小面元探測(cè)器在紅外整機(jī)應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)

小面元紅外探測(cè)器具有成本低、體積輕、功耗小等優(yōu)勢(shì)，更利于紅外整機(jī)實(shí)現(xiàn)工程指標(biāo)提升，對(duì)于進(jìn)一步推廣紅外行業(yè)低成本量產(chǎn)的發(fā)展十分有幫助。未來(lái)，小面元探測(cè)器如何在紅外整機(jī)中應(yīng)用是持續(xù)關(guān)注的重點(diǎn)。

據(jù)麥姆斯咨詢(xún)報(bào)道，中電科光電科技有限公司的科研團(tuán)隊(duì)在《激光與紅外》期刊上發(fā)表了以“小面元探測(cè)器在紅外整機(jī)應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)分析”為主題的文章。該文章第一作者為何松。

本文將針對(duì)小面元探測(cè)器在紅外整機(jī)應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行整機(jī)實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)仿真，為后續(xù)的工程化應(yīng)用提供思路。

理論分析

面元尺寸對(duì)熱像儀總體設(shè)計(jì)的影響

紅外熱像儀是典型的光學(xué)設(shè)備，屬于角分辨率探測(cè)裝置。由幾何光學(xué)原理可知，作用距離指標(biāo)受瞬時(shí)視場(chǎng)角和目標(biāo)能量?jī)蓚€(gè)方面共同影響。探測(cè)器面元尺寸一定時(shí)，影響瞬時(shí)視場(chǎng)角最直接的指標(biāo)為焦距，焦距越長(zhǎng)，則瞬時(shí)視場(chǎng)角越小，越有利于提升系統(tǒng)作用距離；影響能量最直接的指標(biāo)為Ｆ數(shù)，Ｆ數(shù)越小，能量越強(qiáng)，越有利于提升系統(tǒng)作用距離。然而，選用長(zhǎng)焦和?。茢?shù)作為整機(jī)設(shè)計(jì)輸入都會(huì)引起光學(xué)設(shè)計(jì)和加工難度增大、系統(tǒng)體積重量增大、成本提升等問(wèn)題，因此在工程研發(fā)中，當(dāng)通光口徑一定時(shí)，通常選擇長(zhǎng)焦、大Ｆ數(shù)或者短焦、?。茢?shù)作為設(shè)計(jì)前提，但是焦距和Ｆ數(shù)又同時(shí)受到面元尺寸的影響，因?yàn)榻咕嘁欢〞r(shí)，面元尺寸越小，瞬時(shí)視場(chǎng)角越??；由瑞利判據(jù)可知，面元尺寸減小時(shí)，Ｆ數(shù)也應(yīng)相應(yīng)減小，以避免光學(xué)超衍射限的問(wèn)題發(fā)生。由此可見(jiàn)，面元尺寸的選擇對(duì)熱像儀焦距、Ｆ數(shù)、體積、重量、成本等多個(gè)方面影響甚大?；诖耍跓嵯駜x方案選擇上，應(yīng)優(yōu)先選擇小面元尺寸的的探測(cè)器，然后選擇合適的?。茢?shù)與較長(zhǎng)的焦距，以滿(mǎn)足分辨率高、能量強(qiáng)、作用距離遠(yuǎn)、體積小、重量輕、成本低的整機(jī)工業(yè)化發(fā)展需求。

由于超光學(xué)衍射極限后熱像儀的光學(xué)艾利斑將發(fā)生混疊，降低系統(tǒng)分辨率，故在確定采用小面元探測(cè)器后，整機(jī)設(shè)計(jì)的Ｆ數(shù)選取范圍通常以瑞利判據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)；為分析艾利斑混疊在整機(jī)應(yīng)用中的具體影響程度，針對(duì)小面元整機(jī)在光學(xué)設(shè)計(jì)、圖像處理算法等方面做進(jìn)一步突破匹配，以選擇合適的Ｆ數(shù)，進(jìn)行相應(yīng)的仿真實(shí)驗(yàn)。

光學(xué)系統(tǒng)的艾里斑光強(qiáng)仿真

點(diǎn)光源通過(guò)衍射受限透鏡成像時(shí)，由于衍射而在焦點(diǎn)處形成的光斑稱(chēng)為艾里斑，光學(xué)系統(tǒng)的分辨率通常以艾里斑的大小進(jìn)行描述。根據(jù)瑞利判據(jù)，成像光學(xué)系統(tǒng)的分辨能力是衡量分開(kāi)相鄰兩個(gè)物點(diǎn)的像的能力，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)依據(jù)是光學(xué)系統(tǒng)的艾里斑直徑2.44λＦ≤面元尺寸，在衍射極限位置，圖像中心亮斑包含84%的輻射通量。為了分析更貼近系統(tǒng)工程的數(shù)據(jù)指標(biāo)，選取實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行仿真試驗(yàn)，對(duì)于中波紅外探測(cè)器（3～5 μｍ，Ｆ3，7.5 μｍ面元尺寸），分別采樣3.6 μｍ、4 μｍ、4.8 μｍ波段下的艾里光斑成像效果，具體如圖1。

圖1 不同波段下艾里光斑及采樣效果

觀(guān)察實(shí)驗(yàn)結(jié)果易得，在4 μｍ波長(zhǎng)時(shí)，成像并非完全無(wú)法分辨，通過(guò)圖像處理和增強(qiáng)可以實(shí)現(xiàn)分辨；但波長(zhǎng)更長(zhǎng)時(shí)，甚至形成中間比兩邊更亮的情形，此時(shí)探測(cè)器采樣將完全無(wú)法分辨兩個(gè)點(diǎn)。基于以上仿真，在整機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，當(dāng)艾里斑半徑小于兩倍面元尺寸時(shí)，即作為對(duì)探測(cè)器的有效采樣位置。

小面元熱像儀的工程化應(yīng)用

為了分析小面元探測(cè)器在整機(jī)工程化應(yīng)用中的具體表現(xiàn)，采用數(shù)據(jù)收集、指標(biāo)分析、總結(jié)歸納的方法，探索小面元熱像儀的指標(biāo)設(shè)計(jì)體系。

為了保證數(shù)據(jù)收集、分析的全面性與合理性，我們將采用小面元探測(cè)器的整機(jī)總體設(shè)計(jì)分為相對(duì)小面元和絕對(duì)小面元兩種情況討論。當(dāng)波長(zhǎng)一定時(shí)，相對(duì)小面元是指面元物理尺寸相同時(shí)，絕對(duì)小面元是指波長(zhǎng)及Ｆ數(shù)一定時(shí)，即艾里斑尺寸相同，而2a的數(shù)值隨面元物理尺寸減小，且面元尺寸a小于15 μｍ主流探測(cè)器的情況。

相對(duì)小面元成像研究

相對(duì)小面元下國(guó)外光學(xué)鏡頭的設(shè)計(jì)分析

為開(kāi)展相對(duì)小面元下整機(jī)的實(shí)際應(yīng)用分析，調(diào)研了國(guó)內(nèi)外熱成像鏡頭廠(chǎng)商的產(chǎn)品資料，選用國(guó)外某系列化制冷型中波15 μｍ，NETD在23 ｍＫ，探測(cè)、識(shí)別、辨認(rèn)概率在50%時(shí)的光學(xué)鏡頭進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同焦距下對(duì)車(chē)輛識(shí)別、探測(cè)、辨認(rèn)所需像素?cái)?shù)

通過(guò)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，衡量固定目標(biāo)所需的有效像素?cái)?shù)隨Ｆ數(shù)和焦距長(zhǎng)短發(fā)生變化，Ｆ5.5所需像素?cái)?shù)整體大于Ｆ4，長(zhǎng)焦所需像素?cái)?shù)整體大于短焦，且焦距越短越明顯，部分?jǐn)?shù)據(jù)顯著高于約翰遜準(zhǔn)則。

由以上數(shù)據(jù)分析可知，在通光口徑相同時(shí)，由于Ｆ數(shù)為5.5的整機(jī)（即采用相對(duì)小面元探測(cè)器的整機(jī)）比Ｆ數(shù)為4的整機(jī)接收的能量更弱，尤其在遠(yuǎn)距離工作，受大氣透過(guò)率影響，信噪比不足時(shí)，需要更多的像素以彌補(bǔ)其不足。該結(jié)論可用于以相對(duì)小面元探測(cè)器的整機(jī)在確定面元尺寸和作用距離時(shí)，Ｆ數(shù)與焦距選擇的參考（考慮到國(guó)內(nèi)外光學(xué)鏡頭的性能差異，此數(shù)據(jù)可能需要修正）。

相對(duì)小面元下國(guó)內(nèi)整機(jī)的ＮNETD、MRTD及成像分析

為分析采用相對(duì)小面元探測(cè)器的整機(jī)系統(tǒng)指標(biāo)，本試驗(yàn)選擇了90 mm焦距，Ｆ2的光學(xué)鏡頭，分別搭配10 μｍ，15 μｍ不同Ｆ數(shù)的探測(cè)器在不同積分時(shí)間下進(jìn)行了NETD和MRTD數(shù)據(jù)收集分析，結(jié)果見(jiàn)表1和圖3。

表1 NETD測(cè)試結(jié)果

圖3 不同探測(cè)器在相同光學(xué)系統(tǒng)下的MRTD測(cè)試曲線(xiàn)

由上可知，該曲線(xiàn)在低頻靶標(biāo)下的測(cè)試結(jié)果近似等同于NETD值，在系統(tǒng)截止頻率上測(cè)試指標(biāo)趨于無(wú)窮大；在同樣的光學(xué)鏡頭和信號(hào)處理電路下，搭配10 μｍ，Ｆ2探測(cè)器時(shí)，特征靶下的MRTD基本達(dá)到0.3 Ｋ左右，符合理論值，分辨能力較好，此時(shí)探測(cè)器采樣未超光學(xué)衍射極限；搭配10 μｍ，Ｆ4探測(cè)器時(shí)，MRTD較Ｆ2略差，此時(shí)處于衍射極限狀態(tài)；搭配10 μｍ，Ｆ5.5探測(cè)器時(shí)，無(wú)法分清特征靶，且低頻的MRTD也較差，此時(shí)超出衍射極限。同理15 μｍ，Ｆ5.5的整機(jī)MRTD曲線(xiàn)差于15 μｍ，Ｆ4。

同時(shí)可得，當(dāng)探測(cè)器采樣超衍射極限較多且NETD較小能量較弱、MRTD曲線(xiàn)較差時(shí)，通過(guò)提高積分時(shí)間可顯著提升NETD和MRTD測(cè)試值，提高作用距離指標(biāo)。

另外，通過(guò)對(duì)相同口徑不同焦距熱像儀的指標(biāo)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，由于部分長(zhǎng)焦大Ｆ數(shù)熱像儀受光學(xué)截止頻率影響嚴(yán)重，其極限特征頻率與焦距稍短的?。茢?shù)熱像儀基本相同，對(duì)這種情況下目標(biāo)的信息量是否可以隨光學(xué)焦距的增加而加大存有疑問(wèn)；如果此時(shí)長(zhǎng)焦熱像儀不能增加信息量，則其目標(biāo)識(shí)別效果應(yīng)與短焦熱像儀電子放大后基本相當(dāng)，為分析此問(wèn)題進(jìn)行如下試驗(yàn)：

本試驗(yàn)采用一臺(tái)15 μｍ，Ｆ4整機(jī)，一臺(tái)15 μｍ，Ｆ5.5整機(jī)，通光口徑均設(shè)為190 mm，此時(shí)兩臺(tái)熱像儀實(shí)測(cè)MRTD截止頻率和指標(biāo)基本相當(dāng)；白天對(duì)距離2.5 ｋｍ的無(wú)人機(jī)進(jìn)行識(shí)別對(duì)比驗(yàn)證，短焦熱像儀通過(guò)電子放大使其視場(chǎng)與長(zhǎng)焦熱像儀相當(dāng)，目標(biāo)細(xì)節(jié)如圖4所示。

圖4 不同焦距的目標(biāo)細(xì)節(jié)圖

由上可知，長(zhǎng)焦大Ｆ數(shù)熱像儀的分辨率顯著優(yōu)于短焦小Ｆ數(shù)熱像儀電子放大后的效果，因此判斷，即使受物理光學(xué)影響，在相同口徑下長(zhǎng)短焦熱像儀空間截止頻率相同，長(zhǎng)焦大Ｆ數(shù)熱像儀，即艾里斑尺寸更大，面元尺寸相對(duì)小時(shí)，依然可以提高目標(biāo)空間分辨能力，提高作用距離。

此外，本次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)焦、大Ｆ數(shù)整機(jī)由于最小視場(chǎng)時(shí)的分辨能力更高，積分時(shí)間較小Ｆ數(shù)整機(jī)更長(zhǎng)，目標(biāo)觀(guān)測(cè)過(guò)程中圖像上可明顯看出由于大氣湍流引起的空氣流動(dòng)現(xiàn)象。眾所周知，大氣湍流（大氣層中空氣密度的無(wú)規(guī)則起伏）一直存在，且湍流對(duì)光束傳輸?shù)挠绊懗蔀橥牧餍?yīng)，其主要表現(xiàn)為光束強(qiáng)度、相位、方向等變量的不規(guī)則變化。紅外熱像儀是通過(guò)選擇與大氣窗口對(duì)應(yīng)的不同波段探測(cè)器，通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行信息收集及顯示成像的過(guò)程，因此，光束的持續(xù)變化對(duì)熱像儀接收成像較為不利，后續(xù)可通過(guò)時(shí)域?yàn)V波、抗擾動(dòng)算法等手段提升熱像儀成像質(zhì)量。

面元尺寸絕對(duì)小

絕對(duì)小面元下的探測(cè)器采樣仿真

為了剖析絕對(duì)小面元探測(cè)器對(duì)整機(jī)成像質(zhì)量的影響，通過(guò)仿真目標(biāo)經(jīng)理想光學(xué)系統(tǒng)衍射成像后，探測(cè)器對(duì)其采樣的過(guò)程，探究采樣相位是否可能對(duì)成像質(zhì)量造成影響。

在理想光學(xué)系統(tǒng)（波段7.7～9.0 μｍ，Ｆ3，焦距255 mm）下，用10 μｍ和15 μｍ面元尺寸探測(cè)器對(duì)15 μｍ對(duì)應(yīng)四桿靶圖像采樣，每次移動(dòng)1/4相位，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 移相實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

圖5從左到右分別是四桿靶，10 μｍ探測(cè)器對(duì)其進(jìn)行采樣，15 μｍ探測(cè)器對(duì)其進(jìn)行采樣。從仿真結(jié)果中可以看出，當(dāng)使用10 μｍ面元尺寸探測(cè)器對(duì)四桿靶圖像進(jìn)行采樣時(shí)，不同相位成像略有差異，但都能完全分辨四桿靶；而使用15 μｍ面元尺寸探測(cè)器對(duì)四桿靶圖像進(jìn)行采樣時(shí)，在個(gè)別相位無(wú)法分辨四根靶標(biāo)，即產(chǎn)生了摩爾紋現(xiàn)象；該實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明采用絕對(duì)小面元探測(cè)器的整機(jī)，通過(guò)調(diào)整采樣相位能夠明顯減小摩爾紋對(duì)成像質(zhì)量的影響，改善圖像分辨率，提升作用距離，該結(jié)果同時(shí)證實(shí)了上述采用絕對(duì)小面元探測(cè)器時(shí)采樣相位是否可能對(duì)整機(jī)成像質(zhì)量造成影響的可能性是存在的。

絕對(duì)小面元下國(guó)外探測(cè)器的設(shè)計(jì)分析

雖然絕對(duì)小面元探測(cè)器具備體積小、重量輕、成本低、在探測(cè)器受限時(shí)能顯著提升系統(tǒng)分辨率及增大面陣規(guī)格等諸多優(yōu)點(diǎn)，但是面元尺寸會(huì)受到孔徑衍射效應(yīng)的限制，并不能無(wú)限制地減小，減小至超出光學(xué)衍射極限后，會(huì)降低系統(tǒng)分辨率。針對(duì)此問(wèn)題，美國(guó)DRS公司開(kāi)展了大量的分析及實(shí)驗(yàn)，確認(rèn)了將探測(cè)器面元尺寸降低到近衍射極限甚至超衍射極限的可能性。本文通過(guò)查閱相關(guān)國(guó)外資料，得出部分結(jié)論，具體如圖6、7所示。

圖6 中波Ｆ數(shù)及面元尺寸匹配關(guān)系圖

圖7 長(zhǎng)波Ｆ數(shù)及面元尺寸匹配關(guān)系圖

以上曲線(xiàn)綜合考慮了光學(xué)系統(tǒng)和探測(cè)器的截止頻率、采樣頻率以及中、長(zhǎng)波探測(cè)器信噪比差異等因素，從探測(cè)距離、衍射受限等角度為整機(jī)Ｆ數(shù)和面元尺寸的匹配、探測(cè)器面元尺寸的進(jìn)一步研究提供了數(shù)據(jù)參考。同時(shí)可得，對(duì)于Ｆ1的制冷型中、長(zhǎng)波探測(cè)器，其最小面元尺寸應(yīng)分別為3 μｍ和5 μｍ左右。

絕對(duì)小面元下國(guó)內(nèi)整機(jī)的NETD、MRTD及成像分析

為分析采用絕對(duì)小面元探測(cè)器的整機(jī)系統(tǒng)指標(biāo)，本次實(shí)驗(yàn)選取兩臺(tái)整機(jī)分別匹配10 μｍ和15 μｍ規(guī)格的探測(cè)器，進(jìn)行了整機(jī)室內(nèi)NETD、MRTD指標(biāo)測(cè)試，室外場(chǎng)景觀(guān)測(cè)對(duì)比，包含近距離、遠(yuǎn)距離、晴天、陰天等多距離、多氣候條件下的作用距離試驗(yàn)，NETD的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2，MRTD的測(cè)試結(jié)果如圖8所示。

根據(jù)測(cè)試結(jié)果分析，可得出結(jié)論，從MRTD及NETD的測(cè)試結(jié)果來(lái)看，搭配10 μｍ探測(cè)器時(shí)的指標(biāo)較搭配15 μｍ探測(cè)器的指標(biāo)更差，由于10 μｍ探測(cè)器噪聲大，非均勻性較差，測(cè)試效果不佳。雖然在近距離時(shí)，10 μｍ整機(jī)的分辨能力略好于15 μｍ整機(jī)，但在遠(yuǎn)距離上兩者的分辨率差異不大且10 μｍ的作用距離不如15 μｍ熱像儀，因?yàn)?0 μｍ整機(jī)噪聲及非均勻性較差，導(dǎo)致整機(jī)的信噪比及信雜比下降明顯，不利于遠(yuǎn)距離探測(cè)。

表2 NETD測(cè)試結(jié)果

圖8 不同熱像儀MRTD指標(biāo)曲線(xiàn)

10 μｍ整機(jī)與15 μｍ整機(jī)同視場(chǎng)下的室外觀(guān)測(cè)情況如圖9所示。

圖9 不同面元尺寸熱像儀近距離和遠(yuǎn)距離成像對(duì)比圖

另外，通過(guò)10 μｍ，Ｆ5.5和15 μｍ，Ｆ5.5整機(jī)成像的比較，可以發(fā)現(xiàn)絕對(duì)小面元成像能夠避免摩爾紋現(xiàn)象的出現(xiàn)，與探測(cè)器采樣仿真結(jié)果一致，如圖10所示。

圖10 不同熱像儀成像效果對(duì)比

結(jié)合目前多種采用小面元探測(cè)器的整機(jī)應(yīng)用結(jié)果可知，整機(jī)NETD由于小面元探測(cè)器的噪聲較大，測(cè)試結(jié)果不佳，后續(xù)應(yīng)著重優(yōu)化。整機(jī)MRTD嘗試按傳統(tǒng)測(cè)試方法和按衍射極限所能達(dá)到的空間頻率綜合選取特征靶。

結(jié)語(yǔ)

小面元成像技術(shù)的實(shí)質(zhì)是打破熱像儀現(xiàn)有設(shè)計(jì)思維，熱像儀整機(jī)不再是各單元最優(yōu)指標(biāo)的集合，而是根據(jù)應(yīng)用需求多方面權(quán)衡和取舍的設(shè)計(jì)結(jié)果。本文結(jié)合仿真分析及工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，從理論分析提出小面元的定義，針對(duì)定義分別進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)試與工程仿真，對(duì)小面元的優(yōu)勢(shì)及對(duì)紅外整機(jī)的成像影響進(jìn)行分析，最終得到經(jīng)驗(yàn)公式，希望對(duì)小面元整機(jī)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)思路。

然而，本文的數(shù)據(jù)樣本收集相對(duì)單一，相關(guān)關(guān)聯(lián)因素排除不徹底，后續(xù)仍然需要進(jìn)一步擴(kuò)大數(shù)據(jù)樣本的收集范圍，并從超分辨率下的圖像復(fù)原及計(jì)算成像等方法上尋求進(jìn)一步突破。

審核編輯：劉清