國內外紅外成像技術最新研究成果和動態
摘要：紅外成像技術由于諸多特點在軍用和民用領域都取得了廣泛的應用，紅外圖像處理技術在紅外成像系統中起著至關重要的作用。本文簡述國內外紅外成像技術部分最新的研究成果和動態，針對我國具體狀況，提出關于我國紅外成像技術發展的若干思考，討論紅外成像及其圖像處理、應用中的一些新技術、發展重點和難點，對以后一段時期內的紅外成像新技術發展及其市場前景進行展望。
1. 引言
紅外成像具有作用距離遠、抗干擾性好、穿透煙塵霧霾能力強、可全天候、全天時工作等優點，在軍用和民用領域都得到了極為廣泛的應用。在軍事上，包括對軍事目標的搜索、觀瞄、偵察、探測、識別與跟蹤；對遠、中、近程軍事目標的監視、告警、預警與跟蹤；紅外成像的精確制導；武器平臺的駕駛、導航；探測隱身武器系統，進行光電對抗等。在民用領域，在工業、遙感、醫學、消費電子、測試計量和科學研究等許多方面也得到廣泛應用。
目前國外紅外成像器件已發展到了智能靈巧型的第四代，在光電材料、生產工藝、成像質量及系統應用等方面都取得了豐碩的成果，但是國內紅外相關技術研究與生產起步較晚，并且受工業基礎制約，發展遠滯后于國外，而市場需求卻持續強勁，無論在軍用還是民用領域都有巨大的發展空間。
本文簡述國內外紅外成像技術部分最新的研究成果和動態，針對我國具體狀況，提出關于我國紅外成像技術發展的若干思考，討論紅外成像及其圖像處理、應用中的一些新技術、發展重點和難點，對以后一段時期內的紅外成像新技術發展及其市場前景進行展望。
2. 紅外探測器發展現狀
從第一代紅外探測器至今已有40余年歷史，按照其特點可分為四代：第一代（1970s-80s）主要是以單元、多元器件進行光機串/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、智能靈巧型系統級芯片為主要特點，具有高性能數字信號處理功能，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
無疑，紅外成像技術的最核心部分當屬紅外探測器技術，包括紅外材料、器件等重大制造工藝技術，涉及紅外探測器基礎理論、總體設計、薄膜材料生長技術、材料性能表征與評價技術；新型紅外探測器技術，包括多色、量子阱、量子點、超晶格、超導、非晶態、有機等新型探測器；紅外探測器表面處理與鈍化、互連等技術；紅外探測器制造工藝過程控制、測試與評價等技術。
同時，成像設備如何滿足系統應用的總體要求，成像設備如何產生盡可能接近視覺系統感知或易于利用的圖像，一直是系統工程學、人機環境學以及圖像處理與機器視覺研究的主要內容之一。由于紅外成像系統必須服從應用系統技術指標，而紅外圖像觀測者或終極使用者（包括無人環路）是信息處理鏈上的最后一環，因此很自然會對紅外圖像的質量優劣提出高要求。最終成像系統的應用價值取決于圖像信息的充分提取與利用。
而從紅外成像系統的信息鏈路上看，其傳輸環節包括目標與環境的紅外輻射，大氣傳輸，紅外光學系統聚焦成像，探測器敏感接收與光電轉換，圖像信號的耦合讀出，圖像信號的處理/增強/信息提取/顯示與判讀或信息利用（例如目標自動提取、鎖定與制導等）等一系列環節，因此同樣應高度重視所有信息傳輸鏈路上各個關鍵技術的研究。
如上所述，紅外成像技術應用與數字圖像處理技術是分不開的，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級應用發揮了重要作用，也是紅外成像系統創造新的附加值的增長點。
4. 紅外成像系統市場需求和前景
圖1是荷蘭國家應用科學研究院（TNO）預測未來10年紅外成像系統研發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，轉而對系統軟件的投入將大幅增加。顯然，在紅外器件和應用市場上，靠改進器件固然可以提高紅外系統性能，但是技術難度大，開發周期長，并且受器件材料特性、工藝手段的限制。而運用圖像處理技術可以有效提高紅外系統性能，并且可以大范圍擴展紅外成像系統應用領域。可以預見在未來10～20年內，紅外成像系統中圖像處理及應用所帶來產值的比重會逐漸增長，并逐步占有較高比重產值。
在發達國家的軍用領域，紅外熱像儀已得到及其廣泛的配置，例如海灣戰爭中平均每個美國士兵配備1.7具紅外熱像儀。與發達國家相比，目前我國軍隊中紅外熱像儀的應用相對較少，其市場遠景需求量相當巨大。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的發展，預計這一比例還將繼續走高。
在民用領域，紅外成像系統廣泛應用于消防、電力、建筑、安防等領域，我國紅外熱像儀在這些行業的應用還處于起步階段，發展空間巨大。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%，呈現出較快的增長態勢。其快速增長主要來源于新應用領域的不斷擴大。據美國著名高科技行業咨詢公司Maxtech International的預測，未來5年全球民用紅外熱像儀市場需求年均增長率將達到15%，到2012年，全球民用紅外熱像儀的市場需求將達到38.12億美元。由于國內經濟高速發展，中國紅外熱像儀市場的年均增長率可以達到20%，預計2011年中國民用紅外熱像儀市場的需求量可以達到9.95億元，如圖2所示。若考慮到新的應用領域的開發，其實際的市場需求總量將可能超過這一預測。
目前，我國民用紅外熱像儀的供應商不多，具有較強的獨立研發實力（包括系統電路與圖像處理算法并能實時實現等）與自主知識產權的國內民用生產企業有若干家，需要繼續發展企業的研發實力，提高品牌影響力。
5. 結束語
目前，我國紅外成像系統及圖像處理技術正處于蓬勃發展的黃金階段。雖然我們與國外先進技術存在著差距，這是挑戰，也無疑是孕育創新研究成果的強大動力。廣闊的市場需求將進一步推動新概念探測器的研制、高性能圖像處理功能與實時系統的設計；跨學科方向的交叉發展也將開拓嶄新的應用領域，創造巨大的經濟價值。把握我國紅外成像及其圖像處理技術的發展方向與脈絡，制定研究與發展策略，對今后的工作具有重要的指導意義。
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聞 中 心
