短波紅外應用領域大揭秘—安防領域

2020-09-10 FLIR紅外熱像儀

短波紅外光譜長啥樣？

短波紅外波段指波長在 1400-2500 納米之間的波段，肉眼無法識別這些光譜。礦物質、人造物質及其他一些地物具有特殊的成分，而短波紅外能夠「看見」這種特有成分，但肉眼和可見光近紅外光波卻「看不見」。

可見光近紅外光譜和短波紅外光譜圖

上期跟大家介紹了短波紅外範圍（0.9—1.7 um）敏感是由於InGaAs傳感器的發展才於最近成為現實的。但是為什麼要使用短波紅外呢？

短波紅外成像有一個其他技術無可比擬的主要優點，即它能夠透過玻璃進行成像。對於短波紅外相機來說，特製的價格昂貴的透鏡或者適應惡劣環境的外殼幾乎是不必要的。這就使得它們可以用於各種各樣的應用和產業。這種能力還允許短波紅外相機安裝在一個保護窗口內，當將相機系統固定在一種潛在平臺上時，這將可以提供很大的靈活性。

超越可見光的視覺

在光譜中，900~2500nm波段之間的光譜範圍被叫做短波紅外波段。然而，由於大多數人眼的椎狀細胞只對400~750nm波長區域的光敏感，所以超過這個波段或者短於這個波段的光，人眼都無法看到。由下圖讓大家看到紅外波段下不一樣的景觀。

在上圖中的可見光環境下，水、丙酮、三氯乙烯、異丙醇均為無色透明液體，很難分清誰是誰。但是在下圖的短波紅外波段下，各自便現了真身。

（表面看上去很好的蘋果，本質上卻有損壞的部分）

目前可見光相機在矽基晶片的幫助下，可以覆蓋到400~900nm波段的光譜範圍，有的甚至可以覆蓋900~1050nm的近紅外波段（NIR），但是高於1050nm波段的紅外光譜，依舊需要使用其他的晶片材料比如銦鎵砷（InGaAs），碲鎘汞（MCT）或者銻化銦（IA）來製作相機晶片。

大千世界中的各種物質，由於原子結構不用，所以材料在短波紅外波段的反射特性不同。因此使用半導體製冷InGaAs相機，可以非常輕鬆從400~1700nm波段中，對圖像的不同材料進行分辨，而這樣的過程相比可見光波段來說容易的太多。

因為短波紅外具有以下一些優點：

●高靈敏度

●高解析度

●能在夜空輝光下觀測

●晝夜成像

●隱蔽照明

●能看到隱蔽的雷射器和信標

●無需低溫製冷

●可採用常規的低成本可見光透鏡

●尺寸小

●功率低

隨著短波紅外逐漸被大家所熟知，對其應用領域的關注度也在逐漸增加。短波紅外到底能幹什麼，本期我們從介紹短波紅外在安防領域中的一些應用開始，比如很關鍵的人臉識別。下期陸續介紹的是其在醫療和工業領域中的一種應用——液位與填充位置的檢測。

應用大揭秘（一）安防

隨著生物識別技術的不斷發展，其在邊境口岸，機場等出入點將發揮重要的作用，這意味著指紋和其他直接接觸的手段將成為最終的個人標識符。

然而，由於現在的指紋資料庫有效性不僅受制於資料庫的大小，也受制於獲得有效指紋的成功率。因此，目前大多數的識別都是通過使用面部識別和照片匹配完成報關。

短波紅外成像的一個獨特之處就是在各種環境下的人臉成像依然清晰。比如可以在低光照環境成像。如下圖中的圖像，左邊為低光照人臉可見光圖像，右邊為同等條件下短波紅外波段的圖像，可以非常容易的看到人的樣貌。

短波紅外成像的另一個優勢是可以透視有色眼鏡。如下圖中的圖像，左邊為佩戴墨鏡的可見光成像，右邊為同等條件下短波紅外成像，可以很清楚的透過眼鏡看到樣貌。

（透視有色眼睛，左為紅外光，右為可見光）

以上圖片是由俊泰行公司的1英寸 25mm 定焦 SWIR鏡頭 VHF25M-MP SWIR 拍攝

值得一提的是，現有的可見光人臉識別算法可以直接運用於短波紅外人臉識別，無需作任何修改。前者的技術發展已經非常成熟。

短波紅外的成像原理與可見光十分相似，不同的是短波紅外的波長可以「繞過」煙、霧、霾中的細小顆粒；相比中波紅外、長波紅外，短波紅外擁有更好的細節分辨和解析能力，能夠很好的識別出該目標是什麼。這就使得短波紅外在霧霾、煙霧濃重的情況下，仍可對物體清晰成像。

以下幾張是在大霧天氣的成像效果圖

（在霧霾環境下：（左）可見光成像（右）短波紅外成像）

在雨霧環境下：（左）可見光成像（右）短波紅外成像

海事領域

現代潛艇的光電桅杆需要多光譜的成像與檢測。例如，可見光成像通常無法透過霧霾、塵、煙觀察目標，然而短波紅外卻很容易實現。這種情況下，短波紅外相機有著更好的成像效果。

短波紅外與中長波紅外的一項重要差異是，它利用反射光成像，而不是輻射熱成像。中長波相機無法看到海上目標的重要特徵，比如說艦船的名字、船的特徵等，短波紅外相機可以在此提供輔助。

短波紅外利用反射光成像，由于波長比可見光更長，更容易透過霾、霧以及海上的高溼度環境，可以看到艦船的名字

港口及邊海防

有時候，某個場景的熱成像對比度可能會過低。 例如，在日間，著陸帶的溫度（輻射率）可能是周圍草坪溫度的兩倍。 而在海洋環境中，當各種物體在水中長時間浸泡之後，就具有和水一樣的溫度。

被動或主動的短波紅外成像可在較短的波長範圍內提升對比度，增強圖像細節。

日出時海岸邊可見光、熱像儀、短波紅外的成像效果對比：由於處在熱交叉點上，海岸與海水的細節在熱成像中都丟失了。短波紅外是依據反射光成像而且具備透霧的特點，因此海岸線圖像可以脫穎而出，並比可見光相機捕獲到更多細節

（圖片來源於網絡）

遠處的船在可見光中是看不到的：（左）可見光成像（右）短波紅外相機成像

關鍵基礎設施的安全防禦

在任何監視、安全、安保工作中，清晰的可見度顯得尤為重要。此時，擁有的「眼睛」越多，所看的也就越清楚。

關鍵基礎設施的周邊安全防禦是一個典型的應用案例。有效的外物入侵檢測系統採用多種技術以提高在多種大氣和光照條件下的快速檢測率，降低虛警率。對於常見雨、霧、霾等天氣條件，可見光監控幾乎是「盲視」。

（左）霧天可見光成像（右）短波紅外成像

（圖片來源於網絡）

消防與森林防火

森林大火產生的煙霧使能見度降低，對救援的開展不利，同時會造成重大經濟損失。與長波紅外森林火場圖像中的大面積泛白熱圖不同，短波紅外不僅可以穿透煙霧，更能準確的發現起火點，從而大大縮小著火點的搜尋範圍。

（左）可見光成像（右）短波紅外成像

航空

伴隨技術的進步，飛行員和船員業務素質的增強，飛行器安全發展到今天已經有了顯著的提高，然後黑暗，霧、雨是安全飛行的主要敵人。

在飛行器輔助著陸系統中集成基於短波紅外傳感系統，飛行員可以穿透黑暗和惡劣的天氣條件得到飛行器周圍環境的紅外視圖。

InGaAs短波紅外相機在關鍵的900至1700微米的光譜範圍內提供優異的透霧成像能力。相比現有的許多紅外熱成像系統，短波紅外相機不需要複雜和昂貴的低溫冷卻系統，這大大提高了系統的可靠性和安裝的靈活性。

短波紅外與長波紅外融合---飛行器輔助著陸系統

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