国外“灵巧”红外焦平面阵列发展简况

摘要 本文简要介绍国外“灵巧”红外焦平阵列发展的起因，结构特点，以及现在正在研制的几种“灵巧”红外焦平面阵列的情况。

关键词 红色外成像，导引头，焦平面阵列

在红外成像导引头中，为了提高图像的分辨率，就要不断地扩大成像采用的红外焦平面阵列(IRFPA)的探测元数目，但是同时带来的问题就是对数字成像处理系统的计算要求也越来越高。现在的成像处理器要求有复杂的输入/输出网络，这些网络既增加了费用，又不能满足大量数据处理的要求。当前的技术水平只能做到接近每秒钟10亿次运算，这就限制了传感器的分辨率和能够完成的数据处理量。为了完成自动目标识别，许多传感器系统要求在IRFPA之外有耗费功率的大规模的多处理器。由于数据带宽按阵列线性尺寸的平方增加，当阵列很大时，产生极其严重的输入/输出瓶颈问题。从自动目标识别所要求的处理器平均应该进行的运算次数，可以明显地看到瓶颈问题的严重性：对于256x256元IRFPA，平均应该进行2亿次/秒运算；对于512x512元，为6亿次/秒运算；对于1280x960元，为59万亿次/秒运算。

国外有些人对视网膜接收和处理光信息的机制进行了深入的研究，并且从视网膜这样的生物传感器的光信息处理系统的工作模式中受到很多启发。类似地可以在IRFPA的探测器单元中结合进行某些像元级处理。这种能够在探测器单元中附加进行某些像元级处理的IRFPA，在国外被称为“灵巧”(smart)IRFPA。“灵巧”IRFPA能减小传感器带宽和要处理的数据的吞吐量，是对于输入/输出瓶颈问题的解决办法。

研制“灵巧”IRFPA的关键是要发展在IRFPA上进行某些成像处理的技术，有了这种技术就能减小IRFPA外部处理电路的尺寸、复杂性和费用。如果能在IRFPA上对于空间时间卷积、噪声减小和成像压缩这样一些基本的成像处理功能进行并行处理，那么对于象目标探测、跟踪和特征识别这样的一些更复杂的成像处理工作就能够在更小的、不太复杂的外部成像处理器上更快、更可靠地进行。

美国Amber工程有限公司模仿人的视网膜研制的神经形态IBPPA(NIF)，是为美国未来先进的制导导引头提供所需要的“灵巧”IRFPA。NIF能执行高斯差分滤波功能，类似于视网膜外层的作用。这种功能要求在IRFPA上以导引头帧频进行含有高强度计算的空间和时间数据平滑处理而成像数据仍处于模拟量范畴。模拟操作不仅只有快速和低功耗的优点．而且还有极大的灵活性。NIF能与先进的神经类处理器很好配合NIF的出现开辟了研制成像IRFPA为基础的导引头系统的新的方向。

图1是Amber工程有限公司研制的由背照射InSb光伏二极管组成的64x64元NIF的示意图。从图中可见，NIF实际上是一个混合结构，InSb阵列和下面的CMOS集成电路通过In球键合在一起。CMOS集成电路是多路读出电路，并能起到阵列非均匀性修正等作用。图1中还给出了NIF每个探测器单元工作情况的方块图。

图2表示NIF探测器单元的光伏二极管和电路构成情况，并与视网膜情况进行了比较。从图2左边可以看到在NIF混合集成电路上，探测器单元的处理功能。InSb光伏二极管接收红外信号，经放大输出后送到多路转换器，并且还送到可转换的电容/电阻网络进行实时两维空间平均。图2右边是视网膜示意图，从左右两边对比可以看出NIF与视网膜在细致结构上的类似性。

图3表示出从NIF可以同时得到的4种形式的像。上左方是原始阵列输出的像：上右方是经空间平滑处理网络得到的像；下左方是从上左方的像减去上右方的像得到的像；下右方是上左方的像加上下左方的像得到的像。

美国加利福尼亚州Santa Barbare研究中心(SBRC)也在研制模仿视网膜的“灵巧”IRFPA。SBRC是以HgCdTe三层异质结结构为基础的双色探测器来构成“灵巧”IRFPA，它的每个探测器单元都是由一对背靠背的PN结构成，并且都能接收两个红外波段的信号。这两个波段可以是短波、中波、长波红外波段中的任何两个波段，只要在HgCdTe三层异质结制造过程中根据需要控制杂质的浓度就可以实现。SBRC研制的“灵巧”IRFPA具有双色探测能力，这就大大增强了它对目标的识别能力。同时，它还能在阵列上完成自动目标识别、非均匀性修正等计算性很强的预处理。

美国Martin Marietta公司在研制由双色多量子阱探测器构成的128x128元“灵巧”INFPA，它的每个探测器单元都是一个垂直集成的多量子阱双色光伏二极管，并且都能接收两个红外波段的信号。它采用太平洋技术公司提供的读出处理集成电路，能实现高斯差分等多项处理，是混合电路结构。

图1、Amber公司研制的64X64InSb“灵巧”IRFPA

图2、Amber公司的“灵巧”IRFPA单个像无情况以及视网膜结构

图3、使用Amber公司的“灵巧”IRFPA的系统能得到的4种像