國內(nèi)外紅外成像技術(shù)最新研究成果和動態(tài)
摘要：紅外成像技術(shù)由于諸多特點(diǎn)在軍用和民用領(lǐng)域都取得了廣泛的應(yīng)用，紅外圖像處理技術(shù)在紅外成像系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。本文簡述國內(nèi)外紅外成像技術(shù)部分最新的研究成果和動態(tài)，針對我國具體狀況，提出關(guān)于我國紅外成像技術(shù)發(fā)展的若干思考，討論紅外成像及其圖像處理、應(yīng)用中的一些新技術(shù)、發(fā)展重點(diǎn)和難點(diǎn)，對以后一段時期內(nèi)的紅外成像新技術(shù)發(fā)展及其市場前景進(jìn)行展望。
1. 引言
紅外成像具有作用距離遠(yuǎn)、抗干擾性好、穿透煙塵霧霾能力強(qiáng)、可全天候、全天時工作等優(yōu)點(diǎn)，在軍用和民用領(lǐng)域都得到了極為廣泛的應(yīng)用。在軍事上，包括對軍事目標(biāo)的搜索、觀瞄、偵察、探測、識別與跟蹤；對遠(yuǎn)、中、近程軍事目標(biāo)的監(jiān)視、告警、預(yù)警與跟蹤；紅外成像的精確制導(dǎo)；武器平臺的駕駛、導(dǎo)航；探測隱身武器系統(tǒng)，進(jìn)行光電對抗等。在民用領(lǐng)域，在工業(yè)、遙感、醫(yī)學(xué)、消費(fèi)電子、測試計量和科學(xué)研究等許多方面也得到廣泛應(yīng)用。
目前國外紅外成像器件已發(fā)展到了智能靈巧型的第四代，在光電材料、生產(chǎn)工藝、成像質(zhì)量及系統(tǒng)應(yīng)用等方面都取得了豐碩的成果，但是國內(nèi)紅外相關(guān)技術(shù)研究與生產(chǎn)起步較晚，并且受工業(yè)基礎(chǔ)制約，發(fā)展遠(yuǎn)滯后于國外，而市場需求卻持續(xù)強(qiáng)勁，無論在軍用還是民用領(lǐng)域都有巨大的發(fā)展空間。
本文簡述國內(nèi)外紅外成像技術(shù)部分最新的研究成果和動態(tài)，針對我國具體狀況，提出關(guān)于我國紅外成像技術(shù)發(fā)展的若干思考，討論紅外成像及其圖像處理、應(yīng)用中的一些新技術(shù)、發(fā)展重點(diǎn)和難點(diǎn)，對以后一段時期內(nèi)的紅外成像新技術(shù)發(fā)展及其市場前景進(jìn)行展望。
2. 紅外探測器發(fā)展現(xiàn)狀
從第一代紅外探測器至今已有40余年歷史，按照其特點(diǎn)可分為四代：第一代（1970s-80s）主要是以單元、多元器件進(jìn)行光機(jī)串/并掃描成像；第二代（1990s-2000s）是以4×288為代表的掃描型焦平面；第三代是凝視型焦平面；目前正在發(fā)展的可稱為第四代，以大面陣、高分辨率、多波段、智能靈巧型系統(tǒng)級芯片為主要特點(diǎn)，具有高性能數(shù)字信號處理功能，甚至具備單片多波段融合探測與識別能力。
3. 紅外成像與圖像處理技術(shù)
無疑，紅外成像技術(shù)的最核心部分當(dāng)屬紅外探測器技術(shù)，包括紅外材料、器件等重大制造工藝技術(shù)，涉及紅外探測器基礎(chǔ)理論、總體設(shè)計、薄膜材料生長技術(shù)、材料性能表征與評價技術(shù)；新型紅外探測器技術(shù)，包括多色、量子阱、量子點(diǎn)、超晶格、超導(dǎo)、非晶態(tài)、有機(jī)等新型探測器；紅外探測器表面處理與鈍化、互連等技術(shù)；紅外探測器制造工藝過程控制、測試與評價等技術(shù)。
同時，成像設(shè)備如何滿足系統(tǒng)應(yīng)用的總體要求，成像設(shè)備如何產(chǎn)生盡可能接近視覺系統(tǒng)感知或易于利用的圖像，一直是系統(tǒng)工程學(xué)、人機(jī)環(huán)境學(xué)以及圖像處理與機(jī)器視覺研究的主要內(nèi)容之一。由于紅外成像系統(tǒng)必須服從應(yīng)用系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)，而紅外圖像觀測者或終極使用者（包括無人環(huán)路）是信息處理鏈上的最后一環(huán)，因此很自然會對紅外圖像的質(zhì)量優(yōu)劣提出高要求。最終成像系統(tǒng)的應(yīng)用價值取決于圖像信息的充分提取與利用。
而從紅外成像系統(tǒng)的信息鏈路上看，其傳輸環(huán)節(jié)包括目標(biāo)與環(huán)境的紅外輻射，大氣傳輸，紅外光學(xué)系統(tǒng)聚焦成像，探測器敏感接收與光電轉(zhuǎn)換，圖像信號的耦合讀出，圖像信號的處理/增強(qiáng)/信息提取/顯示與判讀或信息利用（例如目標(biāo)自動提取、鎖定與制導(dǎo)等）等一系列環(huán)節(jié)，因此同樣應(yīng)高度重視所有信息傳輸鏈路上各個關(guān)鍵技術(shù)的研究。
如上所述，紅外成像技術(shù)應(yīng)用與數(shù)字圖像處理技術(shù)是分不開的，特別是第四代超高分辨力、智能靈巧型紅外成像器件，對圖像處理算法和硬件系統(tǒng)要求更為苛刻，可以說圖像處理為紅外成像性能的提高和系統(tǒng)級應(yīng)用發(fā)揮了重要作用，也是紅外成像系統(tǒng)創(chuàng)造新的附加值的增長點(diǎn)。
4. 紅外成像系統(tǒng)市場需求和前景
圖1是荷蘭國家應(yīng)用科學(xué)研究院（TNO）預(yù)測未來10年紅外成像系統(tǒng)研發(fā)中軟硬件投入增長趨勢。可以看出，今后對硬件投入增長漸緩，轉(zhuǎn)而對系統(tǒng)軟件的投入將大幅增加。顯然，在紅外器件和應(yīng)用市場上，靠改進(jìn)器件固然可以提高紅外系統(tǒng)性能，但是技術(shù)難度大，開發(fā)周期長，并且受器件材料特性、工藝手段的限制。而運(yùn)用圖像處理技術(shù)可以有效提高紅外系統(tǒng)性能，并且可以大范圍擴(kuò)展紅外成像系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域。可以預(yù)見在未來10～20年內(nèi)，紅外成像系統(tǒng)中圖像處理及應(yīng)用所帶來產(chǎn)值的比重會逐漸增長，并逐步占有較高比重產(chǎn)值。
在發(fā)達(dá)國家的軍用領(lǐng)域，紅外熱像儀已得到及其廣泛的配置，例如海灣戰(zhàn)爭中平均每個美國士兵配備1.7具紅外熱像儀。與發(fā)達(dá)國家相比，目前我國軍隊(duì)中紅外熱像儀的應(yīng)用相對較少，其市場遠(yuǎn)景需求量相當(dāng)巨大。隨著高性能多色紅外焦平面以及智能靈巧型片上圖像處理技術(shù)的發(fā)展，預(yù)計這一比例還將繼續(xù)走高。
在民用領(lǐng)域，紅外成像系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于消防、電力、建筑、安防等領(lǐng)域，我國紅外熱像儀在這些行業(yè)的應(yīng)用還處于起步階段，發(fā)展空間巨大。2006年，全球民用紅外熱像儀的銷售額為16.3億美元，同比增長17.35%，呈現(xiàn)出較快的增長態(tài)勢。其快速增長主要來源于新應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大。據(jù)美國著名高科技行業(yè)咨詢公司Maxtech International的預(yù)測，未來5年全球民用紅外熱像儀市場需求年均增長率將達(dá)到15%，到2012年，全球民用紅外熱像儀的市場需求將達(dá)到38.12億美元。由于國內(nèi)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，中國紅外熱像儀市場的年均增長率可以達(dá)到20%，預(yù)計2011年中國民用紅外熱像儀市場的需求量可以達(dá)到9.95億元，如圖2所示。若考慮到新的應(yīng)用領(lǐng)域的開發(fā)，其實(shí)際的市場需求總量將可能超過這一預(yù)測。
目前，我國民用紅外熱像儀的供應(yīng)商不多，具有較強(qiáng)的獨(dú)立研發(fā)實(shí)力（包括系統(tǒng)電路與圖像處理算法并能實(shí)時實(shí)現(xiàn)等）與自主知識產(chǎn)權(quán)的國內(nèi)民用生產(chǎn)企業(yè)有若干家，需要繼續(xù)發(fā)展企業(yè)的研發(fā)實(shí)力，提高品牌影響力。
5. 結(jié)束語
目前，我國紅外成像系統(tǒng)及圖像處理技術(shù)正處于蓬勃發(fā)展的黃金階段。雖然我們與國外先進(jìn)技術(shù)存在著差距，這是挑戰(zhàn)，也無疑是孕育創(chuàng)新研究成果的強(qiáng)大動力。廣闊的市場需求將進(jìn)一步推動新概念探測器的研制、高性能圖像處理功能與實(shí)時系統(tǒng)的設(shè)計；跨學(xué)科方向的交叉發(fā)展也將開拓嶄新的應(yīng)用領(lǐng)域，創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)價值。把握我國紅外成像及其圖像處理技術(shù)的發(fā)展方向與脈絡(luò)，制定研究與發(fā)展策略，對今后的工作具有重要的指導(dǎo)意義。
新
聞 中 心
