红外焦平面图像处理系统的研究分析＊

2013-08-10盛元平

舰船电子工程 2013年9期

盛元平

（海军装备部沈阳军事代表局沈阳 110031）

1 引言

红外焦平面图像处理系统由红外光学系统、红外焦平面阵列、图像信息处理系统、温度控制系统和显示系统等部分构成，如图1所示。红外焦平面阵列作为成像系统的探测器件，为整套图像处理系统提供原始的红外图像信息：图像信息处理系统作为整套系统的核心部分，它为红外焦平面阵列提供电源以及驱动信号等，并且针对红外焦平面阵列输出的图像信号特点进行实时的信号处理。温度控制系统是用于保证红外焦平面所有阵列单元自身基准的稳定性，不仅可以有效地提高输出信号的信噪比，也可以提高红外焦平面阵列的响应灵敏度。实时图像信号处理主要是针对非均匀校正等相关的图像预处理算法的研究[1]。

图1 红外焦平面图像处理系统结构图

2 红外焦平面阵列

2.1 红外焦平面阵列原理

红外焦平面阵列就是采用集成电路制造及特殊半导体材料等相关技术制作的大规模的红外探测器阵列。空间中物体发射的红外线经过红外光学系统成像在红外焦平面阵列的感光元件上，红外探测器将接收到的光信号转换为电信号并进行积分放大、采样保持，并通过输出缓冲和信号传输系统，最终送达监视系统或图像处理系统前端形成图像信息。红外焦平面阵列主要由红外探测器和读出电路等部分组成[2]。

红外探测器是红外焦平面阵列的核心部分，依据其探测的原理不同可分为光子探测器和热探测器两大类。

1）光子探测器。光子探测器主要工作于中波红外、长波红外波段，利用固体光电效应来制作，即依赖于入射的红外光子在探测器中激励产生的载流子，红外光子电荷数正比于入射红外辐射通量的信号。光子探测器可细分为光电导型探测器和光伏型探测器。

2）热探测器。热探测器是利用物体红外辐射的热效应，当热探测器的探测单元受到红外辐射后，其温度升高，进而引起材料的物理特性变化，使器件产生相应的点输出，通过测量其输出量可得知探测器所受到的红外辐射强度。这种技术主要用于开发非制冷红外焦平面阵列，可分为热释电探测器和微测辐射热计这两种。

2.2 红外焦平面阵列光谱响应特性

光子探测器是依据探测到的光子数量而产生电信号，再依据电信号强度感知入射辐射能量的大小。热探测器是一种无选择性的探测器，对所有波长的红外辐射都有基本相同的光谱响应（如图2所示）。

图2 光子探测器和热探测器光谱响应

图3是法国Sofradir公司针对长波红外波段进行优化的探测器，进行实测的光谱响应曲线。

图3 实测频谱响应

红外探测器的光学系统设计对于探测器的探测光谱的响应范围也会有影响，例如光学窗口材料采用金属锗的话，可以使探测器能够提高在8μm～20μm波段红外光的透过率，而对其它波段的红外辐射的透过率就要相对降低。

2.3 红外焦平面阵列技术指标

红外焦平面阵列的结构相对要复杂，其特性参数也要相对较多，而这些参数要从不同角度去反映红外焦平面阵列的工作性能。不同体制的红外探测器其特性参数不尽相同，与采用单元探测器的光机扫描型系统相比，红外焦平面阵列系统在性能上有了很大的提高。

1）热灵敏度。扫描系统的热灵敏度：

式中F为光学系统F数；τ0为光学系统透过率；Ad为探测器敏感面积；D＊p为探测器峰值探测率；K为与工作波段范围、背景及温度有关的常数。

凝视系统的热灵敏度：

2）热时间常数（τ）。热时间常数是指辐射到红外探测器上的稳定状态的热源消除后，红外探测器的温度降到其初始值的1／e所需要的时间。

对于红外探测器来说，其热响应时间可表示为

上式中C为红外探测器的热容（单位：J／K）；G为由各种的热损耗所提供的热导（单位：W／K）。

3）响应率（R）。响应率可定义为红外探测器器件单元所输出的信号的变化量和入射的辐射功率的变化量的比值。其中，电流响应率为RI＝ΔI／ΔP，单位：A／W，其中，ΔI是探测单元输出电流的变化；电压响应率为RV＝ΔV／ΔP，单位：V／W，其中，ΔP是红外探测器所接收到的辐射能量的变化量，而ΔV是红外探测器所输出的电压变化量的值。

4）噪声等效温差（NETD）。噪声等效温差一般是指采用3dB截止频率是1／（2t）的标准滤波器，其在多路传输之前，系统所产生的信号及噪声（均方根值）之比为1时，所需的大空间目标（大于或等于瞬时视场）和背景的温差。噪声等效温差是衡量红外探测器系统性能的重要指标之一，它与总体大气透过率、探测器性能参数等因素有关。噪声等效温差（NETD）可以由式（4）表示。

式中T0为系统探测到的背景温度；T为测试时使用的黑体温度为系统的平均噪声电压；VS红外探测器探测元的输出电压信号。

式中RV为系统的响应率；Vn为系统的带宽内噪声。

6）最小可分辨温度。噪声等效温差是用来表述红外焦平面阵列的温度灵敏度的参数，而最小可分辨温度是用来表述红外焦平面阵列成像细节与连续温度灵敏度的系统参数。最小可分辨温度是整个系统性能的综合反映，是系统综合性能的参数，其表述和测试都是一个非常复杂的问题。

2.4 红外成像

红外成像系统所产生的红外图像是将人眼无法感知的红外辐射分布信息以红外图像信号的形式输出。输出的红外图像信号需通过显示系统进行显示，显示系统显示的图像是人眼能够感知的可见光图像，整个过程实现了红外图像向可见光图像的转换。

2.5 典型的热探测器

例如，法国ULIS公司研制开发的型号为UL03191微测辐射热计，其像元尺寸为384×288，由一个内部集成的半导体制冷器和一个二维微测辐射热计阵列（FPA）组成，光谱响应波段8μm～14μm。

Sofradir公司研制的中波红外320×256像素IDMM067－XX－V3 320×256IRCMOS碲镉汞光伏探测器阵列及杜瓦瓶组件，微斯特林制冷机。其灵敏度高，工作稳定性好。

5）噪声等效功率（NEP）。噪声等效功率的定义是：信噪比为1时所需的入射红外辐射功率。也就是说，辐射到微测辐射热计上面的红外辐射功率所产生的输出电压等于微测辐射热计自身的噪声电压，这个辐射功率就叫做噪声等效功率。噪声功率值越小，表明探测器的探测能力越强。噪声等效功率可以表示为

3 发展动向

1）美国空军开发下一代星载中波红外探测器。美国《军事与航空航天电子学》2012年3月11日报道：美国空军希望工业界为类似于天基红外系统（SBIRS）的下一代天基星载探测系统开发大型的低噪声、高均匀性、中波红外探测器阵列[3]。

美国空军研究实验室发布了一份广泛机构公告（BAA－12－05－PKM），启动了高分辨率中波红外探测器计划第一阶段（High Resolution MWIR，Phase 1Detector），推动天基红外探测器材料的生产和处理工艺的发展。这种分辨率2048×2048、像素尺寸30μm量级的新型中波红外探测器应当采用p－n光伏结构，厚度非均匀性低于2%，组分非均匀性低于1%，将作为主要传感器安装在下一代侦察卫星上，预计工作温度为130K。

空军发布的公告涉及了探测器薄膜外延生长技术；探测器处理工艺；过程评估、描述和筛选技术；混合和封装；传感器芯片组件辐射测试和分析；项目管理和汇报。辐射测试对于描述探测器的量子效率、噪声等效辐照度、暗电流、可操作性和响应均匀性等性能来说非常必要。美国空军希望在为期三年的高分辨率中波红外探测器计划第一阶段发布两份合同，一份由赖特·帕特森空军基地发布，一份由科特兰德空军基地发布。对此有兴趣的公司应当在2012年4月16日之前作出响应。

2）L－3辛辛那提电子公司推出新型360°高清晰红外传感系统。L－3辛辛那提电子公司网站2012年10月25日报道：L－3辛辛那提电子公司（L－3CE）10月25日宣布推出新的NightConqueror 360°高清晰红外（IR）传感系统——NC 360HD。这是一种可提供360°红外视频的高清摄像机，能够生成高图像分辨率全景视图。新的传感器是一种低成本的态势感知、导航和护卫解决方案[4]。

凭借创新的专利设计，NC 360HD采用了经过战场验证的AAR－44导弹告警系统和NightConqueror HD 1280×1024像素中波红外传感器技术，可产生相当于24个高清红外摄像机共同聚焦的效果。24个单独的帧幅结合在一起，构成具有30Kpixels分辨率和2.5Hz刷新率整个360°全景视频画面。

L－3CE公司在各种海军舰艇上开发、测试并展示了NC 360HD。该系统还可用于无人机和有人机以及各种陆空平台。NC 360HD独特的触摸屏“地面用户界面”（GUI）可在观察全景的同时独立地用于显示和处理受关注区域。该系统还嵌入了最先进的视频处理算法，以提高图像分辨率和减轻高温、沙漠、海洋等不利环境的影响。

NC 360HD不仅可用作自主航海（AMN）系统的导航传感器，也可以作为态势感知的重要ISR系统保护陆海武装力量。NC 360HD是100%的无源传感器，可用于夜间隐蔽操作。

3）英国塞莱克斯·伽利略公司为外国客户提供红外探测器。法国《防务宇航》2012年11月14日报道：近日，英国塞莱克斯·伽利略获得了一系列合同，为包括美国、俄罗斯和新加坡在内的海外市场供应红外探测器[5]。

根据这些合同，塞莱克斯·伽利略公司将为客户提供鹰、鱼鹰S、雕、秃鹫II、灰背隼和DLATGS探测器，这些探测器将用于机载搜索营救、空中交通管制、边境安全手持式摄像机、远程监视系统和红外光谱仪等领域。该公司工程师与客户密切合作，根据各自需求挑选了最恰当的探测器型号。

塞莱克斯·伽利略公司的红外探测器研究生产机构位于英国南安普顿市，其制造技术水平获得了国际上的广泛认可，产品服务于从板球比赛中的“热点”热像仪到世界各国军队装备的夜间监视系统等各类应用，为客户提供肉眼所无法看到的信息。

4）法国Sofradir公司将为印度空间研究与发展组织研制红外探测器。optics网站2012年12月11日报道：法国一流的先进红外探测器开发商与建造商Sofradir公司宣布，印度空间研究与发展组织空间应用中心（ISRO／SAC）已经与该公司签署一项为期两年半的红外探测器合同[6]。

按照合同，Sofradir公司将研发试验用的大型红外探测器样机，交付多个飞行模块。合同价值未公开。这是Sofradir首次承接为ISRO／SAC研制飞行模块。

ISRO一直关注开发印度建造、发射通信卫星、气象卫星、遥感卫星的能力。ISRO／SAC将接收Sofradir公司的大型1000×256“土星”短波红外（Saturn SWIR）焦平面阵列样机。过去四年中，Sofradir已经向多家航空航天公司交付十个Saturn SWIR。ISRO／SAC将在印度对地观测卫星研发项目中使用Saturn SWIR焦平面阵列。

与已在“对流层臭氧监测仪”（Tropomi）与“棱镜”（PRISMA）上使用的Saturn SWIR探测器相比（也是Sofradir公司开发的），Sofradir公司将在Saturn SWIR航天资质构型上集成两种新特征。这些创新将满足ISRO／SAC新增的性能需求。

第一项创新包括新型长寿命大功率主动式制冷器。这种长寿命制冷器是为将Saturn SWIR的运行寿命从一年延长到四年而设计的。第二项创新包括一个集成式定制滤光器，可极大降低探测器前端光学设备的复杂性。

5）美军将发射第二颗天基红外同步轨道卫星。法国《航宇防务》2013年3月19日报道：美国空军和洛克希德·马丁公司宣布已经做好准备，将发射天基红外系统（SBIRS）的第二颗地球同步轨道卫星（GEO－2）。3月19日，卫星已经与美国联合发射同盟（ULA）的阿特拉斯V（Atlas V）型火箭集成完毕，将从位于佛罗里达州卡纳维拉尔角的空军发射中心发射升空，发射窗口定于美国东部时间17点21分至18点01分[7]。

SBIRS项目计划在地球同步轨道和大椭圆轨道（HEO）部署多枚不同功能的卫星，这些卫星将连同地面软硬件设备一起，为美国提供比以往更强大、更灵活的导弹预警能力，同时成为美军导弹防御能力体系的重要组成部分，还能够有效地增强美军在任务区域内的技术情报和战场态势感知能力。洛克希德·马丁公司目前握有的SBIRS合同包括建造四颗HEO卫星、四颗GEO卫星以及用于接收和分发卫星任务数据的地面设备。现在，洛克希德·马丁公司领导的SBIRS项目团队已经开始提前为第五颗和第六颗GEO卫星生产部件。SBIRS项目中，目前已经有两颗HEO和一颗GEO卫星在轨运行。其中GEO－1卫星的性能指标达到甚至超过预期。其传感器定位精度超过实际需求九倍，亮度探测能力超过设计值60%，可以观测比预定目标亮度低25%的目标。

SBIRS项目由美国空军的红外空间系统理事会领导，由美空军航天司令部负责运行。该项目主承包商是洛克希德·马丁公司，诺斯罗普·格鲁曼公司负责对卫星载荷进行集成。

6）美国国防高级研究计划局新型长波红外摄像机项目进入演示阶段。美国国防高级研究计划局网站2013年4月16日报道：军用长波红外摄像机是一种热成像仪，以往体积较大，价格昂贵，通常部署于车辆上，无法由单兵携带。日前，美国国防高级研究计划局（DARPA）宣布，先进宽视场图像重建与开发项目（Advanced Wide FOV Architectures for Image Reconstruction and Exploitation，AWARE）取得重要进展。在该项目下，美国DRS技术公司开发的像素尺寸仅为5μm的长波红外摄像机进入演示阶段[8]。

DRS公司演示的这种像素尺寸仅为五μm的新型长波红外线摄像机，使此类摄像机体积更小、成本更低廉。该红外摄像机的像素尺寸仅为人头发粗细的十二分之一，或者约为目前最先进工艺的六分之一。这种像素被配置在1280×720的焦平面阵列（FPA）上，对红外摄像机而言，这是相当高的分辨率。

新型长波红外摄像机成本将更低。单片晶圆的加工成本基本不变，晶圆上的焦平面阵列越多，每块焦平面的成本就越低。这使其有望大量应用于下一代红外热成像系统中，另一方面，像素越小，光学器件及其封装的尺寸就越小，同时并不降低灵敏度、分辨率或视场。换言之，给定区域的像素密度越大，就越容易俘获目标的光量，从而使长波红外摄像机更小、更轻、更便携。

DARPA的项目经理Nibir Dhar表示：“DRS公司制出的全功能原型产品，进行了多种应用测试，包括透过空气中的大量微粒进行凝视，这有助于直升机在暗淡灯光情况下着陆。通过与大尺寸像素的焦平面阵列对比，新型小尺寸焦平面阵列的成像清晰，与其性能相当。”

4 发展分析

红外焦平面图像处理系统的研究：可采用正组补偿方式实现连续变焦、合理的选择透镜的材料类型、被动式消热差方法、采用100%的冷光阑效率[9]。

1）采用正组补偿方式实现连续变焦。常用的实现连续变焦的机械补偿变焦系统按照补偿组光焦度的正负分为正组补偿和负组补偿形式，由于所要设计的变焦系统变倍比较大（30×），在像差校正的方面相对于负组补偿来说，正组补偿相对容易校正，因此系统采用正组补偿方式实现连续变焦。根据正组补偿变焦光学系统的基本原理及高斯光学理论，取中焦作为系统的起始状态，令变倍组和补偿组的垂轴放大倍率均为－1、变倍组的规一化焦距值为－1、变倍组和补偿组之间的归一化间距值为1.2；长焦时变倍组的规一化焦距值为－1.5；

短焦时后固定组的垂轴放大倍率为0.8、前固定组和变倍组的归一化间距值为0.5、补偿组和后固定组的归一化间距值为0.3。利用 Matlab编程计算得到系统的初始解，包括系统各组元的焦距、不同运动状态下组元间隔。

2）合理的选择透镜的材料类型。考虑到红外光学系统的温度敏感性，应合理的选择透镜的材料类型，从光学设计的初期，降低温度对系统的影响。常用的红外材料中[6]，Si和Ge的折射率温度变化系数相对较低，且Si的价格较Ge低，因此，考虑选用Si作为变焦系统的主要材料，部分透镜选用Ge来校正色差。

3）被动式消热差方法。光学被动式消热差方法是利用不同透镜材料的温度特性与色差特性，通过适当的分配材料与光焦度的关系，使得光学系统受温度变化产生的像面漂移与镜筒材料随温度热胀冷缩产生的像面漂移相互补偿，从而实现消热差设计。光学系统实现光学被动式消热差设计应满足光焦度方程、消色差方程以及消热差方程。

4）采用100%的冷光阑效率。对于红外光系系统来说，要抑制系统中的来自于景物辐射以外的杂散辐射，应采用100%的冷光阑效率。对于制冷型红外光学系统来说，应将探测器的冷光阑作为光学系统的出瞳，从而实现100%的冷光阑效率。因此，系统采用二次成像结构，可以在保证实现100%冷光阑效率的同时，减小系统的径向尺寸。