红外系统技术有哪些进展？红外系统技术最新进展和应用资料概述

红外系统协会（特别是在美国）规模并不很大。20世纪80年代国防预算减少后，保留了很少的红外系统专家，许多都是光学工程师、物理学家，或者像我这样从事光电的电力工程师。由于我们这个圈子很小，彼此之间十分熟悉。

20世纪80年代，随着从第一代前视红外线扫描器向第二代前视红外时延积分扫描探测器、再向二维凝视阵列系统的转变，红外技术发展似乎非常快。光学元件全部是采用传统红外材料的单f数系统，但新的发展是一种新的孔径尺寸和更大的窄-宽视场切换比。

我过去认为技术成熟地太快，很难跟上，现在则发展地更快了！

最令人兴奋的时期莫过于成为一名红外系统工程师。每年有多项技术突破，进展令人吃惊。我想介绍过去五年在元件和红外系统方面的一些重大进展。这些红外技术大多都和军事系统有关，但某些成像系统正在打入商业市场。

持久监视系统

图1  持久监视系统平台

持久情报、监视和侦察（PISR）系统是最新的军用红外系统。这些系统在可见光波段的使用大约从6-10年前开始。它们用于战区小城镇上空飞旋的有人驾驶飞机，飞行周期12小时。

该想法是在简易爆炸装置、自杀式***或车辆爆炸后提出来的，图像序列可以倒回，因此调查取证员可以辨认涉及的人和车。

由于PISR在夜间工作得更好，设备可以更隐蔽地工作，所以研发人员提出了红外PISR系统。这些系统可放在移动或静止无人平台上，遥控站内的操作员设定地面采样距离、覆盖面积（km2）和帧速率以确定系统性能。

许多国家的军事实验室都在从事这一领域的系统。

用于防御应用的双波段成像

双波段成像仪的发展在防御应用中提供了重要优势，使操作员可以用相同焦平面在中波红外（MWIR，3~5µm）和长波红外（LWIR，8~12µm）进行观察。DRS技术公司、雷声公司、Teledyne公司、洛·马公司、Sofradir公司和FGAN-FOM公司、光电和图像识别研究所是生产焦平面阵列的一些机构。

双波段成像仪的光学元件复杂又昂贵。一些科学家和工程师对用组合波段瞬时成像的有用性还有争论，但对给定孔径尺寸，使用MWIR和LWIR的优势很明显。

在“恶劣战场”条件下，世界上大多数陆军都使用长波红外，而多数空中和海上组织都使用中波红外，因为其波长更短，距离更远，工作环境的空气更潮湿。将中波红外用于地面的明显优势是，在“良好”条件下，中波红外相机的观察距离是长波红外（由于衍射限）热像仪的2.5倍。

但是，大多数陆军不会为了中波红外牺牲长波红外，因为在有热目标、燃烧目标、烟雾、昏暗和寒冷气候的恶劣战场条件下，中波红外的光子不足。

图2  中波红外成像仪和长波红外成像仪视场中的燃烧筒

证明长波红外在恶劣战场中优势的最佳例子是燃烧筒，如图2所示。普朗克曲线上的热目标向左移动，中波红外段的巨大能量让探测器出现热晕，并发出炫光，而LWIR图像仍有效，燃烧筒在视场中。

同样，由于在陆地目标和背景中，长波红外波段有更多光子，积分时间更短，快速移动不会让图像模糊。因此用两个波段的摄像机有很大优势。美国陆军夜视和电子传感器部门（NVESD）是双波段红外技术的主要领先机构。

小型红外探测器系统

小型红外探测器可以提供不同于传统设计的红外系统特征。首先，它们在低f数具有远距离目标识别性能。大多数红外工程师习惯于用高f数的远距传感器，主要因为多年来一直用着较大的探测器。

可见光成像仪采用低f数进行远距离成像有很长时间了。小型探测器的高密度阵列可以提供远距识别和带全电子聚焦的宽视场。

美国防高级研究计划署（DARPA）的SPIE 合伙人Nibir Dhar负责小型探测器系统，并在间距为5~8μm的探测器方面有大量成功经验。图3（下）显示摄像机和探测器间距为5μm的摄像机图像，这是作为DARPA大孔径海上基本数据阵列（LAMBDA）项目的一部分研发的。DRS技术公司设计和制造了带碲镉汞焦平面阵列的中波红外摄像机。

周视红外系统非常新

红外系统相对新的领域是周视红外系统，期望对一个区域进行360°成像。将来，这种系统可以从观察车辆或小型舰船的更便宜、低分辨率系统发展到用于城镇和工厂监视的中等距离系统。高分辨率系统非常昂贵，用于保护高价值平台，如舰船和潜艇。

图3  DRS公司的LAMBDA扩展摄像机和5μm间距摄像机的图像

图4  周视MWIR成像仪

图4（上）是一种周视摄像机，是美国海军研究实验室（NRL）的Jim Waterman研发的。Remote Reality公司制造了“圆环形”透镜，可以将周视图像投影到一个焦平面上，L3辛辛那提电子公司制造了2000×2000像素InSb焦平面，对整个周围成像，提供该区域的虚拟浏览。

圆环图像必须实时去翘曲，提供圆柱坐标图像。这种特殊摄像机在中波红外波段提供水平方向约5000像素，这是海上应用的潮湿环境中的重要红外波段。

帧速对周视系统很重要。当这些圆环型透镜提供高帧速时，旋转扫描系统，通常使图像慢下来。如果帧速太慢，摄像机就不能满足目标探测和跟踪要求或机动要求。

PbSe探测器具有良好的灵敏度和速度

去年的一项技术突破对红外系统造成的冲击很明显，即诺·格公司Kenton Green 和Sung-Shik Yoo先生研发的硒化铅探测器。他们研发出低成本PbSe探测器并在一段时间内用于机载威胁告警系统，以对抗单兵便携式防空导弹（MANPADS）和其它防空武器。

这些探测器的焦平面是把PbSe沉积在硅读出电路上，使探测器非常便宜。这些中波红外探测器的明显特征是它们用两个热电制冷器进行非低温制冷。

灵敏度为30毫开温，采用f/1光学元件和2.5毫秒积分时间，以230开温工作。阵列为320×240像素，像素为60µm，重复能力为99.6。

我们从事红外系统工程的很多人从不认为当非低温制冷光子探测器有大灵敏度时就能看到类似白天的景象。这些探测器的应用不仅包括威胁告警和敌方火力指示，还可以在高速工业检测、驱动、来复枪瞄准等方面表现突出。

他们之所以采用廉价的微辐射热机是因为其具有良好的灵敏度和高速度。

Green, Yoo和同事ChristopherKauffman是5月份在巴尔的摩SPIE DSS上发表“铅盐热电制冷成像传感器研发”文章的作者。我鼓励其出席本届会议。如果我没有关注马德里新红外技术公司在该领域取得的良好进展，我将会失职。

目前，商业机正面临MANPADS的攻击，这使这项技术变得很关键。

更小，更轻的扁平透镜

在改进红外系统的光学元件方面，人们真正感兴趣的是光学元件的扁平透镜法。DARPA投资的Ravi Athale的最初方案及与合作小组（包括加利福尼亚大学研究员）合作的项目取得重大进展。最初方案看起来像一个冰球（图6顶部），光沿边缘进入圆盘，绕冰球内侧弹跳，出来时在另一侧聚焦。反射面提供光学功率，形成图像离光盘背部不是很远。

图5  红外FLAT光学元件

该方法的优点是尺寸更小，重量更轻，探测器功能更好。缺点是减少了调制传递函数和由于光线遮挡的光采集。但是，当需要小尺寸、重量和功率时这是一项重大技术。

UCSD的Joe Ford说红外型号是从UCSD“毕业”的。NVESD的Philip Perconti、Jay Vizgaitis和Colin Reese在轻便系统中实现了这项技术，并因此获得了奖励。2010年SPIE DSS上发表的文章介绍了这种方法，并显示了利用微辐射测热计探测器阵列怎么实现红外的方法。（参见图6中间和底部图像）。

微辐射测热计的封装

让我们把目光转向商业方面。目前由于一些公司在开发（某些公司有DARPA和Dhar的帮助）微辐射测热计阵列的晶片级封装，微辐射测热计正在发生变化。

该技术把真空窗口放在一整块微辐射测热计阵列晶片上。然后用完整的真空窗口对阵列和窗口进行划分。

价格方面的底线是微辐射测热计退出市场。过去3~4年间，微辐射测热计阵列从几万美元降到几千美元，2014年预计将降到几百美元。明年阵列售价小于100美元，甚至小格式阵列更便宜。

当微辐射测热计投入温度记录、汽车和其它商业市场并使用了几年后，廉价的阵列将使热成像得到进一步的商业应用。

FLIR系统公司的FLIR ONE 智能手机

最新例子是1月发布的用于智能手机的FLIR系统公司的FLIR ONE 个人热像仪。智能手机系统成本为350美元，用一个防护壳盖住可见光摄像机和微辐射测热计摄像机，它们的图像融合起来呈现在智能手机屏上。

该例子中的Lepton小型热摄像机采用一个成本非常低的微辐射测热计核。Lepton探测器像素阵列为80×60，间距为17μm。响应波段为8~12μm，透镜水平视场为50°。

随着晶片级封装和晶片级摄像机加工的发展，我们将看到这类红外系统大量商业化。

谁能跟上时代

这是红外系统飞速发展的时代，发展是加速度式的，在涉及有关军事和商业系统的新型红外元件和系统方面，我只是略懂皮毛。

我的许多同事会指出还有很多其他方面的最新进展。他们会说我漏掉了短波红外系统、主动和被动红外系统、超光谱系统、偏振系统、红外系统中的相干成像及许多其他最新进展。