“日盲”紫外成像技術分析及應用展望

宋亞軍，韓 放

(光學輻射重點實驗室，北京 100854)

0 引言

由于“日盲”紫外波段(220～280 nm)的太陽光被大氣層中的臭氧吸收，到達地面乃至低空區域的該波段太陽輻射幾乎為零，利用該波段對目標進行成像探測，可以避免最大的自然光——太陽光的干擾， 有利于目標的檢測。與傳統紅外成像技術相比，“日盲”紫外成像技術具有以下優點：1)“日盲”區背景干擾小，虛警率低；2)不需要人工致冷和掃描，設備大大簡化，體積小，質量輕；3)具有極高的靈敏度和分辨率。“日盲”紫外成像技術從20世紀80年代末開始進行實質性的研究和應用，但當時主要是應用在軍事領域，所以各國對紫外成像技術都進行了嚴格的保密[1-2]；20世紀90年代末，美國、南非和以色列等國家的科學技術人員將紫外光的光學特性與光學透鏡、數字信號芯片相結合，研制開發出用于日間檢測電暈等微弱放電現象的紫外電暈檢測儀，并將該技術推向警用應用市場，使“日盲”紫外成像技術在民用市場得以迅速普及和推廣[3-4]。隨著“日盲”紫外成像技術的不斷發展，國外特別是美國對該技術相當重視，各大公司以紫外成像探測器為核心，開展了大量研究工作。Photometric公司采用在正面照射的CCD上加一層薄薄的發光轉換涂料的方法，正面照射的CCD在200～400 nm的波段內可達到20%的量子效率。此外，美國國防高級研究計劃局從1998年開始研制采用Ⅲ族氮化物光電材料、工作在0.25～0.3 μm波段的固態焦平面陣列，以開發可工作在更高溫度下、更高效和更可靠的紫外探測器[5]。與國外先進水平相比，國內在“日盲”紫外成像探測器和高性能“日盲”紫外濾光片等方面的研制和生產上還存在較大的差距。近幾年，隨著國內“日盲”紫外成像探測器、“日盲”紫外濾光片等關鍵技術的快速發展[6-8]，“日盲”紫外成像技術在電力線路檢測[9-10]、森林防火[11]和刑事偵查[12]等領域逐漸得到應用推廣。

1 “日盲”紫外成像系統簡介

“日盲”紫外成像系統主要包括光學分系統、成像分系統、處理與控制分系統等(如圖1所示)。其中，光學分系統通過紫外鏡頭和“日盲”紫外濾光片將輸入的有用紫外信號傳輸給成像分系統，成像分系統通過“日盲”紫外成像探測器對輸入的紫外信號進行光電轉換，處理與控制分系統根據外部指令對輸入的紫外圖像信號進行相應的處理，同時將處理結果輸出給外部控制端。此外，處理與控制分系統還對探測器和紫外鏡頭進行控制，完成增益調節和調焦等功能。

圖1 典型“日盲”紫外成像系統示意圖

2 關鍵技術分析

2.1 “日盲”紫外成像探測器技術

當前，“日盲”紫外成像探測器主要包括真空型紫外探測器和固體紫外探測器[13-14]。由于“日盲”區被探測目標往往比較微弱，目前主要采用固體EMCCD和真空型ICCD等具有增益放大的紫外探測器進行探測[15]。其中，EMCCD需要制冷，因此體積和功耗都較大，并且價格也比較貴；ICCD由像增強器和普通可見光CCD經光纖光錐耦合而成[16](如圖2所示)，其體積小，無需制冷且價格較便宜。因此，ICCD是一種被廣泛采用的“日盲”紫外成像探測器。

圖2 典型ICCD組成示意圖

該探測器的核心是紫外像增強器，國際上目前處于領先水平的是德國Proxitronic公司，其像增強器的光電陰極在240 nm處輻射靈敏度可達47 mA/W，等效背景輻照度達到10-13W/m2。國內相關研究機構先后開發出了性能較好的像增強器，其中具有代表性的是南京電子器件研究所的紫外像增強器，該像增強器光電陰極在245 nm處輻射靈敏度可達40 mA/W，等效背景輻照度可低達10-11W/m2。2個廠家典型產品的參數對比如表1所示。

在固體紫外探測器方面，近年來先后出現了SiC基、ZnO基、金剛石基、GaN基和AlGaN基等紫外成像探測器。其中基于AlGaN的紫外探測器發展迅速，逐漸成為紫外成像探測器的主流[17-19]。AlGaN是禁帶寬度可調的直接帶隙寬禁帶半導體，截止波長從365 nm(GaN)～200 nm(AlN)銳利可調，吸收系數大，異質結易實現，而且與其它類型的探測器相比，AlGaN器件的量子效率高，其p-i-n“日盲”探測器的量子效率可以達到80%。此外，一種新型的結合了AlGaN 材料結構和PVDF 熱釋電探測器的“日盲”紫外探測器，避免了傳統AlGaN材料對P 型層或N 型層材料質量的強烈依賴，同時也避免了在電極生長中實現歐姆接觸特性這一難題。但應該看到，雖然AlGaN基探測器有著非常優異的特性，已經實現了小規模的面陣成像，但目前還處于發展階段，在材料生長和器件工藝等方面仍然存在很多的問題，要想替代成熟的光電發射紫外探測器仍需要不懈的努力。

表1 典型紫外像增強器參數對比

2.2 “日盲”紫外濾光片技術

由于當前大多數“日盲”紫外成像系統采用“日盲”紫外ICCD作為成像探測器，而該探測器在響應“日盲”紫外波段的同時，對近紫外、可見光等波段也有不同程度的響應(如圖3所示)，而太陽光譜在這些波段的輻射強度非常高，為確保探測器在日照環境下仍能正常工作，必須使用“日盲”波段高通、其他波段深度截止的濾光片。

圖3 典型紫外ICCD光譜響應圖

目前用于“日盲”紫外成像系統的濾光片包括干涉型、吸收型和聲光型等[20-22]。下面重點介紹使用較多的干涉型和吸收型。其中，干涉型濾光片利用多層介質膜中光的干涉作用，得到目標光的高透過和背景光的深截止，其關鍵在于選擇適于鍍制濾光片各個波段的最佳材料和利用工藝方法消除次峰的影響，使主峰位置與設計中心波長的位置盡可能的接近，同時主峰波長所對應的透過率盡量高，滿足半寬度要求。但該型濾光片隨著入射光角度的增加，整個透過率曲線向短波方向移動。此外，該型濾光片為了達到非透過波段的高截止，通常需要鍍制多層膜，受鍍制過程中誤差的影響，其鍍制結果與設計指標存在一定的偏差。吸收型濾光片由一系列具有特殊吸收光譜特性(目標光波段透過，而在背景光的某個波段強吸收)的有機染料、無機鹽和有色玻璃，結合透紫外基底(一般為石英晶體)構成。該型濾光片相比干涉型濾光片，具有更好的高透過深截止的特性。在保證目標光一定透過率的情況下，背景光的截止度可以通過調節吸收材料的濃度來實現。國內外典型濾光片參數如表2所示。

表2 國內外典型濾光片參數

2.3 紫外圖像處理技術

“日盲”紫外成像系統獲取的圖像，其目標在圖像中無明顯結構信息，而背景往往是均勻的，灰度強度比較低，目標與背景對比度較高。此外，噪聲隨機地出現在圖像的不同位置，它們的強度可能大于或等于目標的強度，并同目標類似。噪聲成為紫外圖像目標提取的主要干擾源。

“日盲”紫外成像系統噪聲主要由像增強器和CCD圖像采集兩部分組成，其中像增強器具有較高的靈敏度，同時增益可調節，因此其對背景噪聲非常敏感，同時其輸出噪聲隨其增益變化而變化[23]。CCD圖像采集中的噪聲主要來源于CCD攝像機、A/D轉換器等電阻器件因發熱所致的熱電子噪聲。可以看出，紫外圖像的噪聲來源較多，采用任何單一算法或處理都很難使圖像清晰，因此紫外圖像噪聲的去除是紫外圖像處理的關鍵技術之一[24-25]。為了有效去除紫外圖像中的噪聲，可采用復合型算法，即綜合使用常見的多幀平均、平滑濾波、形態學濾波和中值濾波等進行濾波。多幀平均可有效抑制圖像中的隨機噪聲，增強目標的有用信息。中值濾波的主要功能是將與周圍像素灰度值差異比較大的像素改為與周圍像素接近的灰度值，在消除噪聲的同時，保持圖像細節。由于中值濾波器的窗口大小對濾波結果影響比較大，因此實際窗口大小需要通過相應的實驗來確定。

由于“日盲”紫外成像系統探測的目標往往比較微弱，因此弱小目標的檢測也是紫外圖像處理的關鍵技術之一[26-28]。目前，弱小目標檢測方法可分為兩類：光流法和特征法。以圖像中速度場及目標像深等信息作為檢測依據的光流法，因算法計算復雜耗時而難以實現實時檢測。基于特征的方法利用圖像特征及位置的變化信息作為目標檢測的依據，具有較好的實時性和實用性。相關方法中聚類分析法和模糊推理法是研究熱點。聚類分析方法主要有三類：1)根據相似性域值和最小距離原則的簡單聚類方法；2)按最小距離原則不斷進行兩類合并的方法；3)依據準則函數動態聚類的方法。其中具有代表的方法是K-均值聚類法，該算法的一個特點是在每次迭代中都要考察每個樣本的分類是否正確，若不正確，就要調整。在全部數據調整完后，再修改聚類中心，進入下一次迭代。模糊推理法通過分析差分圖像的噪聲特性，迭代估計出各差分圖像的噪聲參數，在此基礎上，構造了相鄰兩幀相同位置像素的灰度差絕對值的隸屬度函數，這種隸屬度表征了一種傾向性信息。模糊推理檢測就是利用這些傾向性信息，通過設計合理的推理融合規則來判斷運動目標的有無。

3 發展展望

3.1 核心器件性能提升

近幾年，隨著“日盲”紫外成像技術應用范圍的不斷擴大，其核心器件如探測器和濾光片性能提升較慢的缺點日益凸現。探測器方面，國內和國外可選的像增強型產品有限且技術發展緩慢，而固體探測器受工藝和材料限制，目前還處于初步發展階段。此外，為了有效克服非“日盲”波段信號對像增強型探測器的影響，濾光片在“日盲”波段的透過率較低，影響了整個系統性能的提升。為此，需要一方面通過調整器件工藝材料，降低像增強型探測器在非“日盲”波段的響應，同時根據改進后像增強型探測器響應曲線設計對應的濾光片，通過兩者的結合進一步提高探測系統的性能，同時應加快各類固體探測器技術的開發，從而降低對濾光片指標的要求，使探測系統的性能得到明顯的提升。

3.2 應用平臺的多樣化

由于機載、艦載和車載等不同搭載平臺的快速發展，特別是無人機的大規模應用，使得紫外成像技術的應用領域和范圍進一步擴大。而目前“日盲”紫外探測器和濾光片只有有限的通用型產品可選，沒有考慮不同平臺和應用場景對探測器和濾光片的需求差異，影響和限制了相應平臺性能的發揮。下一步需要針對不同應用平臺和場景設計對應的探測系統，通過一體化設計和優化探測器和濾光片性能指標、結構尺寸等，滿足不同搭載平臺的使用要求。例如無人機載平臺對探測系統小型化和輕量化的需要，室內測試環境太陽光影響較小，濾光片截止深度可以降低，從而進一步提高“日盲”波段透過率。

3.3 智能處理技術研究

當前，“日盲”紫外成像技術在相關領域的應用，特別是民用領域，還處于初始階段，其對獲取圖像的處理還比較簡單，往往只得到定性的結果。隨著相關技術的發展和用戶對處理結果精度的提高，在相關處理中需要綜合考慮探測器、光學系統、大氣環境及目標本身對處理結果的影響，需要深入開展紫外成像定量處理技術研究。同時，隨著該技術在不同領域應用的延伸，其將積累越來越多的數據，通過大數據分析和人工智能處理，有助于用戶對測量結果作出更加精準的判斷。此外，隨著探測器面元的增加和幀頻的提高，面向大規模紫外圖像數據的實時智能處理技術也將是一個研究重點。

4 發展展望

4.1 在導彈告警技術中的應用

在近地空間中，由于太陽“日盲區”紫外輻射能量極其小，避開了最強大的自然光源——太陽造成的復雜背景，采用該波段對導彈羽煙進行探測進而實現導彈逼近告警是一個比較有效的手段。雖然導彈羽煙中的紫外輻射比紅外低幾個數量級，但由于導彈發動機的尾焰及其熱輻射和化學熒光輻射等所產生的紫外輻射比太陽同波段的輻射強得多，同時由空間產生的紫外背景輻射較少，使得紫外告警系統具有較低的虛警率。

隨著紫外告警系統核心器件——紫外探測器的發展，世界各國先后開發了多種導彈逼近告警系統(MAWS)，如表3所示[29-30]。第一代概略型紫外告警設備主要以光電倍增管為核心探測器件，通過探測導彈羽煙的紫外輻射能量概略探測目標方向。具有體積小、質量輕、虛警率低、功耗低等優點，同時也存在角分辨率低、靈敏度不高等缺點。第二代成像型紫外告警設備主要以面陣器件為核心探測器，對所觀測空域的導彈羽煙紫外輻射進行成像探測，識別分類威脅源。具有角分辨率高、探測靈敏度高、識別能力強的優點。隨著GaN和AlGaN等紫外固體成像器件的不斷發展，紫外告警設備的角分辨率、探測距離和虛警率等性能將相應提升，應用平臺將不斷拓展，同時與雷達、紅外和激光等技術的復合告警也是一個重要的技術發展方向。

表3 國外典型紫外告警設備

4.2 在天基預警技術中的應用

包括彈道導彈和遠程戰術導彈在內的各類導彈在主動段飛行過程中為了產生較大的推力，導彈發動機的噴焰產生很強的包括“日盲”波段在內的紫外輻射[31-33]。此外，由于導彈在主動段和巡航段初段速度較高，在前端產生沖擊波，溫度超過6000 K，存在大量的紫外輻射。同時，由于大氣層中臭氧的存在，使得地球大氣背景中的“日盲”波段紫外輻射被嚴重吸收，而太陽輻射通過大氣層的后向散射較弱，并且大氣層分布相對均勻，從大氣層外觀測地球大氣背景的“日盲”波段紫外輻射是較弱且均勻的。基于上述特征和原理，當高速運動的導彈出現在大氣層外時, 其將成為一種高信噪比的目標。因此在天基預警系統中增加“日盲”紫外波段探測器是提高探測概率和降低虛警率的有效手段之一。

國外對導彈尾焰紫外輻射及預警探測已研究多年，美國通過低功率大氣校正試驗衛星(LACE)、空間中段試驗衛星(MSX)和全球觀測高級研究衛星(ARGOS)等衛星上的紫外波段探測器收集導彈尾焰和大氣背景紫外輻射特性，為導彈紫外預警提供技術支持。同時，美國第一、二代DSP預警衛星以及正在研制的天基紅外系統都帶有紫外跟蹤系統，以實現對中段彈頭的識別跟蹤[34]。目前，導彈燃料技術的發展使得導彈的尾焰波段發生了改變，國外已經設計并生產了尾氣中不含CO2和水蒸氣的發動機，羽煙中2.7 μm，4.3 μm，6.3 μm的特征輻射將大大減小，導致紅外預警的虛警和誤警的增加。但是，無論導彈使用任何燃料，其尾焰中都含有紫外輻射，這就成為捕捉目標的紫外輻射源。此外，在具有紫外特征的目標中，紫外光譜(通常是金屬原子或離子以及一些小分子發射的)可以提供比紅外光譜(通常由水、二氧化碳或目標本體發射)更豐富的目標信息。采用紫外光譜成像技術對相關光譜進行探測分析，更容易識別目標。總之，隨著紫外探測器件、光學系統設計等技術的不斷發展和天基紫外探測機理研究的不斷深入，天基紫外探測系統作為新型導彈預警探測跟蹤手段，必將在未來天基預警上發揮重大作用。

4.3 在電暈放電檢測中的應用

電暈放電是指帶電體表面在氣體或液體介質中出現許多局部的電離和激發過程，但電極之間并不擊穿或導通而出現的自持放電現象，常發生在不均勻電場中電場強度很高的區域內(例如高壓導線的周圍，帶電體的尖端附近)。電暈放電的典型光譜曲線如圖4所示。可以看出，電暈放電的紫外光譜主要在200～400 nm左右的波段[35]。在空氣中，電暈放電的峰值波長在300～360 nm左右，但該波段地表太陽輻射比電暈強得多。而在“日盲”紫外波段(220～280 nm)電暈放電的強度要弱得多，但此時太陽在地表的背景輻射為零。因此，選擇在“日盲”波段進行電暈放電的檢測，可得到理想的探測效果。

圖4 電暈放電典型光譜曲線

目前世界上生產電力檢測用紫外成像儀的廠商主要有南非的CSIR 公司和以色列的OFIL公司。CSIR公司與南非最大的供電機構ESKOM合作，共同研發和生產了CoroCAM系列紫外成像儀。OFIL 公司和美國電力科學研究院(EPRI)共同研發了Luminar 、DayCor Ⅱ和UVolle-S/SV等紫外電暈成像儀產品。2016年，OFIL 公司推出了升級版的SuperB產品，通過采用主動照明技術，實現了全天24小時的電暈和電弧的精確定位。近幾年，國內相關研究所、高校和公司相繼開發了多款用于電暈檢測的紫外成像系統[36-37]。作者所在的團隊于2015年開發了用于小型旋翼無人機電力巡線的紫外與可見光雙光譜成像系統，該系統體積小、質量輕(僅1.5 kg)，可滿足大部分旋翼無人機平臺使用要求。隨著電力系統朝著超高壓、大容量方向發展，保證電氣設備的安全運行越來越重要，因此，“日盲”紫外成像探測技術在電力系統中具有廣闊的應用前景。

4.4 在火災探測中的應用

火災是危害人類生存環境的重大災害之一，火災探測是火災科學的重要組成部分。火災發生發展過程中，通常會產生煙霧，同時會釋放出燃燒氣體——氣溶膠。它們與空氣中的氧氣發生反應，形成火焰。大多數物質燃燒均屬于碳氫化合物燃燒，如汽油、柴油、木材等燃燒。燃燒過程中輻射的光譜包含紫外、可見光和紅外光譜。選擇“日盲”紫外波段進行火災探測，可以有效避免太陽背景輻射的干擾，提高探測的靈敏度。同時，由于紫外探測主要對燃燒過程中的火焰變化比較敏感，對燃燒物本身的溫度不敏感，因此可以更好地探測火災滅火過程中的二次燃燒[38-39]。

當前火災探測系統或產品主要使用非成像的紫外探測器，如光電倍增管、硅基紫外光電二極管等。但非成像紫外探測器由于存在靈敏度、易受環境干擾等問題，作用距離有限，一般只能在室內等有限空間使用，不能滿足大空間、遠距離探測的需要。國內外相關研究機構和公司對“日盲”紫外成像探測器在火災探測中的應用進行了相應研究，對其探測火災種類、作用距離和檢測算法等進行了具體試驗和分析。“日盲”紫外成像探測器獲取的圖像主要包含火焰信息，背景干擾少，有利于快速檢測識別。同時，“日盲”紫外成像探測器靈敏度高，能夠探測數千米外的火災，可在大空間、大面積的環境中使用。

4.5 基于輔助光源的導航定位

由于太陽光“日盲”紫外波段不能到達地表，而地表中的人工“日盲”紫外光源也非常少，因此可以利用地表中已有的或人工設置的“日盲”紫外信號源作為“日盲”紫外成像探測器的探測目標，可以減少霧、霾及晝夜變化等條件的影響，從而實現惡劣環境中的輔助導航定位。目前該技術已在人員搜救、無人機自主著艦引導和飛機輔助降落等領域得到應用。

在人員搜救過程中，針對復雜天氣條件、搜救人員不易展開搜救等情況，利用無人機等平臺搭載“日盲”紫外成像系統對被困人員設置的信標進行搜索定位[40]。由于信標發射的信號中含有“日盲”紫外波段，而該波段在近地表空間受背景干擾非常少，而且可以克服復雜天氣的影響，有利于“日盲”紫外成像系統快速準確檢測和定位目標，輔助救援人員對被困人員進行施救。

傳統光電著艦引導系統多采用可見光、紅外成像系統，易受氣象條件和背景環境影響。而“日盲”紫外成像著艦引導系統以設置在著艦平臺上的“日盲”紫外信標圖案作為探測目標，具有目標特征明顯、抗干擾能力強等特點。其系統工作圖如圖5所示[41-42]，在無人機抵達著艦平臺附近后，利用攜帶的“日盲”紫外成像探測系統對著艦平臺上的“日盲”紫外信標圖案進行探測，通過對獲取圖像中的圖案信息進行分析，求解出距離、方位和相對速度等著艦信息，然后無人機飛控系統利用這些數據進行著艦導引飛行控制。

圖5 系統工作示意圖

在飛機輔助降落過程中，利用跑道上能夠發出紫外光且有規律分布的地面燈作為路徑指示器，由于紫外光特殊的傳播特性，可以減少霧、霾等低能見度條件對飛機降落的影響，通過飛機上的“日盲”紫外成像系統進行探測，可以獲得較好的圖像對比度，如圖6所示[43]。

圖6 距降落點200 m處的紫外圖像

4.6 在刑事偵查中的應用

在刑事犯罪現場，由于人體的指紋印、體液(血液、精液、唾液)以及違禁的火藥、麻醉品等物質，對紫外線具有特殊的吸收、反射、散射及熒光特性，利用“日盲”紫外光源對觀測目標進行照射，采用“日盲”紫外成像系統對被觀測目標的反射光進行探測，可在非滲透性的光滑表面如陶瓷、打蠟的地板、油漆家具等表面觀察到反差強烈的犯罪分子遺留的無色汗液指紋。

目前主要采用254 nm的低壓汞燈和266 nm的紫外激光器作為照射光源，其中，由于低壓汞燈在其他波段也有一定的能量輸出，因此對成像結果形成一定的干擾，此外，其輸出能量較小，對使用環境有一定的要求。紫外激光器光具有高度單色性，只有單一波長輸出，入射光源本身對成像結果毫無干擾。同時，激光具有高亮度性，環境光線對其成像結果的干擾極小，其成像效果如圖7所示[44]。

圖7 266 nm激光反射成像的指紋圖

5 結束語

隨著“日盲”紫外成像探測器技術的快速發展，“日盲”紫外成像技術已經得到越來越多的重視和應用，其在槍擊方位探測、放射源檢測等領域也逐漸得到使用。同時，“日盲”紫外成像技術與可見光成像、紅外成像和激光技術等的融合，進一步提高了目標檢測效果，擴大了其使用范圍。■