小面元探测器在红外整机应用中的关键技术

小面元红外探测器具有成本低、体积轻、功耗小等优势，更利于红外整机实现工程指标提升，对于进一步推广红外行业低成本量产的发展十分有帮助。未来，小面元探测器如何在红外整机中应用是持续关注的重点。

据麦姆斯咨询报道，中电科光电科技有限公司的科研团队在《激光与红外》期刊上发表了以“小面元探测器在红外整机应用中的关键技术分析”为主题的文章。该文章第一作者为何松。

本文将针对小面元探测器在红外整机应用中的关键技术进行整机实验和数据仿真，为后续的工程化应用提供思路。

理论分析

面元尺寸对热像仪总体设计的影响

红外热像仪是典型的光学设备，属于角分辨率探测装置。由几何光学原理可知，作用距离指标受瞬时视场角和目标能量两个方面共同影响。探测器面元尺寸一定时，影响瞬时视场角最直接的指标为焦距，焦距越长，则瞬时视场角越小，越有利于提升系统作用距离；影响能量最直接的指标为Ｆ数，Ｆ数越小，能量越强，越有利于提升系统作用距离。然而，选用长焦和小Ｆ数作为整机设计输入都会引起光学设计和加工难度增大、系统体积重量增大、成本提升等问题，因此在工程研发中，当通光口径一定时，通常选择长焦、大Ｆ数或者短焦、小Ｆ数作为设计前提，但是焦距和Ｆ数又同时受到面元尺寸的影响，因为焦距一定时，面元尺寸越小，瞬时视场角越小；由瑞利判据可知，面元尺寸减小时，Ｆ数也应相应减小，以避免光学超衍射限的问题发生。由此可见，面元尺寸的选择对热像仪焦距、Ｆ数、体积、重量、成本等多个方面影响甚大。基于此，在热像仪方案选择上，应优先选择小面元尺寸的的探测器，然后选择合适的小Ｆ数与较长的焦距，以满足分辨率高、能量强、作用距离远、体积小、重量轻、成本低的整机工业化发展需求。

由于超光学衍射极限后热像仪的光学艾利斑将发生混叠，降低系统分辨率，故在确定采用小面元探测器后，整机设计的Ｆ数选取范围通常以瑞利判据为标准；为分析艾利斑混叠在整机应用中的具体影响程度，针对小面元整机在光学设计、图像处理算法等方面做进一步突破匹配，以选择合适的Ｆ数，进行相应的仿真实验。

光学系统的艾里斑光强仿真

点光源通过衍射受限透镜成像时，由于衍射而在焦点处形成的光斑称为艾里斑，光学系统的分辨率通常以艾里斑的大小进行描述。根据瑞利判据，成像光学系统的分辨能力是衡量分开相邻两个物点的像的能力，传统设计依据是光学系统的艾里斑直径2.44λＦ≤面元尺寸，在衍射极限位置，图像中心亮斑包含84%的辐射通量。为了分析更贴近系统工程的数据指标，选取实际光学系统进行仿真试验，对于中波红外探测器（3～5 μｍ，Ｆ3，7.5 μｍ面元尺寸），分别采样3.6 μｍ、4 μｍ、4.8 μｍ波段下的艾里光斑成像效果，具体如图1。

图1 不同波段下艾里光斑及采样效果

观察实验结果易得，在4 μｍ波长时，成像并非完全无法分辨，通过图像处理和增强可以实现分辨；但波长更长时，甚至形成中间比两边更亮的情形，此时探测器采样将完全无法分辨两个点。基于以上仿真，在整机系统设计过程中，当艾里斑半径小于两倍面元尺寸时，即作为对探测器的有效采样位置。

小面元热像仪的工程化应用

为了分析小面元探测器在整机工程化应用中的具体表现，采用数据收集、指标分析、总结归纳的方法，探索小面元热像仪的指标设计体系。

为了保证数据收集、分析的全面性与合理性，我们将采用小面元探测器的整机总体设计分为相对小面元和绝对小面元两种情况讨论。当波长一定时，相对小面元是指面元物理尺寸相同时，绝对小面元是指波长及Ｆ数一定时，即艾里斑尺寸相同，而2a的数值随面元物理尺寸减小，且面元尺寸a小于15 μｍ主流探测器的情况。

相对小面元成像研究

相对小面元下国外光学镜头的设计分析

为开展相对小面元下整机的实际应用分析，调研了国内外热成像镜头厂商的产品资料，选用国外某系列化制冷型中波15 μｍ，NETD在23 ｍＫ，探测、识别、辨认概率在50%时的光学镜头进行数据统计，结果如图2所示。

图2 不同焦距下对车辆识别、探测、辨认所需像素数

通过数据分析发现，衡量固定目标所需的有效像素数随Ｆ数和焦距长短发生变化，Ｆ5.5所需像素数整体大于Ｆ4，长焦所需像素数整体大于短焦，且焦距越短越明显，部分数据显著高于约翰逊准则。

由以上数据分析可知，在通光口径相同时，由于Ｆ数为5.5的整机（即采用相对小面元探测器的整机）比Ｆ数为4的整机接收的能量更弱，尤其在远距离工作，受大气透过率影响，信噪比不足时，需要更多的像素以弥补其不足。该结论可用于以相对小面元探测器的整机在确定面元尺寸和作用距离时，Ｆ数与焦距选择的参考（考虑到国内外光学镜头的性能差异，此数据可能需要修正）。

相对小面元下国内整机的ＮNETD、MRTD及成像分析

为分析采用相对小面元探测器的整机系统指标，本试验选择了90 mm焦距，Ｆ2的光学镜头，分别搭配10 μｍ，15 μｍ不同Ｆ数的探测器在不同积分时间下进行了NETD和MRTD数据收集分析，结果见表1和图3。

表1 NETD测试结果

图3 不同探测器在相同光学系统下的MRTD测试曲线

由上可知，该曲线在低频靶标下的测试结果近似等同于NETD值，在系统截止频率上测试指标趋于无穷大；在同样的光学镜头和信号处理电路下，搭配10 μｍ，Ｆ2探测器时，特征靶下的MRTD基本达到0.3 Ｋ左右，符合理论值，分辨能力较好，此时探测器采样未超光学衍射极限；搭配10 μｍ，Ｆ4探测器时，MRTD较Ｆ2略差，此时处于衍射极限状态；搭配10 μｍ，Ｆ5.5探测器时，无法分清特征靶，且低频的MRTD也较差，此时超出衍射极限。同理15 μｍ，Ｆ5.5的整机MRTD曲线差于15 μｍ，Ｆ4。

同时可得，当探测器采样超衍射极限较多且NETD较小能量较弱、MRTD曲线较差时，通过提高积分时间可显著提升NETD和MRTD测试值，提高作用距离指标。

另外，通过对相同口径不同焦距热像仪的指标测试发现，由于部分长焦大Ｆ数热像仪受光学截止频率影响严重，其极限特征频率与焦距稍短的小Ｆ数热像仪基本相同，对这种情况下目标的信息量是否可以随光学焦距的增加而加大存有疑问；如果此时长焦热像仪不能增加信息量，则其目标识别效果应与短焦热像仪电子放大后基本相当，为分析此问题进行如下试验：

本试验采用一台15 μｍ，Ｆ4整机，一台15 μｍ，Ｆ5.5整机，通光口径均设为190 mm，此时两台热像仪实测MRTD截止频率和指标基本相当；白天对距离2.5 ｋｍ的无人机进行识别对比验证，短焦热像仪通过电子放大使其视场与长焦热像仪相当，目标细节如图4所示。

图4 不同焦距的目标细节图

由上可知，长焦大Ｆ数热像仪的分辨率显著优于短焦小Ｆ数热像仪电子放大后的效果，因此判断，即使受物理光学影响，在相同口径下长短焦热像仪空间截止频率相同，长焦大Ｆ数热像仪，即艾里斑尺寸更大，面元尺寸相对小时，依然可以提高目标空间分辨能力，提高作用距离。

此外，本次实验发现长焦、大Ｆ数整机由于最小视场时的分辨能力更高，积分时间较小Ｆ数整机更长，目标观测过程中图像上可明显看出由于大气湍流引起的空气流动现象。众所周知，大气湍流（大气层中空气密度的无规则起伏）一直存在，且湍流对光束传输的影响成为湍流效应，其主要表现为光束强度、相位、方向等变量的不规则变化。红外热像仪是通过选择与大气窗口对应的不同波段探测器，通过光学系统对目标进行信息收集及显示成像的过程，因此，光束的持续变化对热像仪接收成像较为不利，后续可通过时域滤波、抗扰动算法等手段提升热像仪成像质量。

面元尺寸绝对小

绝对小面元下的探测器采样仿真

为了剖析绝对小面元探测器对整机成像质量的影响，通过仿真目标经理想光学系统衍射成像后，探测器对其采样的过程，探究采样相位是否可能对成像质量造成影响。

在理想光学系统（波段7.7～9.0 μｍ，Ｆ3，焦距255 mm）下，用10 μｍ和15 μｍ面元尺寸探测器对15 μｍ对应四杆靶图像采样，每次移动1/4相位，得到实验结果如图5所示。

图5 移相实验结果图

图5从左到右分别是四杆靶，10 μｍ探测器对其进行采样，15 μｍ探测器对其进行采样。从仿真结果中可以看出，当使用10 μｍ面元尺寸探测器对四杆靶图像进行采样时，不同相位成像略有差异，但都能完全分辨四杆靶；而使用15 μｍ面元尺寸探测器对四杆靶图像进行采样时，在个别相位无法分辨四根靶标，即产生了摩尔纹现象；该实验结果表明采用绝对小面元探测器的整机，通过调整采样相位能够明显减小摩尔纹对成像质量的影响，改善图像分辨率，提升作用距离，该结果同时证实了上述采用绝对小面元探测器时采样相位是否可能对整机成像质量造成影响的可能性是存在的。

绝对小面元下国外探测器的设计分析

虽然绝对小面元探测器具备体积小、重量轻、成本低、在探测器受限时能显著提升系统分辨率及增大面阵规格等诸多优点，但是面元尺寸会受到孔径衍射效应的限制，并不能无限制地减小，减小至超出光学衍射极限后，会降低系统分辨率。针对此问题，美国DRS公司开展了大量的分析及实验，确认了将探测器面元尺寸降低到近衍射极限甚至超衍射极限的可能性。本文通过查阅相关国外资料，得出部分结论，具体如图6、7所示。

图6 中波Ｆ数及面元尺寸匹配关系图

图7 长波Ｆ数及面元尺寸匹配关系图

以上曲线综合考虑了光学系统和探测器的截止频率、采样频率以及中、长波探测器信噪比差异等因素，从探测距离、衍射受限等角度为整机Ｆ数和面元尺寸的匹配、探测器面元尺寸的进一步研究提供了数据参考。同时可得，对于Ｆ1的制冷型中、长波探测器，其最小面元尺寸应分别为3 μｍ和5 μｍ左右。

绝对小面元下国内整机的NETD、MRTD及成像分析

为分析采用绝对小面元探测器的整机系统指标，本次实验选取两台整机分别匹配10 μｍ和15 μｍ规格的探测器，进行了整机室内NETD、MRTD指标测试，室外场景观测对比，包含近距离、远距离、晴天、阴天等多距离、多气候条件下的作用距离试验，NETD的测试结果见表2，MRTD的测试结果如图8所示。

根据测试结果分析，可得出结论，从MRTD及NETD的测试结果来看，搭配10 μｍ探测器时的指标较搭配15 μｍ探测器的指标更差，由于10 μｍ探测器噪声大，非均匀性较差，测试效果不佳。虽然在近距离时，10 μｍ整机的分辨能力略好于15 μｍ整机，但在远距离上两者的分辨率差异不大且10 μｍ的作用距离不如15 μｍ热像仪，因为10 μｍ整机噪声及非均匀性较差，导致整机的信噪比及信杂比下降明显，不利于远距离探测。

表2 NETD测试结果

图8 不同热像仪MRTD指标曲线

10 μｍ整机与15 μｍ整机同视场下的室外观测情况如图9所示。

图9 不同面元尺寸热像仪近距离和远距离成像对比图

另外，通过10 μｍ，Ｆ5.5和15 μｍ，Ｆ5.5整机成像的比较，可以发现绝对小面元成像能够避免摩尔纹现象的出现，与探测器采样仿真结果一致，如图10所示。

图10 不同热像仪成像效果对比

结合目前多种采用小面元探测器的整机应用结果可知，整机NETD由于小面元探测器的噪声较大，测试结果不佳，后续应着重优化。整机MRTD尝试按传统测试方法和按衍射极限所能达到的空间频率综合选取特征靶。

结语

小面元成像技术的实质是打破热像仪现有设计思维，热像仪整机不再是各单元最优指标的集合，而是根据应用需求多方面权衡和取舍的设计结果。本文结合仿真分析及工程实践经验，从理论分析提出小面元的定义，针对定义分别进行数据测试与工程仿真，对小面元的优势及对红外整机的成像影响进行分析，最终得到经验公式，希望对小面元整机设计提供指导思路。

然而，本文的数据样本收集相对单一，相关关联因素排除不彻底，后续仍然需要进一步扩大数据样本的收集范围，并从超分辨率下的图像复原及计算成像等方法上寻求进一步突破。

审核编辑：刘清