透煙成像、多目標(biāo)跟蹤和高速成像, SWIR相機(jī)在安防領(lǐng)域一枝獨(dú)秀

隱蔽行動(dòng)通常使用熱像儀或夜視設(shè)備，但短波紅外（SWIR）波段有其自身優(yōu)勢(shì)，如可透過(guò)大氣煙霧進(jìn)行成像。

紅外光譜分為近紅外（NIR）、短波紅外（SWIR）、中波紅外（MWIR）和長(zhǎng)波紅外（LWIR）波段，安全、防御和監(jiān)控等應(yīng)用的成像系統(tǒng)在很大程度上依賴(lài)于紅外光譜的優(yōu)勢(shì)。用于安全和監(jiān)控的NIR相機(jī)通常是微光（夜視）設(shè)備，而MWIR相機(jī)和LWIR相機(jī)則是通過(guò)熱成像來(lái)完成任務(wù)。然而，SWIR相機(jī)本身就是一種有用的安全和監(jiān)控設(shè)備，有時(shí)單獨(dú)使用，也常常與其他成像儀結(jié)合使用。

NIR與SWIR成像間的光譜邊界通常約為1.4μm，SWIR與MWIR成像間的光譜邊界一般約為3μm。

SWIR相機(jī)可透過(guò)煙霧成像

據(jù)麥姆斯咨詢(xún)介紹，Sensors Unlimited（位于美國(guó)新澤西州Princeton）隸屬于Collins Aerospace公司，主要生產(chǎn)各類(lèi)SWIR成像儀，包括手持SWIR示波器系統(tǒng)、面陣掃描相機(jī)、線陣掃描相機(jī)和線性光電二極管陣列。基于銦鎵砷（InGaAs）的傳感器技術(shù)是由Sensors Unlimited公司于1991年推廣到市場(chǎng)的。

這些SWIR設(shè)備的應(yīng)用包括：設(shè)施、港口、邊境安全與監(jiān)控，和其他隱蔽行動(dòng)；低光成像；軍事駕駛員視力增強(qiáng)；以及軍用紅外激光定位與跟蹤。例如，GA1280JSX SWIR相機(jī)搭載了一顆高清圖像傳感器（1280 × 1024像素），該傳感器可以每秒60幀（fps）的幀速率全分辨率成像，在0.9~1.7μm頻段具有高靈敏度，并覆蓋0.7~1.7μm的NIR/SWIR頻段，或可選0.5~1.7μm可見(jiàn)光/SWIR頻段。

Sensors Unlimited的應(yīng)用工程師Curt Dvonch表示：“透過(guò)大氣煙霧成像，是GA1280JSX高清晰度SWIR相機(jī)最吸引人的安全和監(jiān)控用途之一。以下兩張照片是同時(shí)拍攝的，可清楚表明SWIR相機(jī)在污染、霧霾環(huán)境中的成像顯著優(yōu)于可見(jiàn)光相機(jī)。SWIR相機(jī)的性能優(yōu)于可見(jiàn)光相機(jī)，主要是因?yàn)镾WIR光子能穿透大氣中的霧霾，而可見(jiàn)光光子則會(huì)在含有大量顆粒物的空氣中散射?！?/p>

圖1 美國(guó)猶他州的鹽湖谷偶爾會(huì)出現(xiàn)一種大氣現(xiàn)象，會(huì)使空氣污染持續(xù)幾天或幾周。在這些大氣逆溫現(xiàn)象中，地面能見(jiàn)度會(huì)嚴(yán)重降低。（圖片來(lái)源：Sensors Unlimited）

上圖中右側(cè)的SWIR圖像是由Sensors Unlimited公司的GA1280JSX微型SWIR面陣相機(jī)搭配針對(duì)SWIR優(yōu)化的200mm f/1.6鏡頭，以每秒60幀的速度捕獲的。上圖中左側(cè)的可見(jiàn)光圖像是在視頻模式下，使用尼康D5100單反相機(jī)和55~200mm f/4.5~5.6鏡頭拍攝的。這兩組圖像均經(jīng)過(guò)裁剪，但其他方面沒(méi)有改變。欲了解更多信息，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)Sensors Unlimited官網(wǎng)：www.sensorsinc.com。

SWIR相機(jī)可實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)跟蹤

據(jù)麥姆斯咨詢(xún)介紹，FLIR Systems（位于美國(guó)俄勒岡州Wilsonville）生產(chǎn)基于焦平面陣列（FPA）的InGaAs SWIR相機(jī)，公司也單獨(dú)銷(xiāo)售FPA。這些FPA具有電容式跨阻抗放大電路設(shè)計(jì)，適用于從安全成像到高速科學(xué)激光測(cè)試（需要多個(gè)輸出和動(dòng)態(tài)窗口）的各種應(yīng)用。

FLIR的一款SWIR熱像儀機(jī)芯在尺寸、重量、功耗和成本（SwaP + C）方面進(jìn)行了優(yōu)化。Boson熱像儀機(jī)芯尺寸為21 × 21 × 28mm，無(wú)透鏡重量為15.5g，功耗小于1.6W，達(dá)到軍用級(jí)，無(wú)需熱電制冷器（TEC），有助于其實(shí)現(xiàn)SwaP + C優(yōu)化。比Boson稍微大一點(diǎn)的熱像儀機(jī)芯Tau有TEC，這使它具備了在野外精確使用所需的溫度穩(wěn)定性。Tau熱像儀機(jī)芯尺寸為38 × 38 × 36mm，功耗為3.2W或更低。這兩款熱像儀機(jī)芯均有SWIR成像（0.9~1.7μm）和可見(jiàn)光/SWIR成像（0.6~1.7μm）兩個(gè)版本。

除熱像儀外，F(xiàn)LIR還生產(chǎn)一種名為L(zhǎng)TV-X的全地形偵察和監(jiān)控車(chē)輛，該車(chē)攜帶各種可替換安裝的傳感器和成像儀，包括NIR、SWIR、熱成像、激光測(cè)距和雷達(dá)。車(chē)輛可通過(guò)V-22 Osprey傾轉(zhuǎn)旋翼軍用飛機(jī)運(yùn)輸，并通過(guò)其攝像頭控制系統(tǒng)，能同時(shí)追蹤多達(dá)500個(gè)威脅。欲了解更多信息，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)FLIR Systems官網(wǎng)：www.flir.com。

圖2 FLIR這種輕型戰(zhàn)術(shù)偵察和監(jiān)控車(chē)輛LTV-X，攜帶互補(bǔ)傳感器陣列，包括NIR、SWIR、熱成像、激光測(cè)距和雷達(dá)。（圖片來(lái)源：FLIR）

SWIR相機(jī)有多種OEM版本

據(jù)麥姆斯咨詢(xún)介紹，Raptor Photonics（位于北愛(ài)爾蘭Larne）致力于基于InGaAs的相機(jī)13年，已打造了一系列從320 × 256到640 × 512像素不同分辨率和像素尺寸的SWIR和可見(jiàn)/SWIR相機(jī)。最近，該公司新發(fā)布一款新型1280 × 1024像素分辨率的高清相機(jī)。該公司使用來(lái)自多個(gè)供應(yīng)商的InGaAs傳感器，既有標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，也有定制型產(chǎn)品，用于設(shè)計(jì)低噪音機(jī)芯模組。正如該公司銷(xiāo)售和營(yíng)銷(xiāo)副總裁Mark Donaghy所介紹的，Raptor Photonics可提供包括機(jī)械設(shè)計(jì)、接口、冷卻、光學(xué)設(shè)計(jì)等在內(nèi)的定制型產(chǎn)品，以滿(mǎn)足其監(jiān)控及安全領(lǐng)域客戶(hù)的精準(zhǔn)需求。Donaghy說(shuō)：“事實(shí)上，Raptor每年90%的產(chǎn)品都是多OEM版本產(chǎn)品。例如，OWL 640相機(jī)目前就有16種不同的OEM版本，每一版本都是針對(duì)特定客戶(hù)的特定需求而設(shè)計(jì)的?！?/p>

圖3 這款OWL 1280可見(jiàn)光/SWIR相機(jī)由Raptor Photonics生產(chǎn)，采用定制型鏡頭設(shè)置。（圖片來(lái)源：Raptor Photonics）

Donaghy說(shuō)，憑借1280 × 1024 InGaAs傳感器，OWL 1280相機(jī)光譜范圍可擴(kuò)展至整個(gè)可見(jiàn)光光譜，使其在0.4~1.7μm波譜范圍內(nèi)都具有高靈敏度。10 × 10μm像素間距使高分辨率成像帶有不到40 e-的讀出噪聲和擁有69dB的大場(chǎng)景內(nèi)（intra-scene）動(dòng)態(tài)范圍，實(shí)現(xiàn)光亮與陰暗場(chǎng)景的同時(shí)捕捉。

該相機(jī)的工作頻率為10赫茲到60赫茲，內(nèi)置自動(dòng)增益控制（AGC），可實(shí)現(xiàn)從弱光到強(qiáng)光的最佳對(duì)比度圖像。該相機(jī)溫度穩(wěn)定，無(wú)需風(fēng)扇。Donaghy指出，該相機(jī)非常適于陸地和空中的低光及夜間成像應(yīng)用。

Donaghy解釋說(shuō)：“OWL 1280已經(jīng)被OEM和主承包商應(yīng)用到多個(gè)萬(wàn)向節(jié)方案中。高清（HD）格式可為操作者提供更好的分辨率，而VIS-SWIR的范圍可實(shí)現(xiàn)透過(guò)煙霧、霧霾、海霧以及其他低能見(jiàn)度條件來(lái)成像。這對(duì)于觀察如1550nm等關(guān)鍵波長(zhǎng)激光也至關(guān)重要。OWL 1280安裝在萬(wàn)向架中，旨在提供最優(yōu)的SWaP性能，同時(shí)相機(jī)可以處理如溫度（-40℃到+ 75℃）和濕度（共形涂層電子器件）等極端的環(huán)境條件。每臺(tái)相機(jī)都是按照ISO9001:2015標(biāo)準(zhǔn)制造的，這意味著我們的相機(jī)擁有獨(dú)一無(wú)二的質(zhì)量和可靠性，對(duì)關(guān)鍵任務(wù)的應(yīng)用至關(guān)重要。”

Donaghy指出：對(duì)于特定客戶(hù)，該相機(jī)采用板式結(jié)構(gòu)，并配備柔性電纜，這樣可以將組件“壓縮”進(jìn)緊湊的外殼結(jié)構(gòu)中。欲了解更多信息，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)Raptor Photonics官網(wǎng)：www.raptorphotonics.com。

SWIR相機(jī)可高速成像

據(jù)麥姆斯咨詢(xún)介紹，F(xiàn)irst Light Imaging（位于法國(guó)Meyreuil）推出了一款非制冷型SWIR相機(jī)C-RED 3，為實(shí)現(xiàn)低SwaP+C而進(jìn)行了優(yōu)化。公司創(chuàng)始人兼科學(xué)顧問(wèn)Jean-Luc Gach說(shuō)，這款相機(jī)基于TECless InGaAs傳感器，敏感波段覆蓋0.9到1.7μm，量子效率（QE）超過(guò)70%。該相機(jī)的刷新率高達(dá)每秒600幀，讀出噪聲低于50 e-。

C-RED 3搭載一個(gè)開(kāi)口寬度低于5μs的嵌入式電子快門(mén)。雖然該相機(jī)主要用于工業(yè)用途，但它也非常適合通過(guò)固定安裝或無(wú)人機(jī)等移動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行監(jiān)控。

該相機(jī)支持高動(dòng)態(tài)范圍模式（HDR），提供93 dB動(dòng)態(tài)范圍和真16位線性響應(yīng)，同時(shí)具有低于50 e-的低噪聲和超過(guò)106 e-的滿(mǎn)阱容量（full well capacity）。C-RED 3也可在標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)范圍的AGC模式下工作，并且特別適合需要極高速度的應(yīng)用中的短時(shí)曝光。欲了解更多信息，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)First Light Imaging官網(wǎng)：www.first-light-imaging.com。