InP/InGaAs探測器對偽裝目標(biāo)成像研究

向 夢，邵文斌，史衍麗,2

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InP/InGaAs探測器對偽裝目標(biāo)成像研究

向 夢1，邵文斌1，史衍麗1,2

（1. 云南大學(xué)物理與天文學(xué)院，云南 昆明 650091；2. 云南省量子信息重點實驗室，云南 昆明 650091）

高性能InP/InGaAs寬光譜探測器將前截止波長延伸到0.9mm之前，實現(xiàn)可見/短波雙波段探測，大大豐富了探測目標(biāo)的信息量，提高對目標(biāo)的識別率。本文采用InP/InGaAs寬光譜探測器相機，通過設(shè)置一系列偽裝實驗，對比不同偽裝目標(biāo)的可見光波圖像與短波紅外圖像的差異，重點探究短波紅外對偽裝目標(biāo)的識別特性。通過實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)：短波紅外對一定厚度塑料、硅膠、皮膚具有穿透性；顏料、染料等同色不同材質(zhì)的物體對短波紅外具有選擇性吸收，基于以上特性，短波紅外體現(xiàn)了較好的偽裝識別效果。在成像對比實驗的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步選擇偽裝效果對可見光和短波紅外具有明顯差異的實驗樣品，分別測量了它們對短波紅外和可見光的反射率等參數(shù)，以深入地分析和理解短波紅外識別偽裝的機理。

短波紅外；可見光；InP/InGaAs探測器；偽裝

0 引言

偽裝，是為隱蔽自己、欺騙迷惑對方所采取的各種隱真示假的措施。簡單的說就是隱真和示假，隱真即不被人眼及探測器識別，示假即用假的目標(biāo)迷惑對方。按針對波長不同來分可以把偽裝技術(shù)分為可見光偽裝（針對0.38～0.76μm波段）和紅外偽裝（針對3～5μm和8～14μm兩個波段）；按偽裝實施手段不同可分為遮障偽裝、示假偽裝、融合偽裝。國內(nèi)外常用的偽裝識別技術(shù)有利用熱紅外偏振成像技術(shù)、AOTF（聲光可調(diào)濾波器）高光譜成像技術(shù)、微多普勒信息識別偽裝人體目標(biāo)技術(shù)[1-5]。識別技術(shù)不單單在軍事領(lǐng)域有其重要研究意義，如何將這項技術(shù)應(yīng)用到尋常的生活中，在安檢、防爆、防恐等方面發(fā)揮其作用也非常值得探究。

短波紅外在環(huán)境中普遍存在，日光、月光、星光和大氣輝光等都是短波紅外輻射的天然來源。其成像主要是利用目標(biāo)的反射信息，所成的圖像以目標(biāo)與背景的亮度差異來體現(xiàn)，與可見光的灰度圖像類似[6-7]。但與可見光相比，短波紅外線是人眼不可見的，具有更好的穿透性，對同一目標(biāo)的反射率也不同，所以短波紅外成像技術(shù)有望應(yīng)用于對可見光具有偽裝特性的目標(biāo)識別和檢測分析。

InGaAs短波紅外成像技術(shù)目前被用于偽裝識別研究。標(biāo)準(zhǔn)InGaAs探測器響應(yīng)波段為0.9～1.7μm，具有器件性能好、量子效率高、靈敏度高、響應(yīng)速度快、高溫工作等優(yōu)點，通過將前截止波長延伸到可見光，同時利用兩個波段的反射信息，具備可見/短波紅外雙色探測的能力，大大豐富了探測目標(biāo)的信息量，顯著提高了目標(biāo)的識別率[8-11]?；贗nGaAs探測器的短波紅外成像就有高分辨率、可晝夜成像、光學(xué)配置簡單、無需低溫制冷等優(yōu)勢，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于軍用成像觀察、衛(wèi)星遙感、工業(yè)無損監(jiān)測、安防等[12-15]。為進(jìn)一步研究并確認(rèn)InGaAs短波紅外探測器的偽裝識別特性，本文采用InP/InGaAs寬光譜探測器相機，對同一偽裝目標(biāo)的可見光和短波紅外成像特性進(jìn)行了理論和實驗研究；研究結(jié)果表明：短波紅外對一定厚度的塑料、硅膠、皮膚具有穿透性；顏料、染料等同色不同材質(zhì)的物體對短波具有選擇性吸收，可用于對特定偽裝目標(biāo)的識別。

1 實驗及分析

1.1 實驗設(shè)置

本文采用InP/InGaAs寬光譜探測器相機對不同的偽裝目標(biāo)進(jìn)行了成像對比試驗，相機響應(yīng)波段為0.6～1.7μm，通過采用可見光/短波紅外濾光片分別完成短波紅外和可見光成像采集實驗，即可見光濾光片和InP/InGaAs寬光譜相機組合拍攝短波紅外圖像；短波紅外濾光片和InP/InGaAs寬光譜相機組合拍攝可見光圖像，采用同一個相機可以避免因為相機參數(shù)不同產(chǎn)生的成像差異。InP/InGaAs寬光譜探測器相機是Xenics公司的Bobcat-640-GigE-6511短波紅外相機。偽裝物有：墨鏡、假發(fā)、迷彩、塑料卡套/硅膠套等。

通過對同一偽裝目標(biāo)采集大量的可見光圖像和短波紅外圖像，并完成對比分析，根據(jù)成像結(jié)果呈現(xiàn)出的不同特點，將偽裝實驗進(jìn)行了分類，總結(jié)出短波紅外成像對不同偽裝目標(biāo)的識別特性。

1.2 短波紅外的穿透性

1.2.1 短波紅外可穿透塑料

利用短波紅外成像可以“看到”塑料制品遮擋物后方的目標(biāo)。人佩戴墨鏡時，人眼和可見光成像都只能識別出黑色的鏡片，但并不能穿透鏡片直接看到人眼；使用InP/InGaAs寬光譜相機進(jìn)行成像，發(fā)現(xiàn)鏡片對于短波紅外是“透明”的，所成的圖像呈現(xiàn)了人物眼部的信息，如圖1所示。

圖1 墨鏡可見光圖像（左）和墨鏡短波紅外圖像（右）

眼睛是五官中可以傳遞臉部信息較多的一個器官，識別出人眼的輪廓是面部識別的重要環(huán)節(jié)。在公安、安檢等方面，短波紅外成像能提供很大便利。

單向透視窗膜是一種居家裝修用的玻璃窗貼膜。貼膜之后，從室內(nèi)看向室外與未貼膜時景物信息相比亮度減弱；從室外看向室內(nèi)，只見室外景物的反射圖像但不能看到室內(nèi)的景物。為了觀察短波紅外對單向透視窗膜的穿透特性，完成了一個模擬實驗：使用紙箱模擬室內(nèi)環(huán)境，在五面封閉的紙箱內(nèi)放置一張具有標(biāo)識圖案的白紙，標(biāo)識圖案的上方為兩個字母“O”，下方一個橫置的字母“B”，將單向透視窗膜放置在紙箱未封閉的一面，如圖2所示。對單向透視窗膜進(jìn)行可見光和短波紅外成像，如圖3所示。

采用InP/InGaAs寬光譜探測器相機進(jìn)行了成像實驗，實驗結(jié)果顯示，短波紅外可穿透單向透視窗膜對位于其后的白紙和紙上的標(biāo)識圖案成像，如圖3左圖所示，被單向透視窗膜遮擋的白紙以及紙上標(biāo)識的字母：兩個“O”和橫置的字母“B”清晰可見，顯示了短波紅外對單向透視窗膜能夠起到較好的偽裝識別效果。另外，成像圖上同時也呈現(xiàn)了由窗膜表面對相機、濾光片反射形成的圖像信息。與此不同，可見光成像的圖像顯示可見光不能穿透單向透視窗膜，因此不能識別或發(fā)現(xiàn)單向透視窗膜遮蓋的目標(biāo)，只能看到窗膜表面對相機等的反射圖像（如圖3右圖所示）。

圖2 單向透視窗膜透視實驗裝置

圖3 單向透視窗膜短波紅外圖像（左）可見光圖像（右）

對塑料卡套遮擋的銀行卡進(jìn)行了成像，其可見光和短波紅外成像效果如圖4所示。

圖4 塑料卡套遮擋銀行卡可見光圖像（左）短波紅外圖像（右）

成像效果顯示，可見光相機無法“透視”塑料卡套，塑料卡套掩蓋了銀行卡片的全部信息，如圖4左圖所示；而短波紅外卻穿透了塑料卡套，“看見”了隱藏在下面的銀行卡信息，如圖4右圖所示。

1.2.2 短波紅外可穿透硅膠

采用硅膠套遮擋銀行卡，分別進(jìn)行了可見光和短波紅外成像，成像結(jié)果如圖5所示。

從圖5可見，采用硅膠套遮擋銀行卡時，在可見光圖像中看不到銀行卡表面的任何信息，在短波紅外圖像中可以清晰地看到文字字樣和部分卡號數(shù)字。

1.2.3 短波紅外可穿透皮膚

手背血管可見光圖像與短波紅外圖像如圖6所示。

圖5 硅膠套遮擋銀行卡可見光圖像（左）短波紅外圖像（右）

圖6 手背血管可見光圖像（左）和手背血管短波紅外圖像（右）

圖6的結(jié)果顯示，可見光圖像中難以準(zhǔn)確分辨出血管的位置，短波紅外圖像中血管紋路能清楚展現(xiàn)，小臂上也能看到兩條血管的紋路。短波紅外可穿透一定厚度的皮膚和肌肉。

1.3 短波紅外對顏料、染料及頭發(fā)的選擇性

1.3.1 短波紅外對顏料和染料的選擇性

染料對紡織品進(jìn)行著色，而顏料是對非紡織品進(jìn)行染色，如油墨、油漆、涂料、塑料等。選擇常用的迷彩服偽裝目標(biāo)，對迷彩服的可見光圖像和短波紅外圖像進(jìn)行了對比，如圖7所示。

圖7 迷彩可見光圖像（左）和迷彩短波紅外圖像（右）

迷彩的染料顏色選擇及圖案的設(shè)計，是保證偽裝效果的兩個重要因素。圖7的成像效果顯示可見光圖像中迷彩的顏色分布和色塊輪廓都能清楚展現(xiàn)，但在短波紅外圖像中，這兩部分信息都消失，即針對可見光有偽裝效果的迷彩顏色和圖案失去了作用，極易使目標(biāo)暴露在背景中，也說明短波紅外成像可以識別迷彩偽裝。

選擇具有油墨圖案的飯卡進(jìn)行了可見光成像和短波紅外成像，結(jié)果如圖8所示。

圖8 飯卡可見光圖像（左）和飯卡短波紅外圖像（右）

可見光下，可見飯卡表面所有信息；短波紅外下，飯卡僅可見卡片輪廓，表面內(nèi)容全部消失，體現(xiàn)了飯卡上印刷的油墨對短波紅外具有選擇性吸收，究其根本是顏料對短波紅外的選擇性吸收。

1.3.2 短波紅外對同色不同材質(zhì)的選擇性

假發(fā)是改變?nèi)梭w特征的常用偽裝手段，假發(fā)在可見光、短波紅外下成的圖像如圖9所示。

假發(fā)（手持）與真發(fā)在可見光下，顏色、質(zhì)地相似，在佩戴上假發(fā)后人眼很難看出其差別；在短波紅外圖像中手持假發(fā)依舊是偏黑的深色，真發(fā)呈淺灰色。對比效果十分明顯，可輕易識別假發(fā)偽裝。

圖9 真假發(fā)可見光圖像（左）和真假發(fā)短波紅外圖像（右）

2 討論

通過以上成像對比實驗，應(yīng)用短波紅外成像進(jìn)行偽裝識別的特性總結(jié)如下：短波紅外對一定厚度塑料、硅膠具有穿透性；顏料、染料、假發(fā)等同色不同材質(zhì)的物體對其具有選擇性吸收，體現(xiàn)出較好的偽裝識別特性。為了進(jìn)一步探究短波紅外識別偽裝的本質(zhì)，選取對可見光和短波紅外偽裝成像效果差異明顯的實驗樣品，測量其在兩個波段的反射率等光學(xué)參數(shù)，為研究提供理論性的支撐。

測量實驗設(shè)備采用多功能紅外吸收和透射測試系統(tǒng)，使用光源為氘燈，提供0.40～0.85μm（可見）和1.0～1.7μm（短波紅外）的光源照射。

2.1 遮障性偽裝反射率等光學(xué)參數(shù)測量

根據(jù)成像效果選取單向透視窗膜、墨鏡、硅膠套進(jìn)行測量。單向透視窗膜分1面和2面，1面為貼附玻璃上的一面，即對人眼可以透視面，2面為反射面，以下按照相同的定義給出。單向透視窗膜的反射率曲線（未進(jìn)行歸一化處理，下同）如圖10所示。

圖10(a)、圖10(b)對比可見，1面對可見光的反射明顯強于短波紅外，從圖10(c)和圖10(d)可知，2面對可見光的反射率在150%以上，有強烈的可見光增反作用，但對于短波紅外，2面的反射率很低?？梢姽夥瓷湓鰪姅?shù)據(jù)說明，這種方式使人眼或探測器接收到的主要信息為2面反射的室外景物的信息，從而實現(xiàn)可見光遮蔽作用，但短波紅外不受影響，可以穿透窗膜識別偽裝。

墨鏡的透射率曲線（未進(jìn)行歸一化處理，下同）如圖11所示。

從圖11(a)、圖11(b)可見，墨鏡對短波紅外的透射都要強于可見光，短波紅外的透射率在80%左右，對可見光的透射最高僅有65%。測試結(jié)果表明，短波紅外具有了可以“透視”墨鏡鏡片的能力，可以清楚地觀察墨鏡后的人眼。

硅膠的透射率曲線如圖12所示。

對比圖12(a)和圖12(b)，可見光波段硅膠的透射率基本為零，但在短波紅外下，透射率基本能保持在5%以上，相比可見光，短波紅外穿透一定厚度硅膠層的能力更強。

2.2 油墨的反射率光學(xué)參數(shù)測量

選取表面光滑的飯卡上油墨圖案部分進(jìn)行反射率的測量，測量結(jié)果如圖13所示。

從圖13(a)、圖13(b)中可以看出，飯卡上的油墨圖案對可見光的反射率在12.5%左右，而對短波紅外的反射率基本保持在2.5%以下，明顯弱于對可見光的反射率，體現(xiàn)了油墨對短波紅外的選擇性吸收，所以在短波紅外圖像中飯卡表面的圖案文字都消失，僅能看出輪廓，可見光圖像中就能呈現(xiàn)所有信息。

3 結(jié)論

設(shè)置偽裝實驗并采用InP/InGaAs探測器相機進(jìn)行成像實驗，通過對比不同偽裝目標(biāo)在可見光、短波紅外波段的圖像差異，總結(jié)出短波紅外識別特定偽裝目標(biāo)的特性，即：短波紅外對一定厚度塑料、硅膠、皮膚具有穿透性；對顏料、染料、假發(fā)等同色不同材質(zhì)的物體具有選擇性吸收。選取單向透視窗膜、墨鏡、硅膠套、帶有油墨圖案的飯卡分別測量它們對短波紅外和對可見光的反射率等參數(shù)，發(fā)現(xiàn)單向透視窗膜以對可見光增反的方式實現(xiàn)遮蔽偽裝，短波紅外則可以透視它進(jìn)行成像；短波紅外對墨鏡鏡片、硅膠的透射率都要明顯高于可見光，所以短波紅外可以識別這種偽裝；飯卡對可見光的反射率要明顯強于對短波紅外的，體現(xiàn)了油墨對短波紅外的選擇性吸收，利用這種選擇性吸收可以完成對紅外防偽油墨的檢測與識別。以上測試結(jié)果對短波紅外在偽裝識別、安全反恐、防偽等領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要的參考價值。

圖10 單向透視窗膜的反射率曲線

圖11 墨鏡的透射率曲線

圖12 硅膠的透射率曲線

圖13 飯卡油墨圖案反射率曲線

致謝

感謝北方夜視技術(shù)股份有限公司、云南大學(xué)物理與天文學(xué)院提供的測試幫助。

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Camouflage Recognition Study by InP/InGaAs Short Wavelength Infrared Detectors

XIANG Meng1，SHAO Wenbin1，SHI Yanli1,2

(1.,,650091,; 2,650091,)

The wide spectrum of InGaAs detectors can extend the response wavelength from the short wavelength to visible light through special material design and processing. Given the visible/SWIR dual band detection, wide spectrum InGaAs detectors greatly enriched the amount of information aboutthe target and improved the target recognition rate. A wide variety of camouflage recognition imaging experiments were performed with an InGaAs camera and a visible/short wavelength optical filter. The images in both short wavelength and visible light bands were then analyzed.It can be summarized from these experiments that the short wavelength can penetrate a certain thickness of plastic, silica gel, and skin. Absorption selectivity was determined for some objects with same color but made from different materials like pigment and dye in the short wavelength range. In addition, targets were chosen to measure the reflectivity and transmittance. The targets exhibited a camouflage effect in the visible light band and no camouflage in the short wavelength range. These measurement results help to understand the camouflage recognition characteristics of InGaAs short wavelength infrared detectors.

SWIR，visible band，InP/InGaAs detector，camouflage recognition

TN215，TN216

A

1001-8891(2017)10-0873-07

2017-09-12；

2017-09-28.

向夢，女，云南大學(xué)2013級本科生，目前是南開大學(xué)2017級碩士研究生，從事InGaAs探測器成像及應(yīng)用的研究。

史衍麗，女，研究員，博士，博導(dǎo)，從事光電探測器的研究。

云南省科技廳基礎(chǔ)研究重點基金項目（2015FA040）。