红外运动探测器

现有国产非制冷红外探测器多采用挡板校正进行非均匀性校正，影响了红外探测器的观测效果与目标搜跟。近期，湖北久之洋红外系统股份有限公司的科研团队在《光学与光电技术》期刊上发表了以“国产非制冷红外探测器新型场景校正方法”为主题的文章。该文章第一作者为刘品伟，主要从事红外技术方面的研究工作。本文提出了基于国产非制冷红外探测器的新型场景校正方法。该方法包含两部分：第一部分是基于高频非均匀性的场景校正；第二部分是基于低频非均匀性的场景校正。通过对不同频域非均匀性分别进行处理来去除探测器响应的非均匀性。国产非制冷红外探测器非均匀性分析国产非制冷红外探测器工作过程中，探测器的状态参数会产生缓变，从而导致图像非均匀性的变化。图1所示是以黑体为目标的具有较强非均匀性的非制冷红外图像。图1 具有较强非均匀性的非制冷红外图像非均匀性包括低频非均匀性与高频非均匀性两部分。低频非均匀性表现为全局灰度分布不均匀，在图像中表现为平缓的明暗变化，如图像四周与中心灰度值差别大，如图2所示。低频非均匀性主要是由探测器及镜头不同位置温度变化不均匀引起的。高频非均匀性表现为局部区域灰度值剧烈变化，在图像中表现为亮暗点或条纹。高频非均匀性主要是探测器的响应不均匀引起的，如图3所示。图2 低频非均匀性的三维显示图3 9×9邻域内高频非均匀性的三维显示传统的场景校正方式很少涉及对低频非均匀性的消除，而对高频非均匀性的消除容易产生“鬼影“等副作用，同时消除低频与高频非均匀性才能真正提高图像质量。因此，本文将针对高频与低频非均匀性，采用不同的场景校正方法处理。基于高频非均匀性的场景校正国产非制冷红外探测器在工作过程中，随着探测器整体温度的变化，由于探测器响应的不均匀性，会出现较强的高频非均匀性，具体在图像上表现为散粒及细条纹，如图4所示。图4 高频非均匀性的不同类型目前常用的场景校正算法有恒定统计法、时域高通滤波法、神经网络校正算法、基于图像配准的校正算法等。这些算法能够在一定程度上根据场景的信息自适应地补偿热像仪的增益和偏置的漂移，但是在实际使用过程中，这类算法存在各种各样的使用限制条件。以传统的神经网络场景校正算法为例，该算法要求场景信息不断变化，否则会造成图像退化或者模糊，并且如果图像中存在较强边缘信息，该算法容易导致图像出现“鬼影”现象，严重影响图像质量。对此，提出了一种基于神经网络的新型场景校正算法来消除图像退化和“鬼影”现象。首先分析图像退化与“鬼影”现象产生的原因。当原始图像中存在较强的边缘信息时，低通滤波会使边缘信息产生损失，预测图像会产生模糊失真现象。若场景保持静止不动，随着场景校正参数的不断更新，图像就会逐渐退化失真；若场景长期静止后开始运动，图像就会包含静止图像中损失的边缘信息，也就是“鬼影”现象，如图5所示。图5 传统场景校正算法产生的“鬼影”现象为了解决传统场景校正算法存在的问题，提出了一种基于中值滤波=2。同时采用时空联合阈值作为校正判断条件，选择更新系数与校正区域。时空联合阈值分为两个阈值条件：时域连续运动条件与空域邻域均匀性条件。针对高频非均匀性的场景校正算法流程图如图6所示。的自适应场景校正算法。由于高频非均匀性中包含大量的散粒非均匀性，同时为了更好地保留图像的边缘信息，该算法采用中值滤波作为滤波器，中值滤波半径r。图6 高频非均匀性场景校正算法流程图分别用此算法与传统神经网络场景校正算法对原始图像进行处理，比较两种算法是否具有“鬼影”现象。将热像仪静止工作500帧后，观察两种方法处理后的运动图像。可以看到，该算法基本没有“鬼影”现象，而传统算法“鬼影”现象严重。因此，该算法能够有效地抑制“鬼影”现象。图7 本文方法与传统神经网络“鬼影”现象比较基于低频非均匀性的场景校正高频非均匀性去除后，图像仍残留有大量的低频非均匀性。低频非均匀性在非制冷探测器开始工作时较弱，随着探测器及镜头温度的变化，图像的低频非均匀性会逐渐增加，在图像上表现为四角与中心灰度值差别较大。如图8所示，可以看到，图像灰度分布不均匀，四周有明显的光圈，影响图像观感与图像质量。图8 低频非均匀性对图像的影响这里提出了一种基于时空联合低频滤波的场景校正方法，通过在时域和空域同时进行低通滤波，分离出图像的固定低频非均匀性并进行去除。由于探测器输出图像的低频非均匀性在短时间内位置保持不变，当图像产生运动时，可以通过时域低频滤波对低频非均匀性进行分离去除，因此首先需要判断场景是否处于运动中。这里仍采用上节提到的连续运动条件来判断场景是否处于连续运动中。当场景处于连续运动时，采用基于自适应时间常数的时域低频滤波来筛选图像的低频信息。时域滤波结果包含低频非均匀性与部分边缘细节信息，因此还需要对在空域上进行低通滤波，以消除存在的边缘信息细节，达到获取低频非均匀性的目的。采用均值滤波进行空域的低通滤波。为了验证此场景校正算法的效果，对仅处理高频非均匀性的图像与高频低频非均匀性均处理的图像进行比较，如图9所示。可以看到，此算法对低频非均匀性有良好的处理效果，能够有效地减少图像四周与中央灰度差异较大的问题。图9 运动200帧后是否处理低频非均匀性图像对比为进一步验证此场景校正算法的效果，使用两台相同规格的红外机芯，第一台仅对高频非均匀性进行处理，第二台对高频低频非均匀性都进行处理，均在运动条件下连续工作1 h后，对同一温度黑体成像，计算其图像非均匀性。结果表明，仅处理高频非均匀性的图像非均匀性为2.3%，而对高频低频非均匀性都进行处理的图像非均匀性为0.5%，该算法有利于提高输出图像的均匀性。算法总体流程及效果图本文算法首先通过连续运动条件判断场景是否处于连续运动中，若处于运动过程则分别更新高频与低频非均匀性处理模块校正参数，然后进行非均匀性校正；否则直接进行非均匀性校正，整体流程如图10所示，最终效果如图11所示。图10 本文算法流程图图11 最终校正输出结果结论本文提出了一种基于非制冷红外探测器的新型场景校正方法。首先通过改进的神经网络场景校正方法滤除高频非均匀性，在此基础上通过时空联合的低频滤波去除低频非均匀性，得到最终校正结果。该方法具有良好的校正效果，并且能够有效地抑制“鬼影”现象，有利于非制冷红外探测器的推广应用。

p　　最新研究报告显示，2010年红外探测器市场预计为4.98亿美元，2025年该市场将增长到6.83亿美元，预测期内，预计年复合增长率为6.5%。/pp style="text-align: center"img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202002/uepic/2b91041c-33ec-403e-8d1c-457ccbbd1166.jpg" title="ir-detector-market3.jpg" alt="ir-detector-market3.jpg"//pp　　非工业垂直领域对红外探测器的高度需求，特别是人与运动传感、温度测量、安全和监测应用等方面，是推动红外探测器市场发展的关键因素。另外，红外技术在气体分析和火灾探测方面的不断渗透，以及非制冷红外探测器的高度普及，也是影响红外探测器市场增长的积极因素。/pp　　根据波长，红外探测器市场按可以为分近红外(NIR)、短波红外(SWIR)、中波红外(MWIR)、长波红外(LWIR)。军事和国防垂直领域对LWIR产品的高需求是导致LWIR探测器在市场上占据主导地位的主要因素之一。此外，LWIR探测器也已广泛应用于民用和商用、航空航天、汽车、食品饮料和医疗保健等行业。上述行业对这些探测器的高需求主要是由于它们比大多数MWIR和SWIR探测器的成本更低。/pp　　在预测期内，非工业垂直领域将占据最大的市场份额，并且复合年增长率也最高。军事和国防以及民用和商业是非工业垂直领域的主要部分，对红外探测器的需求最高。/pp style="text-align: center"img style="max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 240px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202002/uepic/5bfc13f8-1da6-44a6-b66f-c981ceaf5c8c.jpg" title="ir-detector-market4.jpg" alt="ir-detector-market4.jpg" width="600" height="240" border="0" vspace="0"//pp　　在预测期内，北美预计将占据最大的市场份额。人与运动传感、温度测量、安全与监测是该地区红外探测器的主要应用领域。在上述应用中，军事及安防，以及民用和商用是红外探测器的主要需求来源。几家提供红外探测器的公司在这一地区都有业务，这进一步促进了北美市场的增长。/pp　　红外探测器市场的主要供应商包括：Excelitas Technologies(美国)、Nippon Ceramic (日本)、Hamamatsu Photonics (日本)、Murata Manufacturing (日本)和FLIR Systems (美国)等。/ppbr//p

为了进一步提高红外变焦光学系统的性能，兼顾其空间分辨率和灵敏度的要求，基于可变冷光阑技术的制冷型变F数红外探测器需求迫切。相较于传统的红外变焦光学系统，变F数红外变焦光学系统可在大视场和小视场切换时保持分辨率和灵敏度的平衡，提高光学系统的孔径利用率，进而缩小光学系统的径向尺寸，有利于红外光学系统成像质量的提升和小型化设计。昆明物理研究所科研团队对变F数与变焦之间的关系进行研究，概述了国内外在可变冷光阑红外探测器技术领域的研究进展，并对主流技术路线的关键技术难点进行了分析。相关研究内容以“可变冷光阑红外探测器研究进展和关键技术分析”为题发表在《红外技术》期刊上。变焦和变F数的关系变焦光学系统的理论依据：光学系统的焦距是一项重要的设计指标，其关系到系统的视场角、空间分辨率等关键性能。变F数与变焦的关系：为了理清变焦与变F数的关系，首先对传统的红外变焦系统进行分析。传统变焦系统中，探测器的F数是固定不变的，而光学系统（为方便讨论，将冷屏作为光学系统的一部分）的F数则分以下几种情况：① 假设系统在最长焦距时入瞳尺寸与物镜尺寸相等：该种情况下，光学系统的F数由最长焦距和物镜尺寸的比值决定，此时冷屏开口即为系统的孔径光阑。在系统由最长焦距切换到短焦状态时，孔径光阑及其尺寸均保持不变，入瞳由原来占满整个物镜逐步等比例缩小。由F数的公式可知，此时光学系统的F数保持不变。如图1所示，探测器的F数固定不变，为F/3，在长焦窄视场时，通光孔径被完全利用，见图中浅蓝色部分；当系统切换至短焦大视场状态时，通光孔径大幅减小，见图1中深蓝色部分。图1 传统变焦红外光学系统的孔径利用率示意图② 假设系统在最短焦距时入瞳尺寸与物镜尺寸相等：该种情况下，系统的F数由最短焦距和物镜尺寸的比值决定。在系统由短焦向长焦切换时，由于物镜尺寸固定，孔径光阑不再是冷屏开口，物镜边框成为了新的孔径光阑，也就是说此时虽然焦距在变大，但是入瞳直径保持不变，使得光学系统的F数逐步增加，并大于探测器的F数，造成冷屏效率的下降。如图2所示，光学系统的F数为F/6，探测器的F数为F/3，光学系统的F数大于探测器，光学系统自身产生的红外辐射大量的进入焦平面，大幅增加系统的NETD，干扰成像。图2 25%冷屏效率系统的辐射示意图实际的变焦光学系统设计时，往往是上述两种情况的平衡，通常不会只考虑某一个状态的性能。而对于变F数光学系统来说，在设计时保证系统在各个焦距下的孔径光阑均为探测器冷光阑，则当系统由长焦变换到短焦时，通过等比例增大冷光阑尺寸，可保证入瞳尺寸保持不变，通光孔径被充分利用，如图3所示。图3 变F数红外光学系统的孔径利用率示意图当系统由短焦变为长焦时，变F数光学系统可以通过等比例减小探测器冷光阑开口尺寸，使得探测器的F数变大，从而保持100%的冷屏效率，避免系统自身的杂散辐射进入焦平面，如图4所示。图4 100%冷屏效率系统的辐射示意图变焦光学系统可兼顾大视场搜索目标和极小视场识别目标的需求，但是由于探测器的F数固定不变，因此要么不能充分利用通光孔径，要么引入大量杂散辐射，不能达到最佳的成像质量。而变F数光学系统则可以很好地解决上述问题。因此理论上，凡是红外变焦光学系统应用的场合，变F数光学系统均可应用，具有广泛的应用前景。可变冷光阑红外探测器的研究进展可变冷光阑的优势可变冷光阑红外探测器技术是目前实现变F数红外系统的重要技术路线。相对于温阑来说，其具有以下几个优势：F数调节范围大且可连续调节。为了解决温阑自身及反射的杂散辐射对成像的影响问题，通常做成球面温阑，这使得F数调节范围小，通常只有两个F数可以选择，或者只能在某两个接近的F数之间进行调节，而可变冷光阑红外探测器可实现系统F数的连续可调，且调节范围较大。可降低系统的复杂度。在传统变焦光学系统中增加温阑设计，将大幅增加光学系统的复杂度和成本。而采用可变冷光阑红外探测器，只需针对探测器杜瓦封装结构进行设计和装配，可大幅降低系统的复杂度。可提升系统的灵敏度。长春光机所的常松涛等人研究了球面温阑对中波640×512（15 μm）红外探测器的NETD的影响，假设球面温阑的温度为20℃，球面温阑的发射率为0.01，当温阑发生0.5℃的温度变化时，温阑引入的NETD达到3.6 mK，虽然引入的NETD很小，但也接近目前探测器本身的NETD。而采用可变冷光阑探测器的方法，引入的NETD可进一步降低。可变冷光阑红外探测器的研究进展国外研究进展：美国弹道导弹防御局（BMDO）在2000年为高空观测系统（HALO）进行更新时设计了一个双波段红外分光系统。如图5所示，该系统在中波和长波的焦平面前端分别设置滤光片转盘，每个转盘上可放置5片不同带通的滤光片以及一片用于背景测试的空白片。美国OKSI公司的Nahum Gat等人先后开发了两套中继光学系统，如图6所示。2013年Nahum Gat等人提出了与杜瓦集成封装的内置式可变冷光阑结构，该结构相较于外置可变冷光阑结构来说结构紧凑，如图7所示。2014年，雷神公司的Jeffrey和Eric等人在Nahum Gat的基础上改进了刀片虹膜式的可变冷光阑结构，其结构示意图如图8所示。雷神公司的第三代前视红外系统是可变冷光阑探测器技术的集大成者。其冷光阑结构如图9所示。此外，雷神公司将中长双波段探测器芯片、双F数可变冷光阑、制冷机、制冷机驱动电路、成像控制电路、冷光阑控制电路等均集成为一个前视红外系统，该系统的体积和重量相对于第二代长波标准先进杜瓦组件（SADA Ⅱ）来说反而更小。包含中长双波段探测器芯片、双F数可变冷光阑、制冷机、成像控制电路、冷光控制电路等均在内的第三代前视红外系统的组成以及实物如图10所示。图5 HALO的双色红外系统图6 带可变冷光阑的真空密封结构和外置可变光阑与滤光片转盘的集成结构图7 刀片虹膜式可变冷光阑图8 双稳态螺线管驱动的可变冷光阑示意图图9 雷神公司可变冷光阑杜瓦俯视图图10 第三代前视红外系统的主要组成部件及系统的实物图国内研究进展：国内对基于可变冷光阑的变F数红外探测器研究较少。上海技物所于2001年发明了一种带可变冷光阑功能的用于红外探测器芯片中测的杜瓦（如图11所示），上海技物所的可变冷光阑结构用于芯片的中测筛选，对结构的小型化以及制冷时间、制冷量的要求不高，因此不适合正式的红外探测器。2014年长春光机所发明了一种与滤光片转盘相似的可变光阑机构（如图12所示）。在光学系统设计方面，613所于2017年设计了可以匹配不同F数探测器的中波大视场光学系统；中电科11所于2022年设计了F/2和F/4可调的变F数光学系统。图11 用于中测杜瓦的可变冷光阑图12 可变式的固定光阑目前国内对于可变冷光阑红外探测器的研究较少，相关产品不够成熟；国外也只有美国雷神公司对该技术进行深入研究，目前产品已进行小批量试制。通过对国内外研究现状的对比，可以发现雷神公司采用的与杜瓦集成封装的内置式可变冷光阑是实现变F数红外探测器的可行的技术路线。该技术路线有如下几点优势：1）集成度高：针对640×480（20 μm）的芯片封装，雷神公司的探测器体积和重量甚至还略小于SADA II探测器；2）可靠性高：可变冷光阑在制冷状态下可进行1万次的开合运动，在非制冷状态下可进行10万次的开合运动；3）功耗低：由于可变冷光阑机构与杜瓦进行集成封装，无需单独为其再配备制冷机，因此功耗不大于75 W，且常温降温时间小于10 min；4）响应时间快：虽然雷神的报道中没有明确说明F数的切换时间，但是根据其使用的压电电机的特性，F数的切换时间可满足光学系统视场切换时间的要求。可变冷光阑红外探测器的关键技术采用刀片虹膜式的可变冷光阑结构，并将其与杜瓦进行集成封装，存在以下关键技术：1）可变冷光阑杜瓦的整体设计技术可变冷光阑杜瓦与传统的固定光阑杜瓦在设计上有很大的不同，需从整体设计上来保证功能的实现。主要需考虑整体结构设计、光阑片的设计、驱动方式的选择、结构的温度控制、整体装配集成、小型化以及可靠性等多方面的技术。2）可变冷光阑精密装配技术可变冷光阑涉及到光阑片的精密装调、驱动电机的隔热装配以及整体结构的精密封装等装配步骤，由于其结构比传统冷屏结构复杂得多，且存在运动部件，其装配更加困难。而光阑片的装配精度关系到运动机构的长期可靠性以及运动过程中的摩擦力，同时影响驱动功率的大小；而驱动电机的装配精度关系到光阑片的受力均匀性以及温控效果；整体结构的装配精度关系到成像的质量。因此需从设计和工艺等多方面进行综合考虑，保证其装配精度及长期可靠性。3）微型电机设计和制造技术对于可变冷光阑来说，压电陶瓷电机是一种比较适合的驱动方式。压电陶瓷电机单位体积下的力矩较大，没有电磁干扰，具有断电自锁功能。一方面，为了缩小可变冷光阑红外探测器的体积，压电陶瓷电机的体积必须很小，另一方面，光阑片的运动阻力要求压电电机的力矩不能过小。因此需通过电机结构设计优化、高性能压电陶瓷的制造、电机制造工艺的改进等多个方面实现小型化大力矩电机的研制，将杜瓦的体积控制在可接受的范围内。4）杜瓦热固耦合设计技术可变冷光阑由于引入了复杂的运动机构，冷头热质量大幅增加，因此，需从结构设计以及材料选择等多方面进行研究和考虑，减小杜瓦热质量，解决快速制冷的问题。此外，可变冷光阑通过电机与杜瓦外壳热连接，需通过结构设计减小杜瓦的漏热。最后，光阑片之间通过叠加的方式互相贴合，热阻很大，需减小光阑片之间以及光阑片与冷屏之间的热阻，从而使光阑片温度降低至不影响焦平面成像的水平。5）可变冷光阑运动控制技术探测器的F数由冷光阑的开口尺寸决定，因此需精确控制冷光阑的运动，从而精确控制探测器的F数。压电陶瓷电机具有断电自锁的功能，即电机断电后可变冷光阑将立即停止运动，停在断电瞬间的位置，因此在控制方面只需要考虑可变冷光阑运动的反馈问题即可，这关键在于选择合适的小型化位置传感器，并结合可变冷光阑的结构设计，将传感器安装固定在合适的位置。6）光阑片表面镀膜技术光阑片表面需进行镀膜处理，膜层需满足摩擦系数小、耐磨以及反射率低3个条件。摩擦系数小可以减小光阑片之间的摩擦力，减小压电电机的力矩需求，有利于电机的小型化；耐磨性高则有利于可变冷光阑机构的可靠性，防止出现膜层脱落干扰成像的现象；反射率低则可以防止芯片的冷反射。结论这项研究从变焦和变F数的关系出发，阐述了变F数光学系统的优势。与传统的变焦光学系统相比，具有可变F数功能的变焦光学系统可兼顾系统的空间分辨率和灵敏度需求，提高系统的孔径利用率，有利于成像质量的提升和系统的小型化。对可变冷光阑的研究进展进行了分析，发现雷神公司的内置刀片虹膜式可变冷光阑是可行性高、性能优异的技术路线，并对该技术路线的关键技术进行了详细分析。对可变冷光阑红外探测器的研究和应用提供了参考。论文信息：http://hwjs.nvir.cn/cn/article/id/7222d189-ab24-490d-9bd9-98f665c31ed1