基于人眼安全激光的SWIR选通成像技术研究

宋岩峰，孙卫平，张西京，刘 灏，马恩财

(中国兵器工业第203研究所，陕西西安710065)

1 引言

短波红外(SWIR)成像由于可以提供可见光成像、微光夜视和红外热成像等常规方式所不能提供的特有目标图像信息，在填补微光夜视和中波红外成像之间的光谱空缺，实现在三个大气红外传输窗口的“无缝隙探测”，获取远距离目标的全面红外图像信息等方面有着重要意义［1］。

与可见光成像相似，被动SWIR成像利用的是目标的反射光而不是目标的热辐射。在夜间，由于目标反射光在SWIR波段的减弱，对远距离目标进行探测和识别就变得非常困难，故被动SWIR成像并不具备全天候工作的能力。基于人眼安全激光的SWIR选通成像系统，采用工作波长在人眼安全波段的短脉冲激光作为主动照明光源，具有高速选通功能的SWIR焦平面相机作为成像接收单元，解决SWIR成像系统的全天候工作问题。与可见光和近红外激光辐射相比，人眼安全激光具有对人眼安全、大气传输性能好、对雾霾和战场烟雾有较强穿透能力、太阳光谱辐照度低和有一定的光电对抗能力等优势;相对红外热成像系统，在相同口径条件下，SWIR成像系统的分辨率更高，能够提供更多的目标细节信息;通过选通成像的方法，可以消除位于选通距离之外的背景干扰，将目标从复杂背景中提取出来，提高系统的抗干扰能力。因此，基于人眼安全激光的SWIR选通成像技术在复杂环境条件下对远距离目标的全天候侦察、精密跟踪和目标识别等领域具有广阔的应用前景［2－3］。

2 基本原理

基于人眼安全激光的SWIR选通成像系统，通常采用工作波长为1.5 μm的高能量脉冲激光器作为照射光源，对目标区域发射激光脉冲进行照射;采用SWIR高速选通相机作为成像接收设备，在极短的时间内完成快门的开启和关闭工作;通过高精度的延时同步控制技术，严格控制激光脉冲的发射和选通相机快门开启成像之间的时间延迟，使得需要观察目标场景反射回来的脉冲信号刚好在相机选通工作的时间内到达相机并成像，从而将不同距离上的散射光和目标的场景反射光分开，获得目标区域的清晰图像。图1给出的是基于人眼安全激光的SWIR选通成像系统穿透烟雾对一定距离处坦克目标进行成像的原理图［4］。

图1 SWIR选通成像系统原理图Fig.1 SWIR range gated active imaging principle

3 SWIR选通相机及系统

相对于传统的被动热成像系统，激光照明选通成像系统接收探测器的灵敏度要高100倍以上，响应时间则要缩短10000倍以上。原因是选通成像系统对其距离分辨率有着较高的要求，对应着很窄的选通门宽，而选通门宽则由探测器读出电路的频带宽度所决定。假设系统的距离分辨率为10 m，那么要求探测器的选通门限宽度约为66 ns，频带宽则大约为50～100 MHz;不仅如此，由于人眼安全激光的效率非常低，很难获取高重频、高能量的激光脉冲，这就对接收成像探测器的灵敏度提出了更高的要求，通常要求其等效噪声不大于10个光子，信噪比SNR不小于5～10(输入信号为100～200光子/脉冲/像素时)。从目前来看，适合人眼安全激光的SWIR选通成像焦平面探测器主要有三种，即HgCdTe APD FPA、InGaAs/InP TE EBCMOS和 In-GaAs FPA［5］。

3.1 InGaAs FPA选通相机及系统

InGaAs材料在被应用到成像系统中之前，已经被广泛应用在1.55 μm高速通信设备中，其较高的技术成熟度以及在0.7～1.7 μm光谱范围内较高的量子效率，使得InGaAs焦平面阵列探测器成为SWIR成像系统的可靠选择器件。从实际应用情况来看，InGaAs焦平面阵列在1.5～1.6 μm处的量子效率可以达到70% ～80%，响应率可以达到1A/W。InGaAs材料具有很好的材料稳定性，采用成熟的MBE和MOVCD生长方法，可以获得大面积高质量的外延材料。在室温和近室温的工作条件下，In-GaAs材料芯片的各个性能参数均高出HgCdTe一到两个量级，对应同一截止波长，其品质因子比HgCdTe也高出一到两个量级。但是，InGaAs FPA雪崩模式下材料增益能力差，相对其他有雪崩增益的探测器，其信噪比要低3～6倍。然而，InGaAs分离吸收电荷倍增异质结结构(SACM)允许在吸收和倍增层之间插入P参杂，通过调节电荷层分配电场，可以获取约20倍的增益以及4～7的低溢出噪声因子;通过I2E结构可进一步降低噪声，其溢出噪声因子可到3.5。因此，InGaAs/InAlAs FPA仍然非常有竞争力。

在实际应用中，2003年Sensors Unlimited获得开发第一个全固态SWIR InGaAs选通相机的合同，主要参数如下:像素数320×256，光谱范围0.9～1.7 μm，选通门宽要求小于 200ns。2005年，Sensors Unlimited对该相机进行了报道，通过其设计的电容跨阻抗放大器CTIA读出电路，该相机不仅可以实现门宽小于200ns的选通成像，同时也允许积分时间大于16 ms的凝视视频成像。2006年，Sensors Unlimited报道了像素数为640×512的选通InGaAs FPA相机，光谱范围0.9～1.7 μm，25 μm的像元间距。相机同样采用了CTIA读出电路，像素时钟10.89 MHz，时钟周期为91 ns，门宽为5个时钟周期，即455 ns，对应的距离分辨率为68 m，通过控制延时得到几百米处不同选通距离内的目标图像，试验图像如图2所示［6］。试验激光光源输出激光波长为1.57 μm，能量8 mJ，脉冲宽度5 ns。

图2 InGaAs FPA不同选通距离内的目标图像Fig.2 A sketch of the area used for the range-gated field test surrounded by a sequence of images taken during the field test

比利时Xenics作为一家知名的红外探测器生产厂家，其在2012年推出的Bobcat-320-gated紧凑型非制冷InGaAs相机，其光谱范围0.9～1.7 μm，最小曝光时间80 ns，20 μm像元间距，分辨率320×256，相机如图3所示。

2010年，意大利报道的激光主动成像系统ATI(Active Laser Imaging)，采用工作波长在1.5 μm的人眼安全脉冲激光作为照射光源，输出激光脉冲能量5 mJ，重复频率5 Hz，脉冲宽度9 ns;采用InGaAs FPA相机作为探测接收设备，相机最小门宽500 ns，对应的距离分辨率75 m，像素数为640×512。成功实现了对5 km外人的识别，他们认为通过进一步提高激光光源的输出能量以及接收系统的镜头口径，识别距离可以进一步提高，从而达到 10 km［7］。

图3 Bobcat-320-gated非制冷相机Fig.3 Bobcat-320-Gated uncooled InGaAs camera

3.2 InGaAs/InP TE EBCMOS选通相机及系统

InGaAs/InP TE EBCMOS是第一个投入商业应用的距离选通主动成像探测器。探测器为管状结构，耦合了InGaAs/InP TE光电阴极探测器和背照CMOS探测器。通过高电压电子管产生超过200的准雪崩增益，而且增益过程无噪声。溢出噪声因子低于1.1，这点甚至比HgCdTe APD更好。这种探测器的主要缺点是量子效率相对较低，通常不超过30%。

美国INTEVAC公司专门研制工作在SWIR波段的高速选通相机，如LIVAR M506型SWIR距离选通相机。该相机采用TE-EBCMOS InGaAs探测器，像素数1280H×1024V，分辨率为640×480(2×2 的像素合并)，像元尺寸13.4 μm ×13.4 μm(2 ×2的像素合并)，响应波长范围为950～1650 nm，1.55 μm波长处量子效率大于 20%，暗电流约1e/μs/pixel，选通门宽最小可达70ns。图4给出了2 km外目标区域的红外热图像和通过LIVAR获取的激光照明选通图像。LIVAR M506型相机的外形如图5所示。

图4 2 km公里远处的红外热图像(左)和LIVAR获取的目标识别图像(右)Fig.4 IR image(left)and targets identified image(right)with livar at 2 km

图5 LIVAR M506Fig.5 LIVAR M506

INTEVAC公司在其SWIR选通相机的基础上，推出了LIVAR4000型激光照明选通成像系统，如图6所示。照射光源输出波长1.57 μm脉冲激光，脉冲能量大于10 mJ，重复频率2 Hz，束散角1.5～15 mrad内可调;选通相机像素数为640×480，像元尺寸 12 μm ×12 μm，选通门宽最小 150 ns，分辨率大于28 lp/mm，信噪比大于5。

图6 LIVAR 4000Fig.6 LIVAR 4000

瑞典FOI在激光照明选通成像系统的研究非常深入，其采用INTEVAC公司的SWIR选通相机作为接收成像设备，搭建了1.5 μm人眼安全激光照明跟踪成像系统，如图7所示。系统安装在一个随动平台上，采用LWIR热成像系统作为探测跟踪设备，1.5 μm人眼安全激光器作为照射光源，输出的激光脉冲能量约20 mJ，重复频率10 Hz，脉冲宽度约20 ns，发散角约5.5 mrad，成功完成了对远距离飞行目标的跟踪和选通成像工作，如图8所示。

图7 FOI的1.5μm激光照明选通跟踪成像系统Fig.7 1.5μm laser illuminating gated imaging system of FOI

图8 飞行目标的热跟踪图像(左)和距离选通图像(右)Fig.8 Left tracking with a high resolution IR camera and right a gated image of the tracked aircraft

3.3 HgCdTe APD FPA选通相机及系统

HgCdTe APD器件有着特有的单载流子工作机制，这也决定了其具有极低的噪声;HgCdTe材料的高效光学吸收和高碰撞电离率，决定着这种器件具有非常高的雪崩增益;器件在单电子工作下具有极高的响应速度。试验表明，当噪声因数小于1.3时，器件增益可以高达5300以上;HgCdTe材料在1.5～1.6 μm波长范围内具有75%以上的量子效率，这与InGaAs基本相当;HgCdTe材料像素间距较小，适合制造大面阵的SWIR焦平面器件，非选通HgCdTe APD FPA像素数已经达到2048×2048。以上诸多优点，使得HgCdTe APD具有了下一代SWIR选通成像焦平面探测器阵列(FPA)所要求的高灵敏度、高增益、高带宽、低噪声因数、高分辨率和极高响应速度等诸多理想特性。同时，同一个HgCdTe APD器件，通过加不同的工作偏压，可在APD工作模式和红外焦平面探测器模式之间切换，从而形成主动SWIR和被动MWIR双模探测系统，这是目前国际上的研究热点。HgCdTe APD FPA的主要缺点是其工作时需要制冷，品质因子随着温度升高而降低，成本相对较高［8］。

2004年，英国的SELEX公司采用1.57 μm激光器和320×256的HgCdTe FPA选通相机研制了用于远距离目标的识别的SWIR选通成像系统，可对10 km距离的目标进行主动成像。激光器采用Nd∶YAG激光器，通过OPO转换输出1571 nm激光，脉冲宽度 20 ns，重复频率 15 Hz。探测器(SWIFT)增益可以达到100以上，其灵敏度可以达到10个光子，等效噪声不大于10个，有着很小的溢出噪声。相机选通门宽可以到50 ns，距离选通相机的距离分辨率为9 m［9］。现在，SELEX采用高能量的激光光源和高性能选通HgCdTe FPA相机组成先进的机载激光雷达BIL(BURST ILLUMINATION LADAR)系统，获取目标的2D和3D图像。采用26 μm像元间隔的HgCdTe APD FPA制冷探测器，增益可达800以上，可在被动MWIR/3～5 μm和主动SWIR/1.57 μm双模式下工作，其获得的图像如图 9 所示［10］。

图9 BIL获得的MWIR(左)和SWIR选通图像(右)Fig.9 MWIR image(left)and gated SWIR image(right)with BIL

3.4 分析比较

单就探测器的综合性能来看，HgCdTe APD FPA由于具有较高的灵敏度、高增益、高带宽、低噪声因数、高分辨率和极高响应速度，从而很好地满足了选通成像系统的要求;InGaAs/InP TE EBCMOS作为另一种较好的解决方案，探测器具有较高的增益和灵敏度，但是其量子效率相对较低;InGaAs FPA的工艺简单，具有更高的成本优势，更重要的是其工作过程不需要制冷。但是，从激光照明选通成像系统来看，InGaAs FPA相对较低的灵敏度和信噪比，则要通过提高照明激光光源的性能要求来进行补偿，从而抵消了探测器的成本优势。因此，在选通成像系统探测器的选择上，需要综合系统总体技术指标、激光光源的技术指标以及系统总体成本等多种因素。例如，2005年，SELEX公司开发的LCTS(Low Cost Targeting System)低成本目标探测跟踪系统，其中的SWIR选通成像相机采用的是Intevac公司的InGaAs/InP TE EBCMOS 探测器［11］;然而，在其开发的BIL系统中，采用的是HgCdTe FPA选通探测器(见3.3节)。

4 结束语

基于人眼安全激光的SWIR选通成像技术是最具潜力的复杂背景下远距离目标的全天候探测和识别模式，非常适合激光成像雷达、制导和引信等武器系统的应用，在填补微光夜视和中波红外成像之间的光谱空缺，获取远距离目标的全面红外图像信息等方面有着重要意义。美国、英国、德国、瑞典和法国等军事强国都非常重视SWIR波段选通相机和系统的开发，而且已经研制出了不少样机和装备。在国内，虽然也有不少单位在开展研究，但是尚有多项关键技术未突破，能够成功工程化应用的产品还很少。因此，我国应加快SWIR波段选通相机和装备的研制和开发，积极开展人眼安全激光的SWIR选通成像技术研究，这对我国的军用和民用红外事业都具有非常重要的战略意义。

［1］ CAI Yi，HU Xu.Short wave infrared imaging technology and its defence application［J］.Infrared and Laser Engineering，2006，35(12):643 －647.(in Chinese)蔡毅，胡旭.SWIR成像技术及其军事应用［J］.红外与激光工程，2006，35(12):643 －647.

［2］ SONG Yanfeng，SUN Weping，LIU Hao.Research on longrange laser illuminating gated imaging technique［J］.Laser＆ Infrared，2013，43(1):9 －13.(in Chinese)宋岩峰，孙卫平，刘灏.远距离激光照明选通成像技术的研究进展［J］.激光与红外，2013，43(1):9 －13.

［3］ CAO Yang，JIN Weiqi，WANG Xia，et al.Development in shortwave infrared focal plane array and application［J］.Infrared Technology，2009，31(2):63 －68.(in Chinese)曹扬，金伟其，王霞，等.SWIR焦平面探测器及其应用进展［J］.红外技术，2009，31(2):63 －68.

［4］ David Oxford，Richard L Espinola.Simulation of a laser range-gated SWIR imaging system in weak turbulence conditions［C］//SPIE，2011，80140T:1 －12.

［5］ Stephane Demiguel.Theoretical analysis and comparison of SWIR active imaging detectors［C］//SPIE，2009，29836:1－10.

［6］ Tara J Martin，Dr Bora.Develop multipurpose InGaAs focal plane array visible/SWIR camera for staring and range gated applications［C］//SPIE，2007，657201:1 －11.

［7］ Andrea R，Andrea P，Alessandro R，et al.High resolution active laser imaging and range gating at 1.5 μm up to 10 km［C］//SPIE，2010，7838 －0k:1 －10.

［8］ LIU Xingxin.Status of HgCdTe avalanche photodiode arrays［J］.Laser ＆ Infrared，2009，39(9):909 － 913.(in Chinese)刘兴新.碲镉汞雪崩光电二极管发展现状［J］.激光与红外，2009，39(9):909 －913.

［9］ Ian B，Stuart D，Jeremy C.A low noise laser-gated imaging system for long range target Identification［C］//SPIE，2004，5406:133 －144.

［10］ Ian B，Peter T.Advanced multifunctional detectors for laser gated imaging applications［C］//SPIE，2006，620608:1－10.

［11］ Robert J，Jefferson E，John C，et al.A novel low cost targeting system(LCTS)based upon a high-resolution 2D imaging laser radar［C］//SPIE，2005，59880L －1:1 －6.