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。