國外中長波雙波段紅外成像技術的發展及應用

趙志剛，王 鑫，彭廷海，趙燦兵，夏麗昆，周 游

（1.中國人民解放軍32381 部隊，北京 100020；2.昆明物理研究所，云南 昆明 650223；3.陸軍裝備部駐重慶地區軍事代表局駐昆明地區第一軍事代表室，云南 昆明 650032）

0 引言

根據大氣對紅外輻射的吸收情況，紅外成像系統設計時通常分為5個光譜波段，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，根據目標的紅外輻射特性，用于觀瞄系統的紅外成像設備通常工作在中波或者長波波段。在很長一段時間里，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相關技術不夠成熟，紅外熱成像系統只能工作在某一個單一波段。

表1 國外典型雙探測器中長波雙波段紅外成像系統Table1 Dual-detector middle and long wave dual-band infrared imaging systems in occident

隨著應用任務的復雜化、應用環境的擴展以及紅外隱身和干擾技術的進步，單波段紅外熱成像系統在很多應用場景下存在對目標的探測識別能力較差、自動預警系統虛警率高以及動態范圍不足等缺陷。如果能在熱成像系統中利用目標在不同紅外波段圖像里固有的、較強的差異性和互補性，獲取目標更多的有效信息，通過圖像融合技術，就能有效地提高系統的效能。本文綜述了幾種國外中長波雙波段紅外成像技術的發展情況，以及這些技術目前的應用情況。

1 中長波雙波段紅外成像技術的發展

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

1.1 雙探測器雙波段成像技術

在早期，由于能夠同時響應兩個波段的探測器尚未面世，以及相應的光學系統材料和鍍膜技術的限制，只能采用兩個不同波段的探測器，分離的光學系統來構建雙波段成像系統，然后通過圖像的配準和融合技術來獲得雙波段圖像。美國、德國、意大利、加拿大等國家都開發出了相應的系統，并且有的已經實現裝備。表1所示是目前公開報道的國外典型雙探測器中長波雙波段紅外成像系統簡介[1-4]。

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

意大利軍用技術研究中心和SELEX GALILEO公司在2010年報道了他們為意大利海軍研制的靜默發現和監控系統，該系統用于裝備意大利海軍的新航母加富爾號（Camillo Cavour）。該系統采用一個中波（3.7～5 μm）和一個長波（7.75～10.25 μm）兩個掃描型熱像儀構成，探測器規格為288×6，瞬時視場為0.16 mrad(H)×0.32 mrad(V)，可以實現360°搜索。圖2[2]所示為該系統構成以及實際裝備實物圖。

圖2 靜默發現和監控系統及其裝備平臺Fig.2 Silent acquisition and surveillance system and its carrier

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

基于雙探測器的中長波雙波段紅外成像技術是一個過渡階段的技術，歐美主要國家都研制出了相應的系統，并驗證了雙波段圖像融合、基于雙波段圖像的搜索跟蹤等技術，進一步探索并驗證了雙波段成像技術在實際應用中的相關理論和技術。這使得相關國家在雙波段紅外成像方面積累了一定的領先優勢。

1.2 雙線列雙波段成像技術

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超過單波段探測器，而基于線列探測器成熟的制造技術，在同一個焦面上并列放置兩個波段的探測線列，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。

在目前的公開文獻中，只有美國海軍研究實驗室報道了雙線列雙波段成像系統的研究成果[5]。該系統所采用的雙波段線列探測器的構成示意圖如圖3(a)[5]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系統和掃描機構，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)[5]所示為該系統采集的雙波段圖像。

圖3 雙線列雙波段成像系統Fig.3 Dual-linear arrays dual-band imaging system

1.3 單探測器雙波段成像技術

隨著雙波段材料制備和器件制造技術的進步，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，所以各個國家最早研發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，各國隨后都把重點轉移到基于碲鎘汞材料的雙波段探測器的研發并取得了快速進展，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，目前碲鎘汞已經成為雙波段探測器的主流材料[6-10]。此外，隨著二類超晶格材料制備技術的進步，其優點逐步顯現，也成為了雙波段探測器材料的一個重要發展方向。根據最新的報道美國已經研制出面陣規格1280×720、像元大小12 μm的二類超晶格中長波探測器，其性能已經大致達到了碲鎘汞探測器的水平[11-12]。

隨著探測器技術的進步，各個國家都基于單探測器開發了雙波段紅外成像系統，表3所示是公開報道的國外典型單探測器中長波雙波段紅外成像系統。可以看到大多數報道都是美國和德國，這也反映出他們該技術領域的領先地位[13-20]。

美國陸軍研究實驗室和洛克希德馬丁公司早在2001年就報道了他們單探測器雙波段成像驗證樣機的研究成果。該樣機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100 mm 焦距的雙波段光學系統，并采用在雙探測器雙波段成像技術中驗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，對坦克、卡車、直升機等陸軍主要軍用目標進行了雙波段圖像采集。如圖4[13]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、RVS（雷神視覺系統）公司和OASYS 公司等在2008年報道了他們第三代熱像儀驗證樣機的成果。樣機采用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，并結合OASYS 公司研制的變F 數雙波段光學系統。基于該驗證樣機，美國軍方對中長雙波段紅外成像的優點、變F 數光學結合雙波段的優勢以及中長波如何實現優勢互補等方面的問題進行了研究和驗證。圖5[14]所示是用該樣機采集的圖像，左側為中波，右側為長波。

表2 國外各機構中長波雙波段探測器Table2 Dual-band detectors in occident

表3 國外典型單探測器中長波雙波段紅外成像系統Table3 Single-detector middle and long wave dual-band infrared imaging systems in occident

圖4 單探測器雙波段紅外成像設備采集的軍用目標雙波段圖像Fig.4 Dual-band images of military targets using a single-detector imaging system

圖5 美國第三代熱像儀樣機采集的雙波段圖像Fig.5 Dual-band images using the 3rd generation FLIR demonstrator of America

此外，美國的FLIR、Voxtel、QmagiQ 等公司以及一些大學和研究所也都在軍方的支持下開發了相關的系統和應用技術。德國IRCAM 公司、AIM 公司在2008年報道了他們的雙波段成像系統及先進的雙波段圖像處理技術，該系統采用了圖像細節動態增強、彩色融合以及拼接技術對雙波段圖像進行處理，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的比較

雙探測器雙波段成像技術通常采用兩個單波段探測器，配合兩個分離的光學系統或者一個共口徑分光路光學系統實現雙波段成像。在雙波段探測器技術尚不夠成熟的時期，是雙波段成像的重要技術方向，可以利用單波段探測器分辨率較高、靈敏度較強的優點，獲得較高質量的圖像。這種方案很大程度上相當于采用了兩個單波段的成像系統，存在體積重量比較大，總體成本也比較高的缺點。同時由于采用分離光學系統或者分光路的形式，所獲取的成像場景不能完全一致，所以必須先進行圖像配準再進行圖像融合，需要更復雜的圖像處理架構，而且由于配準精度的限制，往往存在由于圖像失配導致的景物重影。

雙線列雙波段成像技術利用線列探測器的制造技術，避免了生長疊層材料的困難，可以采用共光路雙波段光學系統，能夠同時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，相對成本更低。由于采用光機掃描成像技術，這種方案具有可以通過機械掃描提高圖像分辨率的優點，同時也存在光機穩定性相對較差、掃描機構驅動控制較復雜的缺點。

單探測器雙波段成像技術，基于能夠同時響應兩個波段輻射的雙波段探測器，配合能夠同時透過兩個波段輻射的共光路光學系統實現雙波段成像。這種方案對探測器相關的材料制備、器件設計、讀出電路等技術以及光學系統相關的像差優化、加工鍍膜等技術都有更高的要求，其具有的優勢也是顯而易見的，更簡單的構成帶來更小的體積、更低的成本和更高的穩定性，同時不需要額外的圖像配準和掃描機構控制技術。此外，由于探測器材料響應特性，一般會存在少量的光譜串音。

從發展歷史和趨勢來看，盡管各國雙波段成像技術進展各有不同，以至于同一時期3種成像技術都有相關文獻報道，但是3種技術的發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，最先出現的是雙探測器雙波段成像技術。隨著雙波段探測器的面世，單探測器雙波段成像技術發展迅速，同時限于雙波段探測器面陣不夠成熟，存在3種技術共同發展的局面。目前，隨著大面陣、小像元雙波段探測器發展和成熟，雙探測器雙波段成像技術和雙線列雙波段成像技術的優勢逐漸被抵消，單探測器雙波段成像技術成為雙波段成像技術的主流方向，其他兩種技術則在一些特別的應用場景中存在。

2 中長波雙波段紅外成像技術的應用

在進行中長波雙波段紅外成像技術開發的同時，國外主要國家也對其應用進行了不同程度的研究。目前，該技術的應用主要有3個方向：一是利用中長波優勢互補，提高各類主戰裝備對不同的作戰環境的適應能力，提高裝備面對各種不同作戰任務的成功率；二是利用各類目標在兩個波段不同的輻射信息，提高各類搜索跟蹤識別系統對目標的探測識別成功率；三是通過中長波雙波段紅外成像技術獲取目標的溫度、光譜特性等特征信息，可用于反誘餌、反干擾、反偽裝。

2.1 提高對復雜環境的適應能力

美國相關機構在其關于第三代熱像儀驗證樣機的報道中，對雙波段成像技術的特點以及如何發揮其優勢進行了分析論證。雙波段成像技術最大的優勢在于能夠同時獲得兩個波段的輻射信息，這帶來的最大效益在于提升裝備的全天候適應性以及面對戰場偽裝的操作靈活性。雙波段成像技術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性和靈活性進一步提升作戰任務的整體成功率，充分發揮其優勢的關鍵在于將雙波段焦平面與先進的光學技術和信號處理技術結合。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長波分辨能力不足的雙波段成像技術，在地面應用中將體現出相比長波單波段更大的優勢。

國外對雙波段成像技術的應用，最主要的方向就是依據上述思路，根據不同的作戰環境和作戰任務，合理利用中波分辨率高和長波探測靈敏度高的特點，發揮最大效能。此外，采用彩色圖像融合技術，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，圖6所示是德國采用先進雙波段圖像處理技術獲取的彩色融合圖像[21-22]。

2.2 提高搜索跟蹤系統對目標的探測識別成功率

利用雙波段成像技術，能夠采集到關于目標更多的紅外圖像信息。更多的信息必然能夠提高目標探測識別算法的成功率。這是國外雙波段成像技術針對目標自動識別的重要應用方向，隨著未來裝備進一步自動化和智能化，將更加體現該技術的優勢。

圖6 先進雙波段圖像處理技術采集的圖像Fig.6 Dual-band IR image from camera with advanced image process ability

美國陸軍早在1999年以前就采集了大量的主要軍事目標的中長波圖像，基于主流的自動識別算法，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，進行了識別成功率的對比研究。結果表明，采用中長波特殊融合的圖像進行自動識別，可以在更少的樣本數據、更短的時間內，讓識別成功率有顯著的提升。美國海軍基于所開發的雙線列雙波段成像系統，采用目標信息融合的方法，有效地提高了探測識別的成功率[23-25]。

意大利海軍和SELEX 公司在2008年對靜默發現和監控系統的報道文章中，通過理論推導，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。相關機構組織了對各種海事目標的測試試驗，以驗證該系統所采用圖像融合技術和基于雙波段圖像的搜索跟蹤算法的效果。試驗結果表明采用該雙波段成像系統能夠有效提高探測率，降低虛警率和建立跟蹤的時間。圖7[2]所示為意大利海軍用靜默發現和監控系統進行識別跟蹤試驗的圖像，上面是中波，下面是長波。

圖7 靜默發現和監控系統進行識別跟蹤試驗的圖像Fig.7 Images from target track test of the silent acquisition and surveillance system

2.3 獲取目標溫度、光譜特性等特征信息

從目前的公開文獻來看，大多涉及雙波段成像技術應用方面的報道都跟美國有關，這也反應出美國在相關技術領域的領先優勢。除了上述應用，雙波段成像技術的另一個重要應用方向就是對雙波段圖像信息進行深度提取，進一步獲取關于目標的溫度、發射率、光譜特性等方面的特征信息。這些信息有助于進一步判別目標的類型、材料等等，在反偽裝、反干擾、反誘餌等方面有重要的應用潛力[26-28]。

美國空軍研究實驗室基于中長波雙波段成像設備開發了一種絕對溫度測量技術，測溫精度達到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 公司聯合開發的圖像傅里葉變換光譜輻射探測設備，采用兩個不同波段的傳感器獲取圖像，并進行光譜信息分析。可以用于分析氣體、物質的光譜信息，對物體進行初步的分辨。

3 結束語

從目前的公開文獻可以看到，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進行了研究，在雙波段圖像融合、雙波段圖像跟蹤等方面進行了驗證。

美國、德國、法國、英國等國家都相繼研制出了雙波段探測器，結合前期積累的技術基礎，很快就開發出雙波段成像系統，進一步支撐了雙波段成像應用技術的研究。近年來，雙波段成像技術領域的文獻逐漸減少，且主要集中在小像元、大面陣、新材料雙波段探測器方面。這也說明國外相關機構在之前就對相關的整機系統技術、應用技術進行了較充分的研究。可以預見，未來雙波段成像技術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、更強大的圖像處理能力的發展路徑。