CN105122088A - 增强红外光学系统的雾穿透能力 - Google Patents
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Abstract
本文提供了具有用于达到至少2.75跑道视程(RVR)的雾穿透距离的光谱范围的红外光学系统。光学系统可包括光学元件的单一集，其被设计为具有朝向更短的波长扩展超出1.2微米并包括短波红外(SWIR)范围以及包括中波红外(MWIR)范围和长波红外(LWIR)范围中的至少一个的波长范围，以增强红外光学系统的检测范围，其中，光学元件的单一集被放置使得SWIR范围以及MWIR范围和LWIR范围中的至少一个两者的红外辐射通过所有光学元件。
Description
技术领域
本发明设计红外成像系统领域，并且更具体地涉及通过宽波段摄像机的成像和光源检测。
发明背景
当前航空器增强视觉系统(EVS)被设计为在白天和晚上的滑行或飞行期间提供改进的定向，并且使得能够在诸如雾、霾、灰尘或烟雾的恶劣的大气条件下可视着陆。例如，该系统可显示叠加在飞行员视野上的所捕获的视频图像。在常规的着陆进场期间，飞机以3度的角度下降。在地面上方大约200英尺的决断高度(DH)，飞行员必须识别跑道上的灯的结构。如果在DH处飞行员不能识别跑道灯结构，则他必须进行复飞。假设3度的下降角度和200英尺的决断高度，飞机到灯结构之间的距离是大约1165米。
用于着陆应用的大气透光率由被称为跑道视程(RVR)的值限定。一(1.0)RVR是关于被裸眼检测到跑道灯的最大距离。该定义的数学意义是RVR被定义为对比于在零距离处的对比值在一距离处光强下降至2％的距离。在零距离处的对比值是一(1.0)。对于每一个附加的RVR距离，跑道电灯泡信号以50因子递减。当前系统具有2.2*RVR的最大穿透距离。在可视光谱波段和近红外中，对于2.2RVR的距离，大气衰减等于502 . 2，其接近于5500。为了穿透这样大的大气衰减，当前系统提供了在零距离处大约5500的信噪比(SNR)。换句话说，EVS摄像机应该提供实验室条件下5500的信噪比。为了获取所需的SNR，将被采集到的每像素每帧的光电子的最小数量是30,000,000(或3x107)。然而，量子噪声不是噪声的唯一来源。为了克服诸如读出噪声、固定模式噪声等的附加噪声源，将被采集的每像素每帧的光电子的最小数量必须超出30*106。SNR要求是必要条件但不是充分条件。
在大多数机场中，跑道灯被安装在地平面上方的短杆上。电灯泡被暴露在风和雨中；因此电灯泡的温差相对于背景是非常低的。电灯泡的外部材料是玻璃。玻璃在2.2微米以上是不传热的。结论是在恶劣的大气条件下，可用于电灯泡检测唯一光谱在可见的光谱波段或近红外光谱波段中。当前系统使用1.2微米和5.0微米之间的光谱波段范围，其落入硅的透光率范围之内并且对于InSb焦平面阵列检测器是最优的。
发明概述
本发明的一个实施方式提供了红外光学系统，其特征在于，该红外光学系统的光学器件被重新设计为没有(devoidof)硅以具有朝向更短波长扩展超过1.2微米并且包括短波红外(SWIR)范围以及包括中波红外(MWIR)范围和长波红外(LWIR)范围中的至少一个的波长范围，从而增强红外光学系统的检测范围。
在以下的详细描述中陈述本发明的这些、附加的和/或其他的方面和/或优点；其可能被从详细描述中推论出；和/或其可通过实践本发明来学到。
附图简述
为了更好地理解本发明的实施方式并且为了示出如何可以实施本发明的实施方式，现在将仅通过实例的方式参考附图，其中相同的数字指定全文中对应的元件或部分。
在附图中：
图1是根据本发明的一些实施方式的用于已知光源检测的红外光学系统的高级别示意框图；
图2是根据本发明的一些实施方式的红外光学系统的光学器件的高级别示意图；
图3是根据本发明的一些实施方式的示出了增加红外光学系统的范围的方法的高级别流程图；以及
图4A-4D根据本发明的一些实施方式呈现了现有技术系统(图4A)和本发明的红外光学系统(图4B-4D)之间的比较仿真结果。
详细描述
现在具体参考详细附图，应强调的是，所示出的细节是通过示例的方式，并且仅为了本发明优选实施方式的说明性论述的目的，并且呈现细节为了提供被认为最有用和容易理解本发明的原理和概念方面的描述的内容。在这一点上，没有做出尝试以比基本理解本发明所必要的更详细来示出本发明的结构细节，结合附图的描述使得如何可以在实践中体现本发明的一些形式对于本领域的技术人员是明显的。
在详细解释本发明的至少一个实施方式之前，应理解的是，本发明不将其应用局限于以下描述中所阐述的或附图中所示出的组件的构造和布置的细节。本发明适用于其它实施方式或以各种方式来实践或实施。此外，将理解的是，本文采用的措辞和术语是为了描述的目的并且不应被视为限制性的。
图1是根据本发明的一些实施方式的用于已知光源90的检测的红外光学系统110的高级别示意框图。红外光学系统110具有增加的范围(如具有增加的雾穿透能力)。在所说明的实例中，光源90是着陆区域91的跑道灯。红外光学系统110通过捕获在其中发射并且在其进程之中穿过雾80到达系统110的光学器件120(参见图2)的光95来获取场景的图像115。系统110被设计为具有增加的光谱范围，其起始于比硅的透光率阈值更短的特定波长。硅在约1.2-6微米的范围中具有大于50％的透光率。在更短的波长处，硅的透光率急剧下降到在1.1微米处少于5％。
在实施方式中，红外光学系统110的特征在于其光学器件120被重新设计为没有硅以具有朝向更短波长扩展超出1.2微米并且包括短波红外(SWIR)范围以及包括中波红外(MWIR)范围和长波红外(LWIR)范围中的至少一个的波长范围，从而增强红外光学系统110的范围。红外光学系统110因此在红外光谱范围中的至少两个红外光谱范围中操作，大气在该至少两个红外光谱范围中是透明的(近红外和范围在约0.7-2.5微米的SWIR、范围在3-5微米的MWIR以及约8-14微米的LWIR)。
在SWIR连同包括MWIR和/或LWIR而扩展光谱范围得到扩展的检测范围和更长的雾穿透距离，以及更高的太阳能输入，其提供了不同于光源90的更好的地形特征检测。在晚上，SWIR在识别光源90时可以是特别地有帮助的，同时使用MWIR进一步增强识别以及提供关于光源90的周围环境的细节。使用这两个范围(SWIR和NWIR/LWIR)下的光学器件的单一集120消除了使用不同的光学器件(如在现有技术中)来执行来自检测器的图像融合的需求。
光学器件120被重新设计为在扩展的波长范围上是热稳定和光学稳定的。例如，增强的范围可通过设计光学器件120以在大约1-5微米的宽波长范围上稳定地传输辐射或通过设计光学器件120以能够在两个不同的范围(例如1-2.3微米和8-13微米)处成像并接着将图像融合算法应用至所捕获的图像来实现。在实施方式中，系统110被布置为实施多光谱和超光谱成像用于各种目的。
增强的范围可被用于各种应用，例如扩展其检测范围或拓宽可被系统110检测的物质的范围。附加应用可包括矿业和地质学(如识别各种矿物)、食品安全和质量检查、取证(如假冒检测、文档验证)、生命科学和生物技术、医疗和药品科学(如毒品发现)、军事和防御、边境保护、侦察和监视、光谱标记、目标定位、安全和监视、环境监测、污染检测、森林管理、精细农业和矿物勘探。
在实施方式中，红外光学系统110被布置为增强大气衰减下的能见度并且其特征在于，其被布置为通过将光学器件120重新设计为没有硅，以具有朝向更短波长扩展超出1.2微米的波长范围，从而实现大于2.2跑道视程(RVR)的雾穿透距离。系统110的一个检测器或多个检测器被相应地布置以检测在扩展的带宽范围处的辐射。
例如，红外光学系统110的增加的光谱范围可低达1微米(例如，1.0和1.2微米之间或甚至低于1.0微米)以增强其所测量的雾穿透能力(以跑道视距(RVR)为单位)到至少2.75。
如上面所提到的，现有技术系统具有2.2RVR的雾穿透能力。发明人已经发现具有改进的光谱波段优化的目前公开的系统110具有显著地更好的2.75RVR的雾穿透能力。改进的穿透距离通过将更低的光谱波段从1.2微米的起始波长扩展至1.0微米(或至低于硅的光谱范围的波长，如1.0和1.2微米之间)来获得。相应地，系统110可包括没有硅的外部窗口。
然而，例如通常对于红外线产业及其重要和广泛用作透镜制造所选择的材料的硅限制更低光谱波段的起始波长。硅材料必须被某些其它材料代替，该某些其它材料在从1.0微米到5微米的整个光谱波段中是透明的，像：氟化钡(BaF2)、碘化铯(CsI)、碲化镉(CdTe)、氟化钙(CaF2)、氟化锂(LiF)、硫化锌(ZnS，如来自Dowchemicals的CLEARTRANSTM)、蓝宝石或各种硫属化物组合物(如，锗(Ge)、砷(As)、硒(Se)和锑(Sb)的各种组合物，如SCHOTT的IG6(As2Se3))。在一些实施方式中，光学器件可在波段1-5微米的部分中是可操作的，例如一个系统110可在从1.0微米到2.3微米的光谱波段中传输，阻断2.3微米到3.3微米的光谱波段并在从3.3微米到5微米的光谱波段中传输。
在实施方式中，红外光学系统110还可至少包括具有不同光谱波段的两个检测器，其中，一个检测器在起始于1微米的光谱波段处。例如，系统110可包括其波段开始于1微米的InGaAs检测器(如，在范围1.0-1.8微米)波段而另一个检测器(如InSb检测器或非制冷辐射热检测器)开始于更高的波段(如分别为3.3-5.0微米和8.0-14.0微米，对于市场可用检测器)。
在实施方式中，红外光学系统110可包括在包含1.0-2.3微米范围内的检测器。在实施方式中，红外光学系统110可包括在包含3-5微米和/或8-12微米的范围内的检测器。
图2是根据本发明的一些实施方式的红外光学系统110的光学器件120的高级别示意图。光学器件集120可被布置为给予起始于比硅的透光率阈值更短的特定波长同时包括短波红外(SWIR)范围以及中波红外(MWIR)范围和长波红外(LWIR)范围中的至少一个的光谱范围。光学器件集120可被布置为，当被并入红外光学系统110时扩展其范围(例如具有增加的雾穿透能力)。
在所示出的实例中，光学器件集120可包括四个元件122、124、126、128，以及杜瓦(dewar)的窗口131和检测器的冷滤波器132，其由以下材料中的至少一种制成：氟化钡、碘化铯、碲化镉、氟化钙、氟化锂(LiF)、硫化锌(ZnS，如来自Dowchemicals的CLEARTRANSTM)、蓝宝石或各种硫属化物组合物(如锗(Ge)、砷(As)、硒(Se)和锑(Sb)的各种组合物，如SCHOTT的IG6(As2Se3))，且杜瓦的窗口131和该检测器的冷滤波器132是没有硅的，这将使光谱范围被限制在1.2微米之上且将RVR限制到2.2，如下文所述的。光学器件集120被设计为具有起始于比硅的透光率阈值更短的特定波长(如1微米或甚至更低)的光谱范围。
在图2中示出的非限制性的实例中，透镜122由SCHOTT的IG6(As2Se3)制成，透镜124和128由CLEARTRANSTM(ZnS)制成，透镜126由氟化锂(LiF)制成并且杜瓦的窗口131和冷滤波器132由蓝宝石制成。
通常，用于光学元件122、124、126和128的材料被选择以实现关于温度和波长范围的平衡的和稳定的光学器件集120。
在实施方式中，光学器件集120可被配置为能够在包括1.0-2.3微米的范围内进行检测。在实施方式中，光学器件集120可被配置为能够在包括3-5微米和/或8-12微米的范围内进行检测。
图3是根据本发明的一些实施方式的示出了增加红外光学系统的范围的方法200的高级别流程图。例如，方法200可包括增强红外光学系统的雾穿透能力(阶段210)。
方法200包括将红外光学系统的光谱范围(阶段220)扩展至更短的波长(阶段225)(如比硅的透光率阈值更短，例如至少起始于1.0微米)同时包括短波红外(SWIR)范围以及中波红外(MWIR)范围和长波红外(LWIR)范围中的至少一个)，通过将红外光学系统的光学器件重新设计为没有硅(阶段230)以得到大于2.2跑道视程(RVR)的穿透距离，重新设计红外光学系统的光学器件例如通过下列材料中的至少一种替换硅(阶段250)：氟化钡、碘化铯、碲化镉、氟化钙、氟化锂(LiF)、硫化锌(ZnS，如来自Dowchemicals的CLEARTRANSTM)、蓝宝石或各种硫属化物组合物(如锗(Ge)、砷(As)、硒(Se)和锑(Sb)的各种组合物，如由三硒化二砷(As2Se3)制成的SCHOTT的IG6以得到至少2.75跑道视程(RVR)的穿透距离。在实施方式中，方法200包括用下列材料中的至少一种替换光学器件中的硅：氟化锂、硫化锌和三硒化二砷，且还可包括用蓝宝石制成杜瓦的窗口和检测器的冷滤波器。另外，方法200包括将光学器件设计为关于温度和波长范围在扩展的带宽(如1-5微米或其中的一部分)上是稳定的(阶段240)。
在实施方式中，方法200还可包括在包含1.0-2.3微米的范围内检测和可选地在包括3-5微米和/或8-12微米的范围内检测。
图4A-4D根据本发明的一些实施方式呈现了现有技术系统(图4A)和本发明的红外光学系统110(图4B-4D)之间的比较的仿真结果。附图描绘了如在涉及大气辐射传播的合理假设下仿真的从跑道灯90捕获的辐照度和关于距离跑道灯90的距离的噪声等效辐照度(NEI)。当现有技术系统在最多约1110米处检测跑道灯90时(图4A，所采集的电灯泡辐照度和NEI的交集)，系统110在约1380米处检测跑道灯90(图4B，所采集的电灯泡辐照度和NEI的交集)，其对应于2.5RVR。图4C类似于图4B，并且示出了当能见度范围是500米时的系统的检测范围(达到1380/500＝2.76RVR)，而图4D示出了当能见度范围是423米时的系统的检测范围(达到1190/423＝2.81RVR)。
在上面描述中，实施方式是本发明的实例或实现。“一个实施方式”、“实施方式”或“一些实施方式”的各种出现未必全部指相同的实施方式。
虽然本发明的各种特征可以在单个实施方式的背景下进行描述，但是这些特征也可以单独地或以任何适合的组合来提供。相反地，尽管为了清楚起见，本文可以在不同的实施方式的背景下描述本发明，但是，本发明还可以在单个实施方式中实施。
本发明的实施方式可包括来自上面公开的不同的实施方式的特征，并且实施方式可包含来自上面公开的其它的实施方式的元素。本发明的在特定实施方式的背景下的要素的公开不应认为将其使用仅仅限于该特定的实施方式。
此外，应当理解，本发明可以以多种方式来实施或实践并且本发明可以以除上文描述中所概述的实施方式之外的实施方式来实施。
本发明不限于那些图表或对应的描述。例如，流程不需要经过每个示出的框或状态来进行，也不需要以与所说明和描述的完全相同的顺序来进行。
除非另有定义，本文使用的技术术语和科学术语的含义是如本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的含义。
虽然已经关于有限数量的实施方式描述了本发明，但是这些不应该被解释为对本发明的范围的限制，而是作为优选的实施方式中的一些优选的实施方式的范例。其他可能的改变、修改和应用也在本发明的范围之内。
Claims (27)
1.一种红外光学系统，包括：
光学元件的单一集，其被设计为具有朝向更短的波长扩展超出1.2微米并且包括短波红外SWIR范围以及包括中波红外MWIR范围和长波红外LWIR范围中的至少一个的波长范围，以增加所述红外光学系统的检测范围，其中，所述光学元件的单一集被布置使得所述SWIR范围的红外辐射、以及所述MWIR范围和所述LWIR范围中的至少一个的红外辐射均通过所有所述光学元件。
2.如权利要求1所述的红外光学系统，其被布置为增强在大气衰减的条件下的能见度以实现大于2.2跑道视程RVR的雾穿透距离。
3.如权利要求1所述的红外光学系统，其中，所述红外光学系统的检测器被布置为检测在所扩展的波长范围的辐射。
4.如权利要求1所述的红外光学系统，其包括由下列中的至少一种制成的光学器件：氟化钡、碘化铯、碲化镉、氟化钙、氟化锂、硫化锌、蓝宝石和硫属化物组合物。
5.如权利要求4所述的红外光学系统，其被布置为实现至少为2.75跑道视程RVR的雾穿透距离。
6.如权利要求4所述的红外光学系统，其具有起始于1微米的光谱范围。
7.如权利要求4所述的红外光学系统，其中，所述光学器件由氟化锂、硫化锌和三硒化二砷制成。
8.如权利要求7所述的红外光学系统，其中，杜瓦的窗口和检测器的冷滤波器由蓝宝石制成。
9.如权利要求1所述的红外光学系统，还包括外部窗口。
10.如权利要求1所述的红外光学系统，还至少包括具有不同光谱波段的两个检测器，其中，一个检测器具有起始于1微米的光谱波段。
11.如权利要求1所述的红外光学系统，其还包括在包含1.0-2.3微米范围内的检测器。
12.如权利要求11所述的红外光学系统，其还被布置为在包含3-5微米和8-12微米中的至少一个的范围内检测。
13.一种光学元件的光学器件集，其由氟化钡、碘化铯、碲化镉、氟化钙、氟化锂、硫化锌、蓝宝石和硫属化物组合物中的至少一种制成且没有硅，所述光学器件集被布置为给予起始于比硅的透光率阈值更短的特定波长并且包括短波红外SWIR范围以及包括中波红外MWIR范围和长波红外LWIR范围中的至少一个的光谱范围，其中，所述光学元件被布置使得所述SWIR范围的红外辐射、以及所述MWIR范围和所述LWIR范围中的至少一个的红外辐射通过所有所述光学元件。
14.如权利要求13所述的光学器件集，其被布置为当被并入红外光学系统时实现至少为2.75跑道视程RVR的雾穿透距离。
15.如权利要求13所述的光学器件集，其中，所述特定波长是1微米。
16.如权利要求13所述的光学器件集，其由氟化锂、硫化锌和三硒化二砷制成。
17.如权利要求13所述的光学器件集，其被配置为实现在包括1.0-2.3微米的范围内的检测。
18.如权利要求17所述的光学器件集，其还被配置为实现在包含3-5微米和8-12微米中的至少一个的范围内的检测。
19.一种增加红外光学系统的检测范围的方法，所述方法包括通过将所述红外光学系统的光学器件重新设计为光学元件的单一集，扩展所述红外光学系统的光谱范围以起始于比硅的透光率阈值更短的特定波长同时包括短波红外SWIR范围以及包括中波红外MWIR范围和长波红外LWIR范围中的至少一个，所述光学元件的单一集被布置使得所述SWIR范围的红外辐射、以及所述MWIR范围和所述LWIR范围中的至少一个的红外辐射均通过所有所述光学元件。
20.如权利要求19所述的方法，所述方法还被布置为增强所述红外光学系统的雾穿透能力以得到大于2.2跑道视程RVR的穿透距离。
21.如权利要求19所述的方法，其中，所述红外光学系统的所述光学器件被重新设计为包括下列中的至少一种：氟化钡、碘化铯、碲化镉、氟化钙、氟化锂、硫化锌、蓝宝石和硫属化物组合物。
22.如权利要求21所述的方法，还包括布置所述光学器件以得到至少为2.75跑道视程RVR的穿透距离。
23.如权利要求19所述的方法，其中，所述特定波长是1微米。
24.如权利要求19所述的方法，其中，氟化锂、硫化锌和三硒化二砷中的至少一种被用在所述光学器件中。
25.如权利要求19所述的方法，还包括用蓝宝石制成杜瓦的窗口和检测器的冷滤波器。
26.如权利要求19所述的方法，还包括在包含1.0-2.3微米的范围内进行检测。
27.如权利要求26所述的方法，还包括在包含3-5微米和8-12微米中的至少一个的范围内进行检测。
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