紅外系統(tǒng)協(xié)會(huì)（特別是在美國(guó)）規(guī)模并不很大。20世紀(jì)80年代國(guó)防預(yù)算減少后，保留了很少的紅外系統(tǒng)專(zhuān)家，許多都是光學(xué)工程師、物理學(xué)家，或者像我這樣從事光電的電力工程師。由于我們這個(gè)圈子很小，彼此之間十分熟悉。

20世紀(jì)80年代，隨著從第一代前視紅外線(xiàn)掃描器向第二代前視紅外時(shí)延積分掃描探測(cè)器、再向二維凝視陣列系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變，紅外技術(shù)發(fā)展似乎非常快。光學(xué)元件全部是采用傳統(tǒng)紅外材料的單f數(shù)系統(tǒng)，但新的發(fā)展是一種新的孔徑尺寸和更大的窄-寬視場(chǎng)切換比。

我過(guò)去認(rèn)為技術(shù)成熟地太快，很難跟上，現(xiàn)在則發(fā)展地更快了！

最令人興奮的時(shí)期莫過(guò)于成為一名紅外系統(tǒng)工程師。每年有多項(xiàng)技術(shù)突破，進(jìn)展令人吃驚。我想介紹過(guò)去五年在元件和紅外系統(tǒng)方面的一些重大進(jìn)展。這些紅外技術(shù)大多都和軍事系統(tǒng)有關(guān)，但某些成像系統(tǒng)正在打入商業(yè)市場(chǎng)。

持久監(jiān)視系統(tǒng)

圖1 持久監(jiān)視系統(tǒng)平臺(tái)

持久情報(bào)、監(jiān)視和偵察（PISR）系統(tǒng)是最新的軍用紅外系統(tǒng)。這些系統(tǒng)在可見(jiàn)光波段的使用大約從6-10年前開(kāi)始。它們用于戰(zhàn)區(qū)小城鎮(zhèn)上空飛旋的有人駕駛飛機(jī)，飛行周期12小時(shí)。

該想法是在簡(jiǎn)易爆炸裝置、自殺式***或車(chē)輛爆炸后提出來(lái)的，圖像序列可以倒回，因此調(diào)查取證員可以辨認(rèn)涉及的人和車(chē)。

由于PISR在夜間工作得更好，設(shè)備可以更隱蔽地工作，所以研發(fā)人員提出了紅外PISR系統(tǒng)。這些系統(tǒng)可放在移動(dòng)或靜止無(wú)人平臺(tái)上，遙控站內(nèi)的操作員設(shè)定地面采樣距離、覆蓋面積（km2）和幀速率以確定系統(tǒng)性能。

許多國(guó)家的軍事實(shí)驗(yàn)室都在從事這一領(lǐng)域的系統(tǒng)。

用于防御應(yīng)用的雙波段成像

雙波段成像儀的發(fā)展在防御應(yīng)用中提供了重要優(yōu)勢(shì)，使操作員可以用相同焦平面在中波紅外（MWIR，3~5μm）和長(zhǎng)波紅外（LWIR，8~12μm）進(jìn)行觀察。DRS技術(shù)公司、雷聲公司、Teledyne公司、洛·馬公司、Sofradir公司和FGAN-FOM公司、光電和圖像識(shí)別研究所是生產(chǎn)焦平面陣列的一些機(jī)構(gòu)。

雙波段成像儀的光學(xué)元件復(fù)雜又昂貴。一些科學(xué)家和工程師對(duì)用組合波段瞬時(shí)成像的有用性還有爭(zhēng)論，但對(duì)給定孔徑尺寸，使用MWIR和LWIR的優(yōu)勢(shì)很明顯。

在“惡劣戰(zhàn)場(chǎng)”條件下，世界上大多數(shù)陸軍都使用長(zhǎng)波紅外，而多數(shù)空中和海上組織都使用中波紅外，因?yàn)槠洳ㄩL(zhǎng)更短，距離更遠(yuǎn)，工作環(huán)境的空氣更潮濕。將中波紅外用于地面的明顯優(yōu)勢(shì)是，在“良好”條件下，中波紅外相機(jī)的觀察距離是長(zhǎng)波紅外（由于衍射限）熱像儀的2.5倍。

但是，大多數(shù)陸軍不會(huì)為了中波紅外犧牲長(zhǎng)波紅外，因?yàn)樵谟袩崮繕?biāo)、燃燒目標(biāo)、煙霧、昏暗和寒冷氣候的惡劣戰(zhàn)場(chǎng)條件下，中波紅外的光子不足。

圖2 中波紅外成像儀和長(zhǎng)波紅外成像儀視場(chǎng)中的燃燒筒

證明長(zhǎng)波紅外在惡劣戰(zhàn)場(chǎng)中優(yōu)勢(shì)的最佳例子是燃燒筒，如圖2所示。普朗克曲線(xiàn)上的熱目標(biāo)向左移動(dòng)，中波紅外段的巨大能量讓探測(cè)器出現(xiàn)熱暈，并發(fā)出炫光，而LWIR圖像仍有效，燃燒筒在視場(chǎng)中。

同樣，由于在陸地目標(biāo)和背景中，長(zhǎng)波紅外波段有更多光子，積分時(shí)間更短，快速移動(dòng)不會(huì)讓圖像模糊。因此用兩個(gè)波段的攝像機(jī)有很大優(yōu)勢(shì)。美國(guó)陸軍夜視和電子傳感器部門(mén)（NVESD）是雙波段紅外技術(shù)的主要領(lǐng)先機(jī)構(gòu)。

小型紅外探測(cè)器系統(tǒng)

小型紅外探測(cè)器可以提供不同于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的紅外系統(tǒng)特征。首先，它們?cè)诘蚮數(shù)具有遠(yuǎn)距離目標(biāo)識(shí)別性能。大多數(shù)紅外工程師習(xí)慣于用高f數(shù)的遠(yuǎn)距傳感器，主要因?yàn)槎嗄陙?lái)一直用著較大的探測(cè)器。

可見(jiàn)光成像儀采用低f數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)距離成像有很長(zhǎng)時(shí)間了。小型探測(cè)器的高密度陣列可以提供遠(yuǎn)距識(shí)別和帶全電子聚焦的寬視場(chǎng)。

美國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃署（DARPA）的SPIE 合伙人Nibir Dhar負(fù)責(zé)小型探測(cè)器系統(tǒng)，并在間距為5~8μm的探測(cè)器方面有大量成功經(jīng)驗(yàn)。圖3（下）顯示攝像機(jī)和探測(cè)器間距為5μm的攝像機(jī)圖像，這是作為DARPA大孔徑海上基本數(shù)據(jù)陣列（LAMBDA）項(xiàng)目的一部分研發(fā)的。DRS技術(shù)公司設(shè)計(jì)和制造了帶碲鎘汞焦平面陣列的中波紅外攝像機(jī)。

周視紅外系統(tǒng)非常新

紅外系統(tǒng)相對(duì)新的領(lǐng)域是周視紅外系統(tǒng)，期望對(duì)一個(gè)區(qū)域進(jìn)行360°成像。將來(lái)，這種系統(tǒng)可以從觀察車(chē)輛或小型艦船的更便宜、低分辨率系統(tǒng)發(fā)展到用于城鎮(zhèn)和工廠(chǎng)監(jiān)視的中等距離系統(tǒng)。高分辨率系統(tǒng)非常昂貴，用于保護(hù)高價(jià)值平臺(tái)，如艦船和潛艇。

圖3 DRS公司的LAMBDA擴(kuò)展攝像機(jī)和5μm間距攝像機(jī)的圖像

圖4 周視MWIR成像儀

圖4（上）是一種周視攝像機(jī)，是美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室（NRL）的Jim Waterman研發(fā)的。Remote Reality公司制造了“圓環(huán)形”透鏡，可以將周視圖像投影到一個(gè)焦平面上，L3辛辛那提電子公司制造了2000×2000像素InSb焦平面，對(duì)整個(gè)周?chē)上瘢峁┰搮^(qū)域的虛擬瀏覽。

圓環(huán)圖像必須實(shí)時(shí)去翹曲，提供圓柱坐標(biāo)圖像。這種特殊攝像機(jī)在中波紅外波段提供水平方向約5000像素，這是海上應(yīng)用的潮濕環(huán)境中的重要紅外波段。

幀速對(duì)周視系統(tǒng)很重要。當(dāng)這些圓環(huán)型透鏡提供高幀速時(shí)，旋轉(zhuǎn)掃描系統(tǒng)，通常使圖像慢下來(lái)。如果幀速太慢，攝像機(jī)就不能滿(mǎn)足目標(biāo)探測(cè)和跟蹤要求或機(jī)動(dòng)要求。

PbSe探測(cè)器具有良好的靈敏度和速度

去年的一項(xiàng)技術(shù)突破對(duì)紅外系統(tǒng)造成的沖擊很明顯，即諾·格公司Kenton Green 和Sung-Shik Yoo先生研發(fā)的硒化鉛探測(cè)器。他們研發(fā)出低成本PbSe探測(cè)器并在一段時(shí)間內(nèi)用于機(jī)載威脅告警系統(tǒng)，以對(duì)抗單兵便攜式防空導(dǎo)彈（MANPADS）和其它防空武器。

這些探測(cè)器的焦平面是把PbSe沉積在硅讀出電路上，使探測(cè)器非常便宜。這些中波紅外探測(cè)器的明顯特征是它們用兩個(gè)熱電制冷器進(jìn)行非低溫制冷。

靈敏度為30毫開(kāi)溫，采用f/1光學(xué)元件和2.5毫秒積分時(shí)間，以230開(kāi)溫工作。陣列為320×240像素，像素為60μm，重復(fù)能力為99.6。

我們從事紅外系統(tǒng)工程的很多人從不認(rèn)為當(dāng)非低溫制冷光子探測(cè)器有大靈敏度時(shí)就能看到類(lèi)似白天的景象。這些探測(cè)器的應(yīng)用不僅包括威脅告警和敵方火力指示，還可以在高速工業(yè)檢測(cè)、驅(qū)動(dòng)、來(lái)復(fù)槍瞄準(zhǔn)等方面表現(xiàn)突出。

他們之所以采用廉價(jià)的微輻射熱機(jī)是因?yàn)槠渚哂辛己玫撵`敏度和高速度。

Green, Yoo和同事ChristopherKauffman是5月份在巴爾的摩SPIE DSS上發(fā)表“鉛鹽熱電制冷成像傳感器研發(fā)”文章的作者。我鼓勵(lì)其出席本屆會(huì)議。如果我沒(méi)有關(guān)注馬德里新紅外技術(shù)公司在該領(lǐng)域取得的良好進(jìn)展，我將會(huì)失職。

目前，商業(yè)機(jī)正面臨MANPADS的攻擊，這使這項(xiàng)技術(shù)變得很關(guān)鍵。

更小，更輕的扁平透鏡

在改進(jìn)紅外系統(tǒng)的光學(xué)元件方面，人們真正感興趣的是光學(xué)元件的扁平透鏡法。DARPA投資的Ravi Athale的最初方案及與合作小組（包括加利福尼亞大學(xué)研究員）合作的項(xiàng)目取得重大進(jìn)展。最初方案看起來(lái)像一個(gè)冰球（圖6頂部），光沿邊緣進(jìn)入圓盤(pán)，繞冰球內(nèi)側(cè)彈跳，出來(lái)時(shí)在另一側(cè)聚焦。反射面提供光學(xué)功率，形成圖像離光盤(pán)背部不是很遠(yuǎn)。

圖5紅外FLAT光學(xué)元件

該方法的優(yōu)點(diǎn)是尺寸更小，重量更輕，探測(cè)器功能更好。缺點(diǎn)是減少了調(diào)制傳遞函數(shù)和由于光線(xiàn)遮擋的光采集。但是，當(dāng)需要小尺寸、重量和功率時(shí)這是一項(xiàng)重大技術(shù)。

UCSD的Joe Ford說(shuō)紅外型號(hào)是從UCSD“畢業(yè)”的。NVESD的Philip Perconti、Jay Vizgaitis和Colin Reese在輕便系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了這項(xiàng)技術(shù)，并因此獲得了獎(jiǎng)勵(lì)。2010年SPIE DSS上發(fā)表的文章介紹了這種方法，并顯示了利用微輻射測(cè)熱計(jì)探測(cè)器陣列怎么實(shí)現(xiàn)紅外的方法。（參見(jiàn)圖6中間和底部圖像）。

微輻射測(cè)熱計(jì)的封裝

讓我們把目光轉(zhuǎn)向商業(yè)方面。目前由于一些公司在開(kāi)發(fā)（某些公司有DARPA和Dhar的幫助）微輻射測(cè)熱計(jì)陣列的晶片級(jí)封裝，微輻射測(cè)熱計(jì)正在發(fā)生變化。

該技術(shù)把真空窗口放在一整塊微輻射測(cè)熱計(jì)陣列晶片上。然后用完整的真空窗口對(duì)陣列和窗口進(jìn)行劃分。

價(jià)格方面的底線(xiàn)是微輻射測(cè)熱計(jì)退出市場(chǎng)。過(guò)去3~4年間，微輻射測(cè)熱計(jì)陣列從幾萬(wàn)美元降到幾千美元，2014年預(yù)計(jì)將降到幾百美元。明年陣列售價(jià)小于100美元，甚至小格式陣列更便宜。

當(dāng)微輻射測(cè)熱計(jì)投入溫度記錄、汽車(chē)和其它商業(yè)市場(chǎng)并使用了幾年后，廉價(jià)的陣列將使熱成像得到進(jìn)一步的商業(yè)應(yīng)用。

FLIR系統(tǒng)公司的FLIR ONE 智能手機(jī)

最新例子是1月發(fā)布的用于智能手機(jī)的FLIR系統(tǒng)公司的FLIR ONE 個(gè)人熱像儀。智能手機(jī)系統(tǒng)成本為350美元，用一個(gè)防護(hù)殼蓋住可見(jiàn)光攝像機(jī)和微輻射測(cè)熱計(jì)攝像機(jī)，它們的圖像融合起來(lái)呈現(xiàn)在智能手機(jī)屏上。

該例子中的Lepton小型熱攝像機(jī)采用一個(gè)成本非常低的微輻射測(cè)熱計(jì)核。Lepton探測(cè)器像素陣列為80×60，間距為17μm。響應(yīng)波段為8~12μm，透鏡水平視場(chǎng)為50°。

隨著晶片級(jí)封裝和晶片級(jí)攝像機(jī)加工的發(fā)展，我們將看到這類(lèi)紅外系統(tǒng)大量商業(yè)化。

誰(shuí)能跟上時(shí)代

這是紅外系統(tǒng)飛速發(fā)展的時(shí)代，發(fā)展是加速度式的，在涉及有關(guān)軍事和商業(yè)系統(tǒng)的新型紅外元件和系統(tǒng)方面，我只是略懂皮毛。

我的許多同事會(huì)指出還有很多其他方面的最新進(jìn)展。他們會(huì)說(shuō)我漏掉了短波紅外系統(tǒng)、主動(dòng)和被動(dòng)紅外系統(tǒng)、超光譜系統(tǒng)、偏振系統(tǒng)、紅外系統(tǒng)中的相干成像及許多其他最新進(jìn)展。