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关于我国红外成像技术发展的若干思考(节选)

2008-10-11 10:28
科技那回事
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关于我国红外成像技术发展的若干思考(节选)
倪国强  秦庆旺  肖蔓君  高  昆
(北京理工大学 光电工程系,北京,100081)

 

摘要:红外成像技术由于诸多特点在军用和民用领域都取得了广泛的应用,红外图像处理技术在红外成像系统中起着至关重要的作用。本文简述国内外红外成像技术部分最新的研究成果和动态,针对我国具体状况,提出关于我国红外成像技术发展的若干思考,讨论红外成像及其图像处理、应用中的一些新技术、发展重点和难点,对以后一段时期内的红外成像新技术发展及其市场前景进行展望。
关键词:红外成像,焦平面,图像处理,图像融合,市场前景

 

1. 引言


    红外成像具有作用距离远、抗干扰性好、穿透烟尘雾霾能力强、可全天候、全天时工作等优点,在军用和民用领域都得到了极为广泛的应用。在军事上,包括对军事目标的搜索、观瞄、侦察、探测、识别与跟踪;对远、中、近程军事目标的监视、告警、预警与跟踪;红外成像的精确制导;武器平台的驾驶、导航;探测隐身武器系统,进行光电对抗等。在民用领域,在工业、遥感、医学、消费电子、测试计量和科学研究等许多方面也得到广泛应用。


    目前国外红外成像器件已发展到了智能灵巧型的第四代,在光电材料、生产工艺、成像质量及系统应用等方面都取得了丰硕的成果,但是国内红外相关技术研究与生产起步较晚,并且受工业基础制约,发展远滞后于国外,而市场需求却持续强劲,无论在军用还是民用领域都有巨大的发展空间。


    本文简述国内外红外成像技术部分最新的研究成果和动态,针对我国具体状况,提出关于我国红外成像技术发展的若干思考,讨论红外成像及其图像处理、应用中的一些新技术、发展重点和难点,对以后一段时期内的红外成像新技术发展及其市场前景进行展望。

 

2. 红外探测器发展现状


    从第一代红外探测器至今已有40余年历史,按照其特点可分为四代:第一代(1970s-80s)主要是以单元、多元器件进行光机串/并扫描成像;第二代(1990s-2000s)是以4×288为代表的扫描型焦平面;第三代是凝视型焦平面;目前正在发展的可称为第四代,以大面阵、高分辨率、多波段、智能灵巧型系统级芯片为主要特点,具有高性能数字信号处理功能,甚至具备单片多波段融合探测与识别能力。


3. 红外成像与图像处理技术


    无疑,红外成像技术的最核心部分当属红外探测器技术,包括红外材料、器件等重大制造工艺技术,涉及红外探测器基础理论、总体设计、薄膜材料生长技术、材料性能表征与评价技术;新型红外探测器技术,包括多色、量子阱、量子点、超晶格、超导、非晶态、有机等新型探测器;红外探测器表面处理与钝化、互连等技术;红外探测器制造工艺过程控制、测试与评价等技术。


    同时,成像设备如何满足系统应用的总体要求,成像设备如何产生尽可能接近视觉系统感知或易于利用的图像,一直是系统工程学、人机环境学以及图像处理与机器视觉研究的主要内容之一。由于红外成像系统必须服从应用系统技术指标,而红外图像观测者或终极使用者(包括无人环路)是信息处理链上的最后一环,因此很自然会对红外图像的质量优劣提出高要求。最终成像系统的应用价值取决于图像信息的充分提取与利用。


    而从红外成像系统的信息链路上看,其传输环节包括目标与环境的红外辐射,大气传输,红外光学系统聚焦成像,探测器敏感接收与光电转换,图像信号的耦合读出,图像信号的处理/增强/信息提取/显示与判读或信息利用(例如目标自动提取、锁定与制导等)等一系列环节,因此同样应高度重视所有信息传输链路上各个关键技术的研究。


    如上所述,红外成像技术应用与数字图像处理技术是分不开的,特别是第四代超高分辨力、智能灵巧型红外成像器件,对图像处理算法和硬件系统要求更为苛刻,可以说图像处理为红外成像性能的提高和系统级应用发挥了重要作用,也是红外成像系统创造新的附加值的增长点。

 

4. 红外成像系统市场需求和前景


    图1是荷兰国家应用科学研究院(TNO)预测未来10年红外成像系统研发中软硬件投入增长趋势。可以看出,今后对硬件投入增长渐缓,转而对系统软件的投入将大幅增加。显然,在红外器件和应用市场上,靠改进器件固然可以提高红外系统性能,但是技术难度大,开发周期长,并且受器件材料特性、工艺手段的限制。而运用图像处理技术可以有效提高红外系统性能,并且可以大范围扩展红外成像系统应用领域。可以预见在未来10~20年内,红外成像系统中图像处理及应用所带来产值的比重会逐渐增长,并逐步占有较高比重产值。
 
 

 

    在发达国家的军用领域,红外热像仪已得到及其广泛的配置,例如海湾战争中平均每个美国士兵配备1.7具红外热像仪。与发达国家相比,目前我国军队中红外热像仪的应用相对较少,其市场远景需求量相当巨大。随着高性能多色红外焦平面以及智能灵巧型片上图像处理技术的发展,预计这一比例还将继续走高。


    在民用领域,红外成像系统广泛应用于消防、电力、建筑、安防等领域,我国红外热像仪在这些行业的应用还处于起步阶段,发展空间巨大。2006年,全球民用红外热像仪的销售额为16.3亿美元,同比增长17.35%,呈现出较快的增长态势。其快速增长主要来源于新应用领域的不断扩大。据美国著名高科技行业咨询公司Maxtech International的预测,未来5年全球民用红外热像仪市场需求年均增长率将达到15%,到2012年,全球民用红外热像仪的市场需求将达到38.12亿美元。由于国内经济高速发展,中国红外热像仪市场的年均增长率可以达到20%,预计2011年中国民用红外热像仪市场的需求量可以达到9.95亿元,如图2所示。若考虑到新的应用领域的开发,其实际的市场需求总量将可能超过这一预测。
 
 

 

    目前,我国民用红外热像仪的供应商不多,具有较强的独立研发实力(包括系统电路与图像处理算法并能实时实现等)与自主知识产权的国内民用生产企业有若干家,需要继续发展企业的研发实力,提高品牌影响力。

 

5. 结束语


    目前,我国红外成像系统及图像处理技术正处于蓬勃发展的黄金阶段。虽然我们与国外先进技术存在着差距,这是挑战,也无疑是孕育创新研究成果的强大动力。广阔的市场需求将进一步推动新概念探测器的研制、高性能图像处理功能与实时系统的设计;跨学科方向的交叉发展也将开拓崭新的应用领域,创造巨大的经济价值。把握我国红外成像及其图像处理技术的发展方向与脉络,制定研究与发展策略,对今后的工作具有重要的指导意义。

 

编辑:小曾

 

 

 


 

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