用于监视和安全的成像:SWIR相机穿过雾霾实现监视和安全防护

隐蔽操作通常使用热成像和/或夜视，但短波红外（SWIR）波段具有其自身优点，例如，透过大气雾霾观察。

成像系统在安全、防御和监视方面的使用很大程度上取决于红外（IR）光谱的优势，红外光谱可分为近红外、短波、中波和长波红外（分别为NIR、SWIR、MWIR和LWIR）。用于安全防护和监视的近红外相机通常是微光（夜视）设备，而MWIR和LWIR相机通过热成像完成任务。但是SWIR相机本身就是一种有用的安全防护和监视设备，可以单独使用，也可以与其它成像仪组合使用。

通常NIR和SWIR之间的光谱边界约为1.4μm，但对于本文而言，确切数字并不重要。SWIR和MWIR之间的边界通常为3μm。

穿过雾霾成像

Sensors Unlimited隶属于Collins Aerospace公司，生产各种SWIR成像仪，包括手持式SWIR示波器系统、面阵扫描相机、线扫描相机和线性光电二极管阵列。基于铟镓砷（InGaAs）的传感器技术于1991年由Sensors Unlimited公司推向市场。

这些SWIR设备的应用包括设施、港口、边境安全和监视及其他秘密行动、微光成像、军事驾驶员视觉增强和军用红外激光光斑跟踪。例如，GA1280JSX SWIR相机采用一个高清晰度（1280×1024像素）传感器，以全分辨率60帧/秒（fps）成像，在0.9-1.7μm光谱范围内具有高灵敏度，覆盖从0.7至1.7μm的NIR / SWIR或0.5至1.7μm的可见光/ SWIR。

Sensors Unlimited公司的应用工程师Curt Dvonch表示：“GA1280JSX高清SWIR相机最引人注目的安全和监控用途之一就是穿过大气雾霾进行成像。” 同时拍摄了这两幅图片（参见图1），清楚地显示了SWIR相机在受污染、雾霾环境中性能优于可见光相机。 SWIR相机的性能优于可见光相机，主要是因为SWIR光子能穿透大气雾霾和烟雾，而可见光波长的光子则散射在大量颗粒物的空气中。

图1  犹他州的盐湖城山谷偶尔会出现大气现象，这种现象会让大气污染持续几天或几周。在这些大气逆变现象中，地面能见度严重降低。从视频中拍摄的图像显示了2017年12月7日美国中部时间下午3:30左右地面低能见度期间的可见光图像（a）和短波红外（SWIR）图像(b)。使用Sensors Unlimited 公司的GA1280JSX 微型SWIR面扫描相机和200 mm SWIR优化f / 1.6镜头，以60 fps拍摄SWIR图像。利用尼康公司的D5100数码单反相机以视频模式和55-200毫米f / 4.5-5.6镜头拍摄可见光图像。这两组图像都经过裁剪，但在其他方面没有变化。

多目标跟踪

FLIR系统公司生产基于焦平面阵列（FPA）的InGaAs SWIR相机，该公司也单独销售这一产品。 FPA采用电容互阻抗放大器电路设计，针对安全成像和高速科学激光测试（需要多输出和动态窗口）等应用进行了优化。

FLIR公司的一款SWIR相机，即Boson相机在尺寸、重量、功率和成本（SwaP + C）方面进行了优化。该相机尺寸为21×21×28毫米，不加镜头的重量为15.5g，功耗小于1.6 W，为军用级别，它没有采用热电致冷器（TEC），这有助于实现其SwaP + C优化。比Boson稍微大一点的同系列产品Tau使用了TEC，具备在野外精确使用所需的温度稳定性。相机尺寸为38×38×36 mm，功耗仅为3.2 W或更低。两款相机均采用SWIR（0.9至1.7μm）和可见光/ SWIR（0.6至1.7μm）。

除了相机，FLIR公司还生产一种称为LTV-X的全地形侦察和监视车辆（参见图2），该车辆带有可插拔的传感器和各类成像仪，包括NIR、SWIR、热成像、激光测距和雷达。该车辆可以通过V-22飞机“鱼鹰”倾斜旋翼军用机运输，并且通过相机控制系统，可以同时跟踪多达500个威胁。

图2  FLIR公司的轻型战术侦察和监视车辆LTV-X，携带一个互补传感器阵列，包括NIR、SWIR、热像、激光测距和雷达设备。

多种OEM版本

Raptor光电子公司致力于InGaAs基相机制造13年，生产了一系列从320×256到640×512的各种分辨率和像素尺寸的SWIR和可见光/ SWIR相机。最近，生产了一款新型高清摄像头，分辨率为1280×1024像素。该公司使用多家供应商的InGaAs传感器，包括现货和定制设计，设计低噪声核心模块。正如该公司销售和营销副总裁Mark Donaghy所描述的，Raptor可以提供定制改型，包括机械布局、接口、冷却、光学设计（参见图3）等，以满足其监视和安全用户的确切需求。实际上，Raptor每年销售的产品中有90％是OEM改型产品。例如，OWL 640相机现有16种不同的OEM型号，每种都针对个别客户的特定需求而设计。

图3  Raptor 光电公司的这款OWL 1280可见光/ 短波红外相机采用定制镜头设置。

OWL 1280相机采用1280×1024 InGaAs传感器，光谱范围可以扩展到整个可见光光谱范围，在高灵敏度下的总范围为0.4至1.7μm。Donaghy表示，10×10μm的像素间距可实现高分辨率成像，具有少于40个电子（e-）读出噪声，并具有69 dB的大场景动态范围，可同时捕捉场景的明暗部分。

该相机工作频率范围为10至60 Hz，并采用内置自动增益控制（AGC），可实现从微光到强光的最佳对比度图像。相机温度稳定。 Donaghy指出，它非常适合陆地和机载应用的微光和夜间成像。

他解释说，OWL 1280已经被OEM公司和主承包商用到几种万向架项目中”。高清格式为操作员提供了更好的分辨率，VIS-SWIR系列可以穿过烟雾、雾霾、海雾及其他低能见度条件进行成像。对于观察关键波长激光（例如1550 nm）也很重要。 OWL 1280安装在万向架中，旨在提供最佳的SWaP性能，相机可以在极端环境条件下工作，如温度（-40˚C至+75˚C）和湿度（保形涂层电子设备）。每台摄像机均按照ISO9001：2015标准制造，这意味着相机的质量和可靠性非常出色，对于关键性任务应用至关重要。

Donaghy指出，对于一个特定客户，相机采用板式结构，配置柔性电缆，这种结构设计使组件可以“折叠”（压缩）到紧凑的空间封装中。

高速成像

FirstLight 成像公司推出了一款非致冷SWIR相机C-RED 3，该相机针对低SwaP + C进行了优化。该公司的创始人兼科学顾问Jean-Luc Gach表示，该相机基于一种灵敏度为0.9至1.7μm的无热致冷 InGaAs传感器，量子效率（QE）超过70％。相机更新率高达600 fps，读出噪声低于50 e-。

C-RED3包括一个开口宽度低于5μs的嵌入式电子快门。虽然该相机主要用于工业用途，但它也非常适合通过固定安装或移动平台（如无人机）进行监视。

该摄像机支持高动态范围模式（HDR），提供93 dB动态范围和真16位线性响应，同时具有低于50 e-的低噪声和超过106 e-的全阱容量。C-RED 3也可以在标准动态范围内以AGC模式工作。特别适合需要高速应用总的的短曝光时间。