增加通常不是來源于靈敏度的簡單提升，而是由雙波段探測帶來的適應(yīng)性和靈活性進(jìn)一步提升作戰(zhàn)任務(wù)的整體成功率，充分發(fā)揮其優(yōu)勢的關(guān)鍵在于將雙波段焦平面與先進(jìn)的光學(xué)技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù)結(jié)合。而隨著長波像元接近并超過衍射極限，可以利用中波來彌補(bǔ)長波分辨能力不足的雙波段成像技術(shù)，在地面應(yīng)用中將體現(xiàn)出相比長波單波段更大的優(yōu)勢。

國外對雙波段成像技術(shù)的應(yīng)用，最主要的方向就是依據(jù)上述思路，根據(jù)不同的作戰(zhàn)環(huán)境和作戰(zhàn)任務(wù)，合理利用中波分辨率高和長波探測靈敏度高的特點(diǎn)，發(fā)揮最大效能。此外，采用彩色圖像融合技術(shù)，獲取視覺效果更佳、信息更豐富、更適于人眼觀看的彩色圖像用于目視觀察和瞄準(zhǔn)，圖6所示是德國采用先進(jìn)雙波段圖像處理技術(shù)獲取的彩色融合圖像。

2.2提高搜索跟蹤系統(tǒng)對目標(biāo)的探測識(shí)別成功率

利用雙波段成像技術(shù)，能夠采集到關(guān)于目標(biāo)更多的紅外圖像信息。更多的信息必然能夠提高目標(biāo)探測識(shí)別算法的成功率。這是國外雙波段成像技術(shù)針對目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別的重要應(yīng)用方向，隨著未來裝備進(jìn)一步自動(dòng)化和智能化，將更加體現(xiàn)該技術(shù)的優(yōu)勢。

圖6 先進(jìn)雙波段圖像處理技術(shù)采集的圖像

美國陸軍早在1999年以前就采集了大量的主要軍事目標(biāo)的中長波圖像，基于主流的自動(dòng)識(shí)別算法，對中波、長波、中長波簡單疊加以及中長波特殊融合幾種情況，進(jìn)行了識(shí)別成功率的對比研究。結(jié)果表明，采用中長波特殊融合的圖像進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，可以在更少的樣本數(shù)據(jù)、更短的時(shí)間內(nèi)，讓識(shí)別成功率有顯著的提升。美國海軍基于所開發(fā)的雙線列雙波段成像系統(tǒng)，采用目標(biāo)信息融合的方法，有效地提高了探測識(shí)別的成功率。

意大利海軍和SELEX公司在2008年對靜默發(fā)現(xiàn)和監(jiān)控系統(tǒng)的報(bào)道文章中，通過理論推導(dǎo)，證明了采用雙波段圖像能夠提高探測率，且使跟蹤精度翻倍。相關(guān)機(jī)構(gòu)組織了對各種海事目標(biāo)的測試試驗(yàn)，以驗(yàn)證該系統(tǒng)所采用圖像融合技術(shù)和基于雙波段圖像的搜索跟蹤算法的效果。試驗(yàn)結(jié)果表明采用該雙波段成像系統(tǒng)能夠有效提高探測率，降低虛警率和建立跟蹤的時(shí)間。圖7所示為意大利海軍用靜默發(fā)現(xiàn)和監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行識(shí)別跟蹤試驗(yàn)的圖像，上面是中波，下面是長波。

圖7 靜默發(fā)現(xiàn)和監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行識(shí)別跟蹤試驗(yàn)的圖像

2.3獲取目標(biāo)溫度、光譜特性等特征信息

從目前的公開文獻(xiàn)來看，大多涉及雙波段成像技術(shù)應(yīng)用方面的報(bào)道都跟美國有關(guān)，這也反應(yīng)出美國在相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)先優(yōu)勢。除了上述應(yīng)用，雙波段成像技術(shù)的另一個(gè)重要應(yīng)用方向就是對雙波段圖像信息進(jìn)行深度提取，進(jìn)一步獲取關(guān)于目標(biāo)的溫度、發(fā)射率、光譜特性等方面的特征信息。這些信息有助于進(jìn)一步判別目標(biāo)的類型、材料等等，在反偽裝、反干擾、反誘餌等方面有重要的應(yīng)用潛力。

美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室基于中長波雙波段成像設(shè)備開發(fā)了一種絕對溫度測量技術(shù)，測溫精度達(dá)到1℃，所用熱像儀采用320 × 240量子阱中長波探測器，像元大小40 ?μm。美國海軍和加拿大ABB公司聯(lián)合開發(fā)的圖像傅里葉變換光譜輻射探測設(shè)備，采用兩個(gè)不同波段的傳感器獲取圖像，并進(jìn)行光譜信息分析?？梢杂糜诜治鰵怏w、物質(zhì)的光譜信息，對物體進(jìn)行初步的分辨。

3結(jié)束語

從目前的公開文獻(xiàn)可以看到，在研制出雙波段探測器之前，國外通過采用雙探測器或者雙線列探測器的方案，對中長波雙波段紅外成像技術(shù)進(jìn)行了研究，在雙波段圖像融合、雙波段圖像跟蹤等方面進(jìn)行了驗(yàn)證。

美國、德國、法國、英國等國家都相繼研制出了雙波段探測器，結(jié)合前期積累的技術(shù)基礎(chǔ)，很快就開發(fā)出雙波段成像系統(tǒng)，進(jìn)一步支撐了雙波段成像應(yīng)用技術(shù)的研究。近年來，雙波段成像技術(shù)領(lǐng)域的文獻(xiàn)逐漸減少，且主要集中在小像元、大面陣、新材料雙波段探測器方面。這也說明國外相關(guān)機(jī)構(gòu)在之前就對相關(guān)的整機(jī)系統(tǒng)技術(shù)、應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行了較充分的研究。可以預(yù)見，未來雙波段成像技術(shù)也將走上和單波段類似的更高分辨率、更靈敏、更低的成本和功耗、更小體積、更強(qiáng)大的圖像處理能力的發(fā)展路徑。