关于我国红外成像技术发展的若干思考

1关于我国红外成像技术发展的若干思考倪国强秦庆旺肖蔓君高昆（北京理工大学光电工程系，北京，100081）摘要：红外成像技术由于诸多特点在军用和民用领域都取得了广泛的应用，红外图像处理技术在红外成像系统中起着至关重要的作用。本文简述国内外红外成像技术部分最新的研究成果和动态，针对我国具体状况，提出关于我国红外成像技术发展的若干思考，讨论红外成像及其图像处理、应用中的一些新技术、发展重点和难点，对以后一段时期内的红外成像新技术发展及其市场前景进行展望。关键词：红外成像，焦平面，图像处理，图像融合，市场前景1.引言红外成像具有作用距离远、抗干扰性好、穿透烟尘雾霾能力强、可全天候、全天时工作等优点，在军用和民用领域都得到了极为广泛的应用。在军事上，包括对军事目标的搜索、观瞄、侦察、探测、识别与跟踪；对远、中、近程军事目标的监视、告警、预警与跟踪；红外成像的精确制导；武器平台的驾驶、导航；探测隐身武器系统，进行光电对抗等。在民用领域，在工业、遥感、医学、消费电子、测试计量和科学研究等许多方面也得到广泛应用。目前国外红外成像器件已发展到了智能灵巧型的第四代，在光电材料、生产工艺、成像质量及系统应用等方面都取得了丰硕的成果，但是国内红外相关技术研究与生产起步较晚，并且受工业基础制约，发展远滞后于国外，而市场需求却持续强劲，无论在军用还是民用领域都有巨大的发展空间。本文简述国内外红外成像技术部分最新的研究成果和动态，针对我国具体状况，提出关于我国红外成像技术发展的若干思考，讨论红外成像及其图像处理、应用中的一些新技术、发展重点和难点，对以后一段时期内的红外成像新技术发展及其市场前景进行展望。2.红外探测器发展现状从第一代红外探测器至今已有40余年历史，按照其特点可分为四代：第一代（1970s-80s）主要是以单元、多元器件进行光机串/并扫描成像；第二代（1990s-2000s）是以4×288为代表的扫描型焦平面；第三代是凝视型焦平面；目前正在发展的可称为第四代，以大面阵、高分辨力、多波段、智能灵巧型系统级芯片为主要特点，具有高性能数字信号处理功能，甚至具备单片多波段融合探测与识别能力。在红外探测器发展过程中，新材料、新工艺、新器件、新方法不断涌现，按工作环境可分为致冷型和非致冷型两大类。2.1高性能致冷型红外探测器此类器件需要在低温下（77K）工作，相比非致冷器件成像质量优异、探测灵敏度高，通常又可分为传统型和量子阱焦平面探测器。其中前者主要采用碲镉汞（HgCdTe）、锑化铟（InSb）两种材料，又以碲镉汞占主导地位，应用最为广泛。国际上知名研究机构有法国Sofradir、英国SELEX、德国AIM、美国DRS、Raytheon等。已研制、生产的高水平商用焦平面探测器有：长波640×480、中波1024×1024、短波4096×4096、双色/双波段1280×720。倪国强，北京理工大学，北京市海淀区中关村南大街5号，010-68912560（O），68912560-808（Fax），[e-mail]2量子阱焦平面探测器由于材料和器件工艺成熟、产量高、成本低，经过近15年的快速发展，已成为长波致冷型焦平面器件的两大主要分支之一。目前在美国和英、法、德、瑞典等欧洲发达国家已研制出全电视制式的640×512（包含640×480）长波焦平面器件和中等规模的320×240（包含256×256，384×288格式）双色器件产品。以美国NASA/ARL联合研制的大面阵1024×1024长波焦平面和NASA/JPL研制的640×512四色焦平面，代表了当前GaAs/AlGaAs量子阱红外探测器的最高研究水平。2.2非致冷型红外探测器室温工作的红外成像系统不仅可以降低昂贵的致冷费用，而且还可以简化器件制作工艺，便于集成轻便化与携带使用。经过多年的努力，红外探测器已经从工作温度不到100K的传统光子型半导体红外探测器发展到200K左右的半导体超晶格量子点探测器，进而又发展到了工作温度较高的半导体热探测器和超巨磁电阻热探测器等，探测器材料在此起到了至关重要的作用。美国Raytheon、Lockheed-Martin、BoeingIndigo，英国BAE、QinetiQ，法国ULIS，日本NEC等公司长期从事非致冷红外探测器研究，所采用的材料主要有3种：热释电材料、氧化钒和非晶硅。最早用于红外瞄准具的是基于钛酸锶钡（BST）热释电材料的320×240非致冷焦平面探测器。目前基于钛酸锶钡、钽钪酸铅（PST）热释电材料和基于氧化钒、非晶硅热敏电阻材料探测器技术也已成熟，美国、英国VOx产品规模已达到640×480，法国α-Si产品和英国热释电产品规模均为384×288。2.3国内红外探测器发展现状国内从上世纪80年代后期陆续开始了红外焦平面探测器的研制。尽管国内的第二代、第三代红外焦平面技术在材料、器件工艺、读出电路、杜瓦和致冷等方面取得一些进展，完成了少数器件的研制，但还有许多关键技术还没有完全突破，可靠性、工程化、通用化与标准化水平有待进一步提高；第四代产品还刚开始进行技术突破，到目前为止，只有为数很少的工程化产品提供军方使用。目前实现批量生产的焦平面探测器组件相当于西方国家较早一段时期的水平。红外探测器技术总体水平与西方发达国家相比仍有较大差距。2.4红外探测器发展趋势及红外成像新技术未来红外焦平面探测器的主要发展趋势包括：更大规格、更高性能、多色/多波段探测、信息处理高速智能化、非致冷（含提高工作温度）、光机电集成一体化等，器件制作将主要依托分子束外延（MBE）多层材料精密生长技术、微电子行业中的超大规模集成电路技术和微纳结构精细加工技术。与此同时，一些新概念红外成像理论和技术不断提出，极大地促进了新概念红外成像系统的产生，并对今后红外成像技术的发展趋势产生明显的影响，例如多色红外成像、红外偏振成像、主/被动红外三维（3D）成像、亚像元/超分辨力红外成像、近自然感伪彩色红外成像等技术。3.红外成像与图像处理技术无疑，红外成像技术的最核心部分当属红外探测器技术，包括红外材料、器件等重大制造工艺技术，涉及红外探测器基础理论、总体设计、薄膜材料生长技术、材料性能表征与评价技术；新型红外探测器技术，包括多色、量子阱、量子点、超晶格、超导、非晶态、有机等新型探测器；红外探测器表面处理与钝化、互连等技术；红外探测器制造工艺过程控制、测试与评价等技术。3同时，成像设备如何满足系统应用的总体要求，成像设备如何产生尽可能接近视觉系统感知或易于利用的图像，一直是系统工程学、人机环境学以及图像处理与机器视觉研究的主要内容之一。由于红外成像系统必须服从应用系统技术指标，而红外图像观测者或终极使用者（包括无人环路）是信息处理链上的最后一环，因此很自然会对红外图像的质量优劣提出高要求。最终成像系统的应用价值取决于图像信息的充分提取与利用。而从红外成像系统的信息链路上看，其传输环节包括目标与环境的红外辐射，大气传输，红外光学系统聚焦成像，探测器敏感接收与光电转换，图像信号的耦合读出，图像信号的处理/增强/信息提取/显示与判读或信息利用（例如目标自动提取、锁定与制导等）等一系列环节，因此同样应高度重视所有信息传输链路上各个关键技术的研究。如上所述，红外成像技术应用与数字图像处理技术是分不开的，特别是第四代超高分辨力、智能灵巧型红外成像器件，对图像处理算法和硬件系统要求更为苛刻，可以说图像处理为红外成像性能的提高和系统级应用发挥了重要作用，也是红外成像系统创造新的附加值的增长点。下面结合国内外的发展现状与动态，分别加以论述。3.1红外成像总体技术红外成像系统总体技术与总体设计方法，对新概念系统、系统结构、成像体制与模式的确定，对成像装置能否满足应用系统的总体要求，对成像装置是否符合人/机/环要求，而能最长时效地发挥使用人员的最大使用效能，有着极其重要的作用。总体技术将为红外成像系统走向更为通用型、组件模块化、积木组合型、集成化、多功能化（多色、多光谱、偏振）、宽波段共孔径、多传感器集成与融合等高性能系统的技术提供宏观的保障基础。3.2红外成像系统的模拟技术红外成像系统模拟技术对于系统的设计与优化设计，缩短研制周期，降低研制成本，特别是对于高投入的红外成像技术，如何在系统技术指标要求下优化系统配置，判断新技术对系统的改进效果等，具有十分重要的意义。国外已在红外成像系统的论证、设计、评价、研制与应用中充分发展了相应的模拟技术，并取得极其明显的效果，而我国在这方面的研究虽有进展，但差距还很明显，有待于进一步的研究和开发。红外成像系统的性能模型大体可分为两大类：静态性能模型和动态性能模型。（1）静态性能模型，通常指系统的实验室可测试参量，如调制传递函数MTF、噪声等效温差NETD、最小可分辨温差MRTD和最小可探测温差MDTD等，进一步可扩展为系统的作用距离（视距）。国外从上世纪70年代开始就提出了一系列完整的性能模型，近年来主要侧重于面向基于人眼的红外成像系统的现场性能预测模型。红外成像系统的视距模型，目前公认的对扩展源目标的视距估算法，是利用表征系统综合静态性能的参量MRTD来计算。（2）动态性能模型，通常是以系统综合性能参量信号干扰比（SIR）为基础，把目标信号、杂波背景、系统MTF、系统传感器总噪声和图像处理算法对杂波噪声的抑制作用联系起来，综合考虑了各因素对系统探测性能的影响。目前国际上已开发了一系列动态性能模型，并在现场测试中得到了很好的验证，如探测距离、锁定距离等。随着红外成像系统性能水平的提高，性能模型也需要不断地改进，以适应新一代的红外成像系统的性能预测要求。建立详尽的目标与背景统计模型，模拟各种图像处理算法和搜索跟踪算法，干扰效应的模拟，成像系统的载体和目标的机动性建模，完善动态性能模型对红外应用系统的闭环预测等，将是未来红外成像系统性能模型发展的重点。计算机性能水平的提高为动态性能模型更准确更快地预测现场性能提供了可能。43.3红外成像系统的实物/半实物仿真技术在应用平台中对红外成像系统的实际效能进行验证，对系统改进乃至研制新型系统，具有十分重要的作用。但依靠实际现场试验，无疑是高代价的。建立红外仿真系统（IRSS）、开展系统的实物/半实物仿真技术研究具有极其重要的意义。红外成像系统半实物仿真系统是将成像系统的硬件设备引入测试回路，并构成一个接近真实的目标特性、相对运动、干扰等的环境，并能检测和考核成像系统接收目标信息、分辨目标、跟踪目标和抗干扰能力。当今世界各国争先研究和掌握红外成像的半实物仿真技术，用于红外成像应用系统的研制与试验，已取得长足的进展。在研制开发的过程中获得了一条关键经验：仿真器必须保持在仿真器技术发展水平的前沿，而且能够通过研究开发和更新，推动仿真器技术的发展水平。目前已研制了许多目标仿真器和专用测试设备，从很复杂的过程目标与伺服控制的仿真器，到很简单的模拟点目标或线目标的平行光管，都有产品问世。除了高级场景仿真技术，目标仿真器是一个包含大量非标准部件的计算机控制的复杂的光、机、电系统，采用了多种学科的先进技术，难度大、成本高，而且它在很大程度上决定红外仿真系统的逼真度，有黑体薄膜式动态红外图像调制器，红外液晶光阀（IRLCLV），细网状晶体动态图像仿真器等。其关键技术有：目标、背景与对抗特性的生成技术；动态建模与数据库的建立；硬件设备及软件开发；激光红外投影仪技术（例如发展较快且具有潜力的技术是发射型红外投影仪中的悬浮薄膜阵列红外投影仪和激光型红外投影仪）等。开展动态红外图像仿真技术必须从实时、高分辨力、高帧频、温度动态范围大的红外场景实现着眼，同时为了适应新的发展要求，建立紫外/多色红外成像系统的仿真技术也是十分必要的。3.4目标与环境的光学特性分析与研究，以及大气传输特性的研究红外目标与环境是复杂信息系统所针对的主要对象，包括红外成像系统在内的各种信息装备所面临的共同挑战是，它们时时刻刻地处于恶劣的红外环境中，或受到强对抗（干扰、隐身、隐蔽、伴随诱饵、地杂波等）与低信噪比条件下的信息提取与对抗。对红外目标与环境特性的研究