透烟成像、多目标跟踪和高速成像, SWIR相机在安防领域一枝独秀

隐蔽行动通常使用热像仪或夜视设备，但短波红外（swir）波段有其自身优势，如可透过大气烟雾进行成像。
红外光谱分为近红外（nir）、短波红外（swir）、中波红外（mwir）和长波红外（lwir）波段，安全、防御和监控等应用的成像系统在很大程度上依赖于红外光谱的优势。用于安全和监控的nir相机通常是微光（夜视）设备，而mwir相机和lwir相机则是通过热成像来完成任务。然而，swir相机本身就是一种有用的安全和监控设备，有时单独使用，也常常与其他成像仪结合使用。
nir与swir成像间的光谱边界通常约为1.4µm，swir与mwir成像间的光谱边界一般约为3µm。
swir相机可透过烟雾成像
据麦姆斯咨询介绍，sensors unlimited（位于美国新泽西州princeton）隶属于collins aerospace公司，主要生产各类swir成像仪，包括手持swir示波器系统、面阵扫描相机、线阵扫描相机和线性光电二极管阵列。基于铟镓砷（ingaas）的传感器技术是由sensors unlimited公司于1991年推广到市场的。
这些swir设备的应用包括：设施、港口、边境安全与监控，和其他隐蔽行动；低光成像；军事驾驶员视力增强；以及军用红外激光定位与跟踪。例如，ga1280jsx swir相机搭载了一颗高清图像传感器（1280 × 1024像素），该传感器可以每秒60帧（fps）的帧速率全分辨率成像，在0.9~1.7µm频段具有高灵敏度，并覆盖0.7~1.7µm的nir/swir频段，或可选0.5~1.7µm可见光/swir频段。
sensors unlimited的应用工程师curt dvonch表示：“透过大气烟雾成像，是ga1280jsx高清晰度swir相机最吸引人的安全和监控用途之一。以下两张照片是同时拍摄的，可清楚表明swir相机在污染、雾霾环境中的成像显著优于可见光相机。swir相机的性能优于可见光相机，主要是因为swir光子能穿透大气中的雾霾，而可见光光子则会在含有大量颗粒物的空气中散射。”
图1 美国犹他州的盐湖谷偶尔会出现一种大气现象，会使空气污染持续几天或几周。在这些大气逆温现象中，地面能见度会严重降低。（图片来源：sensors unlimited）
上图中右侧的swir图像是由sensors unlimited公司的ga1280jsx微型swir面阵相机搭配针对swir优化的200mm f/1.6镜头，以每秒60帧的速度捕获的。上图中左侧的可见光图像是在视频模式下，使用尼康d5100单反相机和55~200mm f/4.5~5.6镜头拍摄的。这两组图像均经过裁剪，但其他方面没有改变。欲了解更多信息，请访问sensors unlimited官网：www.sensorsinc.com。
swir相机可实现多目标跟踪
据麦姆斯咨询介绍，flir systems（位于美国俄勒冈州wilsonville）生产基于焦平面阵列（fpa）的ingaas swir相机，公司也单独销售fpa。这些fpa具有电容式跨阻抗放大电路设计，适用于从安全成像到高速科学激光测试（需要多个输出和动态窗口）的各种应用。
flir的一款swir热像仪机芯在尺寸、重量、功耗和成本（swap + c）方面进行了优化。boson热像仪机芯尺寸为21 × 21 × 28mm，无透镜重量为15.5g，功耗小于1.6w，达到军用级，无需热电制冷器（tec），有助于其实现swap + c优化。比boson稍微大一点的热像仪机芯tau有tec，这使它具备了在野外精确使用所需的温度稳定性。tau热像仪机芯尺寸为38 × 38 × 36mm，功耗为3.2w或更低。这两款热像仪机芯均有swir成像（0.9~1.7µm）和可见光/swir成像（0.6~1.7µm）两个版本。
除热像仪外，flir还生产一种名为ltv-x的全地形侦察和监控车辆，该车携带各种可替换安装的传感器和成像仪，包括nir、swir、热成像、激光测距和雷达。车辆可通过v-22 osprey倾转旋翼军用飞机运输，并通过其摄像头控制系统，能同时追踪多达500个威胁。欲了解更多信息，请访问flir systems官网：www.flir.com。
图2 flir这种轻型战术侦察和监控车辆ltv-x，携带互补传感器阵列，包括nir、swir、热成像、激光测距和雷达。（图片来源：flir）
swir相机有多种oem版本
据麦姆斯咨询介绍，raptor photonics（位于北爱尔兰larne）致力于基于ingaas的相机13年，已打造了一系列从320 × 256到640 × 512像素不同分辨率和像素尺寸的swir和可见/swir相机。最近，该公司新发布一款新型1280 × 1024像素分辨率的高清相机。该公司使用来自多个供应商的ingaas传感器，既有标准产品，也有定制型产品，用于设计低噪音机芯模组。正如该公司销售和营销副总裁mark donaghy所介绍的，raptor photonics可提供包括机械设计、接口、冷却、光学设计等在内的定制型产品，以满足其监控及安全领域客户的精准需求。donaghy说：“事实上，raptor每年90%的产品都是多oem版本产品。例如，owl 640相机目前就有16种不同的oem版本，每一版本都是针对特定客户的特定需求而设计的。”
图3 这款owl 1280可见光/swir相机由raptor photonics生产，采用定制型镜头设置。（图片来源：raptor photonics）
donaghy说，凭借1280 × 1024 ingaas传感器，owl 1280相机光谱范围可扩展至整个可见光光谱，使其在0.4~1.7µm波谱范围内都具有高灵敏度。10 × 10µm像素间距使高分辨率成像带有不到40 e-的读出噪声和拥有69db的大场景内（intra-scene）动态范围，实现光亮与阴暗场景的同时捕捉。
该相机的工作频率为10赫兹到60赫兹，内置自动增益控制（agc），可实现从弱光到强光的最佳对比度图像。该相机温度稳定，无需风扇。donaghy指出，该相机非常适于陆地和空中的低光及夜间成像应用。
donaghy解释说：“owl 1280已经被oem和主承包商应用到多个万向节方案中。高清（hd）格式可为操作者提供更好的分辨率，而vis-swir的范围可实现透过烟雾、雾霾、海雾以及其他低能见度条件来成像。这对于观察如1550nm等关键波长激光也至关重要。owl 1280安装在万向架中，旨在提供最优的swap性能，同时相机可以处理如温度（-40℃到+ 75℃）和湿度（共形涂层电子器件）等极端的环境条件。每台相机都是按照iso9001:2015标准制造的，这意味着我们的相机拥有独一无二的质量和可靠性，对关键任务的应用至关重要。”
donaghy指出：对于特定客户，该相机采用板式结构，并配备柔性电缆，这样可以将组件“压缩”进紧凑的外壳结构中。欲了解更多信息，请访问raptor photonics官网：www.raptorphotonics.com。
swir相机可高速成像
据麦姆斯咨询介绍，first light imaging（位于法国meyreuil）推出了一款非制冷型swir相机c-red 3，为实现低swap+c而进行了优化。公司创始人兼科学顾问jean-luc gach说，这款相机基于tecless ingaas传感器，敏感波段覆盖0.9到1.7µm，量子效率（qe）超过70%。该相机的刷新率高达每秒600帧，读出噪声低于50 e-。
c-red 3搭载一个开口宽度低于5µs的嵌入式电子快门。虽然该相机主要用于工业用途，但它也非常适合通过固定安装或无人机等移动平台进行监控。
该相机支持高动态范围模式（hdr），提供93 db动态范围和真16位线性响应，同时具有低于50 e-的低噪声和超过106 e-的满阱容量（full well capacity）。c-red 3也可在标准动态范围的agc模式下工作，并且特别适合需要极高速度的应用中的短时曝光。欲了解更多信息，请访问first light imaging官网：www.first-light-imaging.com。