向短波红外延伸的微光夜视技术及其应用

郭 晖，彭岔霞，焦岗成，黄建民

（1.微光夜视技术重点实验室，陕西 西安710065；（2.北方夜视科技集团有限公司，云南 昆明650223）

1 向短波红外延伸的微光探测技术

对目标进行探测与识别，继而实施精确打击，始终是战场上敌我双方努力追求的结果，夜视技术在高新技术战争尤其是夜战中的运用，则是决定战争胜败的决定性因素。

夜视技术主要包含微光技术和红外技术。对于在微弱的可见光下目标的探测，通常采用微光夜视技术。微光夜视技术是利用夜天自然光的反射辐射，使微弱照度下的目标亮度增强，从而成为人眼可见的目标图像，所用核心器件是微光像增强器，其特点是功耗低、便携性好且视场分辨率高。目前应用最广泛的微光器件是采用GaAs光电阴极的三代、四代微光像增强器，以及采用多碱阴极的一代、二代、超二代微光像增强器，其光谱响应范围为0.4μm～0.9μm。

在中波红外和长波红外波段，光电探测通常采用红外夜视技术。红外夜视技术是利用场景中物体本身的热辐射，将作为热辐射源的景物转换成为人眼可见的目标图像，红外探测的核心器件是红外探测器，其整机设备为各种规格的热像仪，主要特点有：观测距离远，不受夜间气象环境影响，可全天候使用等。目前应用最广泛的红外探测器是中波、长波HgCdTe焦平面探测器。红外夜视技术的探测波段主要是针对3μm～5μm和8μm～14μm 2个大气窗口。从可见光到长波红外的大气传输特性如图1所示。

图1 大气窗口Fig.1 Atmospheric window

从图1中可以看出，短波红外位于可见光与中红外波段之间，同时又恰好处于大气透射窗口之中，其间的大气传输性能良好（如图2所示）。在0.9μm～1.1μm、1.15μm～1.3μm、1.4μm～1.8μm短波红外的透过率高达80%以上，非常有利于对短波红外目标的反射或辐射探测。

图2 大气传输特性曲线Fig.2 Characteristics curve of atmospheric transmission

另外，夜天光辐射波段主要分布在可见光与短波红外范围，如图3所示。并且，在完全无月光的条件下，夜空辐射在1.0μm～2.0μm的范围内将达到峰值，对于50%晴朗月光的夜间，从0.5μm～1μm波段包括近红外辐射范围的辐射强度都有所增加。因此，有必要研究从可见光到短波红外的宽光谱夜间成像技术，以便最大限度地利用夜天光的能量。

像增强器的主要优点是体积小、质量轻、功耗低、时间响应快，国内外均已大量装备，在直升机和车辆的头盔夜间驾驶仪、轻武器的夜间观瞄、单兵侦察等方面用途已有广泛应用。在此基础上，开展从可见光到短波红外延伸的宽光谱微光像增强器技术研究十分必要并且可行。此外，利用与中长波红外焦平面探测器相同的制作方法，采用CMOS读出电路进行信号数据的放大与处理，还可以制作短波红外延伸的全固态微光器件，使其具有数字化读出和存贮的功能，方便图像的传递、处理与分析，可以丰富微光器件的品种，进一步拓宽微光器件的应用范围。

图3 晴朗星空、晴间多云星空条件下夜空的光谱辐射通量曲线Fig.3 Spectral radiant flux curve of sunny sky

2 现有像增强器短波红外波段探测效率对比分析

系统获得目标信息的大小取决于像增强器光阴极的响应度。响应度包含2个方面：一是像增强器光阴极的光灵敏度；二是光阴极的光谱响应与夜天空辐射光谱的匹配程度。由于无月夜空的自然微光光谱从0.3μm～1.3μm是急剧上升的［1］，因此，要求光阴极的长波响应向近红外甚至短波红外延伸，并且能有较高的响应。用光阴极的辐射灵敏度表示响应度可以表示为

式中：R为光阴极的辐射灵敏度（A／W）；Rλ为光阴极的单色辐射灵敏度（A／Wμm）；Ф为入射到光阴极面的辐射通量（W）；Фλ为单色辐射通量（W／μm）。由此，为了提高像增强器光阴极的响应度，需要开展新型光阴极技术研究，提高特定波长下的光阴极单色辐射灵敏度。

图4示出了超二代、三代像增强器光阴极与夜天空辐射及某些材料的光谱特性，由图可以看出他们之间的匹配程度。S-25与GaAs光阴极比较，后者的光谱灵敏度要高，且与夜天光匹配较好。但同时从图中也可以看出，GaAs光阴极的光谱灵敏度在0.9μm处已近乎截止，对具有丰富夜间信息的0.9μm～1.3μm波段，仍不能发挥探测作用。

图4 光阴极与夜天光及某些材料的光谱特性Fig.4 Spectral characteristics of photocathodes，night sky radiation and some kinds of material

InGaAs是一种三元合金半导体材料，以In－GaAs材料为光电阴极的像增强器可通过调节In组分获得较GaAs光阴极更宽的响应波段，从而获得0.6μm～1.7μm的响应，其工作波段范围可以完全覆盖可见光和夜天光能量。

图5给出了截止波长为1.1μm的InGaAs短波红外探测器光谱响应以及量子效率［2］，作为对比，图中同时给出了超二代及三代微光像增强器的光谱响应与量子效率。从图中可以看出，目前超二代或三代微光像增强器的光谱响应在近红外波段内0.9μm～1.1μm的响应率几乎为零，而相比之下，InGaAs光阴极微光器件具有较宽的响应波段范围，在短波红外波段尚有较高的量子效率，其短波红外波段辐射灵敏度大约是普通像增强器的100～1 000倍，因此InGaAs光阴极微光器件也称作短波红外延伸像增强器。在夜间监视、观察目标时，使用短波红外延伸像增强器作为微光器材的核心器件，可以充分利用夜天光辐射能量，提高夜视器材的观察和作用距离，并且照度越低，效果越明显。

图5 光电阴极的光谱响应比较Fig.5 Comparison of spectral responses of photocathodes

此外，以InGaAs材料作为光敏面还可以制作全固态微光器件。由于InGaAs探测器可在常温下工作，且探测性能良好，与制冷型红外焦平面相比，在小型化、低成本、低功耗等方面也将为夜视器材带来明显优势。

目前发展的短波红外探测器件除了InGaAs探测器，还有PbS、Si∶Pt、HgCdTe、InSb等焦平面探测器［3］，Si∶Pt器件的量子效率极低，限制了器件的灵敏度；PbS需要极低的工作温度，比较常用的HgCdTe短波红外探测器也需要制冷才能正常工作，而相比之下，InGaAs的优势在于在非制冷条件下也具有较高的探测率；当降低工作温度，InGaAs比碲镉汞具有更高的器件性能。更为重要的是，以InGaAs材料作为光敏面的全固态微光器件，可以通过结构优化和衬底减薄技术，使得探测器在可见光部分有较强的吸收，实现从可见到短波红外的宽光谱成像。因此，开展InGaAs全固态微光器件研究，在提高性能，缩小系统体积、降低功耗和成本等方面也具有明显的技术优势。

3 短波红外延伸微光器件的研究现状与应用

以InGaAs为光敏面的短波红外延伸微光器件具有较高的灵敏度和探测率，因此InGaAs器件得到了快速发展和广泛应用。具有响应时间快等特点的真空器件产品主要集中在美国的ITT、INTEVAC公司及日本的滨松公司。

美国INTERVAC公司早在20世纪90年代就开展了短波红外像增强器光阴极材料研究。通过改变InGaAs光阴极中In的含量使光阴极光谱响应向短波红外扩展，截止波长可以分别扩展到1.06μm、1.60μm，光谱响应，如图6和图7所示［2］。

图6 短波红外延伸InGaAs像增强器光谱响应曲线Fig.6 Spectral response curves of shortwave-infraredextended photocathodes

InGaAs全固态微光器件的研究工作主要包括美国、法国、英国、印度等在内的几个国家［3］，其InGaAs市售产品规格包括凝视（1 280×1 024）像元、（640×512）像元、（320×256）像元以及线列（6 000×1）像元、（3 000×1）像元、（1 280×8）像元、（512×1）像元等。

图7 INTERVAC公司InGaAs光阴极光谱响应Fig.7 Spectral response curves of InGaAs photocathode of INTERVAC Co.

表1给出了国外包括美国Sensors Unlimited Inc.、法国III-V实验室、比利时Xenics公司所研制器件的性能指标。

表1 国外InGaAs探测器性能对比Table 1 Performance comparison of InGaAs detectors overseas

国内短波红外焦平面探测器的研制工作先前主要集中在HgCdTe上，目前在研制峰值波长1.55μm、截止1.7μm的InGaAs光电探测器。上海技物所采用InGaAs材料制备出（256×1）像元、（512×1）像元、（640×1）像元线列短波红外焦平面探测器，实现了实验室成像。

短波红外GaInAs微光探测器件的研制成功和应用，将在军事领域发挥极其重要的作用。In-GaAs微光器件在军事上可用于定位与跟踪、精确制导、激光探测、情报侦察，还可以作为轻武器昼夜瞄具、机动平台的夜间辅助驾驶仪等。

为了获得更远的探测距离，各国已竞相研制可用于激光辅助照明的短波红外探测系统，如INTEVAC公司研发的LIVAR M506（图8），已用于装备了热像仪或其他运动目标指示系统的陆海空平台上。该系统使用InGaAs短波红外微光器件与作为主动照明的人眼安全激光和运动目标指示器或前视红外联动工作来进行远距离目标识别（图9）。

图8 LIVAR M506Fig.8 LIVAR M506

图9 有无短波红外照明成像效果Fig.9 Effect of imaging using and not using shortwave infrared illumination

U-2间谍飞机（图10）是美国侦查平台的先锋。U-2的飞行高度能达到21.34km甚至更高，并且能从飞机两侧进行远距离观察，可以在近空领域进行纵深侦查。目前装备于U-2飞机的性能优异的探测装置是Goodrich研制的光电侦查系统SYEARS II。由于SYERS II型探测装置装备了探测短波红外的InGaAs传感器，使其在利用反射光成像的同时还兼有显著的大气渗透能力，使该系统具备了透过大气长距离侦查的卓越性能。

图10 U-2间谍飞机Fig.10 U-2 airplane

InGaAs微光器件还可用于军事上常用的1.06μm和1.55μm的短波红外激光探测。短波红外成像仪能大范围、精确地探测短波红外激光光源的位置，可以作为光电对抗系统的传感器使用，如图11所示。

图11 探测短波红外激光Fig.11 Shortwave infrared laser detection

短波红外像机也可以在车辆导航中获得应用（图12），当部队的地面车辆在完全黑暗的情况下执行任务，如果装备具有短波红外照明和探测功能的增强型夜视系统，则可实现驾驶员在敌占区行使而不被发现。短波红外探测器可穿透挡风玻璃，能安装在室内观察前方道路，也能装在室外坚固耐用的壳体中使用。由于不需要特殊的光学元件，短波红外探测器可以很容易集成到现有的光电系统中，采用标准的玻璃光学元件，并可共享可见光摄像机镜头。

图12 夜间停车场可见光图像及短波红外像机拍摄的图像Fig.12 Visible image and shortwave infrared image of parking lot at night

5 结论

夜天光辐射波段分布在短波红外范围，在完全无月光的条件下，夜空辐射主要分布在1.0μm～2.0μm的范围内的辉光。该波段位于可见光与中红外波段之间，同时又处于大气透射窗口之中，在0.9μm～1.1μm、1.15μm～1.3μm、1.4μm～1.8μm波段的辐射透过率高达80%以上，利用在该短波红外波段有较高响应的光阴极对于探测和识别夜间景物有很大的优势。向短波红外延伸的InGaAs光阴极像增强器与传统的超二代及三代微光像增强器相比，短波红外光谱辐射灵敏度高，并且可以通过调节In的组分使其响应波段覆盖夜天光辐射的主要波段，与夜天光匹配较好，可望作为一种新型的高性能微光器件，应用于夜视器材可望提高夜间的观察视距。世界军事发达国家对短波红外响应微光器件的研究已趋于成熟，并已开始应用于军事装备。为充分利用夜天光辐射能量，提高夜间的探测能力，开展短波红外响应微光器件的研究十分必要。

［1］ 张敬贤，李玉丹，金伟其.微光与红外成像技术［M］.北京：北京理工大学出版社，1995.ZHANG Jing-xian，LI Yu-dan，JIN Wei-qi.Imaging techneque of LLL and laser［M］.Beijing：Beijing University of Science and Technology Press，1995.（in Chinese）

［2］ 周立伟.夜视像增强器（蓝光延伸与近红外延伸光阴极）的近期进展［J］.光学技术，1983（2）：18-27.ZHOU Li-wei.Recent development of night vision image intensifiers（extended blue and extended near infrared photocathodes）［J］.Optical Technology，1983（2）：18-27.（in Chinese with an English abstract）

［3］ 张卫锋，张若岚，赵鲁生，等.InGaAs短波红外探测器研究进展［J］.红外技术，2012，34（6）：361-365.ZHANG Wei-feng，ZHANG Ruo-lan，ZHAO Lusheng，et al.Development progress of InGaAs shortwave in frared focal plane arrays［J］.Infrared Technology，2012，34（6）：361-365.（in Chinese with an English abstract）