本⽂内容转载⾃《红外技术》2020年第4期，版权归《红外技术》编辑部所有。
赵志刚，王鑫，彭廷海，赵灿兵，夏丽昆，周游
中国⼈民解放军32381部队，昆明物理研究所，陆军装备部驻重庆地区军事代表局驻昆明地区第⼀军事代表室
0 引⾔
根据⼤⽓对红外辐射的吸收情况，红外成像系统设计时通常分为5个光谱波段，分别是近红外波段、短波红外波段、中波红外波段、长波红外波段和甚长波红外波段，根据⽬标的红外辐射特性，⽤于观瞄系统的红外成像设备通常⼯作在中波或者长波波段。在很长⼀段时间⾥，受到红外探测器材料及器件的制造⼯艺和成本的限制，以及红外热成像系统相关技术不够成熟，红外热成像系统只能⼯作在某⼀个单⼀波段。 包场中学1 中长波双波段红外成像技术的发展
从现有公开的⽂献资料来看，国外对红外双波段成像从20世纪中期开始就有所讨论，到90年代末开始出
现较多的成果。纵观这些⽂献资料，国外中长波双波段红外成像技术⽬前主要有3种类型：双探测器双波段成像技术、双线列双波段成像技术以及单探测器双波段成像技术。
1.1 双探测器双波段成像技术
在早期，由于能够同时响应两个波段的探测器尚未⾯世，以及相应的光学系统材料和镀膜技术的限制，只能采⽤两个不同波段的探测器，分离的光学系统来构建双波段成像系统，然后通过图像的配准和融合技术来获得双波段图像。美国、德国、意⼤利、加拿⼤等国家都开发出了相应的系统，并且有的已经实现装备。表1所⽰是⽬前公开报道的国外典型双探测器中长波双波段红外成像系统简介。 德国Thermosensorik、FGAN-FOM等公司在2003报道了他们采⽤两个探测器研制的双波段红外成像系
统“CLEMENTINE”的情况，该系统采⽤了两个探测器，配合两个焦距为100 mm的光学系统，保证两个波段视场⼀致，并在后端进⾏图像配准和融合。研制⽅进⾏了⼤量的数据采集试验，获得了⼤量640 × 512分辨率的图像。图1所⽰为⽤该系统采集的图像数据，从左到右依次为中波、长波和融合图像。
表1 国外典型双探测器中长波双波段红外成像系统
图1 德国“CLEMENTINE”系统采集的双波段图像
意⼤利军⽤技术研究中⼼和SELEX GALILEO公司在2010年报道了他们为意⼤利海军研制的静默发现和监控系统，该系统⽤于装备意⼤利海军的新航母加富尔号（Camillo Cavour）。该系统采⽤⼀个中波（3.7 ~ 5 µm）和⼀个长波（7.75 ~ 10.25 µm）两个扫描型热像仪构成，探测器规格为288 × 6，瞬时视场为0.16 mrad（H）×0.32mrad（V），可以实现360°搜索。图2所⽰为该系统构成以及实际装备实物图。
图2 静默发现和监控系统及其装备平台
此外，美国军⽅在1998年组织的多光谱传感器的测试试验⽤⼀个中波红外热像仪和⼀个长波红外热像仪采集了两个波段的图像信息，加拿⼤ABB公司在2011年报道了他们和美国海军合作开发的傅⾥叶变换光谱辐射探测设备。
基于双探测器的中长波双波段红外成像技术是⼀个过渡阶段的技术，欧美主要国家都研制出了相应的系统，并验证了双波段图像融合、基于双波段图像的搜索跟踪等技术，进⼀步探索并验证了双波段成像技术在实际应⽤中的相关理论和技术。这使得相关国家在双波段红外成像⽅⾯积累了⼀定的领先优势。
1.2 双线列双波段成像技术
由于基于叠层材料的双波段探测器⽆论是材料制备还是器件制造的难度都远超过单波段探测器，⽽基于线列探测器成熟的制造技术，在同⼀个焦⾯上并列放置两个波段的探测线列，以获得可以探测双波段辐射的线列探测器不失为⼀种降低成本和难度的⽅案。
在⽬前的公开⽂献中，只有美国海军研究实验室报道了双线列双波段成像系统的研究成果。该系统所采⽤的双波段线列探测器的构成⽰意图如图3(a)所⽰，将中波和长波两种探测器线列封装在⼀起，配合共光路双波段光学系统和扫描机构，可以获得30° × 1.5°的视场。通过信息融合的⽅式，可以有效提⾼探测率并降低虚警率，图3(b)所⽰为该系统采集的双波段图像。
图3 双线列双波段成像系统
1.3 单探测器双波段成像技术
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利福喷丁随着双波段材料制备和器件制造技术的进步，欧美主要国家都研制出了双波段探测器。由于量⼦阱材料波长控制灵活、制备相对容易，所以各个国家最早研发出来的都是基于量⼦阱材料的双波段探测器。由于量⼦阱材料存在量⼦效率低、暗电流⼤等缺点，各国随后都把重点转移到基于碲镉汞材料的双波段探测器的研发并取得了快速进展，表2所⽰是美国RVS、德国AIM、法国Sofradir、英国SELEX等公司的碲镉汞双波段探测器，⽬前碲镉汞已经成为双波段探测器的主流材料。此外，随着⼆类超晶格材料制备技术的进步，其优点逐步显现，也成为了双波段探测器材料的⼀个重要发展⽅向。根据最
新的报道美国已经研制出⾯阵规格1280 × 720、像元⼤⼩12 µm的⼆类超晶格中长波探测器，其性能已经⼤致达到了碲镉汞探测器的⽔平。
随着探测器技术的进步，各个国家都基于单探测器开发了双波段红外成像系统，表3所⽰是公开报道的国外典型单探测器中长波双波段红外成像系统。可以看到⼤多数报道都是美国和德国，这也反映出他们该技术领域的领先地位。
美国陆军研究实验室和洛克希德马丁公司早在2001年就报道了他们单探测器双波段成像验证样机的研究成果。该样机采⽤洛克希德马丁公司研制的中长波量⼦阱探测器，配合⼀个100 mm焦距的双波段光学系统，并采⽤在双探测器双波段成像技术中验证过的彩⾊融合算法。美国陆军和洛马公司组织了⼤量图像采集试验，对坦克、卡车、直升机等陆军主要军⽤⽬标进⾏了双波段图像采集。如图4所⽰，从左到右依次为中波、长波和融合图像。
美国陆军夜视和电⼦传感委员会、RVS（雷神视觉系统）公司和OASYS公司等在2008年报道了他们第三代热像仪验证样机的成果。样机采⽤RVS公司研制的640 × 512碲镉汞中长波双波段探测器，该探测器采⽤了最新的可变冷屏光阑杜⽡，并结合OASYS公司研制的变F数双波段光学系统。基于该验证样机，美国军⽅对中长双波段红外成像的优点、变F 数光学结合双波段的优势以及中长波如何实现优势互补等⽅⾯的问题进⾏了研究和验证。图5所⽰是⽤该样机采集的图像，左侧为中波，右侧为长波。
智库是什么
表2 国外各机构中长波双波段探测器
冢表3 国外典型单探测器中长波双波段红外成像系统
图4 单探测器双波段红外成像设备采集的军⽤⽬标双波段图像
图5 美国第三代热像仪样机采集的双波段图像
此外，美国的FLIR、Voxtel、QmagiQ等公司以及⼀些⼤学和研究所也都在军⽅的⽀持下开发了相关的系统和应⽤技术。德国IRCAM公司、AIM公司在2008年报道了他们的双波段成像系统及先进的双波段图像处理技术，该系统采⽤了图像细节动态增强、彩⾊融合以及拼接技术对双波段图像进⾏处理，获得了⾼分辨率的彩⾊图像，具有出⾊的视觉效果。
1.4 三种中长双波段成像技术的⽐较
双探测器双波段成像技术通常采⽤两个单波段探测器，配合两个分离的光学系统或者⼀个共⼝径分光路光学系统实现双波段成像。在双波段探测器技术尚不够成熟的时期，是双波段成像的重要技术⽅向，可以利⽤单波段探测器分辨率较陈庆炎
波段成像。在双波段探测器技术尚不够成熟的时期，是双波段成像的重要技术⽅向，可以利⽤单波段
探测器分辨率较⾼、灵敏度较强的优点，获得较⾼质量的图像。这种⽅案很⼤程度上相当于采⽤了两个单波段的成像系统，存在体积重量⽐较⼤，总体成本也⽐较⾼的缺点。同时由于采⽤分离光学系统或者分光路的形式，所获取的成像场景不能完全⼀致，所以必须先进⾏图像配准再进⾏图像融合，需要更复杂的图像处理架构，⽽且由于配准精度的限制，往往存在由于图像失配导致的景物重影。
双线列双波段成像技术利⽤线列探测器的制造技术，避免了⽣长叠层材料的困难，可以采⽤共光路双波段光学系统，能够同时获得⼏乎完全相同视场的双波段图像，具有单探测器体积、重量⼩的特点，相对成本更低。由于采⽤光机扫描成像技术，这种⽅案具有可以通过机械扫描提⾼图像分辨率的优点，同时也存在光机稳定性相对较差、扫描机构驱动控制较复杂的缺点。
单探测器双波段成像技术，基于能够同时响应两个波段辐射的双波段探测器，配合能够同时透过两个波段辐射的共光路光学系统实现双波段成像。这种⽅案对探测器相关的材料制备、器件设计、读出电路等技术以及光学系统相关的像差优化、加⼯镀膜等技术都有更⾼的要求，其具有的优势也是显⽽易见的，更简单的构成带来更⼩的体积、更低的成本和更⾼的稳定性，同时不需要额外的图像配准和扫描机构控制技术。此外，由于探测器材料响应特性，⼀般会存在少量的光谱串⾳。
从发展历史和趋势来看，尽管各国双波段成像技术进展各有不同，以⾄于同⼀时期3种成像技术都有相关⽂献报道，但是3种技术的发展存在⼀定的先后顺序。早期由于双波段探测器尚未研制出来，最
先出现的是双探测器双波段成像技术。随着双波段探测器的⾯世，单探测器双波段成像技术发展迅速，同时限于双波段探测器⾯阵不够成熟，存在3种技术共同发展的局⾯。⽬前，随着⼤⾯阵、⼩像元双波段探测器发展和成熟，双探测器双波段成像技术和双线列双波段成像技术的优势逐渐被抵消，单探测器双波段成像技术成为双波段成像技术的主流⽅向，其他两种技术则在⼀些特别的应⽤场景中存在。
2 中长波双波段红外成像技术的应⽤
2.1 提⾼对复杂环境的适应能⼒
美国相关机构在其关于第三代热像仪验证样机的报道中，对双波段成像技术的特点以及如何发挥其优势进⾏了分析论证。双波段成像技术最⼤的优势在于能够同时获得两个波段的辐射信息，这带来的最⼤效益在于提升装备的全天候适应性以及⾯对战场伪装的操作灵活性。双波段成像技术带来的效能增加通常不是来源于灵敏度的简单提升，⽽是由双波段探测带来的适应性和灵活性进⼀步提升作战任务的整体成功率，充分发挥其优势的关键在于将双波段焦平⾯与先进的光学技术和信号处理技术结合。⽽随着长波像元接近并超过衍射极限，可以利⽤中波来弥补长波分辨能⼒不⾜的双波段成像技术，在地⾯应⽤中将体现出相⽐长波单波段更⼤的优势。
国外对双波段成像技术的应⽤，最主要的⽅向就是依据上述思路，根据不同的作战环境和作战任务，
合理利⽤中波分辨率⾼和长波探测灵敏度⾼的特点，发挥最⼤效能。此外，采⽤彩⾊图像融合技术，获取视觉效果更佳、信息更丰富、更适于⼈眼观看的彩⾊图像⽤于⽬视观察和瞄准，图6所⽰是德国采⽤先进双波段图像处理技术获取的彩⾊融合图像。
图6 先进双波段图像处理技术采集的图像
2.3 获取⽬标温度、光谱特性等特征信息
从⽬前的公开⽂献来看，⼤多涉及双波段成像技术应⽤⽅⾯的报道都跟美国有关，这也反应出美国在相关技术领域的领先优势。除了上述应⽤，双波段成像技术的另⼀个重要应⽤⽅向就是对双波段图像信息进⾏深度提取，进⼀步获取关于⽬标的温度、发射率、光谱特性等⽅⾯的特征信息。这些信息有助于进⼀步判别⽬标的类型、材料等等，在反伪装、反⼲扰、反诱饵等⽅⾯有重要的应⽤潜⼒。
美国空军研究实验室基于中长波双波段成像设备开发了⼀种绝对温度测量技术，测温精度达到1℃，所⽤热像仪采⽤320 × 240量⼦阱中长波探测器，像元⼤⼩40 µm。美国海军和加拿⼤ABB公司联合开发的图像傅⾥叶变换光谱辐射探测设备，采⽤两个不同波段的传感器获取图像，并进⾏光谱信息分析。可以⽤于分析⽓体、物质的光谱信息，对物体进⾏初步的分辨。
3 结束语
从⽬前的公开⽂献可以看到，在研制出双波段探测器之前，国外通过采⽤双探测器或者双线列探测器的⽅案，对中长波
从⽬前的公开⽂献可以看到，在研制出双波段探测器之前，国外通过采⽤双探测器或者双线列探测器的⽅案，对中长波双波段红外成像技术进⾏了研究，在双波段图像融合、双波段图像跟踪等⽅⾯进⾏了验证。
美国、德国、法国、英国等国家都相继研制出了双波段探测器，结合前期积累的技术基础，很快就开发出双波段成像系统，进⼀步⽀撑了双波段成像应⽤技术的研究。近年来，双波段成像技术领域的⽂献逐渐减少，且主要集中在⼩像元、⼤⾯阵、新材料双波段探测器⽅⾯。这也说明国外相关机构在之前就对相关的整机系统技术、应⽤技术进⾏了较充分的研究。可以预见，未来双波段成像技术也将⾛上和单波段类似的更⾼分辨率、更灵敏、更低的成本和功耗、更⼩体积、更强⼤的图像处理能⼒的发展路径。
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