用于監(jiān)視和安全的成像:SWIR相機(jī)穿過霧霾實(shí)現(xiàn)監(jiān)視和安全防護(hù)

隱蔽操作通常使用熱成像和/或夜視，但短波紅外（SWIR）波段具有其自身優(yōu)點(diǎn)，例如，透過大氣霧霾觀察。

成像系統(tǒng)在安全、防御和監(jiān)視方面的使用很大程度上取決于紅外（IR）光譜的優(yōu)勢，紅外光譜可分為近紅外、短波、中波和長波紅外（分別為NIR、SWIR、MWIR和LWIR）。用于安全防護(hù)和監(jiān)視的近紅外相機(jī)通常是微光（夜視）設(shè)備，而MWIR和LWIR相機(jī)通過熱成像完成任務(wù)。但是SWIR相機(jī)本身就是一種有用的安全防護(hù)和監(jiān)視設(shè)備，可以單獨(dú)使用，也可以與其它成像儀組合使用。

通常NIR和SWIR之間的光譜邊界約為1.4μm，但對于本文而言，確切數(shù)字并不重要。SWIR和MWIR之間的邊界通常為3μm。

穿過霧霾成像

Sensors Unlimited隸屬于Collins Aerospace公司，生產(chǎn)各種SWIR成像儀，包括手持式SWIR示波器系統(tǒng)、面陣掃描相機(jī)、線掃描相機(jī)和線性光電二極管陣列。基于銦鎵砷（InGaAs）的傳感器技術(shù)于1991年由Sensors Unlimited公司推向市場。

這些SWIR設(shè)備的應(yīng)用包括設(shè)施、港口、邊境安全和監(jiān)視及其他秘密行動(dòng)、微光成像、軍事駕駛員視覺增強(qiáng)和軍用紅外激光光斑跟蹤。例如，GA1280JSX SWIR相機(jī)采用一個(gè)高清晰度（1280×1024像素）傳感器，以全分辨率60幀/秒（fps）成像，在0.9-1.7μm光譜范圍內(nèi)具有高靈敏度，覆蓋從0.7至1.7μm的NIR / SWIR或0.5至1.7μm的可見光/ SWIR。

Sensors Unlimited公司的應(yīng)用工程師Curt Dvonch表示：“GA1280JSX高清SWIR相機(jī)最引人注目的安全和監(jiān)控用途之一就是穿過大氣霧霾進(jìn)行成像。” 同時(shí)拍攝了這兩幅圖片（參見圖1），清楚地顯示了SWIR相機(jī)在受污染、霧霾環(huán)境中性能優(yōu)于可見光相機(jī)。 SWIR相機(jī)的性能優(yōu)于可見光相機(jī)，主要是因?yàn)镾WIR光子能穿透大氣霧霾和煙霧，而可見光波長的光子則散射在大量顆粒物的空氣中。

圖1 猶他州的鹽湖城山谷偶爾會(huì)出現(xiàn)大氣現(xiàn)象，這種現(xiàn)象會(huì)讓大氣污染持續(xù)幾天或幾周。在這些大氣逆變現(xiàn)象中，地面能見度嚴(yán)重降低。從視頻中拍攝的圖像顯示了2017年12月7日美國中部時(shí)間下午3:30左右地面低能見度期間的可見光圖像（a）和短波紅外（SWIR）圖像(b)。使用Sensors Unlimited 公司的GA1280JSX 微型SWIR面掃描相機(jī)和200 mm SWIR優(yōu)化f / 1.6鏡頭，以60 fps拍攝SWIR圖像。利用尼康公司的D5100數(shù)碼單反相機(jī)以視頻模式和55-200毫米f / 4.5-5.6鏡頭拍攝可見光圖像。這兩組圖像都經(jīng)過裁剪，但在其他方面沒有變化。

多目標(biāo)跟蹤

FLIR系統(tǒng)公司生產(chǎn)基于焦平面陣列（FPA）的InGaAs SWIR相機(jī)，該公司也單獨(dú)銷售這一產(chǎn)品。 FPA采用電容互阻抗放大器電路設(shè)計(jì)，針對安全成像和高速科學(xué)激光測試（需要多輸出和動(dòng)態(tài)窗口）等應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。

FLIR公司的一款SWIR相機(jī)，即Boson相機(jī)在尺寸、重量、功率和成本（SwaP + C）方面進(jìn)行了優(yōu)化。該相機(jī)尺寸為21×21×28毫米，不加鏡頭的重量為15.5g，功耗小于1.6 W，為軍用級別，它沒有采用熱電致冷器（TEC），這有助于實(shí)現(xiàn)其SwaP + C優(yōu)化。比Boson稍微大一點(diǎn)的同系列產(chǎn)品Tau使用了TEC，具備在野外精確使用所需的溫度穩(wěn)定性。相機(jī)尺寸為38×38×36 mm，功耗僅為3.2 W或更低。兩款相機(jī)均采用SWIR（0.9至1.7μm）和可見光/ SWIR（0.6至1.7μm）。

除了相機(jī)，F(xiàn)LIR公司還生產(chǎn)一種稱為LTV-X的全地形偵察和監(jiān)視車輛（參見圖2），該車輛帶有可插拔的傳感器和各類成像儀，包括NIR、SWIR、熱成像、激光測距和雷達(dá)。該車輛可以通過V-22飛機(jī)“魚鷹”傾斜旋翼軍用機(jī)運(yùn)輸，并且通過相機(jī)控制系統(tǒng)，可以同時(shí)跟蹤多達(dá)500個(gè)威脅。

圖2 FLIR公司的輕型戰(zhàn)術(shù)偵察和監(jiān)視車輛LTV-X，攜帶一個(gè)互補(bǔ)傳感器陣列，包括NIR、SWIR、熱像、激光測距和雷達(dá)設(shè)備。

多種OEM版本

Raptor光電子公司致力于InGaAs基相機(jī)制造13年，生產(chǎn)了一系列從320×256到640×512的各種分辨率和像素尺寸的SWIR和可見光/ SWIR相機(jī)。最近，生產(chǎn)了一款新型高清攝像頭，分辨率為1280×1024像素。該公司使用多家供應(yīng)商的InGaAs傳感器，包括現(xiàn)貨和定制設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)低噪聲核心模塊。正如該公司銷售和營銷副總裁Mark Donaghy所描述的，Raptor可以提供定制改型，包括機(jī)械布局、接口、冷卻、光學(xué)設(shè)計(jì)（參見圖3）等，以滿足其監(jiān)視和安全用戶的確切需求。實(shí)際上，Raptor每年銷售的產(chǎn)品中有90％是OEM改型產(chǎn)品。例如，OWL 640相機(jī)現(xiàn)有16種不同的OEM型號，每種都針對個(gè)別客戶的特定需求而設(shè)計(jì)。

圖3 Raptor 光電公司的這款OWL 1280可見光/ 短波紅外相機(jī)采用定制鏡頭設(shè)置。

OWL 1280相機(jī)采用1280×1024 InGaAs傳感器，光譜范圍可以擴(kuò)展到整個(gè)可見光光譜范圍，在高靈敏度下的總范圍為0.4至1.7μm。Donaghy表示，10×10μm的像素間距可實(shí)現(xiàn)高分辨率成像，具有少于40個(gè)電子（e-）讀出噪聲，并具有69 dB的大場景動(dòng)態(tài)范圍，可同時(shí)捕捉場景的明暗部分。

該相機(jī)工作頻率范圍為10至60 Hz，并采用內(nèi)置自動(dòng)增益控制（AGC），可實(shí)現(xiàn)從微光到強(qiáng)光的最佳對比度圖像。相機(jī)溫度穩(wěn)定。 Donaghy指出，它非常適合陸地和機(jī)載應(yīng)用的微光和夜間成像。

他解釋說，OWL 1280已經(jīng)被OEM公司和主承包商用到幾種萬向架項(xiàng)目中”。高清格式為操作員提供了更好的分辨率，VIS-SWIR系列可以穿過煙霧、霧霾、海霧及其他低能見度條件進(jìn)行成像。對于觀察關(guān)鍵波長激光（例如1550 nm）也很重要。 OWL 1280安裝在萬向架中，旨在提供最佳的SWaP性能，相機(jī)可以在極端環(huán)境條件下工作，如溫度（-40?C至+75?C）和濕度（保形涂層電子設(shè)備）。每臺攝像機(jī)均按照ISO9001：2015標(biāo)準(zhǔn)制造，這意味著相機(jī)的質(zhì)量和可靠性非常出色，對于關(guān)鍵性任務(wù)應(yīng)用至關(guān)重要。

Donaghy指出，對于一個(gè)特定客戶，相機(jī)采用板式結(jié)構(gòu)，配置柔性電纜，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使組件可以“折疊”（壓縮）到緊湊的空間封裝中。

高速成像

FirstLight 成像公司推出了一款非致冷SWIR相機(jī)C-RED 3，該相機(jī)針對低SwaP + C進(jìn)行了優(yōu)化。該公司的創(chuàng)始人兼科學(xué)顧問Jean-Luc Gach表示，該相機(jī)基于一種靈敏度為0.9至1.7μm的無熱致冷 InGaAs傳感器，量子效率（QE）超過70％。相機(jī)更新率高達(dá)600 fps，讀出噪聲低于50 e-。

C-RED3包括一個(gè)開口寬度低于5μs的嵌入式電子快門。雖然該相機(jī)主要用于工業(yè)用途，但它也非常適合通過固定安裝或移動(dòng)平臺（如無人機(jī)）進(jìn)行監(jiān)視。

該攝像機(jī)支持高動(dòng)態(tài)范圍模式（HDR），提供93 dB動(dòng)態(tài)范圍和真16位線性響應(yīng)，同時(shí)具有低于50 e-的低噪聲和超過106 e-的全阱容量。C-RED 3也可以在標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)以AGC模式工作。特別適合需要高速應(yīng)用總的的短曝光時(shí)間。