InP/InGaAs探测器对伪装目标成像研究

向 梦，邵文斌，史衍丽,2



InP/InGaAs探测器对伪装目标成像研究

向 梦1，邵文斌1，史衍丽1,2

（1. 云南大学物理与天文学院，云南 昆明 650091；2. 云南省量子信息重点实验室，云南 昆明 650091）

高性能InP/InGaAs宽光谱探测器将前截止波长延伸到0.9mm之前，实现可见/短波双波段探测，大大丰富了探测目标的信息量，提高对目标的识别率。本文采用InP/InGaAs宽光谱探测器相机，通过设置一系列伪装实验，对比不同伪装目标的可见光波图像与短波红外图像的差异，重点探究短波红外对伪装目标的识别特性。通过实验结果发现：短波红外对一定厚度塑料、硅胶、皮肤具有穿透性；颜料、染料等同色不同材质的物体对短波红外具有选择性吸收，基于以上特性，短波红外体现了较好的伪装识别效果。在成像对比实验的基础上，进一步选择伪装效果对可见光和短波红外具有明显差异的实验样品，分别测量了它们对短波红外和可见光的反射率等参数，以深入地分析和理解短波红外识别伪装的机理。

短波红外；可见光；InP/InGaAs探测器；伪装

0 引言

伪装，是为隐蔽自己、欺骗迷惑对方所采取的各种隐真示假的措施。简单的说就是隐真和示假，隐真即不被人眼及探测器识别，示假即用假的目标迷惑对方。按针对波长不同来分可以把伪装技术分为可见光伪装（针对0.38～0.76μm波段）和红外伪装（针对3～5μm和8～14μm两个波段）；按伪装实施手段不同可分为遮障伪装、示假伪装、融合伪装。国内外常用的伪装识别技术有利用热红外偏振成像技术、AOTF（声光可调滤波器）高光谱成像技术、微多普勒信息识别伪装人体目标技术[1-5]。识别技术不单单在军事领域有其重要研究意义，如何将这项技术应用到寻常的生活中，在安检、防爆、防恐等方面发挥其作用也非常值得探究。

短波红外在环境中普遍存在，日光、月光、星光和大气辉光等都是短波红外辐射的天然来源。其成像主要是利用目标的反射信息，所成的图像以目标与背景的亮度差异来体现，与可见光的灰度图像类似[6-7]。但与可见光相比，短波红外线是人眼不可见的，具有更好的穿透性，对同一目标的反射率也不同，所以短波红外成像技术有望应用于对可见光具有伪装特性的目标识别和检测分析。

InGaAs短波红外成像技术目前被用于伪装识别研究。标准InGaAs探测器响应波段为0.9～1.7μm，具有器件性能好、量子效率高、灵敏度高、响应速度快、高温工作等优点，通过将前截止波长延伸到可见光，同时利用两个波段的反射信息，具备可见/短波红外双色探测的能力，大大丰富了探测目标的信息量，显著提高了目标的识别率[8-11]。基于InGaAs探测器的短波红外成像就有高分辨率、可昼夜成像、光学配置简单、无需低温制冷等优势，已经广泛应用于军用成像观察、卫星遥感、工业无损监测、安防等[12-15]。为进一步研究并确认InGaAs短波红外探测器的伪装识别特性，本文采用InP/InGaAs宽光谱探测器相机，对同一伪装目标的可见光和短波红外成像特性进行了理论和实验研究；研究结果表明：短波红外对一定厚度的塑料、硅胶、皮肤具有穿透性；颜料、染料等同色不同材质的物体对短波具有选择性吸收，可用于对特定伪装目标的识别。

1 实验及分析

1.1 实验设置

本文采用InP/InGaAs宽光谱探测器相机对不同的伪装目标进行了成像对比试验，相机响应波段为0.6～1.7μm，通过采用可见光/短波红外滤光片分别完成短波红外和可见光成像采集实验，即可见光滤光片和InP/InGaAs宽光谱相机组合拍摄短波红外图像；短波红外滤光片和InP/InGaAs宽光谱相机组合拍摄可见光图像，采用同一个相机可以避免因为相机参数不同产生的成像差异。InP/InGaAs宽光谱探测器相机是Xenics公司的Bobcat-640-GigE-6511短波红外相机。伪装物有：墨镜、假发、迷彩、塑料卡套/硅胶套等。

通过对同一伪装目标采集大量的可见光图像和短波红外图像，并完成对比分析，根据成像结果呈现出的不同特点，将伪装实验进行了分类，总结出短波红外成像对不同伪装目标的识别特性。

1.2 短波红外的穿透性

1.2.1 短波红外可穿透塑料

利用短波红外成像可以“看到”塑料制品遮挡物后方的目标。人佩戴墨镜时，人眼和可见光成像都只能识别出黑色的镜片，但并不能穿透镜片直接看到人眼；使用InP/InGaAs宽光谱相机进行成像，发现镜片对于短波红外是“透明”的，所成的图像呈现了人物眼部的信息，如图1所示。

图1 墨镜可见光图像（左）和墨镜短波红外图像（右）

眼睛是五官中可以传递脸部信息较多的一个器官，识别出人眼的轮廓是面部识别的重要环节。在公安、安检等方面，短波红外成像能提供很大便利。

单向透视窗膜是一种居家装修用的玻璃窗贴膜。贴膜之后，从室内看向室外与未贴膜时景物信息相比亮度减弱；从室外看向室内，只见室外景物的反射图像但不能看到室内的景物。为了观察短波红外对单向透视窗膜的穿透特性，完成了一个模拟实验：使用纸箱模拟室内环境，在五面封闭的纸箱内放置一张具有标识图案的白纸，标识图案的上方为两个字母“O”，下方一个横置的字母“B”，将单向透视窗膜放置在纸箱未封闭的一面，如图2所示。对单向透视窗膜进行可见光和短波红外成像，如图3所示。

采用InP/InGaAs宽光谱探测器相机进行了成像实验，实验结果显示，短波红外可穿透单向透视窗膜对位于其后的白纸和纸上的标识图案成像，如图3左图所示，被单向透视窗膜遮挡的白纸以及纸上标识的字母：两个“O”和横置的字母“B”清晰可见，显示了短波红外对单向透视窗膜能够起到较好的伪装识别效果。另外，成像图上同时也呈现了由窗膜表面对相机、滤光片反射形成的图像信息。与此不同，可见光成像的图像显示可见光不能穿透单向透视窗膜，因此不能识别或发现单向透视窗膜遮盖的目标，只能看到窗膜表面对相机等的反射图像（如图3右图所示）。

图2 单向透视窗膜透视实验装置

图3 单向透视窗膜短波红外图像（左）可见光图像（右）

对塑料卡套遮挡的银行卡进行了成像，其可见光和短波红外成像效果如图4所示。

图4 塑料卡套遮挡银行卡可见光图像（左）短波红外图像（右）

成像效果显示，可见光相机无法“透视”塑料卡套，塑料卡套掩盖了银行卡片的全部信息，如图4左图所示；而短波红外却穿透了塑料卡套，“看见”了隐藏在下面的银行卡信息，如图4右图所示。

1.2.2 短波红外可穿透硅胶

采用硅胶套遮挡银行卡，分别进行了可见光和短波红外成像，成像结果如图5所示。

从图5可见，采用硅胶套遮挡银行卡时，在可见光图像中看不到银行卡表面的任何信息，在短波红外图像中可以清晰地看到文字字样和部分卡号数字。

1.2.3 短波红外可穿透皮肤

手背血管可见光图像与短波红外图像如图6所示。

图5 硅胶套遮挡银行卡可见光图像（左）短波红外图像（右）

图6 手背血管可见光图像（左）和手背血管短波红外图像（右）

图6的结果显示，可见光图像中难以准确分辨出血管的位置，短波红外图像中血管纹路能清楚展现，小臂上也能看到两条血管的纹路。短波红外可穿透一定厚度的皮肤和肌肉。

1.3 短波红外对颜料、染料及头发的选择性

1.3.1 短波红外对颜料和染料的选择性

染料对纺织品进行着色，而颜料是对非纺织品进行染色，如油墨、油漆、涂料、塑料等。选择常用的迷彩服伪装目标，对迷彩服的可见光图像和短波红外图像进行了对比，如图7所示。

图7 迷彩可见光图像（左）和迷彩短波红外图像（右）

迷彩的染料颜色选择及图案的设计，是保证伪装效果的两个重要因素。图7的成像效果显示可见光图像中迷彩的颜色分布和色块轮廓都能清楚展现，但在短波红外图像中，这两部分信息都消失，即针对可见光有伪装效果的迷彩颜色和图案失去了作用，极易使目标暴露在背景中，也说明短波红外成像可以识别迷彩伪装。

选择具有油墨图案的饭卡进行了可见光成像和短波红外成像，结果如图8所示。

图8 饭卡可见光图像（左）和饭卡短波红外图像（右）

可见光下，可见饭卡表面所有信息；短波红外下，饭卡仅可见卡片轮廓，表面内容全部消失，体现了饭卡上印刷的油墨对短波红外具有选择性吸收，究其根本是颜料对短波红外的选择性吸收。

1.3.2 短波红外对同色不同材质的选择性

假发是改变人体特征的常用伪装手段，假发在可见光、短波红外下成的图像如图9所示。

假发（手持）与真发在可见光下，颜色、质地相似，在佩戴上假发后人眼很难看出其差别；在短波红外图像中手持假发依旧是偏黑的深色，真发呈浅灰色。对比效果十分明显，可轻易识别假发伪装。

图9 真假发可见光图像（左）和真假发短波红外图像（右）

2 讨论

通过以上成像对比实验，应用短波红外成像进行伪装识别的特性总结如下：短波红外对一定厚度塑料、硅胶具有穿透性；颜料、染料、假发等同色不同材质的物体对其具有选择性吸收，体现出较好的伪装识别特性。为了进一步探究短波红外识别伪装的本质，选取对可见光和短波红外伪装成像效果差异明显的实验样品，测量其在两个波段的反射率等光学参数，为研究提供理论性的支撑。

测量实验设备采用多功能红外吸收和透射测试系统，使用光源为氘灯，提供0.40～0.85μm（可见）和1.0～1.7μm（短波红外）的光源照射。

2.1 遮障性伪装反射率等光学参数测量

根据成像效果选取单向透视窗膜、墨镜、硅胶套进行测量。单向透视窗膜分1面和2面，1面为贴附玻璃上的一面，即对人眼可以透视面，2面为反射面，以下按照相同的定义给出。单向透视窗膜的反射率曲线（未进行归一化处理，下同）如图10所示。

图10(a)、图10(b)对比可见，1面对可见光的反射明显强于短波红外，从图10(c)和图10(d)可知，2面对可见光的反射率在150%以上，有强烈的可见光增反作用，但对于短波红外，2面的反射率很低。可见光反射增强数据说明，这种方式使人眼或探测器接收到的主要信息为2面反射的室外景物的信息，从而实现可见光遮蔽作用，但短波红外不受影响，可以穿透窗膜识别伪装。

墨镜的透射率曲线（未进行归一化处理，下同）如图11所示。

从图11(a)、图11(b)可见，墨镜对短波红外的透射都要强于可见光，短波红外的透射率在80%左右，对可见光的透射最高仅有65%。测试结果表明，短波红外具有了可以“透视”墨镜镜片的能力，可以清楚地观察墨镜后的人眼。

硅胶的透射率曲线如图12所示。

对比图12(a)和图12(b)，可见光波段硅胶的透射率基本为零，但在短波红外下，透射率基本能保持在5%以上，相比可见光，短波红外穿透一定厚度硅胶层的能力更强。

2.2 油墨的反射率光学参数测量

选取表面光滑的饭卡上油墨图案部分进行反射率的测量，测量结果如图13所示。

从图13(a)、图13(b)中可以看出，饭卡上的油墨图案对可见光的反射率在12.5%左右，而对短波红外的反射率基本保持在2.5%以下，明显弱于对可见光的反射率，体现了油墨对短波红外的选择性吸收，所以在短波红外图像中饭卡表面的图案文字都消失，仅能看出轮廓，可见光图像中就能呈现所有信息。

3 结论

设置伪装实验并采用InP/InGaAs探测器相机进行成像实验，通过对比不同伪装目标在可见光、短波红外波段的图像差异，总结出短波红外识别特定伪装目标的特性，即：短波红外对一定厚度塑料、硅胶、皮肤具有穿透性；对颜料、染料、假发等同色不同材质的物体具有选择性吸收。选取单向透视窗膜、墨镜、硅胶套、带有油墨图案的饭卡分别测量它们对短波红外和对可见光的反射率等参数，发现单向透视窗膜以对可见光增反的方式实现遮蔽伪装，短波红外则可以透视它进行成像；短波红外对墨镜镜片、硅胶的透射率都要明显高于可见光，所以短波红外可以识别这种伪装；饭卡对可见光的反射率要明显强于对短波红外的，体现了油墨对短波红外的选择性吸收，利用这种选择性吸收可以完成对红外防伪油墨的检测与识别。以上测试结果对短波红外在伪装识别、安全反恐、防伪等领域的应用具有重要的参考价值。

图10 单向透视窗膜的反射率曲线

图11 墨镜的透射率曲线

图12 硅胶的透射率曲线

图13 饭卡油墨图案反射率曲线

致谢

感谢北方夜视技术股份有限公司、云南大学物理与天文学院提供的测试帮助。

[1] 张朝阳, 程海峰, 陈朝辉. 偏振遥感识别低反射率伪装网研究[J]. 红外与毫米波学报, 2009, 28(2): 137-140.

ZHANG Chaoyang, CHENG Haifeng, CHEN Zhaohui. Detecting low reflectivity camouflage net by using polarization remote sensing[J]., 2009, 28(2): 137-140.

[2] 郭家齐, 张志刚, 胡泽斌, 等. 浅谈近红外伪装技术的发展现状及趋势[J]. 红外技术, 2016, 38(2): 96-101.

GUO Jiaqi, ZHANG Zhigang, HU Zebin, et al. Advance and trend of near infrared camouflage technology[J]., 2016, 38(2): 96-101.

[3] 李翔城, 戴穗安, 谭小波, 等. 基于紫外分光光度法对军事伪装识别的实验探索[J]. 四川兵工学报, 2014, 35(3): 141-143.

LI Xiangcheng, DAI Suian, TAN Xiaobo, et al. Analysis of military camouflage recognition based on the ultraviolet spectrophotometry[J]., 2014, 35(3): 141-143.

[4] 颜云辉, 王展, 董德威. 军事伪装技术的发展现状与趋势[J]. 中国机械工程, 2012, 23(17): 2136-2141.

YAN Yunhui, WANG Zhan, DONG Dewei. Current actuality and development tendency of military camouflage technology[J]., 2012, 23(17): 2136-2141.

[5] 汪震, 乔延利, 洪津, 等. 利用热红外偏振成像技术识别伪装目标[J].红外与激光工程, 2007, 36(6): 853-856.

WANG Zhen, QIAO Yanli, HONG Jin, et al. Detecting camouflaged objects with thermal polarization imaging system[J]., 2007, 36(6): 853-856.

[6] 蔡毅, 胡旭. 短波红外成像技术及其军事应用[J]. 红外与激光工程, 2006, 35(6): 643-647.

CAI Yi, HU Xu. Short wave infrared imaging technology and its defence application[J]., 2006, 35(6): 643-647.

[7] 吴双卿, 杨光, 龙华保. 短波红外成像技术及其空间应用[C]//上海市红外与遥感学会第十九届学术年会论文集, 上海市红外与遥感学会, 2014.

WU Shuangqin, YANG Guang, LONG Huabao. Short wave infrared imaging technology and its spatial application[C]/, Shanghai Infrared and Remote Sensing Society, 2014.

[8] 史衍丽, 郭骞, 李龙. 可见光拓展InP/InGaAs宽光谱红外探测器[J]. 红外与激光程, 2015,44(11): 3177-3180.4

SHI Yanli, GUO Qian, LI Long. Visible-extended InP/InGaAs wide spectrum response infrared detectors[J]., 2015, 44(11): 3177-3180.

[9] 史衍丽, 李龙, 杨绍培. 高性能InP/InGaAs宽光谱红外探测器[J]. 红外技术, 2016, 38(1): 1-5.

SHI Yanli, LI Long, YANG Shaopei. High performance InP/InGaAs wide spectrum infrared detectors[J]., 2016, 38(1): 1-5.

[10] 邵秀梅, 龚海梅, 李雪, 等. 高性能短波红外InGaAs焦平面探测器研究进展[J]. 红外技术, 2016, 38(8): 629-635.

SHAO Xiumei, GONG Haimei, LI Xue, et al. Developments of high performance short-wave infrared InGaAs focal plane detectors[J]., 2016, 38(8): 629-635.

[11] 陈洪钧, 周航宇. InGaAs可见/短波红外焦平面探测器新进展[J]. 红外与激光工程, 2007, 36(4): 431-434.

CHEN Hongjun, ZHOU Hangyu. Recent progresses in InGaAs visible/short wavelength infrared focal plane array detectors[J]., 2007, 36(4): 431-434.

[12] 曹扬, 金伟其, 王霞. 短波红外焦平面探测器及其应用进展[J]. 红外技术, 2009, 31(2): 63-68.

CAO Yang, JIN Weiqi, WANG Xia. Development in shortwave infrared focal plane array and application[J]., 2009, 31(2): 63-68.

[13] 刘军华, 高新江, 周勋. 短波红外InGaAs焦平面探测器的技术进展[J]. 半导体光电, 2015, 36(5): 683-688.

LIU Junhua, GAO Xinjiang, ZHOU Xun. Development and perspective of SWIR InGaAs focal plane arrays[J]., 2015, 36(5): 683-688.

[14] 张卫锋, 张若岚, 赵鲁生. InGaAs短波红外探测器研究进展[J]. 红外技术, 2012, 34(6): 361-365.

ZHANG Weifeng, ZHANG Ruolan, ZHAO Lusheng. Development progress of InGaAs short-wave infrared focal plane arrays[J]., 2012, 34(6): 361-365.

[15] 郑为建, 金伟其, 苏君红. 近红外固体成像夜视技术发展的潜力[J].红外技术, 2005, 27(4): 269-273.

ZHENG Weijian, JIN Weiqi, SU Junhong. The developing potential of near-infrared imaging night-vision technologies[J]., 2005, 27(4): 269-273.

[16] 高连如, 张兵, 张霞, 等. 油漆涂层对板材红外光谱特性影响分析[J].红外与毫米波学报, 2006, 25(6): 411-416.

GAO Lianru, ZHANG Bing, ZHANG Xia, et al. Infrared spectral analysis of architectural materials covered by different paints[J]., 2006, 25(6): 411-416.

[17] 李萍. InGaAs/InP光电探测器[J]. 红外, 2004, 25(10): 10-14.

LI Pin. InGaAs/InP Photodetector[J]., 2004, 25(10): 10-14.

Camouflage Recognition Study by InP/InGaAs Short Wavelength Infrared Detectors

XIANG Meng1，SHAO Wenbin1，SHI Yanli1,2

(1.,,650091,; 2,650091,)

The wide spectrum of InGaAs detectors can extend the response wavelength from the short wavelength to visible light through special material design and processing. Given the visible/SWIR dual band detection, wide spectrum InGaAs detectors greatly enriched the amount of information aboutthe target and improved the target recognition rate. A wide variety of camouflage recognition imaging experiments were performed with an InGaAs camera and a visible/short wavelength optical filter. The images in both short wavelength and visible light bands were then analyzed.It can be summarized from these experiments that the short wavelength can penetrate a certain thickness of plastic, silica gel, and skin. Absorption selectivity was determined for some objects with same color but made from different materials like pigment and dye in the short wavelength range. In addition, targets were chosen to measure the reflectivity and transmittance. The targets exhibited a camouflage effect in the visible light band and no camouflage in the short wavelength range. These measurement results help to understand the camouflage recognition characteristics of InGaAs short wavelength infrared detectors.

SWIR，visible band，InP/InGaAs detector，camouflage recognition

TN215，TN216

A

1001-8891(2017)10-0873-07

2017-09-12；

2017-09-28.

向梦，女，云南大学2013级本科生，目前是南开大学2017级硕士研究生，从事InGaAs探测器成像及应用的研究。

史衍丽，女，研究员，博士，博导，从事光电探测器的研究。

云南省科技厅基础研究重点基金项目（2015FA040）。