小面元紅外探測器具有成本低、體積輕、功耗小等優勢，更利于紅外整機實現工程指標提升，對于進一步推廣紅外行業低成本量產的發展十分有幫助。未來，小面元探測器如何在紅外整機中應用是持續關注的重點。

據麥姆斯咨詢報道，中電科光電科技有限公司的科研團隊在《激光與紅外》期刊上發表了以“小面元探測器在紅外整機應用中的關鍵技術分析”為主題的文章。該文章第一作者為何松。

本文將針對小面元探測器在紅外整機應用中的關鍵技術進行整機實驗和數據仿真，為后續的工程化應用提供思路。

理論分析

面元尺寸對熱像儀總體設計的影響

紅外熱像儀是典型的光學設備，屬于角分辨率探測裝置。由幾何光學原理可知，作用距離指標受瞬時視場角和目標能量兩個方面共同影響。探測器面元尺寸一定時，影響瞬時視場角最直接的指標為焦距，焦距越長，則瞬時視場角越小，越有利于提升系統作用距離；影響能量最直接的指標為Ｆ數，Ｆ數越小，能量越強，越有利于提升系統作用距離。然而，選用長焦和小Ｆ數作為整機設計輸入都會引起光學設計和加工難度增大、系統體積重量增大、成本提升等問題，因此在工程研發中，當通光口徑一定時，通常選擇長焦、大Ｆ數或者短焦、小Ｆ數作為設計前提，但是焦距和Ｆ數又同時受到面元尺寸的影響，因為焦距一定時，面元尺寸越小，瞬時視場角越小；由瑞利判據可知，面元尺寸減小時，Ｆ數也應相應減小，以避免光學超衍射限的問題發生。由此可見，面元尺寸的選擇對熱像儀焦距、Ｆ數、體積、重量、成本等多個方面影響甚大。基于此，在熱像儀方案選擇上，應優先選擇小面元尺寸的的探測器，然后選擇合適的小Ｆ數與較長的焦距，以滿足分辨率高、能量強、作用距離遠、體積小、重量輕、成本低的整機工業化發展需求。

由于超光學衍射極限后熱像儀的光學艾利斑將發生混疊，降低系統分辨率，故在確定采用小面元探測器后，整機設計的Ｆ數選取范圍通常以瑞利判據為標準；為分析艾利斑混疊在整機應用中的具體影響程度，針對小面元整機在光學設計、圖像處理算法等方面做進一步突破匹配，以選擇合適的Ｆ數，進行相應的仿真實驗。

光學系統的艾里斑光強仿真

點光源通過衍射受限透鏡成像時，由于衍射而在焦點處形成的光斑稱為艾里斑，光學系統的分辨率通常以艾里斑的大小進行描述。根據瑞利判據，成像光學系統的分辨能力是衡量分開相鄰兩個物點的像的能力，傳統設計依據是光學系統的艾里斑直徑2.44λＦ≤面元尺寸，在衍射極限位置，圖像中心亮斑包含84%的輻射通量。為了分析更貼近系統工程的數據指標，選取實際光學系統進行仿真試驗，對于中波紅外探測器（3～5 μｍ，Ｆ3，7.5 μｍ面元尺寸），分別采樣3.6 μｍ、4 μｍ、4.8 μｍ波段下的艾里光斑成像效果，具體如圖1。

圖1 不同波段下艾里光斑及采樣效果

觀察實驗結果易得，在4 μｍ波長時，成像并非完全無法分辨，通過圖像處理和增強可以實現分辨；但波長更長時，甚至形成中間比兩邊更亮的情形，此時探測器采樣將完全無法分辨兩個點。基于以上仿真，在整機系統設計過程中，當艾里斑半徑小于兩倍面元尺寸時，即作為對探測器的有效采樣位置。

小面元熱像儀的工程化應用

為了分析小面元探測器在整機工程化應用中的具體表現，采用數據收集、指標分析、總結歸納的方法，探索小面元熱像儀的指標設計體系。

為了保證數據收集、分析的全面性與合理性，我們將采用小面元探測器的整機總體設計分為相對小面元和絕對小面元兩種情況討論。當波長一定時，相對小面元是指面元物理尺寸相同時，絕對小面元是指波長及Ｆ數一定時，即艾里斑尺寸相同，而2a的數值隨面元物理尺寸減小，且面元尺寸a小于15 μｍ主流探測器的情況。

相對小面元成像研究

相對小面元下國外光學鏡頭的設計分析

為開展相對小面元下整機的實際應用分析，調研了國內外熱成像鏡頭廠商的產品資料，選用國外某系列化制冷型中波15 μｍ，NETD在23 ｍＫ，探測、識別、辨認概率在50%時的光學鏡頭進行數據統計，結果如圖2所示。

圖2 不同焦距下對車輛識別、探測、辨認所需像素數

通過數據分析發現，衡量固定目標所需的有效像素數隨Ｆ數和焦距長短發生變化，Ｆ5.5所需像素數整體大于Ｆ4，長焦所需像素數整體大于短焦，且焦距越短越明顯，部分數據顯著高于約翰遜準則。

由以上數據分析可知，在通光口徑相同時，由于Ｆ數為5.5的整機（即采用相對小面元探測器的整機）比Ｆ數為4的整機接收的能量更弱，尤其在遠距離工作，受大氣透過率影響，信噪比不足時，需要更多的像素以彌補其不足。該結論可用于以相對小面元探測器的整機在確定面元尺寸和作用距離時，Ｆ數與焦距選擇的參考（考慮到國內外光學鏡頭的性能差異，此數據可能需要修正）。

相對小面元下國內整機的ＮNETD、MRTD及成像分析

為分析采用相對小面元探測器的整機系統指標，本試驗選擇了90 mm焦距，Ｆ2的光學鏡頭，分別搭配10 μｍ，15 μｍ不同Ｆ數的探測器在不同積分時間下進行了NETD和MRTD數據收集分析，結果見表1和圖3。

表1 NETD測試結果

圖3 不同探測器在相同光學系統下的MRTD測試曲線

由上可知，該曲線在低頻靶標下的測試結果近似等同于NETD值，在系統截止頻率上測試指標趨于無窮大；在同樣的光學鏡頭和信號處理電路下，搭配10 μｍ，Ｆ2探測器時，特征靶下的MRTD基本達到0.3 Ｋ左右，符合理論值，分辨能力較好，此時探測器采樣未超光學衍射極限；搭配10 μｍ，Ｆ4探測器時，MRTD較Ｆ2略差，此時處于衍射極限狀態；搭配10 μｍ，Ｆ5.5探測器時，無法分清特征靶，且低頻的MRTD也較差，此時超出衍射極限。同理15 μｍ，Ｆ5.5的整機MRTD曲線差于15 μｍ，Ｆ4。

同時可得，當探測器采樣超衍射極限較多且NETD較小能量較弱、MRTD曲線較差時，通過提高積分時間可顯著提升NETD和MRTD測試值，提高作用距離指標。

另外，通過對相同口徑不同焦距熱像儀的指標測試發現，由于部分長焦大Ｆ數熱像儀受光學截止頻率影響嚴重，其極限特征頻率與焦距稍短的小Ｆ數熱像儀基本相同，對這種情況下目標的信息量是否可以隨光學焦距的增加而加大存有疑問；如果此時長焦熱像儀不能增加信息量，則其目標識別效果應與短焦熱像儀電子放大后基本相當，為分析此問題進行如下試驗：

本試驗采用一臺15 μｍ，Ｆ4整機，一臺15 μｍ，Ｆ5.5整機，通光口徑均設為190 mm，此時兩臺熱像儀實測MRTD截止頻率和指標基本相當；白天對距離2.5 ｋｍ的無人機進行識別對比驗證，短焦熱像儀通過電子放大使其視場與長焦熱像儀相當，目標細節如圖4所示。

圖4 不同焦距的目標細節圖

由上可知，長焦大Ｆ數熱像儀的分辨率顯著優于短焦小Ｆ數熱像儀電子放大后的效果，因此判斷，即使受物理光學影響，在相同口徑下長短焦熱像儀空間截止頻率相同，長焦大Ｆ數熱像儀，即艾里斑尺寸更大，面元尺寸相對小時，依然可以提高目標空間分辨能力，提高作用距離。

此外，本次實驗發現長焦、大Ｆ數整機由于最小視場時的分辨能力更高，積分時間較小Ｆ數整機更長，目標觀測過程中圖像上可明顯看出由于大氣湍流引起的空氣流動現象。眾所周知，大氣湍流（大氣層中空氣密度的無規則起伏）一直存在，且湍流對光束傳輸的影響成為湍流效應，其主要表現為光束強度、相位、方向等變量的不規則變化。紅外熱像儀是通過選擇與大氣窗口對應的不同波段探測器，通過光學系統對目標進行信息收集及顯示成像的過程，因此，光束的持續變化對熱像儀接收成像較為不利，后續可通過時域濾波、抗擾動算法等手段提升熱像儀成像質量。

面元尺寸絕對小

絕對小面元下的探測器采樣仿真

為了剖析絕對小面元探測器對整機成像質量的影響，通過仿真目標經理想光學系統衍射成像后，探測器對其采樣的過程，探究采樣相位是否可能對成像質量造成影響。

在理想光學系統（波段7.7～9.0 μｍ，Ｆ3，焦距255 mm）下，用10 μｍ和15 μｍ面元尺寸探測器對15 μｍ對應四桿靶圖像采樣，每次移動1/4相位，得到實驗結果如圖5所示。

圖5 移相實驗結果圖

圖5從左到右分別是四桿靶，10 μｍ探測器對其進行采樣，15 μｍ探測器對其進行采樣。從仿真結果中可以看出，當使用10 μｍ面元尺寸探測器對四桿靶圖像進行采樣時，不同相位成像略有差異，但都能完全分辨四桿靶；而使用15 μｍ面元尺寸探測器對四桿靶圖像進行采樣時，在個別相位無法分辨四根靶標，即產生了摩爾紋現象；該實驗結果表明采用絕對小面元探測器的整機，通過調整采樣相位能夠明顯減小摩爾紋對成像質量的影響，改善圖像分辨率，提升作用距離，該結果同時證實了上述采用絕對小面元探測器時采樣相位是否可能對整機成像質量造成影響的可能性是存在的。

絕對小面元下國外探測器的設計分析

雖然絕對小面元探測器具備體積小、重量輕、成本低、在探測器受限時能顯著提升系統分辨率及增大面陣規格等諸多優點，但是面元尺寸會受到孔徑衍射效應的限制，并不能無限制地減小，減小至超出光學衍射極限后，會降低系統分辨率。針對此問題，美國DRS公司開展了大量的分析及實驗，確認了將探測器面元尺寸降低到近衍射極限甚至超衍射極限的可能性。本文通過查閱相關國外資料，得出部分結論，具體如圖6、7所示。

圖6 中波Ｆ數及面元尺寸匹配關系圖

圖7 長波Ｆ數及面元尺寸匹配關系圖

以上曲線綜合考慮了光學系統和探測器的截止頻率、采樣頻率以及中、長波探測器信噪比差異等因素，從探測距離、衍射受限等角度為整機Ｆ數和面元尺寸的匹配、探測器面元尺寸的進一步研究提供了數據參考。同時可得，對于Ｆ1的制冷型中、長波探測器，其最小面元尺寸應分別為3 μｍ和5 μｍ左右。

絕對小面元下國內整機的NETD、MRTD及成像分析

為分析采用絕對小面元探測器的整機系統指標，本次實驗選取兩臺整機分別匹配10 μｍ和15 μｍ規格的探測器，進行了整機室內NETD、MRTD指標測試，室外場景觀測對比，包含近距離、遠距離、晴天、陰天等多距離、多氣候條件下的作用距離試驗，NETD的測試結果見表2，MRTD的測試結果如圖8所示。

根據測試結果分析，可得出結論，從MRTD及NETD的測試結果來看，搭配10 μｍ探測器時的指標較搭配15 μｍ探測器的指標更差，由于10 μｍ探測器噪聲大，非均勻性較差，測試效果不佳。雖然在近距離時，10 μｍ整機的分辨能力略好于15 μｍ整機，但在遠距離上兩者的分辨率差異不大且10 μｍ的作用距離不如15 μｍ熱像儀，因為10 μｍ整機噪聲及非均勻性較差，導致整機的信噪比及信雜比下降明顯，不利于遠距離探測。

表2 NETD測試結果

圖8 不同熱像儀MRTD指標曲線

10 μｍ整機與15 μｍ整機同視場下的室外觀測情況如圖9所示。

圖9 不同面元尺寸熱像儀近距離和遠距離成像對比圖

另外，通過10 μｍ，Ｆ5.5和15 μｍ，Ｆ5.5整機成像的比較，可以發現絕對小面元成像能夠避免摩爾紋現象的出現，與探測器采樣仿真結果一致，如圖10所示。

圖10 不同熱像儀成像效果對比

結合目前多種采用小面元探測器的整機應用結果可知，整機NETD由于小面元探測器的噪聲較大，測試結果不佳，后續應著重優化。整機MRTD嘗試按傳統測試方法和按衍射極限所能達到的空間頻率綜合選取特征靶。

結語

小面元成像技術的實質是打破熱像儀現有設計思維，熱像儀整機不再是各單元最優指標的集合，而是根據應用需求多方面權衡和取舍的設計結果。本文結合仿真分析及工程實踐經驗，從理論分析提出小面元的定義，針對定義分別進行數據測試與工程仿真，對小面元的優勢及對紅外整機的成像影響進行分析，最終得到經驗公式，希望對小面元整機設計提供指導思路。

然而，本文的數據樣本收集相對單一，相關關聯因素排除不徹底，后續仍然需要進一步擴大數據樣本的收集范圍，并從超分辨率下的圖像復原及計算成像等方法上尋求進一步突破。

審核編輯：劉清