向短波紅外延伸的微光夜視技術(shù)及其應(yīng)用

郭 暉，彭岔霞，焦崗成，黃建民

（1.微光夜視技術(shù)重點實驗室，陜西 西安710065；（2.北方夜視科技集團(tuán)有限公司，云南 昆明650223）

1 向短波紅外延伸的微光探測技術(shù)

對目標(biāo)進(jìn)行探測與識別，繼而實施精確打擊，始終是戰(zhàn)場上敵我雙方努力追求的結(jié)果，夜視技術(shù)在高新技術(shù)戰(zhàn)爭尤其是夜戰(zhàn)中的運用，則是決定戰(zhàn)爭勝敗的決定性因素。

夜視技術(shù)主要包含微光技術(shù)和紅外技術(shù)。對于在微弱的可見光下目標(biāo)的探測，通常采用微光夜視技術(shù)。微光夜視技術(shù)是利用夜天自然光的反射輻射，使微弱照度下的目標(biāo)亮度增強(qiáng)，從而成為人眼可見的目標(biāo)圖像，所用核心器件是微光像增強(qiáng)器，其特點是功耗低、便攜性好且視場分辨率高。目前應(yīng)用最廣泛的微光器件是采用GaAs光電陰極的三代、四代微光像增強(qiáng)器，以及采用多堿陰極的一代、二代、超二代微光像增強(qiáng)器，其光譜響應(yīng)范圍為0.4μm～0.9μm。

在中波紅外和長波紅外波段，光電探測通常采用紅外夜視技術(shù)。紅外夜視技術(shù)是利用場景中物體本身的熱輻射，將作為熱輻射源的景物轉(zhuǎn)換成為人眼可見的目標(biāo)圖像，紅外探測的核心器件是紅外探測器，其整機(jī)設(shè)備為各種規(guī)格的熱像儀，主要特點有：觀測距離遠(yuǎn)，不受夜間氣象環(huán)境影響，可全天候使用等。目前應(yīng)用最廣泛的紅外探測器是中波、長波HgCdTe焦平面探測器。紅外夜視技術(shù)的探測波段主要是針對3μm～5μm和8μm～14μm 2個大氣窗口。從可見光到長波紅外的大氣傳輸特性如圖1所示。

圖1 大氣窗口Fig.1 Atmospheric window

從圖1中可以看出，短波紅外位于可見光與中紅外波段之間，同時又恰好處于大氣透射窗口之中，其間的大氣傳輸性能良好（如圖2所示）。在0.9μm～1.1μm、1.15μm～1.3μm、1.4μm～1.8μm短波紅外的透過率高達(dá)80%以上，非常有利于對短波紅外目標(biāo)的反射或輻射探測。

圖2 大氣傳輸特性曲線Fig.2 Characteristics curve of atmospheric transmission

另外，夜天光輻射波段主要分布在可見光與短波紅外范圍，如圖3所示。并且，在完全無月光的條件下，夜空輻射在1.0μm～2.0μm的范圍內(nèi)將達(dá)到峰值，對于50%晴朗月光的夜間，從0.5μm～1μm波段包括近紅外輻射范圍的輻射強(qiáng)度都有所增加。因此，有必要研究從可見光到短波紅外的寬光譜夜間成像技術(shù)，以便最大限度地利用夜天光的能量。

像增強(qiáng)器的主要優(yōu)點是體積小、質(zhì)量輕、功耗低、時間響應(yīng)快，國內(nèi)外均已大量裝備，在直升機(jī)和車輛的頭盔夜間駕駛儀、輕武器的夜間觀瞄、單兵偵察等方面用途已有廣泛應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上，開展從可見光到短波紅外延伸的寬光譜微光像增強(qiáng)器技術(shù)研究十分必要并且可行。此外，利用與中長波紅外焦平面探測器相同的制作方法，采用CMOS讀出電路進(jìn)行信號數(shù)據(jù)的放大與處理，還可以制作短波紅外延伸的全固態(tài)微光器件，使其具有數(shù)字化讀出和存貯的功能，方便圖像的傳遞、處理與分析，可以豐富微光器件的品種，進(jìn)一步拓寬微光器件的應(yīng)用范圍。

圖3 晴朗星空、晴間多云星空條件下夜空的光譜輻射通量曲線Fig.3 Spectral radiant flux curve of sunny sky

2 現(xiàn)有像增強(qiáng)器短波紅外波段探測效率對比分析

系統(tǒng)獲得目標(biāo)信息的大小取決于像增強(qiáng)器光陰極的響應(yīng)度。響應(yīng)度包含2個方面：一是像增強(qiáng)器光陰極的光靈敏度；二是光陰極的光譜響應(yīng)與夜天空輻射光譜的匹配程度。由于無月夜空的自然微光光譜從0.3μm～1.3μm是急劇上升的［1］，因此，要求光陰極的長波響應(yīng)向近紅外甚至短波紅外延伸，并且能有較高的響應(yīng)。用光陰極的輻射靈敏度表示響應(yīng)度可以表示為

式中：R為光陰極的輻射靈敏度（A／W）；Rλ為光陰極的單色輻射靈敏度（A／Wμm）；Ф為入射到光陰極面的輻射通量（W）；Фλ為單色輻射通量（W／μm）。由此，為了提高像增強(qiáng)器光陰極的響應(yīng)度，需要開展新型光陰極技術(shù)研究，提高特定波長下的光陰極單色輻射靈敏度。

圖4示出了超二代、三代像增強(qiáng)器光陰極與夜天空輻射及某些材料的光譜特性，由圖可以看出他們之間的匹配程度。S-25與GaAs光陰極比較，后者的光譜靈敏度要高，且與夜天光匹配較好。但同時從圖中也可以看出，GaAs光陰極的光譜靈敏度在0.9μm處已近乎截止，對具有豐富夜間信息的0.9μm～1.3μm波段，仍不能發(fā)揮探測作用。

圖4 光陰極與夜天光及某些材料的光譜特性Fig.4 Spectral characteristics of photocathodes，night sky radiation and some kinds of material

InGaAs是一種三元合金半導(dǎo)體材料，以In－GaAs材料為光電陰極的像增強(qiáng)器可通過調(diào)節(jié)In組分獲得較GaAs光陰極更寬的響應(yīng)波段，從而獲得0.6μm～1.7μm的響應(yīng)，其工作波段范圍可以完全覆蓋可見光和夜天光能量。

圖5給出了截止波長為1.1μm的InGaAs短波紅外探測器光譜響應(yīng)以及量子效率［2］，作為對比，圖中同時給出了超二代及三代微光像增強(qiáng)器的光譜響應(yīng)與量子效率。從圖中可以看出，目前超二代或三代微光像增強(qiáng)器的光譜響應(yīng)在近紅外波段內(nèi)0.9μm～1.1μm的響應(yīng)率幾乎為零，而相比之下，InGaAs光陰極微光器件具有較寬的響應(yīng)波段范圍，在短波紅外波段尚有較高的量子效率，其短波紅外波段輻射靈敏度大約是普通像增強(qiáng)器的100～1 000倍，因此InGaAs光陰極微光器件也稱作短波紅外延伸像增強(qiáng)器。在夜間監(jiān)視、觀察目標(biāo)時，使用短波紅外延伸像增強(qiáng)器作為微光器材的核心器件，可以充分利用夜天光輻射能量，提高夜視器材的觀察和作用距離，并且照度越低，效果越明顯。

圖5 光電陰極的光譜響應(yīng)比較Fig.5 Comparison of spectral responses of photocathodes

此外，以InGaAs材料作為光敏面還可以制作全固態(tài)微光器件。由于InGaAs探測器可在常溫下工作，且探測性能良好，與制冷型紅外焦平面相比，在小型化、低成本、低功耗等方面也將為夜視器材帶來明顯優(yōu)勢。

目前發(fā)展的短波紅外探測器件除了InGaAs探測器，還有PbS、Si∶Pt、HgCdTe、InSb等焦平面探測器［3］，Si∶Pt器件的量子效率極低，限制了器件的靈敏度；PbS需要極低的工作溫度，比較常用的HgCdTe短波紅外探測器也需要制冷才能正常工作，而相比之下，InGaAs的優(yōu)勢在于在非制冷條件下也具有較高的探測率；當(dāng)降低工作溫度，InGaAs比碲鎘汞具有更高的器件性能。更為重要的是，以InGaAs材料作為光敏面的全固態(tài)微光器件，可以通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化和襯底減薄技術(shù)，使得探測器在可見光部分有較強(qiáng)的吸收，實現(xiàn)從可見到短波紅外的寬光譜成像。因此，開展InGaAs全固態(tài)微光器件研究，在提高性能，縮小系統(tǒng)體積、降低功耗和成本等方面也具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢。

3 短波紅外延伸微光器件的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用

以InGaAs為光敏面的短波紅外延伸微光器件具有較高的靈敏度和探測率，因此InGaAs器件得到了快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。具有響應(yīng)時間快等特點的真空器件產(chǎn)品主要集中在美國的ITT、INTEVAC公司及日本的濱松公司。

美國INTERVAC公司早在20世紀(jì)90年代就開展了短波紅外像增強(qiáng)器光陰極材料研究。通過改變InGaAs光陰極中In的含量使光陰極光譜響應(yīng)向短波紅外擴(kuò)展，截止波長可以分別擴(kuò)展到1.06μm、1.60μm，光譜響應(yīng)，如圖6和圖7所示［2］。

圖6 短波紅外延伸InGaAs像增強(qiáng)器光譜響應(yīng)曲線Fig.6 Spectral response curves of shortwave-infraredextended photocathodes

InGaAs全固態(tài)微光器件的研究工作主要包括美國、法國、英國、印度等在內(nèi)的幾個國家［3］，其InGaAs市售產(chǎn)品規(guī)格包括凝視（1 280×1 024）像元、（640×512）像元、（320×256）像元以及線列（6 000×1）像元、（3 000×1）像元、（1 280×8）像元、（512×1）像元等。

圖7 INTERVAC公司InGaAs光陰極光譜響應(yīng)Fig.7 Spectral response curves of InGaAs photocathode of INTERVAC Co.

表1給出了國外包括美國Sensors Unlimited Inc.、法國III-V實驗室、比利時Xenics公司所研制器件的性能指標(biāo)。

表1 國外InGaAs探測器性能對比Table 1 Performance comparison of InGaAs detectors overseas

國內(nèi)短波紅外焦平面探測器的研制工作先前主要集中在HgCdTe上，目前在研制峰值波長1.55μm、截止1.7μm的InGaAs光電探測器。上海技物所采用InGaAs材料制備出（256×1）像元、（512×1）像元、（640×1）像元線列短波紅外焦平面探測器，實現(xiàn)了實驗室成像。

短波紅外GaInAs微光探測器件的研制成功和應(yīng)用，將在軍事領(lǐng)域發(fā)揮極其重要的作用。In-GaAs微光器件在軍事上可用于定位與跟蹤、精確制導(dǎo)、激光探測、情報偵察，還可以作為輕武器晝夜瞄具、機(jī)動平臺的夜間輔助駕駛儀等。

為了獲得更遠(yuǎn)的探測距離，各國已競相研制可用于激光輔助照明的短波紅外探測系統(tǒng)，如INTEVAC公司研發(fā)的LIVAR M506（圖8），已用于裝備了熱像儀或其他運動目標(biāo)指示系統(tǒng)的陸?？掌脚_上。該系統(tǒng)使用InGaAs短波紅外微光器件與作為主動照明的人眼安全激光和運動目標(biāo)指示器或前視紅外聯(lián)動工作來進(jìn)行遠(yuǎn)距離目標(biāo)識別（圖9）。

圖8 LIVAR M506Fig.8 LIVAR M506

圖9 有無短波紅外照明成像效果Fig.9 Effect of imaging using and not using shortwave infrared illumination

U-2間諜飛機(jī)（圖10）是美國偵查平臺的先鋒。U-2的飛行高度能達(dá)到21.34km甚至更高，并且能從飛機(jī)兩側(cè)進(jìn)行遠(yuǎn)距離觀察，可以在近空領(lǐng)域進(jìn)行縱深偵查。目前裝備于U-2飛機(jī)的性能優(yōu)異的探測裝置是Goodrich研制的光電偵查系統(tǒng)SYEARS II。由于SYERS II型探測裝置裝備了探測短波紅外的InGaAs傳感器，使其在利用反射光成像的同時還兼有顯著的大氣滲透能力，使該系統(tǒng)具備了透過大氣長距離偵查的卓越性能。

圖10 U-2間諜飛機(jī)Fig.10 U-2 airplane

InGaAs微光器件還可用于軍事上常用的1.06μm和1.55μm的短波紅外激光探測。短波紅外成像儀能大范圍、精確地探測短波紅外激光光源的位置，可以作為光電對抗系統(tǒng)的傳感器使用，如圖11所示。

圖11 探測短波紅外激光Fig.11 Shortwave infrared laser detection

短波紅外像機(jī)也可以在車輛導(dǎo)航中獲得應(yīng)用（圖12），當(dāng)部隊的地面車輛在完全黑暗的情況下執(zhí)行任務(wù)，如果裝備具有短波紅外照明和探測功能的增強(qiáng)型夜視系統(tǒng)，則可實現(xiàn)駕駛員在敵占區(qū)行使而不被發(fā)現(xiàn)。短波紅外探測器可穿透擋風(fēng)玻璃，能安裝在室內(nèi)觀察前方道路，也能裝在室外堅固耐用的殼體中使用。由于不需要特殊的光學(xué)元件，短波紅外探測器可以很容易集成到現(xiàn)有的光電系統(tǒng)中，采用標(biāo)準(zhǔn)的玻璃光學(xué)元件，并可共享可見光攝像機(jī)鏡頭。

圖12 夜間停車場可見光圖像及短波紅外像機(jī)拍攝的圖像Fig.12 Visible image and shortwave infrared image of parking lot at night

5 結(jié)論

夜天光輻射波段分布在短波紅外范圍，在完全無月光的條件下，夜空輻射主要分布在1.0μm～2.0μm的范圍內(nèi)的輝光。該波段位于可見光與中紅外波段之間，同時又處于大氣透射窗口之中，在0.9μm～1.1μm、1.15μm～1.3μm、1.4μm～1.8μm波段的輻射透過率高達(dá)80%以上，利用在該短波紅外波段有較高響應(yīng)的光陰極對于探測和識別夜間景物有很大的優(yōu)勢。向短波紅外延伸的InGaAs光陰極像增強(qiáng)器與傳統(tǒng)的超二代及三代微光像增強(qiáng)器相比，短波紅外光譜輻射靈敏度高，并且可以通過調(diào)節(jié)In的組分使其響應(yīng)波段覆蓋夜天光輻射的主要波段，與夜天光匹配較好，可望作為一種新型的高性能微光器件，應(yīng)用于夜視器材可望提高夜間的觀察視距。世界軍事發(fā)達(dá)國家對短波紅外響應(yīng)微光器件的研究已趨于成熟，并已開始應(yīng)用于軍事裝備。為充分利用夜天光輻射能量，提高夜間的探測能力，開展短波紅外響應(yīng)微光器件的研究十分必要。

［1］ 張敬賢，李玉丹，金偉其.微光與紅外成像技術(shù)［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，1995.ZHANG Jing-xian，LI Yu-dan，JIN Wei-qi.Imaging techneque of LLL and laser［M］.Beijing：Beijing University of Science and Technology Press，1995.（in Chinese）

［2］ 周立偉.夜視像增強(qiáng)器（藍(lán)光延伸與近紅外延伸光陰極）的近期進(jìn)展［J］.光學(xué)技術(shù)，1983（2）：18-27.ZHOU Li-wei.Recent development of night vision image intensifiers（extended blue and extended near infrared photocathodes）［J］.Optical Technology，1983（2）：18-27.（in Chinese with an English abstract）

［3］ 張衛(wèi)鋒，張若嵐，趙魯生，等.InGaAs短波紅外探測器研究進(jìn)展［J］.紅外技術(shù)，2012，34（6）：361-365.ZHANG Wei-feng，ZHANG Ruo-lan，ZHAO Lusheng，et al.Development progress of InGaAs shortwave in frared focal plane arrays［J］.Infrared Technology，2012，34（6）：361-365.（in Chinese with an English abstract）