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用于監視和安全的成像:SWIR相機穿過霧霾實現監視和安全防護

9ugB_eofrontier ? 來源:YXQ ? 2019-04-09 14:31 ? 次閱讀

隱蔽操作通常使用熱成像和/或夜視,但短波紅外(SWIR)波段具有其自身優點,例如,透過大氣霧霾觀察。

成像系統在安全、防御和監視方面的使用很大程度上取決于紅外(IR)光譜的優勢,紅外光譜可分為近紅外、短波、中波和長波紅外(分別為NIR、SWIR、MWIR和LWIR)。用于安全防護和監視的近紅外相機通常是微光(夜視)設備,而MWIR和LWIR相機通過熱成像完成任務。但是SWIR相機本身就是一種有用的安全防護和監視設備,可以單獨使用,也可以與其它成像儀組合使用。

通常NIR和SWIR之間的光譜邊界約為1.4μm,但對于本文而言,確切數字并不重要。SWIR和MWIR之間的邊界通常為3μm。

穿過霧霾成像

Sensors Unlimited隸屬于Collins Aerospace公司,生產各種SWIR成像儀,包括手持式SWIR示波器系統、面陣掃描相機、線掃描相機和線性光電二極管陣列。基于銦鎵砷(InGaAs)的傳感器技術于1991年由Sensors Unlimited公司推向市場。

這些SWIR設備的應用包括設施、港口、邊境安全和監視及其他秘密行動、微光成像、軍事駕駛員視覺增強和軍用紅外激光光斑跟蹤。例如,GA1280JSX SWIR相機采用一個高清晰度(1280×1024像素)傳感器,以全分辨率60幀/秒(fps)成像,在0.9-1.7μm光譜范圍內具有高靈敏度,覆蓋從0.7至1.7μm的NIR / SWIR或0.5至1.7μm的可見光/ SWIR。

Sensors Unlimited公司的應用工程師Curt Dvonch表示:“GA1280JSX高清SWIR相機最引人注目的安全和監控用途之一就是穿過大氣霧霾進行成像。” 同時拍攝了這兩幅圖片(參見圖1),清楚地顯示了SWIR相機在受污染、霧霾環境中性能優于可見光相機。 SWIR相機的性能優于可見光相機,主要是因為SWIR光子能穿透大氣霧霾和煙霧,而可見光波長的光子則散射在大量顆粒物的空氣中。

圖1 猶他州的鹽湖城山谷偶爾會出現大氣現象,這種現象會讓大氣污染持續幾天或幾周。在這些大氣逆變現象中,地面能見度嚴重降低。從視頻中拍攝的圖像顯示了2017年12月7日美國中部時間下午3:30左右地面低能見度期間的可見光圖像(a)和短波紅外(SWIR)圖像(b)。使用Sensors Unlimited 公司的GA1280JSX 微型SWIR面掃描相機和200 mm SWIR優化f / 1.6鏡頭,以60 fps拍攝SWIR圖像。利用尼康公司的D5100數碼單反相機以視頻模式和55-200毫米f / 4.5-5.6鏡頭拍攝可見光圖像。這兩組圖像都經過裁剪,但在其他方面沒有變化。

多目標跟蹤

FLIR系統公司生產基于焦平面陣列(FPA)的InGaAs SWIR相機,該公司也單獨銷售這一產品。 FPA采用電容互阻抗放大器電路設計,針對安全成像和高速科學激光測試(需要多輸出和動態窗口)等應用進行了優化。

FLIR公司的一款SWIR相機,即Boson相機在尺寸、重量、功率和成本(SwaP + C)方面進行了優化。該相機尺寸為21×21×28毫米,不加鏡頭的重量為15.5g,功耗小于1.6 W,為軍用級別,它沒有采用熱電致冷器(TEC),這有助于實現其SwaP + C優化。比Boson稍微大一點的同系列產品Tau使用了TEC,具備在野外精確使用所需的溫度穩定性。相機尺寸為38×38×36 mm,功耗僅為3.2 W或更低。兩款相機均采用SWIR(0.9至1.7μm)和可見光/ SWIR(0.6至1.7μm)。

除了相機,FLIR公司還生產一種稱為LTV-X的全地形偵察和監視車輛(參見圖2),該車輛帶有可插拔的傳感器和各類成像儀,包括NIR、SWIR、熱成像、激光測距和雷達。該車輛可以通過V-22飛機“魚鷹”傾斜旋翼軍用機運輸,并且通過相機控制系統,可以同時跟蹤多達500個威脅。

圖2 FLIR公司的輕型戰術偵察和監視車輛LTV-X,攜帶一個互補傳感器陣列,包括NIR、SWIR、熱像、激光測距和雷達設備。

多種OEM版本

Raptor光電子公司致力于InGaAs基相機制造13年,生產了一系列從320×256到640×512的各種分辨率和像素尺寸的SWIR和可見光/ SWIR相機。最近,生產了一款新型高清攝像頭,分辨率為1280×1024像素。該公司使用多家供應商的InGaAs傳感器,包括現貨和定制設計,設計低噪聲核心模塊。正如該公司銷售和營銷副總裁Mark Donaghy所描述的,Raptor可以提供定制改型,包括機械布局、接口、冷卻、光學設計(參見圖3)等,以滿足其監視和安全用戶的確切需求。實際上,Raptor每年銷售的產品中有90%是OEM改型產品。例如,OWL 640相機現有16種不同的OEM型號,每種都針對個別客戶的特定需求而設計。

圖3 Raptor 光電公司的這款OWL 1280可見光/ 短波紅外相機采用定制鏡頭設置。

OWL 1280相機采用1280×1024 InGaAs傳感器,光譜范圍可以擴展到整個可見光光譜范圍,在高靈敏度下的總范圍為0.4至1.7μm。Donaghy表示,10×10μm的像素間距可實現高分辨率成像,具有少于40個電子(e-)讀出噪聲,并具有69 dB的大場景動態范圍,可同時捕捉場景的明暗部分。

該相機工作頻率范圍為10至60 Hz,并采用內置自動增益控制(AGC),可實現從微光到強光的最佳對比度圖像。相機溫度穩定。 Donaghy指出,它非常適合陸地和機載應用的微光和夜間成像。

他解釋說,OWL 1280已經被OEM公司和主承包商用到幾種萬向架項目中”。高清格式為操作員提供了更好的分辨率,VIS-SWIR系列可以穿過煙霧、霧霾、海霧及其他低能見度條件進行成像。對于觀察關鍵波長激光(例如1550 nm)也很重要。 OWL 1280安裝在萬向架中,旨在提供最佳的SWaP性能,相機可以在極端環境條件下工作,如溫度(-40?C至+75?C)和濕度(保形涂層電子設備)。每臺攝像機均按照ISO9001:2015標準制造,這意味著相機的質量和可靠性非常出色,對于關鍵性任務應用至關重要。

Donaghy指出,對于一個特定客戶,相機采用板式結構,配置柔性電纜,這種結構設計使組件可以“折疊”(壓縮)到緊湊的空間封裝中。

高速成像

FirstLight 成像公司推出了一款非致冷SWIR相機C-RED 3,該相機針對低SwaP + C進行了優化。該公司的創始人兼科學顧問Jean-Luc Gach表示,該相機基于一種靈敏度為0.9至1.7μm的無熱致冷 InGaAs傳感器,量子效率(QE)超過70%。相機更新率高達600 fps,讀出噪聲低于50 e-。

C-RED3包括一個開口寬度低于5μs的嵌入式電子快門。雖然該相機主要用于工業用途,但它也非常適合通過固定安裝或移動平臺(如無人機)進行監視。

該攝像機支持高動態范圍模式(HDR),提供93 dB動態范圍和真16位線性響應,同時具有低于50 e-的低噪聲和超過106 e-的全阱容量。C-RED 3也可以在標準動態范圍內以AGC模式工作。特別適合需要高速應用總的的短曝光時間。

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原文標題:【第154期】【紅外相機】用于監視和安全的成像:SWIR相機穿過霧霾實現監視和安全防護

文章出處:【微信號:eofrontiers,微信公眾號:新光電】歡迎添加關注!文章轉載請注明出處。

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