紅外焦平面圖像處理系統的研究分析＊

盛元平

（海軍裝備部沈陽軍事代表局 沈陽 110031）

1 引言

紅外焦平面圖像處理系統由紅外光學系統、紅外焦平面陣列、圖像信息處理系統、溫度控制系統和顯示系統等部分構成，如圖1所示。紅外焦平面陣列作為成像系統的探測器件，為整套圖像處理系統提供原始的紅外圖像信息：圖像信息處理系統作為整套系統的核心部分，它為紅外焦平面陣列提供電源以及驅動信號等，并且針對紅外焦平面陣列輸出的圖像信號特點進行實時的信號處理。溫度控制系統是用于保證紅外焦平面所有陣列單元自身基準的穩定性，不僅可以有效地提高輸出信號的信噪比，也可以提高紅外焦平面陣列的響應靈敏度。實時圖像信號處理主要是針對非均勻校正等相關的圖像預處理算法的研究[1]。

圖1 紅外焦平面圖像處理系統結構圖

2 紅外焦平面陣列

2.1 紅外焦平面陣列原理

紅外焦平面陣列就是采用集成電路制造及特殊半導體材料等相關技術制作的大規模的紅外探測器陣列。空間中物體發射的紅外線經過紅外光學系統成像在紅外焦平面陣列的感光元件上，紅外探測器將接收到的光信號轉換為電信號并進行積分放大、采樣保持，并通過輸出緩沖和信號傳輸系統，最終送達監視系統或圖像處理系統前端形成圖像信息。紅外焦平面陣列主要由紅外探測器和讀出電路等部分組成[2]。

紅外探測器是紅外焦平面陣列的核心部分，依據其探測的原理不同可分為光子探測器和熱探測器兩大類。

1）光子探測器。光子探測器主要工作于中波紅外、長波紅外波段，利用固體光電效應來制作，即依賴于入射的紅外光子在探測器中激勵產生的載流子，紅外光子電荷數正比于入射紅外輻射通量的信號。光子探測器可細分為光電導型探測器和光伏型探測器。

2）熱探測器。熱探測器是利用物體紅外輻射的熱效應，當熱探測器的探測單元受到紅外輻射后，其溫度升高，進而引起材料的物理特性變化，使器件產生相應的點輸出，通過測量其輸出量可得知探測器所受到的紅外輻射強度。這種技術主要用于開發非制冷紅外焦平面陣列，可分為熱釋電探測器和微測輻射熱計這兩種。

2.2 紅外焦平面陣列光譜響應特性

光子探測器是依據探測到的光子數量而產生電信號，再依據電信號強度感知入射輻射能量的大小。熱探測器是一種無選擇性的探測器，對所有波長的紅外輻射都有基本相同的光譜響應（如圖2所示）。

圖2 光子探測器和熱探測器光譜響應

圖3是法國Sofradir公司針對長波紅外波段進行優化的探測器，進行實測的光譜響應曲線。

圖3 實測頻譜響應

紅外探測器的光學系統設計對于探測器的探測光譜的響應范圍也會有影響，例如光學窗口材料采用金屬鍺的話，可以使探測器能夠提高在8μm～20μm波段紅外光的透過率，而對其它波段的紅外輻射的透過率就要相對降低。

2.3 紅外焦平面陣列技術指標

紅外焦平面陣列的結構相對要復雜，其特性參數也要相對較多，而這些參數要從不同角度去反映紅外焦平面陣列的工作性能。不同體制的紅外探測器其特性參數不盡相同，與采用單元探測器的光機掃描型系統相比，紅外焦平面陣列系統在性能上有了很大的提高。

1）熱靈敏度。掃描系統的熱靈敏度：

式中F為光學系統F數；τ0為光學系統透過率；Ad為探測器敏感面積；D＊p為探測器峰值探測率；K為與工作波段范圍、背景及溫度有關的常數。

凝視系統的熱靈敏度：

2）熱時間常數（τ）。熱時間常數是指輻射到紅外探測器上的穩定狀態的熱源消除后，紅外探測器的溫度降到其初始值的1／e所需要的時間。

對于紅外探測器來說，其熱響應時間可表示為

上式中C為紅外探測器的熱容（單位：J／K）；G為由各種的熱損耗所提供的熱導（單位：W／K）。

3）響應率（R）。響應率可定義為紅外探測器器件單元所輸出的信號的變化量和入射的輻射功率的變化量的比值。其中，電流響應率為RI＝ΔI／ΔP，單位：A／W，其中，ΔI是探測單元輸出電流的變化；電壓響應率為RV＝ΔV／ΔP，單位：V／W，其中，ΔP是紅外探測器所接收到的輻射能量的變化量，而ΔV是紅外探測器所輸出的電壓變化量的值。

4）噪聲等效溫差（NETD）。噪聲等效溫差一般是指采用3dB截止頻率是1／（2t）的標準濾波器，其在多路傳輸之前，系統所產生的信號及噪聲（均方根值）之比為1時，所需的大空間目標（大于或等于瞬時視場）和背景的溫差。噪聲等效溫差是衡量紅外探測器系統性能的重要指標之一，它與總體大氣透過率、探測器性能參數等因素有關。噪聲等效溫差（NETD）可以由式（4）表示。

式中T0為系統探測到的背景溫度；T為測試時使用的黑體溫度為系統的平均噪聲電壓；VS紅外探測器探測元的輸出電壓信號。

式中RV為系統的響應率；Vn為系統的帶寬內噪聲。

6）最小可分辨溫度。噪聲等效溫差是用來表述紅外焦平面陣列的溫度靈敏度的參數，而最小可分辨溫度是用來表述紅外焦平面陣列成像細節與連續溫度靈敏度的系統參數。最小可分辨溫度是整個系統性能的綜合反映，是系統綜合性能的參數，其表述和測試都是一個非常復雜的問題。

2.4 紅外成像

紅外成像系統所產生的紅外圖像是將人眼無法感知的紅外輻射分布信息以紅外圖像信號的形式輸出。輸出的紅外圖像信號需通過顯示系統進行顯示，顯示系統顯示的圖像是人眼能夠感知的可見光圖像，整個過程實現了紅外圖像向可見光圖像的轉換。

2.5 典型的熱探測器

例如，法國ULIS公司研制開發的型號為UL03191微測輻射熱計，其像元尺寸為384×288，由一個內部集成的半導體制冷器和一個二維微測輻射熱計陣列（FPA）組成，光譜響應波段8μm～14μm。

Sofradir公司研制的中波紅外320×256像素IDMM067－XX－V3 320×256IRCMOS碲鎘汞光伏探測器陣列及杜瓦瓶組件，微斯特林制冷機。其靈敏度高，工作穩定性好。

5）噪聲等效功率（NEP）。噪聲等效功率的定義是：信噪比為1時所需的入射紅外輻射功率。也就是說，輻射到微測輻射熱計上面的紅外輻射功率所產生的輸出電壓等于微測輻射熱計自身的噪聲電壓，這個輻射功率就叫做噪聲等效功率 。噪聲功率值越小，表明探測器的探測能力越強。噪聲等效功率可以表示為

3 發展動向

1）美國空軍開發下一代星載中波紅外探測器。美國《軍事與航空航天電子學》2012年3月11日報道：美國空軍希望工業界為類似于天基紅外系統（SBIRS）的下一代天基星載探測系統開發大型的低噪聲、高均勻性、中波紅外探測器陣列[3]。

美國空軍研究實驗室發布了一份廣泛機構公告（BAA－12－05－PKM），啟動了高分辨率中波紅外探測器計劃第一階段（High Resolution MWIR，Phase 1Detector），推動天基紅外探測器材料的生產和處理工藝的發展。這種分辨率2048×2048、像素尺寸30μm量級的新型中波紅外探測器應當采用p－n光伏結構，厚度非均勻性低于2%，組分非均勻性低于1%，將作為主要傳感器安裝在下一代偵察衛星上，預計工作溫度為130K。

空軍發布的公告涉及了探測器薄膜外延生長技術；探測器處理工藝；過程評估、描述和篩選技術；混合和封裝；傳感器芯片組件輻射測試和分析；項目管理和匯報。輻射測試對于描述探測器的量子效率、噪聲等效輻照度、暗電流、可操作性和響應均勻性等性能來說非常必要。美國空軍希望在為期三年的高分辨率中波紅外探測器計劃第一階段發布兩份合同，一份由賴特·帕特森空軍基地發布，一份由科特蘭德空軍基地發布。對此有興趣的公司應當在2012年4月16日之前作出響應。

2）L－3辛辛那提電子公司推出新型360°高清晰紅外傳感系統。L－3辛辛那提電子公司網站2012年10月25日報道：L－3辛辛那提電子公司（L－3CE）10月25日宣布推出新的NightConqueror 360°高清晰紅外（IR）傳感系統——NC 360HD。這是一種可提供360°紅外視頻的高清攝像機，能夠生成高圖像分辨率全景視圖。新的傳感器是一種低成本的態勢感知、導航和護衛解決方案[4]。

憑借創新的專利設計，NC 360HD采用了經過戰場驗證的AAR－44導彈告警系統和NightConqueror HD 1280×1024像素中波紅外傳感器技術，可產生相當于24個高清紅外攝像機共同聚焦的效果。24個單獨的幀幅結合在一起，構成具有30Kpixels分辨率和2.5Hz刷新率整個360°全景視頻畫面。

L－3CE公司在各種海軍艦艇上開發、測試并展示了NC 360HD。該系統還可用于無人機和有人機以及各種陸空平臺。NC 360HD獨特的觸摸屏“地面用戶界面”（GUI）可在觀察全景的同時獨立地用于顯示和處理受關注區域。該系統還嵌入了最先進的視頻處理算法，以提高圖像分辨率和減輕高溫、沙漠、海洋等不利環境的影響。

NC 360HD不僅可用作自主航海（AMN）系統的導航傳感器，也可以作為態勢感知的重要ISR系統保護陸海武裝力量。NC 360HD是100%的無源傳感器，可用于夜間隱蔽操作。

3）英國塞萊克斯·伽利略公司為外國客戶提供紅外探測器。法國《防務宇航》2012年11月14日報道：近日，英國塞萊克斯·伽利略獲得了一系列合同，為包括美國、俄羅斯和新加坡在內的海外市場供應紅外探測器[5]。

根據這些合同，塞萊克斯·伽利略公司將為客戶提供鷹、魚鷹S、雕、禿鷲II、灰背隼和DLATGS探測器，這些探測器將用于機載搜索營救、空中交通管制、邊境安全手持式攝像機、遠程監視系統和紅外光譜儀等領域。該公司工程師與客戶密切合作，根據各自需求挑選了最恰當的探測器型號。

塞萊克斯·伽利略公司的紅外探測器研究生產機構位于英國南安普頓市，其制造技術水平獲得了國際上的廣泛認可，產品服務于從板球比賽中的“熱點”熱像儀到世界各國軍隊裝備的夜間監視系統等各類應用，為客戶提供肉眼所無法看到的信息。

4）法國Sofradir公司將為印度空間研究與發展組織研制紅外探測器。optics網站2012年12月11日報道：法國一流的先進紅外探測器開發商與建造商Sofradir公司宣布，印度空間研究與發展組織空間應用中心（ISRO／SAC）已經與該公司簽署一項為期兩年半的紅外探測器合同[6]。

按照合同，Sofradir公司將研發試驗用的大型紅外探測器樣機，交付多個飛行模塊。合同價值未公開。這是Sofradir首次承接為ISRO／SAC研制飛行模塊。

ISRO一直關注開發印度建造、發射通信衛星、氣象衛星、遙感衛星的能力。ISRO／SAC將接收Sofradir公司的大型1000×256“土星”短波紅外（Saturn SWIR）焦平面陣列樣機。過去四年中，Sofradir已經向多家航空航天公司交付十個Saturn SWIR。ISRO／SAC將在印度對地觀測衛星研發項目中使用Saturn SWIR焦平面陣列。

與已在“對流層臭氧監測儀”（Tropomi）與“棱鏡”（PRISMA）上使用的Saturn SWIR探測器相比（也是Sofradir公司開發的），Sofradir公司將在Saturn SWIR航天資質構型上集成兩種新特征。這些創新將滿足ISRO／SAC新增的性能需求。

第一項創新包括新型長壽命大功率主動式制冷器。這種長壽命制冷器是為將Saturn SWIR的運行壽命從一年延長到四年而設計的。第二項創新包括一個集成式定制濾光器，可極大降低探測器前端光學設備的復雜性。

5）美軍將發射第二顆天基紅外同步軌道衛星。法國《航宇防務》2013年3月19日報道：美國空軍和洛克希德·馬丁公司宣布已經做好準備，將發射天基紅外系統（SBIRS）的第二顆地球同步軌道衛星（GEO－2）。3月19日，衛星已經與美國聯合發射同盟（ULA）的阿特拉斯V（Atlas V）型火箭集成完畢，將從位于佛羅里達州卡納維拉爾角的空軍發射中心發射升空，發射窗口定于美國東部時間17點21分至18點01分[7]。

SBIRS項目計劃在地球同步軌道和大橢圓軌道（HEO）部署多枚不同功能的衛星，這些衛星將連同地面軟硬件設備一起，為美國提供比以往更強大、更靈活的導彈預警能力，同時成為美軍導彈防御能力體系的重要組成部分，還能夠有效地增強美軍在任務區域內的技術情報和戰場態勢感知能力。洛克希德·馬丁公司目前握有的SBIRS合同包括建造四顆HEO衛星、四顆GEO衛星以及用于接收和分發衛星任務數據的地面設備。現在，洛克希德·馬丁公司領導的SBIRS項目團隊已經開始提前為第五顆和第六顆GEO衛星生產部件。SBIRS項目中，目前已經有兩顆HEO和一顆GEO衛星在軌運行。其中GEO－1衛星的性能指標達到甚至超過預期。其傳感器定位精度超過實際需求九倍，亮度探測能力超過設計值60%，可以觀測比預定目標亮度低25%的目標。

SBIRS項目由美國空軍的紅外空間系統理事會領導，由美空軍航天司令部負責運行。該項目主承包商是洛克希德·馬丁公司，諾斯羅普·格魯曼公司負責對衛星載荷進行集成。

6）美國國防高級研究計劃局新型長波紅外攝像機項目進入演示階段。美國國防高級研究計劃局網站2013年4月16日報道：軍用長波紅外攝像機是一種熱成像儀，以往體積較大，價格昂貴，通常部署于車輛上，無法由單兵攜帶。日前，美國國防高級研究計劃局（DARPA）宣布，先進寬視場圖像重建與開發項目（Advanced Wide FOV Architectures for Image Reconstruction and Exploitation，AWARE）取得重要進展。在該項目下，美國DRS技術公司開發的像素尺寸僅為5μm的長波紅外攝像機進入演示階段[8]。

DRS公司演示的這種像素尺寸僅為五μm的新型長波紅外線攝像機，使此類攝像機體積更小、成本更低廉。該紅外攝像機的像素尺寸僅為人頭發粗細的十二分之一，或者約為目前最先進工藝的六分之一。這種像素被配置在1280×720的焦平面陣列（FPA）上，對紅外攝像機而言，這是相當高的分辨率。

新型長波紅外攝像機成本將更低。單片晶圓的加工成本基本不變，晶圓上的焦平面陣列越多，每塊焦平面的成本就越低。這使其有望大量應用于下一代紅外熱成像系統中，另一方面，像素越小，光學器件及其封裝的尺寸就越小，同時并不降低靈敏度、分辨率或視場。換言之，給定區域的像素密度越大，就越容易俘獲目標的光量，從而使長波紅外攝像機更小、更輕、更便攜。

DARPA的項目經理Nibir Dhar表示：“DRS公司制出的全功能原型產品，進行了多種應用測試，包括透過空氣中的大量微粒進行凝視，這有助于直升機在暗淡燈光情況下著陸。通過與大尺寸像素的焦平面陣列對比，新型小尺寸焦平面陣列的成像清晰，與其性能相當。”

4 發展分析

紅外焦平面圖像處理系統的研究：可采用正組補償方式實現連續變焦、合理的選擇透鏡的材料類型、被動式消熱差方法、采用100%的冷光闌效率[9]。

1）采用正組補償方式實現連續變焦。常用的實現連續變焦的機械補償變焦系統按照補償組光焦度的正負分為正組補償和負組補償形式，由于所要設計的變焦系統變倍比較大（30×），在像差校正的方面相對于負組補償來說，正組補償相對容易校正，因此系統采用正組補償方式實現連續變焦。根據正組補償變焦光學系統的基本原理及高斯光學理論，取中焦作為系統的起始狀態，令變倍組和補償組的垂軸放大倍率均為－1、變倍組的規一化焦距值為－1、變倍組和補償組之間的歸一化間距值為1.2；長焦時變倍組的規一化焦距值為－1.5；

短焦時后固定組的垂軸放大倍率為0.8、前固定組和變倍組的歸一化間距值為0.5、補償組和后固定組的歸一化間距值為0.3。利用 Matlab編程計算得到系統的初始解，包括系統各組元的焦距、不同運動狀態下組元間隔。

2）合理的選擇透鏡的材料類型。考慮到紅外光學系統的溫度敏感性，應合理的選擇透鏡的材料類型，從光學設計的初期，降低溫度對系統的影響。常用的紅外材料中[6]，Si和Ge的折射率溫度變化系數相對較低，且Si的價格較Ge低，因此，考慮選用Si作為變焦系統的主要材料，部分透鏡選用Ge來校正色差。

3）被動式消熱差方法。光學被動式消熱差方法是利用不同透鏡材料的溫度特性與色差特性，通過適當的分配材料與光焦度的關系，使得光學系統受溫度變化產生的像面漂移與鏡筒材料隨溫度熱脹冷縮產生的像面漂移相互補償，從而實現消熱差設計。光學系統實現光學被動式消熱差設計應滿足光焦度方程、消色差方程以及消熱差方程。

4）采用100%的冷光闌效率。對于紅外光系系統來說，要抑制系統中的來自于景物輻射以外的雜散輻射，應采用100%的冷光闌效率。對于制冷型紅外光學系統來說，應將探測器的冷光闌作為光學系統的出瞳，從而實現100%的冷光闌效率。因此，系統采用二次成像結構，可以在保證實現100%冷光闌效率的同時，減小系統的徑向尺寸。

5 結語

隨著紅外焦平面圖像處理系統的不斷研制和開發，紅外成像系統的性能越來越好，其可靠性越來越高。在未來現代化戰爭或局部戰爭中，對于防空反導來說，適時運用紅外焦平面圖像處理系統進行紅外成像探測、紅外成像跟蹤、紅外成像搜索、紅外成像制導等，就能夠有效地保護自身目標的的安全[10]。

[1]張良.中波紅外變焦距系統的光學設計[J].應用光學，2006，36（1）：32－34.

[2]陳呂吉，馮生榮.一種緊湊的紅外消熱差光學系統[J].紅外技術，2007，29（4）：203－205.

[3]美國空軍開發下一代星載中波紅外探測器[N].每日防務快訊，2012－03－14.

[4]L－3辛辛那提電子公司推出新型360°高清晰紅外傳感系統[N].每日防務快訊，2012－10－31.

[5]英國塞萊克斯·伽利略公司為外國客戶提供紅外探測器[N].每日防務快訊，2012－11－20.

[6]法國Sofradir公司將為印度空間研究與發展組織研制紅外探測[N].每日防務快訊，2012－12－31.

[7]美軍將發射第二顆天基紅外同步軌道衛星[N].每日防務快訊，2013－03－22.

[8]美國國防高級研究計劃局新型長波紅外攝像機項目進入演示階段[N].每日防務快訊，2013－04－23.

[9]王艷彬.中波紅外變焦光學系統研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2010，7.

[10]王學新，焦明印.紅外光學系統無熱化設計方法的研究[J].應用光學，2009，30（1）：129－133.