“日盲”紫外成像技术分析及应用展望

2019-04-01宋亚军

航天电子对抗 2019年1期

宋亚军，韩放

(光学辐射重点实验室，北京 100854)

0 引言

由于“日盲”紫外波段(220～280 nm)的太阳光被大气层中的臭氧吸收，到达地面乃至低空区域的该波段太阳辐射几乎为零，利用该波段对目标进行成像探测，可以避免最大的自然光——太阳光的干扰，有利于目标的检测。与传统红外成像技术相比，“日盲”紫外成像技术具有以下优点：1)“日盲”区背景干扰小，虚警率低；2)不需要人工致冷和扫描，设备大大简化，体积小，质量轻；3)具有极高的灵敏度和分辨率。“日盲”紫外成像技术从20世纪80年代末开始进行实质性的研究和应用，但当时主要是应用在军事领域，所以各国对紫外成像技术都进行了严格的保密[1-2]；20世纪90年代末，美国、南非和以色列等国家的科学技术人员将紫外光的光学特性与光学透镜、数字信号芯片相结合，研制开发出用于日间检测电晕等微弱放电现象的紫外电晕检测仪，并将该技术推向警用应用市场，使“日盲”紫外成像技术在民用市场得以迅速普及和推广[3-4]。随着“日盲”紫外成像技术的不断发展，国外特别是美国对该技术相当重视，各大公司以紫外成像探测器为核心，开展了大量研究工作。Photometric公司采用在正面照射的CCD上加一层薄薄的发光转换涂料的方法，正面照射的CCD在200～400 nm的波段内可达到20%的量子效率。此外，美国国防高级研究计划局从1998年开始研制采用Ⅲ族氮化物光电材料、工作在0.25～0.3 μm波段的固态焦平面阵列，以开发可工作在更高温度下、更高效和更可靠的紫外探测器[5]。与国外先进水平相比，国内在“日盲”紫外成像探测器和高性能“日盲”紫外滤光片等方面的研制和生产上还存在较大的差距。近几年，随着国内“日盲”紫外成像探测器、“日盲”紫外滤光片等关键技术的快速发展[6-8]，“日盲”紫外成像技术在电力线路检测[9-10]、森林防火[11]和刑事侦查[12]等领域逐渐得到应用推广。

1 “日盲”紫外成像系统简介

“日盲”紫外成像系统主要包括光学分系统、成像分系统、处理与控制分系统等(如图1所示)。其中，光学分系统通过紫外镜头和“日盲”紫外滤光片将输入的有用紫外信号传输给成像分系统，成像分系统通过“日盲”紫外成像探测器对输入的紫外信号进行光电转换，处理与控制分系统根据外部指令对输入的紫外图像信号进行相应的处理，同时将处理结果输出给外部控制端。此外，处理与控制分系统还对探测器和紫外镜头进行控制，完成增益调节和调焦等功能。

图1 典型“日盲”紫外成像系统示意图

2 关键技术分析

2.1 “日盲”紫外成像探测器技术

当前，“日盲”紫外成像探测器主要包括真空型紫外探测器和固体紫外探测器[13-14]。由于“日盲”区被探测目标往往比较微弱，目前主要采用固体EMCCD和真空型ICCD等具有增益放大的紫外探测器进行探测[15]。其中，EMCCD需要制冷，因此体积和功耗都较大，并且价格也比较贵；ICCD由像增强器和普通可见光CCD经光纤光锥耦合而成[16](如图2所示)，其体积小，无需制冷且价格较便宜。因此，ICCD是一种被广泛采用的“日盲”紫外成像探测器。

图2 典型ICCD组成示意图

该探测器的核心是紫外像增强器，国际上目前处于领先水平的是德国Proxitronic公司，其像增强器的光电阴极在240 nm处辐射灵敏度可达47 mA/W，等效背景辐照度达到10-13W/m2。国内相关研究机构先后开发出了性能较好的像增强器，其中具有代表性的是南京电子器件研究所的紫外像增强器，该像增强器光电阴极在245 nm处辐射灵敏度可达40 mA/W，等效背景辐照度可低达10-11W/m2。2个厂家典型产品的参数对比如表1所示。

在固体紫外探测器方面，近年来先后出现了SiC基、ZnO基、金刚石基、GaN基和AlGaN基等紫外成像探测器。其中基于AlGaN的紫外探测器发展迅速，逐渐成为紫外成像探测器的主流[17-19]。AlGaN是禁带宽度可调的直接带隙宽禁带半导体，截止波长从365 nm(GaN)～200 nm(AlN)锐利可调，吸收系数大，异质结易实现，而且与其它类型的探测器相比，AlGaN器件的量子效率高，其p-i-n“日盲”探测器的量子效率可以达到80%。此外，一种新型的结合了AlGaN 材料结构和PVDF 热释电探测器的“日盲”紫外探测器，避免了传统AlGaN材料对P 型层或N 型层材料质量的强烈依赖，同时也避免了在电极生长中实现欧姆接触特性这一难题。但应该看到，虽然AlGaN基探测器有着非常优异的特性，已经实现了小规模的面阵成像，但目前还处于发展阶段，在材料生长和器件工艺等方面仍然存在很多的问题，要想替代成熟的光电发射紫外探测器仍需要不懈的努力。

表1 典型紫外像增强器参数对比

2.2 “日盲”紫外滤光片技术

由于当前大多数“日盲”紫外成像系统采用“日盲”紫外ICCD作为成像探测器，而该探测器在响应“日盲”紫外波段的同时，对近紫外、可见光等波段也有不同程度的响应(如图3所示)，而太阳光谱在这些波段的辐射强度非常高，为确保探测器在日照环境下仍能正常工作，必须使用“日盲”波段高通、其他波段深度截止的滤光片。

图3 典型紫外ICCD光谱响应图

目前用于“日盲”紫外成像系统的滤光片包括干涉型、吸收型和声光型等[20-22]。下面重点介绍使用较多的干涉型和吸收型。其中，干涉型滤光片利用多层介质膜中光的干涉作用，得到目标光的高透过和背景光的深截止，其关键在于选择适于镀制滤光片各个波段的最佳材料和利用工艺方法消除次峰的影响，使主峰位置与设计中心波长的位置尽可能的接近，同时主峰波长所对应的透过率尽量高，满足半宽度要求。但该型滤光片随着入射光角度的增加，整个透过率曲线向短波方向移动。此外，该型滤光片为了达到非透过波段的高截止，通常需要镀制多层膜，受镀制过程中误差的影响，其镀制结果与设计指标存在一定的偏差。吸收型滤光片由一系列具有特殊吸收光谱特性(目标光波段透过，而在背景光的某个波段强吸收)的有机染料、无机盐和有色玻璃，结合透紫外基底(一般为石英晶体)构成。该型滤光片相比干涉型滤光片，具有更好的高透过深截止的特性。在保证目标光一定透过率的情况下，背景光的截止度可以通过调节吸收材料的浓度来实现。国内外典型滤光片参数如表2所示。

表2 国内外典型滤光片参数

2.3 紫外图像处理技术

“日盲”紫外成像系统获取的图像，其目标在图像中无明显结构信息，而背景往往是均匀的，灰度强度比较低，目标与背景对比度较高。此外，噪声随机地出现在图像的不同位置，它们的强度可能大于或等于目标的强度，并同目标类似。噪声成为紫外图像目标提取的主要干扰源。

“日盲”紫外成像系统噪声主要由像增强器和CCD图像采集两部分组成，其中像增强器具有较高的灵敏度，同时增益可调节，因此其对背景噪声非常敏感，同时其输出噪声随其增益变化而变化[23]。CCD图像采集中的噪声主要来源于CCD摄像机、A/D转换器等电阻器件因发热所致的热电子噪声。可以看出，紫外图像的噪声来源较多，采用任何单一算法或处理都很难使图像清晰，因此紫外图像噪声的去除是紫外图像处理的关键技术之一[24-25]。为了有效去除紫外图像中的噪声，可采用复合型算法，即综合使用常见的多帧平均、平滑滤波、形态学滤波和中值滤波等进行滤波。多帧平均可有效抑制图像中的随机噪声，增强目标的有用信息。中值滤波的主要功能是将与周围像素灰度值差异比较大的像素改为与周围像素接近的灰度值，在消除噪声的同时，保持图像细节。由于中值滤波器的窗口大小对滤波结果影响比较大，因此实际窗口大小需要通过相应的实验来确定。

由于“日盲”紫外成像系统探测的目标往往比较微弱，因此弱小目标的检测也是紫外图像处理的关键技术之一[26-28]。目前，弱小目标检测方法可分为两类：光流法和特征法。以图像中速度场及目标像深等信息作为检测依据的光流法，因算法计算复杂耗时而难以实现实时检测。基于特征的方法利用图像特征及位置的变化信息作为目标检测的依据，具有较好的实时性和实用性。相关方法中聚类分析法和模糊推理法是研究热点。聚类分析方法主要有三类：1)根据相似性域值和最小距离原则的简单聚类方法；2)按最小距离原则不断进行两类合并的方法；3)依据准则函数动态聚类的方法。其中具有代表的方法是K-均值聚类法，该算法的一个特点是在每次迭代中都要考察每个样本的分类是否正确，若不正确，就要调整。在全部数据调整完后，再修改聚类中心，进入下一次迭代。模糊推理法通过分析差分图像的噪声特性，迭代估计出各差分图像的噪声参数，在此基础上，构造了相邻两帧相同位置像素的灰度差绝对值的隶属度函数，这种隶属度表征了一种倾向性信息。模糊推理检测就是利用这些倾向性信息，通过设计合理的推理融合规则来判断运动目标的有无。

3 发展展望

3.1 核心器件性能提升

近几年，随着“日盲”紫外成像技术应用范围的不断扩大，其核心器件如探测器和滤光片性能提升较慢的缺点日益凸现。探测器方面，国内和国外可选的像增强型产品有限且技术发展缓慢，而固体探测器受工艺和材料限制，目前还处于初步发展阶段。此外，为了有效克服非“日盲”波段信号对像增强型探测器的影响，滤光片在“日盲”波段的透过率较低，影响了整个系统性能的提升。为此，需要一方面通过调整器件工艺材料，降低像增强型探测器在非“日盲”波段的响应，同时根据改进后像增强型探测器响应曲线设计对应的滤光片，通过两者的结合进一步提高探测系统的性能，同时应加快各类固体探测器技术的开发，从而降低对滤光片指标的要求，使探测系统的性能得到明显的提升。

3.2 应用平台的多样化

由于机载、舰载和车载等不同搭载平台的快速发展，特别是无人机的大规模应用，使得紫外成像技术的应用领域和范围进一步扩大。而目前“日盲”紫外探测器和滤光片只有有限的通用型产品可选，没有考虑不同平台和应用场景对探测器和滤光片的需求差异，影响和限制了相应平台性能的发挥。下一步需要针对不同应用平台和场景设计对应的探测系统，通过一体化设计和优化探测器和滤光片性能指标、结构尺寸等，满足不同搭载平台的使用要求。例如无人机载平台对探测系统小型化和轻量化的需要，室内测试环境太阳光影响较小，滤光片截止深度可以降低，从而进一步提高“日盲”波段透过率。

3.3 智能处理技术研究

当前，“日盲”紫外成像技术在相关领域的应用，特别是民用领域，还处于初始阶段，其对获取图像的处理还比较简单，往往只得到定性的结果。随着相关技术的发展和用户对处理结果精度的提高，在相关处理中需要综合考虑探测器、光学系统、大气环境及目标本身对处理结果的影响，需要深入开展紫外成像定量处理技术研究。同时，随着该技术在不同领域应用的延伸，其将积累越来越多的数据，通过大数据分析和人工智能处理，有助于用户对测量结果作出更加精准的判断。此外，随着探测器面元的增加和帧频的提高，面向大规模紫外图像数据的实时智能处理技术也将是一个研究重点。

4 发展展望

4.1 在导弹告警技术中的应用

在近地空间中，由于太阳“日盲区”紫外辐射能量极其小，避开了最强大的自然光源——太阳造成的复杂背景，采用该波段对导弹羽烟进行探测进而实现导弹逼近告警是一个比较有效的手段。虽然导弹羽烟中的紫外辐射比红外低几个数量级，但由于导弹发动机的尾焰及其热辐射和化学荧光辐射等所产生的紫外辐射比太阳同波段的辐射强得多，同时由空间产生的紫外背景辐射较少，使得紫外告警系统具有较低的虚警率。

随着紫外告警系统核心器件——紫外探测器的发展，世界各国先后开发了多种导弹逼近告警系统(MAWS)，如表3所示[29-30]。第一代概略型紫外告警设备主要以光电倍增管为核心探测器件，通过探测导弹羽烟的紫外辐射能量概略探测目标方向。具有体积小、质量轻、虚警率低、功耗低等优点，同时也存在角分辨率低、灵敏度不高等缺点。第二代成像型紫外告警设备主要以面阵器件为核心探测器，对所观测空域的导弹羽烟紫外辐射进行成像探测，识别分类威胁源。具有角分辨率高、探测灵敏度高、识别能力强的优点。随着GaN和AlGaN等紫外固体成像器件的不断发展，紫外告警设备的角分辨率、探测距离和虚警率等性能将相应提升，应用平台将不断拓展，同时与雷达、红外和激光等技术的复合告警也是一个重要的技术发展方向。

表3 国外典型紫外告警设备

4.2 在天基预警技术中的应用

包括弹道导弹和远程战术导弹在内的各类导弹在主动段飞行过程中为了产生较大的推力，导弹发动机的喷焰产生很强的包括“日盲”波段在内的紫外辐射[31-33]。此外，由于导弹在主动段和巡航段初段速度较高，在前端产生冲击波，温度超过6000 K，存在大量的紫外辐射。同时，由于大气层中臭氧的存在，使得地球大气背景中的“日盲”波段紫外辐射被严重吸收，而太阳辐射通过大气层的后向散射较弱，并且大气层分布相对均匀，从大气层外观测地球大气背景的“日盲”波段紫外辐射是较弱且均匀的。基于上述特征和原理，当高速运动的导弹出现在大气层外时, 其将成为一种高信噪比的目标。因此在天基预警系统中增加“日盲”紫外波段探测器是提高探测概率和降低虚警率的有效手段之一。

国外对导弹尾焰紫外辐射及预警探测已研究多年，美国通过低功率大气校正试验卫星(LACE)、空间中段试验卫星(MSX)和全球观测高级研究卫星(ARGOS)等卫星上的紫外波段探测器收集导弹尾焰和大气背景紫外辐射特性，为导弹紫外预警提供技术支持。同时，美国第一、二代DSP预警卫星以及正在研制的天基红外系统都带有紫外跟踪系统，以实现对中段弹头的识别跟踪[34]。目前，导弹燃料技术的发展使得导弹的尾焰波段发生了改变，国外已经设计并生产了尾气中不含CO2和水蒸气的发动机，羽烟中2.7 μm，4.3 μm，6.3 μm的特征辐射将大大减小，导致红外预警的虚警和误警的增加。但是，无论导弹使用任何燃料，其尾焰中都含有紫外辐射，这就成为捕捉目标的紫外辐射源。此外，在具有紫外特征的目标中，紫外光谱(通常是金属原子或离子以及一些小分子发射的)可以提供比红外光谱(通常由水、二氧化碳或目标本体发射)更丰富的目标信息。采用紫外光谱成像技术对相关光谱进行探测分析，更容易识别目标。总之，随着紫外探测器件、光学系统设计等技术的不断发展和天基紫外探测机理研究的不断深入，天基紫外探测系统作为新型导弹预警探测跟踪手段，必将在未来天基预警上发挥重大作用。

4.3 在电晕放电检测中的应用

电晕放电是指带电体表面在气体或液体介质中出现许多局部的电离和激发过程，但电极之间并不击穿或导通而出现的自持放电现象，常发生在不均匀电场中电场强度很高的区域内(例如高压导线的周围，带电体的尖端附近)。电晕放电的典型光谱曲线如图4所示。可以看出，电晕放电的紫外光谱主要在200～400 nm左右的波段[35]。在空气中，电晕放电的峰值波长在300～360 nm左右，但该波段地表太阳辐射比电晕强得多。而在“日盲”紫外波段(220～280 nm)电晕放电的强度要弱得多，但此时太阳在地表的背景辐射为零。因此，选择在“日盲”波段进行电晕放电的检测，可得到理想的探测效果。

图4 电晕放电典型光谱曲线

目前世界上生产电力检测用紫外成像仪的厂商主要有南非的CSIR 公司和以色列的OFIL公司。CSIR公司与南非最大的供电机构ESKOM合作，共同研发和生产了CoroCAM系列紫外成像仪。OFIL 公司和美国电力科学研究院(EPRI)共同研发了Luminar 、DayCor Ⅱ和UVolle-S/SV等紫外电晕成像仪产品。2016年，OFIL 公司推出了升级版的SuperB产品，通过采用主动照明技术，实现了全天24小时的电晕和电弧的精确定位。近几年，国内相关研究所、高校和公司相继开发了多款用于电晕检测的紫外成像系统[36-37]。作者所在的团队于2015年开发了用于小型旋翼无人机电力巡线的紫外与可见光双光谱成像系统，该系统体积小、质量轻(仅1.5 kg)，可满足大部分旋翼无人机平台使用要求。随着电力系统朝着超高压、大容量方向发展，保证电气设备的安全运行越来越重要，因此，“日盲”紫外成像探测技术在电力系统中具有广阔的应用前景。

4.4 在火灾探测中的应用

火灾是危害人类生存环境的重大灾害之一，火灾探测是火灾科学的重要组成部分。火灾发生发展过程中，通常会产生烟雾，同时会释放出燃烧气体——气溶胶。它们与空气中的氧气发生反应，形成火焰。大多数物质燃烧均属于碳氢化合物燃烧，如汽油、柴油、木材等燃烧。燃烧过程中辐射的光谱包含紫外、可见光和红外光谱。选择“日盲”紫外波段进行火灾探测，可以有效避免太阳背景辐射的干扰，提高探测的灵敏度。同时，由于紫外探测主要对燃烧过程中的火焰变化比较敏感，对燃烧物本身的温度不敏感，因此可以更好地探测火灾灭火过程中的二次燃烧[38-39]。

当前火灾探测系统或产品主要使用非成像的紫外探测器，如光电倍增管、硅基紫外光电二极管等。但非成像紫外探测器由于存在灵敏度、易受环境干扰等问题，作用距离有限，一般只能在室内等有限空间使用，不能满足大空间、远距离探测的需要。国内外相关研究机构和公司对“日盲”紫外成像探测器在火灾探测中的应用进行了相应研究，对其探测火灾种类、作用距离和检测算法等进行了具体试验和分析。“日盲”紫外成像探测器获取的图像主要包含火焰信息，背景干扰少，有利于快速检测识别。同时，“日盲”紫外成像探测器灵敏度高，能够探测数千米外的火灾，可在大空间、大面积的环境中使用。

4.5 基于辅助光源的导航定位

由于太阳光“日盲”紫外波段不能到达地表，而地表中的人工“日盲”紫外光源也非常少，因此可以利用地表中已有的或人工设置的“日盲”紫外信号源作为“日盲”紫外成像探测器的探测目标，可以减少雾、霾及昼夜变化等条件的影响，从而实现恶劣环境中的辅助导航定位。目前该技术已在人员搜救、无人机自主着舰引导和飞机辅助降落等领域得到应用。

在人员搜救过程中，针对复杂天气条件、搜救人员不易展开搜救等情况，利用无人机等平台搭载“日盲”紫外成像系统对被困人员设置的信标进行搜索定位[40]。由于信标发射的信号中含有“日盲”紫外波段，而该波段在近地表空间受背景干扰非常少，而且可以克服复杂天气的影响，有利于“日盲”紫外成像系统快速准确检测和定位目标，辅助救援人员对被困人员进行施救。

传统光电着舰引导系统多采用可见光、红外成像系统，易受气象条件和背景环境影响。而“日盲”紫外成像着舰引导系统以设置在着舰平台上的“日盲”紫外信标图案作为探测目标，具有目标特征明显、抗干扰能力强等特点。其系统工作图如图5所示[41-42]，在无人机抵达着舰平台附近后，利用携带的“日盲”紫外成像探测系统对着舰平台上的“日盲”紫外信标图案进行探测，通过对获取图像中的图案信息进行分析，求解出距离、方位和相对速度等着舰信息，然后无人机飞控系统利用这些数据进行着舰导引飞行控制。

图5 系统工作示意图

在飞机辅助降落过程中，利用跑道上能够发出紫外光且有规律分布的地面灯作为路径指示器，由于紫外光特殊的传播特性，可以减少雾、霾等低能见度条件对飞机降落的影响，通过飞机上的“日盲”紫外成像系统进行探测，可以获得较好的图像对比度，如图6所示[43]。

图6 距降落点200 m处的紫外图像

4.6 在刑事侦查中的应用

在刑事犯罪现场，由于人体的指纹印、体液(血液、精液、唾液)以及违禁的火药、麻醉品等物质，对紫外线具有特殊的吸收、反射、散射及荧光特性，利用“日盲”紫外光源对观测目标进行照射，采用“日盲”紫外成像系统对被观测目标的反射光进行探测，可在非渗透性的光滑表面如陶瓷、打蜡的地板、油漆家具等表面观察到反差强烈的犯罪分子遗留的无色汗液指纹。

目前主要采用254 nm的低压汞灯和266 nm的紫外激光器作为照射光源，其中，由于低压汞灯在其他波段也有一定的能量输出，因此对成像结果形成一定的干扰，此外，其输出能量较小，对使用环境有一定的要求。紫外激光器光具有高度单色性，只有单一波长输出，入射光源本身对成像结果毫无干扰。同时，激光具有高亮度性，环境光线对其成像结果的干扰极小，其成像效果如图7所示[44]。