ARTRAY与Xenics、FLIR中波红外相机的参数对比、技术指标与应用

本文将对ARTRAY中波红外相机与其他品牌同类型产品进行对比分析，并深入探讨中波红外（Mid-Wave Infrared, MWIR）相机的具体应用领域。锑化铟（InSb）和碲镉汞（HgCdTe）红外相机均属于中波红外相机范畴，通常工作在 3-5 微米（μm）的光谱波段。这类相机具有穿透烟雾、雾霾的能力，并且对发动机、导弹尾焰等高温目标表现出极高的探测灵敏度，因此在多个领域得到了广泛关注和应用。所以在选择和评估InSb红外相机时，一系列关键的技术指标决定了高精度中红外相机的性能和应用适配性，所以通过本文了解参数技术指标对选型中红外相机有一定参考。

       中波红外相机的核心探测原理主要分为光子探测和热探测两类。中红外相机多属于光子型，其利用光电效应，入射光子激发电子跃迁，产生电信号。这类探测器通常采用碲镉汞（MCT） 或 锑化铟（InSb） 等材料。

中波红外技术的价值：

中波红外（MWIR）波段是地球大气层的一个重要“红外窗口”，在此波段内红外辐射的穿透率较高。与长波红外（LWIR）主要探测常温物体自身热辐射不同，InSb红外相机对几百摄氏度以上的高温物体热信号、以及物体表面反射的背景辐射尤为敏感。这一物理特性使其在探测和识别喷气式飞机、导弹尾焰、车辆发动机排气等高热特征目标方面具有无与伦比的优势。

此外，MWIR成像受大气中水汽散射的影响较小，相比可见光和长波红外，在潮湿、雾霾和烟尘环境中通常能提供更清晰、对比度更高的图像。这些独特的优势，使得MWIR相机成为实现全天候、远距离、高精度监视与目标识别的关键技术装备，其战略价值在和国家安全领域尤为突出。

图：中波红外相机典型应用

典型中波红外相机型号技术指标对比

ARTCAM-130MWIR：优势：提供了1280×1024的高分辨率入口，通常价格相较于FLIR等一线品牌更具竞争力。是进入高分辨率MWIR成像领域的一个性价比很高的选择。非常适合高校实验室、科研院所的教学演示、基础科研和常规的温度测量项目，是科研入门的良好工具。

Xenics Tigris-640-MCT：优势：其MCT探测器和优异的NETD（<25mK）使其在热灵敏度上表现突出。最大的亮点是其可扩展的光谱范围（可达1.5-6μm）和可选配的内置滤波轮，这使其成为气体成像（许多气体在特定中波波段有吸收峰）和多光谱研究的理想选择。117Hz的帧频也能满足大多数工业过程分析的需求。非常适合石油化工、天然气行业的泄漏检测，以及需要区分不同材料光谱特性的科学研究。

FLIR X8580-HS InSb：优势：其1280×1024的高分辨率结合181Hz的超高帧频，在捕捉高速热现象时能提供无与伦比的细节和清晰度。宽光谱范围（1.5-5.0μm）使其既能应对短波应用，也能覆盖标准中波应用。配备的高速接口（CoaXPress 2.1）和大容量内置SSD，专为海量数据的高速采集和存储而设计。主要面向预算充足的顶级科研和工业研发领域，如喷气发动机叶片热测试、激光武器效能评估、爆炸动力学研究等。

安防监控：中波红外相机的核心应用领域

ARTRAY技术推动了其在关键基础设施保护等高端安防领域的广泛部署。

典型应用场景解析：

       -军事侦察与目标识别：MWIR相机是机载、舰载和车载侦察平台的核心传感器 。其高分辨率和高灵敏度特性，能够让作战单位在远距离外清晰地识别和确认敌方目标，如坦克、飞机和军事人员。在无人机（UAV）平台上，紧凑型、低功耗的MWIR相机已成为执行情报、监视和侦察（ISR）任务的标准配置。

       -导弹制导与追踪：这是MWIR技术最经典且不可替代的应用之一。大量“热寻的”锑化铟红外相机导弹的导引头被设计用于探测3-5μm波段的红外信号，以精确追踪飞行器发动机或导弹尾焰产生的强烈红外特征。这类应用对相机的响应速度、帧率和在复杂对抗环境下的目标锁定能力提出了极致要求。

       -远程边境与周界安防：高精度中红外相机具备的远距离探测能力和优异的全天候工作性能，使其成为边境线、海岸线和重要军事基地等大规模周界安防的理想选择。系统通常集成在光电转台上，结合可见光相机和激光测距仪，实现24小时不间断的威胁探测与追踪。

       -搜索与救援（SAR）：ARTRAY中波红外相机在夜间或低能见度的灾难环境中（如火灾现场），锑化铟红外相机能够有效穿透烟雾，探测到被困人员的体温热信号，为搜救行动提供关键信息。其穿透火焰进行成像的能力在工业消防和应急救援中也至关重要。

关键技术指标与性能要求

       -分辨率与像元尺寸 (Resolution & Pixel Pitch)

高分辨率是实现远距离目标识别的基础。在2025年，主流的高性能MWIR相机焦平面阵列（FPA）分辨率已达到640×512像素和1280×1024像素等级。为了在不牺牲视场的情况下提升探测距离，业界正持续推动像元尺寸（Pixel Pitch）的缩小化，15μm甚至更小的像元尺寸已成为趋势，这有助于在同等芯片面积下集成更多像素，并减小光学系统的尺寸、重量和功耗（SWaP）。

       -探测器材料与技术 (Detector Materials & Technology)

       主流材料： 锑化铟（InSb）和碲镉汞（HgCdTe/MCT）是目前技术最成熟、应用最广泛的两种制冷型MWIR探测器材料。InSb探测器在中波波段具有极高的量子效率和优良的图像均匀性，而HgCdTe则可以通过调整材料组分灵活地响应从短波到长波的多个红外波段。

       新兴技术： 为了降低对深度制冷的需求，高工作温度（HOT）探测器技术是当前的研究热点。基于II类超晶格（T2SL）和XBn（如InAsSb/AlSb）结构的探测器，展示了在更高工作温度（如150K）下仍能保持低暗电流和高灵信噪比的潜力，这对于减轻制冷器负担、提升系统可靠性和降低SWaP至关重要。

       -制冷方式 (Cooling Methods)

     为抑制探测器自身的暗电流噪声、获得高信噪比，绝大多数高性能高精度中红外相机都需要制冷。旋转式斯特林（Stirling）制冷机是当前最主流的解决方案，它能将探测器冷却至液氮温区（约77K）。然而，制冷机是整个相机系统中体积、功耗、成本和故障率最高的部件之一。因此，HOT探测器技术的发展被视为推动MWIR相机小型化和轻量化的关键突破口。

       -热灵敏度 (NETD)

噪声等效温差（Noise Equivalent Temperature Difference, NETD）是衡量相机探测微弱温差能力的核心指标。对于需要识别远距离、低对比度目标的安防应用，NETD值要求极高。高端高精度中红外相机的NETD通常优于25毫开尔文（mK），甚至可以达到20mK以下。

       -帧率 (Frame Rate)

对于追踪高速移动目标（如导弹、战斗机）的应用，高帧率是必不可少的。标准视频帧率（30/60 Hz）适用于常规监控任务。而导弹追踪或武器系统瞄准等应用则需要数百赫兹（Hz）甚至更高的帧率来确保目标的平滑跟踪和弹道预测的准确性。

       -系统集成架构

       与安防用的MWIR相机通常不是一个独立的设备，而是高度集成化的光电系统的一部分。

       -硬件模块构成

       一个典型的中红外相机MWIR相机系统包含以下核心硬件模块：

-光学镜头总成： 采用锗（Ge）、硅（Si）、硫化锌（ZnS）等红外透过材料制成，具备变焦或定焦功能，并进行增透膜处理。

-探测器杜瓦组件（IDCA）： 将焦平面探测器芯片（FPA）封装在真空杜瓦瓶中，并与斯特林制冷机冷指集成，形成一个紧凑的制冷核心。

-读出与驱动电子学： 包括读出集成电路（ROIC）用于将光生电荷转化为电压信号，以及时序电路来驱动FPA工作。

-信号处理板： 通常基于FPGA（现场可编程门阵列）或DSP（数字信号处理器），负责原始数据的采集、非均匀性校正（NUC）、坏点替换、图像增强等算法处理。

-接口与电源模块： 提供视频输出（如Camera Link, HD-SDI）和通信控制接口（如以太网, RS-422），并为整个系统供电。

       -通信接口与标准化方案

为保证不同设备间的互操作性，InSb红外相机系统集成常采用标准化接口。Camera Link因其高带宽和低延迟特性，在需要高速图像传输的场合仍被广泛使用 。随着网络化的发展，支持GigE Vision等协议的以太网接口也日益普及，便于系统远程控制和数据分发。在系统控制层面，RS-485/422等串行总线常用于控制云台、镜头等外围设备 。目前市场上尚无统一的供应商提供完全标准化的“一站式”级解决方案，系统集成商通常会根据具体任务需求，选择不同供应商的模块进行定制化集成。

       -软件与算法平台

软件和算法是发挥MWIR相机性能的灵魂。除了基础的图像校正（如NUC是高性能成像的关键）和增强算法（如局部对比度增强）。

先进的系统还集成了更高级的功能：

-图像稳定： 电子稳像（EIS）算法用于补偿平台振动带来的图像模糊。

-智能图像处理： 智能色调映射算法可以根据场景内容自动优化图像的动态范围和对比度。

参考文献：

1.  A. Nasr. “Infrared Radiation Photodetectors.”

2.  Rikke Gade, T. Moeslund. “Thermal cameras and applications: a survey.” Machine Vision and Applications

3.  L. Pillans. “Performance evaluation of an uncooled infrared array camera..”

4.  Infrared Spectroscopy - Perspectives and Applications [Working Title].

5. 陈凯,孙德新,刘银年.应用于森林火灾监测的中波红外相机设计[J].红外技术,2016.