Livre blanc : Infrarouge à ondes courtes (SWIR) pour les applications de surveillance dans le secteur de la défense

SWIR technology has long been used across a wide range of applications due to its distinct features.

Included in these are civil applications (solar cell inspection, bottling plant inspection, fruit inspection, firefighting, etc.) and military applications (laser guiding systems, camouflage detection, surveillance, night vision, border monitoring, etc.).

The principal advantages of using SWIR technology in military applications are that SWIR cameras generally “see through” and produce higher-contrast images than visible-light cameras do through haze, mist, rain, fog, and challenging atmospheric conditions. This paper demonstrates visibility of 35 km through the thick haze of North Eastern Taiwan and explains the potential to see even further.

Cela est dû à la diffusion Rayleigh réduite dans l’atmosphère à des longueurs d’onde relativement plus longues :

A simple way to think about this is to imagine a sunset. As the sun lowers towards the horizon, less and less blue, green, and yellow light permeates the atmosphere, as they have wavelengths shorter than red. Red light, with a longer wavelength, is not scattered so easily (and infrared light even less so), so the sun appears red. Therefore, as the concentration of particles of water vapor in the atmosphere increases, shorter wavelengths are scattered more than longer wavelengths. This makes imaging in visible, UV, and X-ray very difficult or impossible in bad weather.

Deuxièmement, le SWIR peut être utilisé pour des applications de vision nocturne ; il faut cependant veiller à bien intégrer ces caméras avec les accessoires appropriés pour obtenir un impact optimal. Ce point est abordé plus loin dans cet article. Enfin, et c'est le plus important d'un point de vue militaire, le SWIR est invisible à l'œil nu, ce qui permet des opérations discrètes. Il constitue donc un choix judicieux pour le ciblage avec des désignateurs laser entre 1 060 nm et 1 550 nm. Ces désignateurs laser présentent également l'avantage d'être inoffensifs pour l'œil jusqu'à de très fortes puissances.

De bonnes opérations de surveillance reposent sur des équipements robustes, capables de résister à toutes les conditions environnementales. C'est pourquoi les services gouvernementaux et privés du monde entier se tournent vers la technologie SWIR pour la sécurité navale, aérienne et terrestre.

Les avions de chasse modernes sont équipés des dernières technologies furtives, rendant leur présence quasiment indétectable, même grâce à des systèmes de surveillance radar de pointe. Lorsqu'ils sont à leur vitesse maximale avant une attaque, puisqu'ils volent bien au-delà de la vitesse du son, le bruit du moteur d'un chasseur n'est perçu qu'après l'attaque.

For these reasons, optical technologies are being incorporated into an increasing number of anti-air systems. As an aircraft accelerates, the exhaust air temperature can exceed the minimum “visible” temperature detectable with SWIR imaging.

Les jets d'échappement apparaissent comme de larges points blancs contrastant avec l'extérieur hautement absorbant de l'avion. La visibilité de cette chaleur est encore améliorée la nuit, lorsque les jets contrastent avec le ciel nocturne noir. Autre avantage : le contraste élevé de l'image offre une cible facile à verrouiller pour le logiciel de suivi.

SWIR pour la surveillance terrestre et maritime à très longue portée

Identifying targets the size of fishing boats or cars at ranges over 35 km is critical in an era when threats can be found in isolated mountain ranges or far out at sea. These threats are further compounded by poor visibility in bad weather conditions. Even in good weather, coastal visibility with traditional optics is limited to around 13–16 km. In these conditions, however, long-range SWIR is only limited by the magnification power of the optics being used.

Lors d'un récent test sur le terrain réalisé dans le nord de Taïwan par Allied Scientific Pro, des bateaux jusqu'à 35 km étaient visibles, comme le montrent les figures 3.i) et 3.ii).

Another example of the tactical advantage of SWIR in long-range, bad-weather scenarios is shown in Figures 4.i) and 4.ii).

La qualité des informations provenant de cibles situées à moins de 20 km est également améliorée lorsque la technologie SWIR est utilisée. Les figures 5.i), 5.ii) et 5.iii) montrent comment des détails fins sur un minaret situé à moins de 5 km peuvent être exposés avec une caméra SWIR de seulement 0,4 mégapixel par rapport à une caméra CCD à lumière visible de 5,0 mégapixels.

Ces photos ont été prises à l’aide d’un télescope à ouverture de 6 pouces modifié et optimisé pour les applications SWIR.

L'eau absorbe bien la lumière SWIR. Cela signifie qu'elle apparaît noire lorsqu'on utilise une caméra SWIR. Cette propriété physique est directement utile pour détecter des objets maritimes ou autres objets en mer. Les figures 6.i) et 6.ii) montrent comment de nombreux bateaux peuvent être repérés et suivis rapidement et facilement sur de très vastes zones.

Les navires de guerre, petits et grands, peints pour se fondre dans l'environnement naturel, ainsi que les bateaux furtifs dotés de surfaces anti-RADAR, peuvent être détectés à plus de 20 km de distance, sous forme de larges points blancs sur fond noir, grâce à une simple optique SWIR. Les objets submersibles peu profonds sont également détectables. En mesurant la position d'un bateau par rapport à l'horizon, il est également possible d'estimer précisément sa portée et donc sa position GPS.

When choosing a SWIR camera, consider your environment, application, and budget. Is the application long-range surveillance or large-area surveillance? Will the camera be used mainly during the day or also at night? Will many cameras be used for an extensive area network or just one for a special scenario?

Restrictions légales :

SWIR technology from the USA is considered highly sensitive, and in most cases, ITAR restricts export to any other country. If you are outside the USA, we recommend ensuring your camera is manufactured outside the USA to avoid lengthy export license issues and other legal challenges. All ASP SWIR cameras are manufactured outside of the USA.

The resolution of a camera defines the level of detail obtained in an image. VGA resolution is equivalent to 1.3 megapixels. Most SWIR technology is available in only one of these two formats, and the price and performance can differ substantially. It is also important to note, however, that the level of detail over a particular field of view can be altered much more cost-effectively by careful selection of optics. Figures 7.i) and 7.ii) are two images of the same landscape taken in both ¼ VGA and full VGA formats.

Longueur d'onde de la lumière en fonction de la taille des pixels dans les caméras SWIR et LWIR

Pour un acheteur expérimenté de caméras thermiques (LWIR), il n'est pas rare de confondre la taille des pixels de la puce d'imagerie avec la longueur d'onde de la lumière qu'elle doit imager. Généralement, une caméra LWIR image une longueur d'onde comprise entre 8 et 12 µm, mais sa taille de pixel est d'environ 1 à 2 µm. Une caméra SWIR, quant à elle, image une longueur d'onde d'environ 0,9 à 1,6 µm et sa taille de pixel est d'environ 20 à 30 µm. À titre de référence, la longueur d'onde de la lumière visible est souvent notée 0,4 à 0,7 µm.

Vision nocturne

Many sources of information on SWIR technology offer conflicting opinions on the use of these cameras for low-light and night vision. Below (figure 8) is a typical image from an uncooled SWIR camera at night over a nearby streetscape:

Il existe trois manières principales d’améliorer le rapport signal/bruit pour une utilisation nocturne :

1) Utilisez une caméra SWIR refroidie thermoélectriquement au lieu d'une version refroidie par air

Each sensor brand has its own ability to handle low-light levels, and care must be taken to ensure you choose the right one. The selected cooling level must also be taken into account: the higher it is, the better the signal-to-noise ratio (i.e., image quality). Today, almost all SWIR camera manufacturers offer air-cooled or electronically cooled models, allowing them to be placed in remote locations without maintenance.

2) Collectez plus de lumière : augmentez l'exposition ou utilisez un objectif à plus grande ouverture

Il s'agit d'une méthode simple pour améliorer la qualité d'image de n'importe quelle caméra, SWIR ou autre. Plus la lumière est abondante, meilleur est le rapport signal/bruit. Par exemple, les figures 10.i) et 10.ii) montrent la même scène nocturne en extérieur avec des temps d'intégration différents. Les images suivantes ont été prises avec une caméra SWIR VGA de Photonic Science Ltd.

Another critical point here is that viewing a larger area (50 m) will give you a much better signal than viewing a smaller area (5 m).

3) Utiliser un accessoire, par exemple un illuminateur laser

Using a lighting accessory is by far the most effective way of making your SWIR system operate at night. There is a wide selection of light sources available that are invisible to the human eye and to standard night vision technology but are bright white to SWIR (as shown in figures 11.i through 11.iv). The bottom two images were taken using a Photonic Science Ltd. VGA SWIR Camera.

Allied Scientific Pro distributes cameras, telescopes, and lenses for SWIR, LWIR, and Visible camera solutions.