基于人眼安全激光的SWIR選通成像技術研究

宋巖峰，孫衛(wèi)平，張西京，劉 灝，馬恩財

(中國兵器工業(yè)第203研究所，陜西西安710065)

1 引言

短波紅外(SWIR)成像由于可以提供可見光成像、微光夜視和紅外熱成像等常規(guī)方式所不能提供的特有目標圖像信息，在填補微光夜視和中波紅外成像之間的光譜空缺，實現(xiàn)在三個大氣紅外傳輸窗口的“無縫隙探測”，獲取遠距離目標的全面紅外圖像信息等方面有著重要意義［1］。

與可見光成像相似，被動SWIR成像利用的是目標的反射光而不是目標的熱輻射。在夜間，由于目標反射光在SWIR波段的減弱，對遠距離目標進行探測和識別就變得非常困難，故被動SWIR成像并不具備全天候工作的能力?；谌搜郯踩す獾腟WIR選通成像系統(tǒng)，采用工作波長在人眼安全波段的短脈沖激光作為主動照明光源，具有高速選通功能的SWIR焦平面相機作為成像接收單元，解決SWIR成像系統(tǒng)的全天候工作問題。與可見光和近紅外激光輻射相比，人眼安全激光具有對人眼安全、大氣傳輸性能好、對霧霾和戰(zhàn)場煙霧有較強穿透能力、太陽光譜輻照度低和有一定的光電對抗能力等優(yōu)勢;相對紅外熱成像系統(tǒng)，在相同口徑條件下，SWIR成像系統(tǒng)的分辨率更高，能夠提供更多的目標細節(jié)信息;通過選通成像的方法，可以消除位于選通距離之外的背景干擾，將目標從復雜背景中提取出來，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。因此，基于人眼安全激光的SWIR選通成像技術在復雜環(huán)境條件下對遠距離目標的全天候偵察、精密跟蹤和目標識別等領域具有廣闊的應用前景［2－3］。

2 基本原理

基于人眼安全激光的SWIR選通成像系統(tǒng)，通常采用工作波長為1.5 μm的高能量脈沖激光器作為照射光源，對目標區(qū)域發(fā)射激光脈沖進行照射;采用SWIR高速選通相機作為成像接收設備，在極短的時間內(nèi)完成快門的開啟和關閉工作;通過高精度的延時同步控制技術，嚴格控制激光脈沖的發(fā)射和選通相機快門開啟成像之間的時間延遲，使得需要觀察目標場景反射回來的脈沖信號剛好在相機選通工作的時間內(nèi)到達相機并成像，從而將不同距離上的散射光和目標的場景反射光分開，獲得目標區(qū)域的清晰圖像。圖1給出的是基于人眼安全激光的SWIR選通成像系統(tǒng)穿透煙霧對一定距離處坦克目標進行成像的原理圖［4］。

圖1 SWIR選通成像系統(tǒng)原理圖Fig.1 SWIR range gated active imaging principle

3 SWIR選通相機及系統(tǒng)

相對于傳統(tǒng)的被動熱成像系統(tǒng)，激光照明選通成像系統(tǒng)接收探測器的靈敏度要高100倍以上，響應時間則要縮短10000倍以上。原因是選通成像系統(tǒng)對其距離分辨率有著較高的要求，對應著很窄的選通門寬，而選通門寬則由探測器讀出電路的頻帶寬度所決定。假設系統(tǒng)的距離分辨率為10 m，那么要求探測器的選通門限寬度約為66 ns，頻帶寬則大約為50～100 MHz;不僅如此，由于人眼安全激光的效率非常低，很難獲取高重頻、高能量的激光脈沖，這就對接收成像探測器的靈敏度提出了更高的要求，通常要求其等效噪聲不大于10個光子，信噪比SNR不小于5～10(輸入信號為100～200光子/脈沖/像素時)。從目前來看，適合人眼安全激光的SWIR選通成像焦平面探測器主要有三種，即HgCdTe APD FPA、InGaAs/InP TE EBCMOS和 In-GaAs FPA［5］。

3.1 InGaAs FPA選通相機及系統(tǒng)

InGaAs材料在被應用到成像系統(tǒng)中之前，已經(jīng)被廣泛應用在1.55 μm高速通信設備中，其較高的技術成熟度以及在0.7～1.7 μm光譜范圍內(nèi)較高的量子效率，使得InGaAs焦平面陣列探測器成為SWIR成像系統(tǒng)的可靠選擇器件。從實際應用情況來看，InGaAs焦平面陣列在1.5～1.6 μm處的量子效率可以達到70% ～80%，響應率可以達到1A/W。InGaAs材料具有很好的材料穩(wěn)定性，采用成熟的MBE和MOVCD生長方法，可以獲得大面積高質(zhì)量的外延材料。在室溫和近室溫的工作條件下，In-GaAs材料芯片的各個性能參數(shù)均高出HgCdTe一到兩個量級，對應同一截止波長，其品質(zhì)因子比HgCdTe也高出一到兩個量級。但是，InGaAs FPA雪崩模式下材料增益能力差，相對其他有雪崩增益的探測器，其信噪比要低3～6倍。然而，InGaAs分離吸收電荷倍增異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)(SACM)允許在吸收和倍增層之間插入P參雜，通過調(diào)節(jié)電荷層分配電場，可以獲取約20倍的增益以及4～7的低溢出噪聲因子;通過I2E結(jié)構(gòu)可進一步降低噪聲，其溢出噪聲因子可到3.5。因此，InGaAs/InAlAs FPA仍然非常有競爭力。

在實際應用中，2003年Sensors Unlimited獲得開發(fā)第一個全固態(tài)SWIR InGaAs選通相機的合同，主要參數(shù)如下:像素數(shù)320×256，光譜范圍0.9～1.7 μm，選通門寬要求小于 200ns。2005年，Sensors Unlimited對該相機進行了報道，通過其設計的電容跨阻抗放大器CTIA讀出電路，該相機不僅可以實現(xiàn)門寬小于200ns的選通成像，同時也允許積分時間大于16 ms的凝視視頻成像。2006年，Sensors Unlimited報道了像素數(shù)為640×512的選通InGaAs FPA相機，光譜范圍0.9～1.7 μm，25 μm的像元間距。相機同樣采用了CTIA讀出電路，像素時鐘10.89 MHz，時鐘周期為91 ns，門寬為5個時鐘周期，即455 ns，對應的距離分辨率為68 m，通過控制延時得到幾百米處不同選通距離內(nèi)的目標圖像，試驗圖像如圖2所示［6］。試驗激光光源輸出激光波長為1.57 μm，能量8 mJ，脈沖寬度5 ns。

圖2 InGaAs FPA不同選通距離內(nèi)的目標圖像Fig.2 A sketch of the area used for the range-gated field test surrounded by a sequence of images taken during the field test

比利時Xenics作為一家知名的紅外探測器生產(chǎn)廠家，其在2012年推出的Bobcat-320-gated緊湊型非制冷InGaAs相機，其光譜范圍0.9～1.7 μm，最小曝光時間80 ns，20 μm像元間距，分辨率320×256，相機如圖3所示。

2010年，意大利報道的激光主動成像系統(tǒng)ATI(Active Laser Imaging)，采用工作波長在1.5 μm的人眼安全脈沖激光作為照射光源，輸出激光脈沖能量5 mJ，重復頻率5 Hz，脈沖寬度9 ns;采用InGaAs FPA相機作為探測接收設備，相機最小門寬500 ns，對應的距離分辨率75 m，像素數(shù)為640×512。成功實現(xiàn)了對5 km外人的識別，他們認為通過進一步提高激光光源的輸出能量以及接收系統(tǒng)的鏡頭口徑，識別距離可以進一步提高，從而達到 10 km［7］。

圖3 Bobcat-320-gated非制冷相機Fig.3 Bobcat-320-Gated uncooled InGaAs camera

3.2 InGaAs/InP TE EBCMOS選通相機及系統(tǒng)

InGaAs/InP TE EBCMOS是第一個投入商業(yè)應用的距離選通主動成像探測器。探測器為管狀結(jié)構(gòu)，耦合了InGaAs/InP TE光電陰極探測器和背照CMOS探測器。通過高電壓電子管產(chǎn)生超過200的準雪崩增益，而且增益過程無噪聲。溢出噪聲因子低于1.1，這點甚至比HgCdTe APD更好。這種探測器的主要缺點是量子效率相對較低，通常不超過30%。

美國INTEVAC公司專門研制工作在SWIR波段的高速選通相機，如LIVAR M506型SWIR距離選通相機。該相機采用TE-EBCMOS InGaAs探測器，像素數(shù)1280H×1024V，分辨率為640×480(2×2 的像素合并)，像元尺寸13.4 μm ×13.4 μm(2 ×2的像素合并)，響應波長范圍為950～1650 nm，1.55 μm波長處量子效率大于 20%，暗電流約1e/μs/pixel，選通門寬最小可達70ns。圖4給出了2 km外目標區(qū)域的紅外熱圖像和通過LIVAR獲取的激光照明選通圖像。LIVAR M506型相機的外形如圖5所示。

圖4 2 km公里遠處的紅外熱圖像(左)和LIVAR獲取的目標識別圖像(右)Fig.4 IR image(left)and targets identified image(right)with livar at 2 km

圖5 LIVAR M506Fig.5 LIVAR M506

INTEVAC公司在其SWIR選通相機的基礎上，推出了LIVAR4000型激光照明選通成像系統(tǒng)，如圖6所示。照射光源輸出波長1.57 μm脈沖激光，脈沖能量大于10 mJ，重復頻率2 Hz，束散角1.5～15 mrad內(nèi)可調(diào);選通相機像素數(shù)為640×480，像元尺寸 12 μm ×12 μm，選通門寬最小 150 ns，分辨率大于28 lp/mm，信噪比大于5。

圖6 LIVAR 4000Fig.6 LIVAR 4000

瑞典FOI在激光照明選通成像系統(tǒng)的研究非常深入，其采用INTEVAC公司的SWIR選通相機作為接收成像設備，搭建了1.5 μm人眼安全激光照明跟蹤成像系統(tǒng)，如圖7所示。系統(tǒng)安裝在一個隨動平臺上，采用LWIR熱成像系統(tǒng)作為探測跟蹤設備，1.5 μm人眼安全激光器作為照射光源，輸出的激光脈沖能量約20 mJ，重復頻率10 Hz，脈沖寬度約20 ns，發(fā)散角約5.5 mrad，成功完成了對遠距離飛行目標的跟蹤和選通成像工作，如圖8所示。

圖7 FOI的1.5μm激光照明選通跟蹤成像系統(tǒng)Fig.7 1.5μm laser illuminating gated imaging system of FOI

圖8 飛行目標的熱跟蹤圖像(左)和距離選通圖像(右)Fig.8 Left tracking with a high resolution IR camera and right a gated image of the tracked aircraft

3.3 HgCdTe APD FPA選通相機及系統(tǒng)

HgCdTe APD器件有著特有的單載流子工作機制，這也決定了其具有極低的噪聲;HgCdTe材料的高效光學吸收和高碰撞電離率，決定著這種器件具有非常高的雪崩增益;器件在單電子工作下具有極高的響應速度。試驗表明，當噪聲因數(shù)小于1.3時，器件增益可以高達5300以上;HgCdTe材料在1.5～1.6 μm波長范圍內(nèi)具有75%以上的量子效率，這與InGaAs基本相當;HgCdTe材料像素間距較小，適合制造大面陣的SWIR焦平面器件，非選通HgCdTe APD FPA像素數(shù)已經(jīng)達到2048×2048。以上諸多優(yōu)點，使得HgCdTe APD具有了下一代SWIR選通成像焦平面探測器陣列(FPA)所要求的高靈敏度、高增益、高帶寬、低噪聲因數(shù)、高分辨率和極高響應速度等諸多理想特性。同時，同一個HgCdTe APD器件，通過加不同的工作偏壓，可在APD工作模式和紅外焦平面探測器模式之間切換，從而形成主動SWIR和被動MWIR雙模探測系統(tǒng)，這是目前國際上的研究熱點。HgCdTe APD FPA的主要缺點是其工作時需要制冷，品質(zhì)因子隨著溫度升高而降低，成本相對較高［8］。

2004年，英國的SELEX公司采用1.57 μm激光器和320×256的HgCdTe FPA選通相機研制了用于遠距離目標的識別的SWIR選通成像系統(tǒng)，可對10 km距離的目標進行主動成像。激光器采用Nd∶YAG激光器，通過OPO轉(zhuǎn)換輸出1571 nm激光，脈沖寬度 20 ns，重復頻率 15 Hz。探測器(SWIFT)增益可以達到100以上，其靈敏度可以達到10個光子，等效噪聲不大于10個，有著很小的溢出噪聲。相機選通門寬可以到50 ns，距離選通相機的距離分辨率為9 m［9］。現(xiàn)在，SELEX采用高能量的激光光源和高性能選通HgCdTe FPA相機組成先進的機載激光雷達BIL(BURST ILLUMINATION LADAR)系統(tǒng)，獲取目標的2D和3D圖像。采用26 μm像元間隔的HgCdTe APD FPA制冷探測器，增益可達800以上，可在被動MWIR/3～5 μm和主動SWIR/1.57 μm雙模式下工作，其獲得的圖像如圖 9 所示［10］。

圖9 BIL獲得的MWIR(左)和SWIR選通圖像(右)Fig.9 MWIR image(left)and gated SWIR image(right)with BIL

3.4 分析比較

單就探測器的綜合性能來看，HgCdTe APD FPA由于具有較高的靈敏度、高增益、高帶寬、低噪聲因數(shù)、高分辨率和極高響應速度，從而很好地滿足了選通成像系統(tǒng)的要求;InGaAs/InP TE EBCMOS作為另一種較好的解決方案，探測器具有較高的增益和靈敏度，但是其量子效率相對較低;InGaAs FPA的工藝簡單，具有更高的成本優(yōu)勢，更重要的是其工作過程不需要制冷。但是，從激光照明選通成像系統(tǒng)來看，InGaAs FPA相對較低的靈敏度和信噪比，則要通過提高照明激光光源的性能要求來進行補償，從而抵消了探測器的成本優(yōu)勢。因此，在選通成像系統(tǒng)探測器的選擇上，需要綜合系統(tǒng)總體技術指標、激光光源的技術指標以及系統(tǒng)總體成本等多種因素。例如，2005年，SELEX公司開發(fā)的LCTS(Low Cost Targeting System)低成本目標探測跟蹤系統(tǒng)，其中的SWIR選通成像相機采用的是Intevac公司的InGaAs/InP TE EBCMOS 探測器［11］;然而，在其開發(fā)的BIL系統(tǒng)中，采用的是HgCdTe FPA選通探測器(見3.3節(jié))。

4 結(jié)束語

基于人眼安全激光的SWIR選通成像技術是最具潛力的復雜背景下遠距離目標的全天候探測和識別模式，非常適合激光成像雷達、制導和引信等武器系統(tǒng)的應用，在填補微光夜視和中波紅外成像之間的光譜空缺，獲取遠距離目標的全面紅外圖像信息等方面有著重要意義。美國、英國、德國、瑞典和法國等軍事強國都非常重視SWIR波段選通相機和系統(tǒng)的開發(fā)，而且已經(jīng)研制出了不少樣機和裝備。在國內(nèi)，雖然也有不少單位在開展研究，但是尚有多項關鍵技術未突破，能夠成功工程化應用的產(chǎn)品還很少。因此，我國應加快SWIR波段選通相機和裝備的研制和開發(fā)，積極開展人眼安全激光的SWIR選通成像技術研究，這對我國的軍用和民用紅外事業(yè)都具有非常重要的戰(zhàn)略意義。

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