紅外系統(tǒng)技術(shù)有哪些進(jìn)展？紅外系統(tǒng)技術(shù)最新進(jìn)展和應(yīng)用資料概述

紅外系統(tǒng)協(xié)會（特別是在美國）規(guī)模并不很大。20世紀(jì)80年代國防預(yù)算減少后，保留了很少的紅外系統(tǒng)專家，許多都是光學(xué)工程師、物理學(xué)家，或者像我這樣從事光電的電力工程師。由于我們這個圈子很小，彼此之間十分熟悉。

20世紀(jì)80年代，隨著從第一代前視紅外線掃描器向第二代前視紅外時延積分掃描探測器、再向二維凝視陣列系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變，紅外技術(shù)發(fā)展似乎非?？?。光學(xué)元件全部是采用傳統(tǒng)紅外材料的單f數(shù)系統(tǒng)，但新的發(fā)展是一種新的孔徑尺寸和更大的窄-寬視場切換比。

我過去認(rèn)為技術(shù)成熟地太快，很難跟上，現(xiàn)在則發(fā)展地更快了！

最令人興奮的時期莫過于成為一名紅外系統(tǒng)工程師。每年有多項技術(shù)突破，進(jìn)展令人吃驚。我想介紹過去五年在元件和紅外系統(tǒng)方面的一些重大進(jìn)展。這些紅外技術(shù)大多都和軍事系統(tǒng)有關(guān)，但某些成像系統(tǒng)正在打入商業(yè)市場。

持久監(jiān)視系統(tǒng)

圖1 持久監(jiān)視系統(tǒng)平臺

持久情報、監(jiān)視和偵察（PISR）系統(tǒng)是最新的軍用紅外系統(tǒng)。這些系統(tǒng)在可見光波段的使用大約從6-10年前開始。它們用于戰(zhàn)區(qū)小城鎮(zhèn)上空飛旋的有人駕駛飛機(jī)，飛行周期12小時。

該想法是在簡易爆炸裝置、自殺式***或車輛爆炸后提出來的，圖像序列可以倒回，因此調(diào)查取證員可以辨認(rèn)涉及的人和車。

由于PISR在夜間工作得更好，設(shè)備可以更隱蔽地工作，所以研發(fā)人員提出了紅外PISR系統(tǒng)。這些系統(tǒng)可放在移動或靜止無人平臺上，遙控站內(nèi)的操作員設(shè)定地面采樣距離、覆蓋面積（km2）和幀速率以確定系統(tǒng)性能。

許多國家的軍事實驗室都在從事這一領(lǐng)域的系統(tǒng)。

用于防御應(yīng)用的雙波段成像

雙波段成像儀的發(fā)展在防御應(yīng)用中提供了重要優(yōu)勢，使操作員可以用相同焦平面在中波紅外（MWIR，3~5μm）和長波紅外（LWIR，8~12μm）進(jìn)行觀察。DRS技術(shù)公司、雷聲公司、Teledyne公司、洛·馬公司、Sofradir公司和FGAN-FOM公司、光電和圖像識別研究所是生產(chǎn)焦平面陣列的一些機(jī)構(gòu)。

雙波段成像儀的光學(xué)元件復(fù)雜又昂貴。一些科學(xué)家和工程師對用組合波段瞬時成像的有用性還有爭論，但對給定孔徑尺寸，使用MWIR和LWIR的優(yōu)勢很明顯。

在“惡劣戰(zhàn)場”條件下，世界上大多數(shù)陸軍都使用長波紅外，而多數(shù)空中和海上組織都使用中波紅外，因為其波長更短，距離更遠(yuǎn)，工作環(huán)境的空氣更潮濕。將中波紅外用于地面的明顯優(yōu)勢是，在“良好”條件下，中波紅外相機(jī)的觀察距離是長波紅外（由于衍射限）熱像儀的2.5倍。

但是，大多數(shù)陸軍不會為了中波紅外犧牲長波紅外，因為在有熱目標(biāo)、燃燒目標(biāo)、煙霧、昏暗和寒冷氣候的惡劣戰(zhàn)場條件下，中波紅外的光子不足。

圖2 中波紅外成像儀和長波紅外成像儀視場中的燃燒筒

證明長波紅外在惡劣戰(zhàn)場中優(yōu)勢的最佳例子是燃燒筒，如圖2所示。普朗克曲線上的熱目標(biāo)向左移動，中波紅外段的巨大能量讓探測器出現(xiàn)熱暈，并發(fā)出炫光，而LWIR圖像仍有效，燃燒筒在視場中。

同樣，由于在陸地目標(biāo)和背景中，長波紅外波段有更多光子，積分時間更短，快速移動不會讓圖像模糊。因此用兩個波段的攝像機(jī)有很大優(yōu)勢。美國陸軍夜視和電子傳感器部門（NVESD）是雙波段紅外技術(shù)的主要領(lǐng)先機(jī)構(gòu)。

小型紅外探測器系統(tǒng)

小型紅外探測器可以提供不同于傳統(tǒng)設(shè)計的紅外系統(tǒng)特征。首先，它們在低f數(shù)具有遠(yuǎn)距離目標(biāo)識別性能。大多數(shù)紅外工程師習(xí)慣于用高f數(shù)的遠(yuǎn)距傳感器，主要因為多年來一直用著較大的探測器。

可見光成像儀采用低f數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)距離成像有很長時間了。小型探測器的高密度陣列可以提供遠(yuǎn)距識別和帶全電子聚焦的寬視場。

美國防高級研究計劃署（DARPA）的SPIE 合伙人Nibir Dhar負(fù)責(zé)小型探測器系統(tǒng)，并在間距為5~8μm的探測器方面有大量成功經(jīng)驗。圖3（下）顯示攝像機(jī)和探測器間距為5μm的攝像機(jī)圖像，這是作為DARPA大孔徑海上基本數(shù)據(jù)陣列（LAMBDA）項目的一部分研發(fā)的。DRS技術(shù)公司設(shè)計和制造了帶碲鎘汞焦平面陣列的中波紅外攝像機(jī)。

周視紅外系統(tǒng)非常新

紅外系統(tǒng)相對新的領(lǐng)域是周視紅外系統(tǒng)，期望對一個區(qū)域進(jìn)行360°成像。將來，這種系統(tǒng)可以從觀察車輛或小型艦船的更便宜、低分辨率系統(tǒng)發(fā)展到用于城鎮(zhèn)和工廠監(jiān)視的中等距離系統(tǒng)。高分辨率系統(tǒng)非常昂貴，用于保護(hù)高價值平臺，如艦船和潛艇。

圖3 DRS公司的LAMBDA擴(kuò)展攝像機(jī)和5μm間距攝像機(jī)的圖像

圖4 周視MWIR成像儀

圖4（上）是一種周視攝像機(jī)，是美國海軍研究實驗室（NRL）的Jim Waterman研發(fā)的。Remote Reality公司制造了“圓環(huán)形”透鏡，可以將周視圖像投影到一個焦平面上，L3辛辛那提電子公司制造了2000×2000像素InSb焦平面，對整個周圍成像，提供該區(qū)域的虛擬瀏覽。

圓環(huán)圖像必須實時去翹曲，提供圓柱坐標(biāo)圖像。這種特殊攝像機(jī)在中波紅外波段提供水平方向約5000像素，這是海上應(yīng)用的潮濕環(huán)境中的重要紅外波段。

幀速對周視系統(tǒng)很重要。當(dāng)這些圓環(huán)型透鏡提供高幀速時，旋轉(zhuǎn)掃描系統(tǒng)，通常使圖像慢下來。如果幀速太慢，攝像機(jī)就不能滿足目標(biāo)探測和跟蹤要求或機(jī)動要求。

PbSe探測器具有良好的靈敏度和速度

去年的一項技術(shù)突破對紅外系統(tǒng)造成的沖擊很明顯，即諾·格公司Kenton Green 和Sung-Shik Yoo先生研發(fā)的硒化鉛探測器。他們研發(fā)出低成本PbSe探測器并在一段時間內(nèi)用于機(jī)載威脅告警系統(tǒng)，以對抗單兵便攜式防空導(dǎo)彈（MANPADS）和其它防空武器。

這些探測器的焦平面是把PbSe沉積在硅讀出電路上，使探測器非常便宜。這些中波紅外探測器的明顯特征是它們用兩個熱電制冷器進(jìn)行非低溫制冷。

靈敏度為30毫開溫，采用f/1光學(xué)元件和2.5毫秒積分時間，以230開溫工作。陣列為320×240像素，像素為60μm，重復(fù)能力為99.6。

我們從事紅外系統(tǒng)工程的很多人從不認(rèn)為當(dāng)非低溫制冷光子探測器有大靈敏度時就能看到類似白天的景象。這些探測器的應(yīng)用不僅包括威脅告警和敵方火力指示，還可以在高速工業(yè)檢測、驅(qū)動、來復(fù)槍瞄準(zhǔn)等方面表現(xiàn)突出。

他們之所以采用廉價的微輻射熱機(jī)是因為其具有良好的靈敏度和高速度。

Green, Yoo和同事ChristopherKauffman是5月份在巴爾的摩SPIE DSS上發(fā)表“鉛鹽熱電制冷成像傳感器研發(fā)”文章的作者。我鼓勵其出席本屆會議。如果我沒有關(guān)注馬德里新紅外技術(shù)公司在該領(lǐng)域取得的良好進(jìn)展，我將會失職。

目前，商業(yè)機(jī)正面臨MANPADS的攻擊，這使這項技術(shù)變得很關(guān)鍵。

更小，更輕的扁平透鏡

在改進(jìn)紅外系統(tǒng)的光學(xué)元件方面，人們真正感興趣的是光學(xué)元件的扁平透鏡法。DARPA投資的Ravi Athale的最初方案及與合作小組（包括加利福尼亞大學(xué)研究員）合作的項目取得重大進(jìn)展。最初方案看起來像一個冰球（圖6頂部），光沿邊緣進(jìn)入圓盤，繞冰球內(nèi)側(cè)彈跳，出來時在另一側(cè)聚焦。反射面提供光學(xué)功率，形成圖像離光盤背部不是很遠(yuǎn)。

圖5紅外FLAT光學(xué)元件

該方法的優(yōu)點是尺寸更小，重量更輕，探測器功能更好。缺點是減少了調(diào)制傳遞函數(shù)和由于光線遮擋的光采集。但是，當(dāng)需要小尺寸、重量和功率時這是一項重大技術(shù)。

UCSD的Joe Ford說紅外型號是從UCSD“畢業(yè)”的。NVESD的Philip Perconti、Jay Vizgaitis和Colin Reese在輕便系統(tǒng)中實現(xiàn)了這項技術(shù)，并因此獲得了獎勵。2010年SPIE DSS上發(fā)表的文章介紹了這種方法，并顯示了利用微輻射測熱計探測器陣列怎么實現(xiàn)紅外的方法。（參見圖6中間和底部圖像）。

微輻射測熱計的封裝

讓我們把目光轉(zhuǎn)向商業(yè)方面。目前由于一些公司在開發(fā)（某些公司有DARPA和Dhar的幫助）微輻射測熱計陣列的晶片級封裝，微輻射測熱計正在發(fā)生變化。

該技術(shù)把真空窗口放在一整塊微輻射測熱計陣列晶片上。然后用完整的真空窗口對陣列和窗口進(jìn)行劃分。

價格方面的底線是微輻射測熱計退出市場。過去3~4年間，微輻射測熱計陣列從幾萬美元降到幾千美元，2014年預(yù)計將降到幾百美元。明年陣列售價小于100美元，甚至小格式陣列更便宜。

當(dāng)微輻射測熱計投入溫度記錄、汽車和其它商業(yè)市場并使用了幾年后，廉價的陣列將使熱成像得到進(jìn)一步的商業(yè)應(yīng)用。

FLIR系統(tǒng)公司的FLIR ONE 智能手機(jī)

最新例子是1月發(fā)布的用于智能手機(jī)的FLIR系統(tǒng)公司的FLIR ONE 個人熱像儀。智能手機(jī)系統(tǒng)成本為350美元，用一個防護(hù)殼蓋住可見光攝像機(jī)和微輻射測熱計攝像機(jī)，它們的圖像融合起來呈現(xiàn)在智能手機(jī)屏上。

該例子中的Lepton小型熱攝像機(jī)采用一個成本非常低的微輻射測熱計核。Lepton探測器像素陣列為80×60，間距為17μm。響應(yīng)波段為8~12μm，透鏡水平視場為50°。

隨著晶片級封裝和晶片級攝像機(jī)加工的發(fā)展，我們將看到這類紅外系統(tǒng)大量商業(yè)化。

誰能跟上時代

這是紅外系統(tǒng)飛速發(fā)展的時代，發(fā)展是加速度式的，在涉及有關(guān)軍事和商業(yè)系統(tǒng)的新型紅外元件和系統(tǒng)方面，我只是略懂皮毛。

我的許多同事會指出還有很多其他方面的最新進(jìn)展。他們會說我漏掉了短波紅外系統(tǒng)、主動和被動紅外系統(tǒng)、超光譜系統(tǒng)、偏振系統(tǒng)、紅外系統(tǒng)中的相干成像及許多其他最新進(jìn)展。