神奇的雙色紅外譜探測技術
自從1800年英國天文學家威·赫謝耳 (W. Herschel)在研究太陽光譜的熱效應時發現紅外線以來，漸漸被人們熟知并在信息技術與通訊、醫療保健與生命科學、國防與航空等領域中發揮出越來越重要的作用。紅外光譜是一種人眼不可見的光譜，其波長范圍從0.75微米至1000微米，介于可見光紅與微波之間。按其波長來分，可分為近紅外、中紅外、遠紅外、極遠紅外四類。
為了能夠觀測到潛在的紅外光譜并對其進行分析和研究，人們研制出了各式各樣的紅外“眼睛”——紅外探測器。紅外探測器的功能就是將紅外輻射能轉換成電信號，成像裝置的輸出信號就可以完全一一對應地模擬掃描物體表面溫度的空間分布，經放大處理、轉換或標準視頻信號傳至顯示屏上，從而得到人眼可見的、與物體表面熱分布相應的熱像圖。制作探測器所需要的材料，應根據所探測的紅外波長而異，這也是導致紅外探測器五花八門的一個原因。
波段（波長） | 典型紅外光子探測器 |
近紅外（0.7~1.1μm） | 硅光電二極管（Si） |
短波紅外（1~3 μm） | 銦鎵砷（InGaAs）、硫化鉛探測器(PbS) |
中波紅外（3~5 μm） | 銻化銦（InSb）、碲鎘汞探測器（HgCdTe） |
長波紅外、熱紅外（8~14 μm） | 碲鎘汞探測器（HgCdTe） |
遠紅外（16 μm以上） | 量子阱探測器(QWIP) |
現在主流的軍事應用紅外探測系統絕大多數是，三個大氣窗口中的中波或者長波波段的單波段紅外探測器。但是，由于紅外系統使用區域的不同、氣候溫度的改變、目標的偽裝，紅外誘餌的釋放等原因，就會導致單一波段的紅外探測系統獲取的信息的減弱。特別是當運動中的目標自身發生改變時，其紅外輻射峰值波長將發生移動，將導致紅外探器探測準確度大幅度下降甚至很可能根本無法探測到目標。為了解決上述問題，雙色紅外譜探測技術就誕生了。
所謂的雙色紅外譜探測技術，就是能夠同步采集目標的兩個紅外光譜強度，并對兩波段的光譜進行對比、處理、合成的技術。紅外探測系統包括光學成像系統，紅外探測器，信號采集讀出電路，圖像處理及顯示。該技術實現的關鍵在于采用了具有特殊結構的雙色紅外探測器，即在探測器的一個光敏元上集成兩個能夠同步工作的紅外波段的探測器。雙色紅外目標探測技術實質上就是利用紅外雙色信息實現復雜環境中的目標識別技術。不同類型輻射源其雙色紅外輻射響應波段明顯不同，較單色紅外光譜更容易區分輻射源的類型，因此利用它可以比較容易地區分目標、背景、紅外誘餌等紅外輻射源。因而多元雙色探測器可以利用目標與紅外誘餌光譜特性的差異來提取真實目標，實現抗紅外誘餌干擾的目的。按照結構來分，雙色紅外探測器可以分為順序讀出雙色探測器和同步讀出雙色探測器兩種。順序讀出型的雙色探測器，兩波段的紅外光電信號的轉換過程必須輪換進行；而同步讀出型雙色探測器，兩波段的紅外光電信號的轉換可同時進行，這樣就可以保證兩波段的信號沒有時間差，真正做到同步。
上圖為碲鎘汞中長波雙色紅外探測器對人臉的成像結果。成像時，被成像者前方放置了一塊長波吸收的障礙物。其中左圖為中波成像結果，右圖為長波成像結果圖。（Journal of ELECTRONIC MATERIALS, Vol. 33, No. 6, 2004）
除了探測器之外，讀出電路也是另一個關鍵的環節。讀出電路的主要作用在于對探測器光響應而產生的電信號進行采集、處理和讀出。
通常情況下，所用的雙色紅外探測器通常以電流的形式響應紅外光信號，所謂的信號采集就是指將光電流信號通過積分轉換成易于傳輸和處理電壓信號的過程。由于探測器的光信號通常包含有許多無用信號，如暗電流、噪聲等，同時讀出電路本身也是一個不可忽略的噪聲源，為了有效地抑制各種非理想的因素，就必須要對積分過程及積分后的電信號進行一些必要的處理，同時使得最終的電壓信號便于高效地讀出。比如，可以于信號以背景抑制、相關雙采樣處理，合理的電平移動、放大，模數轉換等方式進行處理。
在電路的設計過程中，電路噪聲、注入效率、積分時間、線性度、勻均性、讀出效率、讀出速度、驅動能力等都是需要仔細考慮和設計重要參數。如果讀出電路的這些指標沒有達到預期的要求，那么即使是配以再好的探測器及后續的圖像處理過程，最終得到的圖像都將會是一團糟。
紅外圖像后續處理其實質是將采集到的原始圖像，通過各種運算及變換來提取和增強圖像中的有用信息，以達到識別我們感興趣的目標的目的。而紅外圖像本身的特點在很大程度上取決于圖像的獲取過程和獲取設備的性能，因而一幅好的紅外圖像，是離不開高質量的原始圖像的。
目前對紅外圖像的處理系統，可以是普通的計算機、DSP、FPGA等。但考慮到設備的便攜性以及工程實用性，DSP及FPGA是較好的選擇。通常來說，以硬件的方式來實現圖像的處理能夠達到更快的速度，滿足雙色成像技術實時性的要求。同時，隨著FPGA單個芯片上所集成的邏輯門數量的不斷增加，基于FPGA的SOPC（System On?a Programmable Chip）的系統方案更具有吸引力，其主要表現為設計靈活，可擴充、可升級、可裁減等特點。
隨著紅外應用的不斷推廣與發展，紅外探測技術正朝著高分辨率、多波段的方向發展，而雙色紅外探測，正是多波段探測的一個良好開端。如果我們將紅外探測技術的發展與我們常見的照相機的發展史相比擬的話，那么可以說，紅外成像儀在未來將會和可見光相機一樣有著高像素，高色彩位數等性能，當我們在晚上拍照時，再也用不著開閃光燈了。
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