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2022年  第44卷  第10期

综述与评论
空间用红外探测器拼接技术研究
吕玮东, 邓旭光, 王乾威, 练敏隆, 张九双, 陈明, 顾德宇, 田大成
2022, 44(10): 999-1008.
摘要:
随着空间遥感相机性能的不断提升,采用更大规模、更多谱段的红外焦平面阵列是未来航天用红外探测器的发展趋势,以满足相机大视场、高分辨率及多光谱探测的能力。目前,单探测器模块的研制受到探测器材料、硅读出电路加工工艺的限制,探测器规模、分辨率、谱段数量等指标无法满足使用要求。因此,通过机械拼接或光学拼接的方式制备大规模、多谱段红外焦平面阵列是必须的工程途经。本文对航天工程用大规模、多谱段红外探测器拼接方式进行了对比分析,给出了各种常见拼接方式的特点,总结了关键技术和核心指标。
铟砷锑红外探测器的研究进展
陈冬琼, 杨文运, 邓功荣, 龚晓霞, 范明国, 肖婷婷, 尚发兰, 余瑞云
2022, 44(10): 1009-1017.
摘要:
InAs1-xSbx属于Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体合金材料,随Sb组分含量的不同,室温下可覆盖3~12 μm波长,并且InAsSb材料具有载流子寿命长、吸收系数大、载流子迁移率高等优点,是一种具有广阔应用前景的红外光电材料。探测器可以在150 K甚至近室温下工作,具有较高的灵敏度和探测率,是低功耗、小型化、高灵敏度和快响应中长波红外探测系统的良好选择,InAsSb中长波红外探测器受到广泛的关注和研究。本文首先简要概述了InAsSb材料的基本性质。其次,对国内外InAsSb红外探测器发展状况进行了介绍。最后,对InAsSb红外探测技术的发展进行了总结与展望。
模拟绿色植被光谱特征的高光谱伪装材料与技术研究进展
祖梅, 鄢峰, 甘沅丰, 刘雪梅, 刘东青, 李铭洋, 程海峰
2022, 44(10): 1018-1026.
摘要:
高光谱成像技术对伪装隐身技术提出了新的更高要求。研究绿色植被光谱特征的各种模拟技术,可为解决高光谱成像探测下目标的伪装问题提供新的思路。本文总结了绿色植物在可见-近红外波段以及热红外波段的光谱特征,分析了其在不同波段的光谱特性形成机制,阐述了近年来模拟绿色植被光谱特征的高光谱伪装材料与技术的研究进展,分析了现有高光谱伪装材料与技术的特点及存在的弊端,提出了模拟绿色植被光谱特征的高光谱伪装材料与技术的发展方向和趋势。
材料与器件
InAs/GaSb Ⅱ类超晶格长波焦平面阵列台面ICP刻蚀技术研究
王海澎, 木迎春, 彭秋思, 黄佑文, 李俊斌, 龚晓丹, 刘玥, 敖雨, 周旭昌, 李东升, 孔金丞
2022, 44(10): 1027-1032.
摘要:
本文采用SiO2/SiN作为掩膜对InAs/GaSbⅡ类超晶格红外材料进行感应耦合等离子体(ICP)刻蚀条件研究,得到InAs/GaSbⅡ类超晶格较好的刻蚀条件以提升红外探测器性能。对ICP刻蚀过程中容易出现台面侧向钻蚀以及台面底部钻蚀两种现象进行了详细研究,通过增加SiO2膜层厚度以及减小Ar气流量,可有效减少台面侧向钻蚀;通过减小下电极射频功率(RF),可有效消除台面底部钻蚀。采用适当厚度的SiO2/SiN掩膜以及优化后的ICP刻蚀参数可获得光亮平整的刻蚀表面,表面粗糙度达到0.193 nm;刻蚀台面角度大于80°,刻蚀选择比大于8.5:1;采用优化后的ICP刻蚀条件制备的长波640×512焦平面器件暗电流密度降低约1个数量级,达到3×10-4 A/cm2,响应非均匀性、信噪比以及有效像元率等相关指标均有所提高,并获得了清晰的焦平面成像图。
材料形貌对碲镉汞红外焦平面器件性能的影响
陈书真, 祁娇娇, 王丹, 程杰, 高华, 何斌
2022, 44(10): 1033-1040.
摘要:
碲镉汞材料表面的粗糙度对钝化膜层的质量、接触孔的光刻与刻蚀都有着显著的影响,研究其表面的粗糙度对器件性能的影响具有重要意义。在本文中,我们分别研究了碲镉汞的小平面形貌和台阶形貌对器件性能的影响,以及不同表面粗糙度的碲镉汞材料对器件制备工艺和最终性能的影响。研究表明,随着材料表面粗糙度的增加,钝化层的质量下降,接触孔的均匀性下降,且接触孔的形貌变差,I-V性能下降,最终导致器件的响应非均匀性增加,盲元数增加。
940 nm滤光片的设计、制备及低角度效应的研究
唐家建, 沈龙海, 仲维平, 李想, 罗皓
2022, 44(10): 1041-1044.
摘要:
本文对人脸识别中使用的940 nm窄带滤光片进行设计及制备,研制一种具有低角度效应的窄带滤光片。选择TiO2、SiO2作为高、低折射率材料,在Essential Macleod软件中对膜系进行设计,通过改变间隔层材料对膜系进行优化,最终设计的膜系层数为11,膜系总厚度为2480.76 nm。采用电子束热蒸发沉积技术对薄膜进行镀制,使用傅里叶红外光谱仪完成透射率光谱特性测试。最终研制的滤光片中心波长为940 nm,在截止区间(200~1100 nm)内,通带透射率大于80%,平均截止透射率小于1%,0°~22°通带偏移量为14 nm。
系统与设计
微光探测成像系统电路设计与实现
姜婷, 陈伟男, 夏振涛, 胡继宝, 姜守望, 孙永雪, 李太平, 谢永权
2022, 44(10): 1045-1051.
摘要:
为满足微光遥感卫星领域对微光探测的需求,本文提出了一种基于微光CMOS图像传感器GSENSE2020的成像电路设计。该成像电路通过FPGA实现了对图像传感器的驱动控制以及高速图像数据的接收和传输,通过DC/DC和LDO(low dropout regulator)为图像传感器提供了低噪声供电电源,采用PMIC(power management IC)解决了FPGA上电时序问题,利用DDR3实现高速图像缓存与处理,采用eMMC达到图像数据存储速率与容量的需求,应用FPGA的IP核及原语代替CameraLink接口转换芯片实现CameraLink通信协议,从而完成图像数据直接在CameraLink接口的高速传输。实验结果表明,成像系统电路功能及性能都达到了预期设计目标,系统的输出数据率可达2.4 Gbps,帧频高达25 fps,信噪比达到45.5 dB。
512×512 MOS电阻阵列驱动控制方法研究
钟国雳, 廖守亿, 杨薪洁
2022, 44(10): 1052-1058.
摘要:
MOS电阻阵列是构成红外成像目标仿真系统的关键核心设备,其投射出的红外图像的质量将直接影响红外成像制导半实物仿真试验的逼真度和可信度。针对新一代国产512×512元MOS电阻阵列工作方式的改变、像元规模与图像数据传输量的倍增对驱动控制系统提出的更高要求,研究了与其配套的驱动控制方案。研究基于光纤数据传输、PCI-E高速总线、FPGA解决了高数据吞吐率、高精度时序信号生成问题,并设计了一种多路模拟信号高速建立的方法。经仿真验证表明,该驱动方案可满足512×512 MOS电阻阵列快照模式下图像刷新率达到200 Hz,单个像元灰度等级为16 bit,为电阻阵列的实际工程应用提供了参考。
中波红外宽波段多光谱成像光学系统设计
王海洋, 明景谦, 贾星蕊, 付艳鹏, 刘永杰, 王贵全, 杨静
2022, 44(10): 1059-1065.
摘要:
本文设计了一种基于滤光片的制冷型中波红外宽波段(2.7~5 μm)多光谱双视场成像光学系统,可将不同波段的红外场景辐射透过相应的滤光片成像在红外制冷型探测器上。本系统将多个滤光片置于滤光轮上,并放置在探测器前,不仅能减小滤光片的有效口径,同时还兼容图像的非均匀校正功能。通过转动滤光轮,系统能够得到多个所需的图谱信息,通过差分技术可以更好地提取目标信息,提升灵敏度。该系统F数为4,焦距为70 mm/280 mm,MTF接近衍射极限,具有-50℃~80℃的主动消热差功能,满足应用要求。
大相对孔径大面阵长波红外光学无热化镜头的设计
冯丽军, 李训牛, 陈洁, 周玲玲, 董江涛, 孙爱平, 鲍佳男
2022, 44(10): 1066-1072.
摘要:
随着红外探测器技术不断发展和进步,长波红外成像向大相对孔径和大面阵发展。本文设计了一款用于1024×768@12 μm大面阵,F/#=0.8的大相对孔径长波红外镜头。基于不同红外材料的温度特性以及光学被动消热差理论,此镜头采用3种红外材料组合设计和四面非球面矫正像差设计,满足了各视场的点列图及MTF曲线在-40℃~60℃温度范围内变化不大的无热化要求。该镜头具有光通量高、结构紧凑、工艺性较佳等优点。可用于车载辅助驾驶仪、机载吊舱等领域的态势感知。
图像处理与仿真
基于目标增强和视觉跟踪的红外运动点目标半自动标注算法
何敏, 回丙伟, 易梦妮, 胡卫东
2022, 44(10): 1073-1081.
摘要:
本文针对红外视频数据标注效率低、标注质量差等问题,提出了一种基于目标增强和视觉跟踪的红外序列图像中运动点目标半自动标注方法。首先对一段连续时间内的红外序列图像进行配准和背景对消以增强目标特征;然后使用视觉跟踪算法对增强后的特征进行高效自动定位;最后通过相位谱重构得到单帧图像的目标显著图,进而确定目标的准确坐标;在自动标注过程中,利用相邻帧标注结果的差异性选择关键帧,可以让标注人员快速定位可能发生错误的图像帧并对其进行手动标注。实验结果表明该算法可以显著降低标注人员的参与度,有效解决数据标注作业中周期长、质量难以保证的问题。
基于多尺度加权引导滤波的红外图像增强方法
胡家珲, 詹伟达, 桂婷婷, 石艳丽, 顾星
2022, 44(10): 1082-1088.
摘要:
现有的红外图像存在细节模糊、边缘和纹理不清晰的问题。针对上述问题,本文提出一种基于加权引导滤波的红外图像增强方法。首先,将图像通过带转向核的多尺度加权引导滤波进行分层处理,得到多幅含有细节信息的细节层图像和基础层图像;接着,对细节层采用基于Markov-Possion的最大后验概率算法和Gamma校正算法对细节层进行增强;然后,对基础层采用限制对比度的自适应直方图均衡算法进行对比度拉伸,最后,进行线性融合得到增强后的图像。综合主、客观实验结果,得出本文方法具有良好的细节增强效果,处理后的图像边缘和纹理信息比较突出,且算法在信息熵(IE),熵增强(EME)和平均梯度(AG)3个指标都有较优的计算结果。基本满足红外图像细节得到增强,边缘纹理清晰的需求。
一种改进的透射率分布估计的夜间图像去雾算法
薛楠, 严利民
2022, 44(10): 1089-1094.
摘要:
针对基于暗通道先验理论(dark channel prior, DCP)的去雾算法在处理夜间有雾图像时细节信息缺失、光源区域的纹理受损严重的问题,本文提出了一种改进的透射率分布估计的夜间图像去雾算法。通过引入暗态点光源模型、暗通道可信度权值因子和伪去雾图像,结合夜间图像成像模型,获取改进的透射率分布,对夜间降质图像进行去雾处理。实验结果表明,经本文算法处理后的图像在纹理细节上损失小、图像清晰度高,图像明暗对比度得到较好的拉伸,可以实现夜间有雾图像的有效去雾。
基于显著性的多波段图像同步融合方法
余东, 蔺素珍, 禄晓飞, 李大威, 王彦博
2022, 44(10): 1095-1102.
摘要:
针对多波段融合图像存在对比度低、显著目标不突出的问题,本文提出了一种基于显著性的多波段图像同步融合方法。首先,近红外图像被用来作为数据保真项,红外图像和可见光图像分别为融合结果提供红外显著信息和细节信息;其次,基于视觉显著的红外显著区域提取方法被用来构造权重图,以克服融合结果显著区域不突出和边缘模糊问题;最后,采用交替方向乘子法(alternating direction method of multipliers, ADMM)来求解模型,得到融合结果。研究结果表明,较于代表性图像融合算法,所提算法能在保留红外图像热辐射信息的同时,保有较好的清晰细节,并在多项客观评价指标上优于代表性算法。
室外环境下红外热图像内眼角定位
孙磊, 陈树越, 戚亚明
2022, 44(10): 1103-1111.
摘要:
针对室外环境下红外热图像中目标区域受背景过热与周围环境影响,导致目标边界模糊、噪声大等问题,提出了一种室外环境下红外热图像内眼角定位算法。该算法首先对采集的图像进行面部倾斜校正,接着采用Gentle-AdaBoost与HAAR特征相结合进行人脸、人眼粗定位,并引入几何校正对眼睛区域精确定位,最终依据内眼角区域特性提出区域精化与区域生长分割相结合的内眼角定位。在3种不同的红外热图像数据集以及自主采集不同季节的温度区间室外的数据集上进行实验。结果表明:在室外环境下,所提出的方法可有效地定位内眼角,人眼定位准确率达到98.1%,内眼角定位准确率达到97.7%。
无损检测
基于阵列热风激励的航发叶片近表面缺陷红外检测方法
王浩, 吴易泽, 王涛
2022, 44(10): 1112-1117.
摘要:
航空发动机叶片的三维曲面结构、复杂的材料特性和特殊的冷却通道等,给叶片近表面缺陷的检测带来了困难。针对热激励源加热不均导致检测的红外热图效果差、缺陷识别率低的问题,提出了一种阵列热风激励的主动红外检测方法,改进并搭建一套可调阵列热风红外无损检测实验平台。通过设计阵列热风激励与局部热风激励的对比实验,并采用Canny算子进行缺陷边缘识别,证明了阵列热风激励主动红外检测方法的优势。通过实验分析不同材料下含裂纹试件的温度变化规律。实验结果表明:随热扩散系数增大,温升出现越早,表面最大温度呈下降趋势。通过利用检测实验平台对航空发动机叶片进行检测,揭示了导热性和隔热性缺陷的温度分布规律;其中导热性、隔热性和两者混合类型的缺陷检出率分别达到86.7%、93.3%、90%,也表明阵列热风激励红外检测方法能有效检测出航发叶片中的裂纹缺陷。