小面元紅外探測器具有成本低、體積輕、功耗小等優(yōu)勢，更利于紅外整機實現(xiàn)工程指標(biāo)提升，對于進(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，小面元探測器如何在紅外整機中應(yīng)用是持續(xù)關(guān)注的重點。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，中電科光電科技有限公司的科研團隊在《激光與紅外》期刊上發(fā)表了以“小面元探測器在紅外整機應(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。

本文將針對小面元探測器在紅外整機應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行整機實驗和數(shù)據(jù)仿真，為后續(xù)的工程化應(yīng)用提供思路。

理論分析

面元尺寸對熱像儀總體設(shè)計的影響

紅外熱像儀是典型的光學(xué)設(shè)備，屬于角分辨率探測裝置。由幾何光學(xué)原理可知，作用距離指標(biāo)受瞬時視場角和目標(biāo)能量兩個方面共同影響。探測器面元尺寸一定時，影響瞬時視場角最直接的指標(biāo)為焦距，焦距越長，則瞬時視場角越小，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，越有利于提升系統(tǒng)作用距離。然而，選用長焦和?。茢?shù)作為整機設(shè)計輸入都會引起光學(xué)設(shè)計和加工難度增大、系統(tǒng)體積重量增大、成本提升等問題，因此在工程研發(fā)中，當(dāng)通光口徑一定時，通常選擇長焦、大Ｆ數(shù)或者短焦、?。茢?shù)作為設(shè)計前提，但是焦距和Ｆ數(shù)又同時受到面元尺寸的影響，因為焦距一定時，面元尺寸越小，瞬時視場角越小；由瑞利判據(jù)可知，面元尺寸減小時，Ｆ數(shù)也應(yīng)相應(yīng)減小，以避免光學(xué)超衍射限的問題發(fā)生。由此可見，面元尺寸的選擇對熱像儀焦距、Ｆ數(shù)、體積、重量、成本等多個方面影響甚大?；诖?，在熱像儀方案選擇上，應(yīng)優(yōu)先選擇小面元尺寸的的探測器，然后選擇合適的小Ｆ數(shù)與較長的焦距，以滿足分辨率高、能量強、作用距離遠(yuǎn)、體積小、重量輕、成本低的整機工業(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器后，整機設(shè)計的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應(yīng)用中的具體影響程度，針對小面元整機在光學(xué)設(shè)計、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)的仿真實驗。

光學(xué)系統(tǒng)的艾里斑光強仿真

點光源通過衍射受限透鏡成像時，由于衍射而在焦點處形成的光斑稱為艾里斑，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相鄰兩個物點的像的能力，傳統(tǒng)設(shè)計依據(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)，選取實際光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行仿真試驗，對于中波紅外探測器（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

觀察實驗結(jié)果易得，在4 μｍ波長時，成像并非完全無法分辨，通過圖像處理和增強可以實現(xiàn)分辨；但波長更長時，甚至形成中間比兩邊更亮的情形，此時探測器采樣將完全無法分辨兩個點?；谝陨戏抡妫谡麢C系統(tǒng)設(shè)計過程中，當(dāng)艾里斑半徑小于兩倍面元尺寸時，即作為對探測器的有效采樣位置。

小面元熱像儀的工程化應(yīng)用

為了分析小面元探測器在整機工程化應(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器的整機總體設(shè)計分為相對小面元和絕對小面元兩種情況討論。當(dāng)波長一定時，相對小面元是指面元物理尺寸相同時，絕對小面元是指波長及Ｆ數(shù)一定時，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主流探測器的情況。

相對小面元成像研究

相對小面元下國外光學(xué)鏡頭的設(shè)計分析

為開展相對小面元下整機的實際應(yīng)用分析，調(diào)研了國內(nèi)外熱成像鏡頭廠商的產(chǎn)品資料，選用國外某系列化制冷型中波15 μｍ，NETD在23 ｍＫ，探測、識別、辨認(rèn)概率在50%時的光學(xué)鏡頭進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同焦距下對車輛識別、探測、辨認(rèn)所需像素數(shù)

通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，衡量固定目標(biāo)所需的有效像素數(shù)隨Ｆ數(shù)和焦距長短發(fā)生變化，Ｆ5.5所需像素數(shù)整體大于Ｆ4，長焦所需像素數(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，由于Ｆ數(shù)為5.5的整機（即采用相對小面元探測器的整機）比Ｆ數(shù)為4的整機接收的能量更弱，尤其在遠(yuǎn)距離工作，受大氣透過率影響，信噪比不足時，需要更多的像素以彌補其不足。該結(jié)論可用于以相對小面元探測器的整機在確定面元尺寸和作用距離時，Ｆ數(shù)與焦距選擇的參考（考慮到國內(nèi)外光學(xué)鏡頭的性能差異，此數(shù)據(jù)可能需要修正）。

相對小面元下國內(nèi)整機的ＮNETD、MRTD及成像分析

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

表1 NETD測試結(jié)果

圖3 不同探測器在相同光學(xué)系統(tǒng)下的MRTD測試曲線

由上可知，該曲線在低頻靶標(biāo)下的測試結(jié)果近似等同于NETD值，在系統(tǒng)截止頻率上測試指標(biāo)趨于無窮大；在同樣的光學(xué)鏡頭和信號處理電路下，搭配10 μｍ，Ｆ2探測器時，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，此時探測器采樣未超光學(xué)衍射極限；搭配10 μｍ，Ｆ4探測器時，MRTD較Ｆ2略差，此時處于衍射極限狀態(tài)；搭配10 μｍ，Ｆ5.5探測器時，無法分清特征靶，且低頻的MRTD也較差，此時超出衍射極限。同理15 μｍ，Ｆ5.5的整機MRTD曲線差于15 μｍ，Ｆ4。

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

另外，通過對相同口徑不同焦距熱像儀的指標(biāo)測試發(fā)現(xiàn)，由于部分長焦大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小Ｆ數(shù)熱像儀基本相同，對這種情況下目標(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；如果此時長焦熱像儀不能增加信息量，則其目標(biāo)識別效果應(yīng)與短焦熱像儀電子放大后基本相當(dāng)，為分析此問題進(jìn)行如下試驗：

本試驗采用一臺15 μｍ，Ｆ4整機，一臺15 μｍ，Ｆ5.5整機，通光口徑均設(shè)為190 mm，此時兩臺熱像儀實測MRTD截止頻率和指標(biāo)基本相當(dāng)；白天對距離2.5 ｋｍ的無人機進(jìn)行識別對比驗證，短焦熱像儀通過電子放大使其視場與長焦熱像儀相當(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，長焦大Ｆ數(shù)熱像儀的分辨率顯著優(yōu)于短焦?。茢?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，在相同口徑下長短焦熱像儀空間截止頻率相同，長焦大Ｆ數(shù)熱像儀，即艾里斑尺寸更大，面元尺寸相對小時，依然可以提高目標(biāo)空間分辨能力，提高作用距離。

此外，本次實驗發(fā)現(xiàn)長焦、大Ｆ數(shù)整機由于最小視場時的分辨能力更高，積分時間較?。茢?shù)整機更長，目標(biāo)觀測過程中圖像上可明顯看出由于大氣湍流引起的空氣流動現(xiàn)象。眾所周知，大氣湍流（大氣層中空氣密度的無規(guī)則起伏）一直存在，且湍流對光束傳輸?shù)挠绊懗蔀橥牧餍?yīng)，其主要表現(xiàn)為光束強度、相位、方向等變量的不規(guī)則變化。紅外熱像儀是通過選擇與大氣窗口對應(yīng)的不同波段探測器，通過光學(xué)系統(tǒng)對目標(biāo)進(jìn)行信息收集及顯示成像的過程，因此，光束的持續(xù)變化對熱像儀接收成像較為不利，后續(xù)可通過時域濾波、抗擾動算法等手段提升熱像儀成像質(zhì)量。

面元尺寸絕對小

絕對小面元下的探測器采樣仿真

為了剖析絕對小面元探測器對整機成像質(zhì)量的影響，通過仿真目標(biāo)經(jīng)理想光學(xué)系統(tǒng)衍射成像后，探測器對其采樣的過程，探究采樣相位是否可能對成像質(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面元尺寸探測器對15 μｍ對應(yīng)四桿靶圖像采樣，每次移動1/4相位，得到實驗結(jié)果如圖5所示。

圖5 移相實驗結(jié)果圖

圖5從左到右分別是四桿靶，10 μｍ探測器對其進(jìn)行采樣，15 μｍ探測器對其進(jìn)行采樣。從仿真結(jié)果中可以看出，當(dāng)使用10 μｍ面元尺寸探測器對四桿靶圖像進(jìn)行采樣時，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面元尺寸探測器對四桿靶圖像進(jìn)行采樣時，在個別相位無法分辨四根靶標(biāo)，即產(chǎn)生了摩爾紋現(xiàn)象；該實驗結(jié)果表明采用絕對小面元探測器的整機，通過調(diào)整采樣相位能夠明顯減小摩爾紋對成像質(zhì)量的影響，改善圖像分辨率，提升作用距離，該結(jié)果同時證實了上述采用絕對小面元探測器時采樣相位是否可能對整機成像質(zhì)量造成影響的可能性是存在的。

絕對小面元下國外探測器的設(shè)計分析

雖然絕對小面元探測器具備體積小、重量輕、成本低、在探測器受限時能顯著提升系統(tǒng)分辨率及增大面陣規(guī)格等諸多優(yōu)點，但是面元尺寸會受到孔徑衍射效應(yīng)的限制，并不能無限制地減小，減小至超出光學(xué)衍射極限后，會降低系統(tǒng)分辨率。針對此問題，美國DRS公司開展了大量的分析及實驗，確認(rèn)了將探測器面元尺寸降低到近衍射極限甚至超衍射極限的可能性。本文通過查閱相關(guān)國外資料，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 長波Ｆ數(shù)及面元尺寸匹配關(guān)系圖

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

絕對小面元下國內(nèi)整機的NETD、MRTD及成像分析

為分析采用絕對小面元探測器的整機系統(tǒng)指標(biāo)，本次實驗選取兩臺整機分別匹配10 μｍ和15 μｍ規(guī)格的探測器，進(jìn)行了整機室內(nèi)NETD、MRTD指標(biāo)測試，室外場景觀測對比，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，NETD的測試結(jié)果見表2，MRTD的測試結(jié)果如圖8所示。

根據(jù)測試結(jié)果分析，可得出結(jié)論，從MRTD及NETD的測試結(jié)果來看，搭配10 μｍ探測器時的指標(biāo)較搭配15 μｍ探測器的指標(biāo)更差，由于10 μｍ探測器噪聲大，非均勻性較差，測試效果不佳。雖然在近距離時，10 μｍ整機的分辨能力略好于15 μｍ整機，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，因為10 μｍ整機噪聲及非均勻性較差，導(dǎo)致整機的信噪比及信雜比下降明顯，不利于遠(yuǎn)距離探測。

表2 NETD測試結(jié)果

圖8 不同熱像儀MRTD指標(biāo)曲線

10 μｍ整機與15 μｍ整機同視場下的室外觀測情況如圖9所示。

圖9 不同面元尺寸熱像儀近距離和遠(yuǎn)距離成像對比圖

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

圖10 不同熱像儀成像效果對比

結(jié)合目前多種采用小面元探測器的整機應(yīng)用結(jié)果可知，整機NETD由于小面元探測器的噪聲較大，測試結(jié)果不佳，后續(xù)應(yīng)著重優(yōu)化。整機MRTD嘗試按傳統(tǒng)測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

小面元成像技術(shù)的實質(zhì)是打破熱像儀現(xiàn)有設(shè)計思維，熱像儀整機不再是各單元最優(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)計結(jié)果。本文結(jié)合仿真分析及工程實踐經(jīng)驗，從理論分析提出小面元的定義，針對定義分別進(jìn)行數(shù)據(jù)測試與工程仿真，對小面元的優(yōu)勢及對紅外整機的成像影響進(jìn)行分析，最終得到經(jīng)驗公式，希望對小面元整機設(shè)計提供指導(dǎo)思路。

然而，本文的數(shù)據(jù)樣本收集相對單一，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)原及計算成像等方法上尋求進(jìn)一步突破。

審核編輯：劉清