红外探测系统的最新发展情况-2015版
2016-05-24 20:03:35   来源:麦姆斯咨询   评论:0   点击:

与传统的红外系统相比,小型红外探测器具有迥然不同的系统特点。首先,它们在小F数下拥有远距离目标识别能力。大多数研究人员习惯于讨论具有大F数的远距离传感器,这主要是因为多年来人们一直在追求大规格探测器。

1 小型红外探测器系统

与传统的红外系统相比,小型红外探测器具有迥然不同的系统特点。首先,它们在小F数下拥有远距离目标识别能力。大多数研究人员习惯于讨论具有大F数的远距离传感器,这主要是因为多年来人们一直在追求大规格探测器。

而可见光成像仪的研究始终是围绕小F数下的远距离成像能力进行的。由小型探测器构成的高密度阵列不仅可以提供远距离识别能力,而且还可以实现全电子变焦下的宽视场性能。

美国国防先进研究规划局(DARPA)在小型探测器研究领域一马当先,他们成功研制出了一系列像元间距为5~8 μm的红外探测器。作为DARPA的大口径海洋基础数据阵列(LAMBDA)计划的一部分,美国DRS技术公司已经研制出了一种基于像元间距为5 μm的碲镉汞焦平面阵列的中波红外相机。

2 新型的全景式红外系统

在各式各样的红外系统中,用于对某地点周边进行360度成像的全景式红外系统是相对较新的一种。今后,此类系统不仅包括用于车辆或小船的低成本、低分辨率红外系统,而且还包括用于塔台及其他监视设施的中距离红外系统。而高分辨率全景式红外系统则非常昂贵,它们通常用于保护诸如舰船和潜艇之类的高价平台。

美国海军研究实验室(NRL)研制的全景武相机。美国Remote Reality公司为其提供了将全景图像投射到单个焦平面上的环形透镜;美国L-3辛辛那提电子公司则负责研制了用于提供周边全景成像信息的2000×2000元InSb焦平面。

为了得到一幅圆柱坐标图像,需要实时地对全景环形图像进行去扭曲处理。这种特殊相机可以在中波红外波段提供大约5000个水平像素。在环境潮湿的海军应用中,中波红外波段是最为合适的选择。

对于全景式红外系统来说,帧率也是重要参数之一。与采取旋转工作方式的扫描系统相比,基于环形透镜的全景式系统具有更高的帧率。全景式中波红外成像仪。

如果帧率过低,那么相机就可能无法满足目标探测与跟踪(或机动性)需求。

在过去一年多的时间里,美国Northrop Grumman公司研制的硒化铅(PbSe)探测器肯定算得上是红外系统方面的一大突破。一段时间以来,他们一直在研制用于机载威胁告警系统的低成本PbSb探测器,以防御便携式防空系统(MAN—PADS)以及其他防空武器的攻击。

由于这些探测器的焦平面是通过在硅读出电路上沉积PbSe材料制成的,其价格相当低廉。值得注意的是,这些中波红外探测器只需使用两个热电制冷机,而无需采用低温制冷装置。

当光具的F数为f/l、积分时间为2.5 ms、工作温度为230 K时,像元大小为60 μm的320×240元PbSe探测器阵列的灵敏度和像元可操作性分别为30 mK和99.6%。

许多红外系统专家从未想到过基于非低温制冷技术的致冷型光子探测器能够具有如此高的灵敏度。这些探测器不仅可以用于威胁告警和敌方火力指示,而且还可以在高速工业检测、车辆驾驶以及步枪瞄准等方面有所作为。

与价格低廉的微测辐射热计相比,PbSe探测器在灵敏度和成像速率方面占据优势。

虽然说前景不好预测,但是一旦人们开始面临针对商用飞机的MANPADS系统的恶意挑战,PbSe探测器技术则将变得十分重要。

3 小而轻的平面透镜

在用于提高红外系统性能的光学组件方面,美国海军研究办公室(ONR)的Ravi Athale教授提出了一个引人注目而又相当有趣的想法,即在光具中使用平面透镜。其初步构想得到了DARPA的资助,而且该项目在美国加州大学圣地亚哥分校(UCSD)研究人员的共同参与下取得了很大进展。平面透镜的最初设计看起来像一个冰球。光线从边缘处进入透镜,然后在其内部产生多次反射,最后从透镜的另一侧出来,并形成聚焦光。其中,反射表面用于提供光能量,而且图像是在离透镜背面不远的位置上形成的。

基于平面透镜的探测器具有尺寸小、重量轻以及功能性强等特点。由于存在遮拦,此类系统的调制传递函数和光采集效率较低。然而,在需要小尺寸、轻重量和低功耗的场合中,平面透镜仍是上佳之选。工作在红外波段的平面光具。

UCSD的研究人员表示,用于红外系统的平面透镜已经顺利投入使用。另外,来自NVESD的Philip Pcrconti等人也因将此项技术成功应用于轻量级系统而获奖。

4 微测辐射热计封装技术

在商业领域,微测辐射热计已经从红外系统中异军突起。数家公司正在或一直在(有些是在DARPA的帮助下)研发用于微测辐射热计阵列的晶片级封装技术。

几年来,微测辐射热计已经成功步入热成像、车辆驾驶以及其他商业市场。随着其制作成本的不断降低,热成像技术也将进一步实现商业化。

例如,美国FLIR系统公司就于2014年推出了一种用于智能手机的FLIR ONE普及型热成像仪。该系统的价格为350美元,并配备了一个罩住可见光相机和微测辐射热计相机的保护套。以上两个相机产生的图像经过融合处理后便可呈现在手机屏幕上。

这个小型热成像仪采用基于低成本微测辐射热计的Lepton型机芯。该部件是一个工作波段为8~12 μm、像元间距为17 μm的80 ×60元探测器阵列,其透镜的水平视场角为50度。

随着晶圆级封装甚至是晶圆级相机制作技术的发展,人们将会看到这类红外系统迈入更快的商业化进程。

除了上面介绍的几种红外系统之外,短波红外系统、主动/被动红外系统、高光谱系统、偏振系统、基于相干成像的红外系统以及许多其他红外系统也正处于快速发展之中。

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