基于人眼安全激光的SWIR選通成像技術(shù)研究

宋巖峰，孫衛(wèi)平，張西京，劉 灝，馬恩財(cái)

(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(biāo)圖像信息，在填補(bǔ)微光夜視和中波紅外成像之間的光譜空缺，實(shí)現(xiàn)在三個(gè)大氣紅外傳輸窗口的“無縫隙探測(cè)”，獲取遠(yuǎn)距離目標(biāo)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(dòng)SWIR成像利用的是目標(biāo)的反射光而不是目標(biāo)的熱輻射。在夜間，由于目標(biāo)反射光在SWIR波段的減弱，對(duì)遠(yuǎn)距離目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)和識(shí)別就變得非常困難，故被動(dòng)SWIR成像并不具備全天候工作的能力。基于人眼安全激光的SWIR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(dòng)照明光源，具有高速選通功能的SWIR焦平面相機(jī)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(duì)人眼安全、大氣傳輸性能好、對(duì)霧霾和戰(zhàn)場(chǎng)煙霧有較強(qiáng)穿透能力、太陽光譜輻照度低和有一定的光電對(duì)抗能力等優(yōu)勢(shì);相對(duì)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(biāo)細(xì)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(biāo)從復(fù)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(shù)在復(fù)雜環(huán)境條件下對(duì)遠(yuǎn)距離目標(biāo)的全天候偵察、精密跟蹤和目標(biāo)識(shí)別等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)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(duì)目標(biāo)區(qū)域發(fā)射激光脈沖進(jìn)行照射;采用SWIR高速選通相機(jī)作為成像接收設(shè)備，在極短的時(shí)間內(nèi)完成快門的開啟和關(guān)閉工作;通過高精度的延時(shí)同步控制技術(shù)，嚴(yán)格控制激光脈沖的發(fā)射和選通相機(jī)快門開啟成像之間的時(shí)間延遲，使得需要觀察目標(biāo)場(chǎng)景反射回來的脈沖信號(hào)剛好在相機(jī)選通工作的時(shí)間內(nèi)到達(dá)相機(jī)并成像，從而將不同距離上的散射光和目標(biāo)的場(chǎng)景反射光分開，獲得目標(biāo)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(duì)一定距離處坦克目標(biāo)進(jìn)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(jī)及系統(tǒng)

相對(duì)于傳統(tǒng)的被動(dòng)熱成像系統(tǒng)，激光照明選通成像系統(tǒng)接收探測(cè)器的靈敏度要高100倍以上，響應(yīng)時(shí)間則要縮短10000倍以上。原因是選通成像系統(tǒng)對(duì)其距離分辨率有著較高的要求，對(duì)應(yīng)著很窄的選通門寬，而選通門寬則由探測(cè)器讀出電路的頻帶寬度所決定。假設(shè)系統(tǒng)的距離分辨率為10 m，那么要求探測(cè)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(duì)接收成像探測(cè)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(gè)光子，信噪比SNR不小于5～10(輸入信號(hào)為100～200光子/脈沖/像素時(shí))。從目前來看，適合人眼安全激光的SWIR選通成像焦平面探測(cè)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(jī)及系統(tǒng)

InGaAs材料在被應(yīng)用到成像系統(tǒng)中之前，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在1.55 μm高速通信設(shè)備中，其較高的技術(shù)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(cè)器成為SWIR成像系統(tǒng)的可靠選擇器件。從實(shí)際應(yīng)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(dá)到70% ～80%，響應(yīng)率可以達(dá)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(gè)性能參數(shù)均高出HgCdTe一到兩個(gè)量級(jí)，對(duì)應(yīng)同一截止波長，其品質(zhì)因子比HgCdTe也高出一到兩個(gè)量級(jí)。但是，InGaAs FPA雪崩模式下材料增益能力差，相對(duì)其他有雪崩增益的探測(cè)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(chǎng)，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(jìn)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(jìng)爭力。

在實(shí)際應(yīng)用中，2003年Sensors Unlimited獲得開發(fā)第一個(gè)全固態(tài)SWIR InGaAs選通相機(jī)的合同，主要參數(shù)如下:像素?cái)?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(duì)該相機(jī)進(jìn)行了報(bào)道，通過其設(shè)計(jì)的電容跨阻抗放大器CTIA讀出電路，該相機(jī)不僅可以實(shí)現(xiàn)門寬小于200ns的選通成像，同時(shí)也允許積分時(shí)間大于16 ms的凝視視頻成像。2006年，Sensors Unlimited報(bào)道了像素?cái)?shù)為640×512的選通InGaAs FPA相機(jī)，光譜范圍0.9～1.7 μm，25 μm的像元間距。相機(jī)同樣采用了CTIA讀出電路，像素時(shí)鐘10.89 MHz，時(shí)鐘周期為91 ns，門寬為5個(gè)時(shí)鐘周期，即455 ns，對(duì)應(yīng)的距離分辨率為68 m，通過控制延時(shí)得到幾百米處不同選通距離內(nèi)的目標(biāo)圖像，試驗(yàn)圖像如圖2所示［6］。試驗(yàn)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(biāo)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(shí)Xenics作為一家知名的紅外探測(cè)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(jī)，其光譜范圍0.9～1.7 μm，最小曝光時(shí)間80 ns，20 μm像元間距，分辨率320×256，相機(jī)如圖3所示。

2010年，意大利報(bào)道的激光主動(dòng)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(fù)頻率5 Hz，脈沖寬度9 ns;采用InGaAs FPA相機(jī)作為探測(cè)接收設(shè)備，相機(jī)最小門寬500 ns，對(duì)應(yīng)的距離分辨率75 m，像素?cái)?shù)為640×512。成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)5 km外人的識(shí)別，他們認(rèn)為通過進(jìn)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(shí)別距離可以進(jìn)一步提高，從而達(dá)到 10 km［7］。

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

3.2 InGaAs/InP TE EBCMOS選通相機(jī)及系統(tǒng)

InGaAs/InP TE EBCMOS是第一個(gè)投入商業(yè)應(yīng)用的距離選通主動(dòng)成像探測(cè)器。探測(cè)器為管狀結(jié)構(gòu)，耦合了InGaAs/InP TE光電陰極探測(cè)器和背照CMOS探測(cè)器。通過高電壓電子管產(chǎn)生超過200的準(zhǔn)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(diǎn)甚至比HgCdTe APD更好。這種探測(cè)器的主要缺點(diǎn)是量子效率相對(duì)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(jī)，如LIVAR M506型SWIR距離選通相機(jī)。該相機(jī)采用TE-EBCMOS InGaAs探測(cè)器，像素?cái)?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(yīng)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(dá)70ns。圖4給出了2 km外目標(biāo)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(jī)的外形如圖5所示。

圖4 2 km公里遠(yuǎn)處的紅外熱圖像(左)和LIVAR獲取的目標(biāo)識(shí)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(jī)的基礎(chǔ)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(fù)頻率2 Hz，束散角1.5～15 mrad內(nèi)可調(diào);選通相機(jī)像素?cái)?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(jī)作為接收成像設(shè)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(gè)隨動(dòng)平臺(tái)上，采用LWIR熱成像系統(tǒng)作為探測(cè)跟蹤設(shè)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(fù)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(duì)遠(yuǎn)距離飛行目標(biāo)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(biāo)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(jī)及系統(tǒng)

HgCdTe APD器件有著特有的單載流子工作機(jī)制，這也決定了其具有極低的噪聲;HgCdTe材料的高效光學(xué)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(yīng)速度。試驗(yàn)表明，當(dāng)噪聲因數(shù)小于1.3時(shí)，器件增益可以高達(dá)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(dāng);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?cái)?shù)已經(jīng)達(dá)到2048×2048。以上諸多優(yōu)點(diǎn)，使得HgCdTe APD具有了下一代SWIR選通成像焦平面探測(cè)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(yīng)速度等諸多理想特性。同時(shí)，同一個(gè)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(cè)器模式之間切換，從而形成主動(dòng)SWIR和被動(dòng)MWIR雙模探測(cè)系統(tǒng)，這是目前國際上的研究熱點(diǎn)。HgCdTe APD FPA的主要缺點(diǎn)是其工作時(shí)需要制冷，品質(zhì)因子隨著溫度升高而降低，成本相對(duì)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(jī)研制了用于遠(yuǎn)距離目標(biāo)的識(shí)別的SWIR選通成像系統(tǒng)，可對(duì)10 km距離的目標(biāo)進(jìn)行主動(dòng)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(fù)頻率 15 Hz。探測(cè)器(SWIFT)增益可以達(dá)到100以上，其靈敏度可以達(dá)到10個(gè)光子，等效噪聲不大于10個(gè)，有著很小的溢出噪聲。相機(jī)選通門寬可以到50 ns，距離選通相機(jī)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(jī)組成先進(jìn)的機(jī)載激光雷達(dá)BIL(BURST ILLUMINATION LADAR)系統(tǒng)，獲取目標(biāo)的2D和3D圖像。采用26 μm像元間隔的HgCdTe APD FPA制冷探測(cè)器，增益可達(dá)800以上，可在被動(dòng)MWIR/3～5 μm和主動(dòng)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(cè)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(yīng)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(cè)器具有較高的增益和靈敏度，但是其量子效率相對(duì)較低;InGaAs FPA的工藝簡單，具有更高的成本優(yōu)勢(shì)，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(duì)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(jìn)行補(bǔ)償，從而抵消了探測(cè)器的成本優(yōu)勢(shì)。因此，在選通成像系統(tǒng)探測(cè)器的選擇上，需要綜合系統(tǒng)總體技術(shù)指標(biāo)、激光光源的技術(shù)指標(biāo)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(biāo)探測(cè)跟蹤系統(tǒng)，其中的SWIR選通成像相機(jī)采用的是Intevac公司的InGaAs/InP TE EBCMOS 探測(cè)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(cè)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(shù)是最具潛力的復(fù)雜背景下遠(yuǎn)距離目標(biāo)的全天候探測(cè)和識(shí)別模式，非常適合激光成像雷達(dá)、制導(dǎo)和引信等武器系統(tǒng)的應(yīng)用，在填補(bǔ)微光夜視和中波紅外成像之間的光譜空缺，獲取遠(yuǎn)距離目標(biāo)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(qiáng)國都非常重視SWIR波段選通相機(jī)和系統(tǒng)的開發(fā)，而且已經(jīng)研制出了不少樣機(jī)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(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)未突破，能夠成功工程化應(yīng)用的產(chǎn)品還很少。因此，我國應(yīng)加快SWIR波段選通相機(jī)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(shù)研究，這對(duì)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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