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神奇的双色红外谱探测技术

   自从1800年英国天文学家威·赫谢耳 (W. Herschel)在研究太阳光谱的热效应时发现红外线以来,渐渐被人们熟知并在信息技术与通讯、医疗保健与生命科学、国防与航空等领域中发挥出越来越重要的作用。红外光谱是一种人眼不可见的光谱,其波长范围从0.75微米至1000微米,介于可见光红与微波之间。按其波长来分,可分为近红外、中红外、远红外、极远红外四类。

  为了能够观测到潜在的红外光谱并对其进行分析和研究,人们研制出了各式各样的红外“眼睛”——红外探测器。红外探测器的功能就是将红外辐射能转换成电信号,成像装置的输出信号就可以完全一一对应地模拟扫描物体表面温度的空间分布,经放大处理、转换或标准视频信号传至显示屏上,从而得到人眼可见的、与物体表面热分布相应的热像图。制作探测器所需要的材料,应根据所探测的红外波长而异,这也是导致红外探测器五花八门的一个原因。

  现在主流的军事应用红外探测系统绝大多数是,三个大气窗口中的中波或者长波波段的单波段红外探测器。但是,由于红外系统使用区域的不同、气候温度的改变、目标的伪装,红外诱饵的释放等原因,就会导致单一波段的红外探测系统获取的信息的减弱。特别是当运动中的目标自身发生改变时,其红外辐射峰值波长将发生移动,将导致红外探器探测准确度大幅度下降甚至很可能根本无法探测到目标。为了解决上述问题,双色红外谱探测技术就诞生了。

  所谓的双色红外谱探测技术,就是能够同步采集目标的两个红外光谱强度,并对两波段的光谱进行对比、处理、合成的技术。红外探测系统包括光学成像系统,红外探测器,信号采集读出电路,图像处理及显示。该技术实现的关键在于采用了具有特殊结构的双色红外探测器,即在探测器的一个光敏元上集成两个能够同步工作的红外波段的探测器。双色红外目标探测技术实质上就是利用红外双色信息实现复杂环境中的目标识别技术。不同类型辐射源其双色红外辐射响应波段明显不同,较单色红外光谱更容易区分辐射源的类型,因此利用它可以比较容易地区分目标、背景、红外诱饵等红外辐射源。因而多元双色探测器可以利用目标与红外诱饵光谱特性的差异来提取真实目标,实现抗红外诱饵干扰的目的。按照结构来分,双色红外探测器可以分为顺序读出双色探测器和同步读出双色探测器两种。顺序读出型的双色探测器,两波段的红外光电信号的转换过程必须轮换进行;而同步读出型双色探测器,两波段的红外光电信号的转换可同时进行,这样就可以保证两波段的信号没有时间差,真正做到同步。

  上图为碲镉汞中长波双色红外探测器对人脸的成像结果。成像时,被成像者前方放置了一块长波吸收的障碍物。其中左图为中波成像结果,右图为长波成像结果图。(Journal of ELECTRONIC MATERIALS, Vol. 33, No. 6, 2004)

  除了探测器之外,读出电路也是另一个关键的环节。读出电路的主要作用在于对探测器光响应而产生的电信号进行采集、处理和读出。

  通常情况下,所用的双色红外探测器通常以电流的形式响应红外光信号,所谓的信号采集就是指将光电流信号通过积分转换成易于传输和处理电压信号的过程。由于探测器的光信号通常包含有许多无用信号,如暗电流、噪声等,同时读出电路本身也是一个不可忽略的噪声源,为了有效地抑制各种非理想的因素,就必须要对积分过程及积分后的电信号进行一些必要的处理,同时使得最终的电压信号便于高效地读出。比如,可以于信号以背景抑制、相关双采样处理,合理的电平移动、放大,模数转换等方式进行处理。

  在电路的设计过程中,电路噪声、注入效率、积分时间、线性度、匀均性、读出效率、读出速度、驱动能力等都是需要仔细考虑和设计重要参数。如果读出电路的这些指标没有达到预期的要求,那么即使是配以再好的探测器及后续的图像处理过程,最终得到的图像都将会是一团糟。

  红外图像后续处理其实质是将采集到的原始图像,通过各种运算及变换来提取和增强图像中的有用信息,以达到识别我们感兴趣的目标的目的。而红外图像本身的特点在很大程度上取决于图像的获取过程和获取设备的性能,因而一幅好的红外图像,是离不开高质量的原始图像的。

  目前对红外图像的处理系统,可以是普通的计算机、DSP、FPGA等。但考虑到设备的便携性以及工程实用性,DSP及FPGA是较好的选择。通常来说,以硬件的方式来实现图像的处理能够达到更快的速度,满足双色成像技术实时性的要求。同时,随着FPGA单个芯片上所集成的逻辑门数量的不断增加,基于FPGA的SOPC(System On a Programmable Chip)的系统方案更具有吸引力,其主要表现为设计灵活,可扩充、可升级、可裁减等特点。

  随着红外应用的不断推广与发展,红外探测技术正朝着高分辨率、多波段的方向发展,而双色红外探测,正是多波段探测的一个良好开端。如果我们将红外探测技术的发展与我们常见的照相机的发展史相比拟的话,那么可以说,红外成像仪在未来将会和可见光相机一样有着高像素,高色彩位数等性能,当我们在晚上拍照时,再也用不着开闪光灯了。(上海技术物理研究所)

  新闻来源:http://www.cas.cn/kxcb/kpwz/201209/t20120917_3645217.shtml

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