红外技术第十四次课

第十四次课第五章热成像系统5.1 概述热成像系统系指接收面辐射源发出的红外辐射，并将其转换成可见光图像的装置。

热成像技术的发展综合了红外探测器件、光学设计、扫描技术、信息处理等学科的进步成果。

可以说，热成像技术是当代红外技术最高水平的集中体现。

热成像系统的应用研究在整个红外应用研究方面目前几乎处于主导地位，它在军事、工业、地质勘探、环境保护、交通管理、医疗等方面获得了相当广泛的应用。

5.1.1 热成像系统的发展历史热成像作为红外技术的一个新领域，出现于本世纪20年代末，其开拓性的工作是M.Czerny等人在1929年的研究成果——蒸发式热象仪：当红外热图投射到涂有挥发性液体的簿膜上时，液体产生正比于吸收能量的挥发。

在日光照射下则可看到干涉条纹。

这种热象仪由于对比度、灵敏度及响应速度都很低，没有大的实用价值。

30年代初，出现了采用银－氧－铯光发射表面的红外变象管。

这种变象管在一端接收红外热图，在另一端显示可见光图像。

随后的10年间，经改进后的这种成像仪用作夜视镜及夜间瞄准具在美国普遍装备了部队。

与此同时，研制出一种磷光表面的红外显示器。

该装置是根据红外辐射投射到磷光表面时，该表面受激产生可见光的机理。

但此种装置灵敏度和分辨率较差。

这一时期的红外成像装置均是直接显示方式，在应用上受到限制。

40年代，热成像的研究出现了两种不同的途径；一种是发展具有分立探测器的光机扫描系统，另一种是发展诸如红外光导摄象管一类的非光机扫描成象器件。

1952年，美国陆军制成了第一台光机扫描的慢帧速热像仪，所成的象被记录在照象胶片上，属非实时装置。

50年代期间，随着快速时间响应探测器件(如Insb)的出现．实时快帧速热像仪应运而生。

相继研制出了几种实时的光机扫描热象仪。

60年代以后，是热成像技术飞速发展的时期。

据统计，1960年至1974年问，仅美国就研制出了50余种快速光机扫描热成像系统。

1970年前后，美国、前苏联及一些西方国家相继在若干种类的军用飞机上安装丁红外前视装置。

民用方面，热象仪已广泛地应用于医疗诊断、油、气管道监测、电力设备监视、金属、冶金工业测温等。

60年代中期，出现了用热释电材料代替摄像管中光电导靶面而制成的热释电摄像管。

随后，这种摄像管不断得到改进，使此类摄像仪的性能逐步提高，至今也已得到了较普遍的应用。

70年代中期以后，红外CCD成像器件的出现，对热成像技术产生了巨大的影响，导致了新一代小体积、高性能、低功耗、无光机扫描及电子束扫描的红外热成像系统的出现。

从技术和工艺上讲，红外成像系统经历了两个重要阶段：第一代红外成像系统。

研制工作始于七十年代初期，它采用点元红外探测器或线列红外探测器，利用光机扫描机构实现二维成像。

信号处理电路主要采用模拟信号处理技术。

其中最具代表性的产品是美国的通用组件红外成像系统和英国以SPRITE探测器为核心的红外成像系统。

第二代红外成像系统。

研制工作开始于八十年代中期，包括采用时间延迟积分技术（TDI）的4n扫描型红外成像系统和凝视型红外成像系统。

4n 扫描型红外成像系统的主流产品主要采用288×4和24.×4的探测器阵列。

凝视型红外成像系统，取消了光机扫描机构，整个系统的空间分辨率、灵敏度都大大提高。

探测器的材料从传统的锑化铟（InSb）、硅化铂（PtSi）和碲镉汞（HgCdTe）向III-V族元素发展；探测器阵列的大小从最初的64×64元向512×512元、1024×1024元甚至更高元素发展；信号处理电路采用了最新的数字信号和数字图像处理技术（如自动增益、非均匀性校正、直方图均衡等），信号处理的能力和容量成数量级的增长。

图像的显示不再局限于CRT，采用了多种平板显示技术。

5.1.2 热成像系统的构成与分类景物的热辐射经热像仪的光学系统在焦平面上形成热图，置于焦平面上的且具有空间扫描功能的红外探测器件将二维空间的热分布转变成一维时序电信号，再经过放大和视频信号处理后送至显示器，在同步信号参与下显示出景物的热图像。

热成像系统的基本构成如图5-1所示。

接收系统对景物的分解方式决定了热成像系统的类型，基本上可分为三种(不包括用于直接观察的红外变象管)，即光机扫描、电子束扫描及固体自扫描。

采用光机扫描方式的热像仪原理结构如图5-2所示。

单元探测器与物空间单元相对应。

当光学系统作方位偏转及俯仰偏转时，单元探测器所对应的物空间单元也在方位及俯仰方向上作相应移动。

光学系统偏转角的大小决定了热像仪的观察范围，即视场。

光机扫描方式的特点是探测器相对总视场只有较小的接收范围，而由光学部件作机械运动来实现对景物空间的分解。

采用电子束扫描方式的热像仪主要指热释电摄像仪，其原理结构如图5-3所示。

景物空间的整个观察区域同时成像在摄像管的靶面上，图像信号通过电子束检出。

只有电子束所触及的那一小单元区域才有信号输出。

摄像管的偏转线圈控制电子束沿靶面扫描，这样便能依次拾取整个观察区域的图像信号。

电子束扫描方式的特点是光敏靶面对整个视场内的景物辐射同时接收，而由电子束的偏转运动实现对景物图像的分解。

固体自扫描系统是通过面阵探测器实现的。

其原理结构如图5-4所示。

面阵探测器中的每个单元对应于景物空间的一个相应小区域，整个面阵探测器对应于所观察的景物空间。

通过采样换接技术，将面阵探测器各单元产生的信号依次送出。

固体自扫描方式的特点是面阵探测器对整个视场内的景物辐射同时接收，而通过对阵列中各单元器件的信号顺序采样来实现对景物图像的分解。

若面阵探测器采用CCD 器件，则采样换接是通过CCD 的信号移动方式实现的。

上述的分类方法不是绝对的，有的热成像系统是不同扫描方式的结合。

如线阵CCD 成象仪，是俯仰光机扫描与方位固体自扫描的结合：有的热释电热像仪采用将光学部件作机械运动(章动或旋转)对靶面进行调制。

从目的情况看，光机扫描热像仪和热释电摄像仪正在逐步退出舞台，CCD 热像仪在各类应用中已占绝对优势。

当然，红外CCD 制造还在不断地进步完善。

5.1.3 热成像系统的基本技术参数热成像系统的基本技术参数是：一、光学系统的通光口径0D 和焦距0f它们是决定热像仪性能和体积的关键参数。

二、瞬时视场角α、β在光机扫描及固体自扫描系统中，单元探测器尺寸为)(2m b a μ⨯，水平及俯仰方向的瞬时视场角α、β由a 、b 及光学系统焦距)(0mm f 决定。

)(0mrad f a =α （5-1） )(0mrad f b =β （5-2） βα⨯称作一个分辨单元。

α、β的大小反映了热像仪空间分辨率的高低。

三、观察视场角H W 、V W在光机扫描系统中，水平及俯仰方向的观察视场角H W 、V W 由光机扫描机构的偏转角及视场光阑决定(有些情况下也与0f 有关)。

对于电子束扫描和固体自扫描系统，H W 、V W 由摄像器件的总光敏面积与0f 决定。

四、帧时f T 和帧速∙F在上节中述及的三类热成像系统都是帧扫描系统，亦称成帧摄像方式。

完成一帧扫描所需的时间称为帧时)(s T f 。

单位时间完成的帧数称为帧速∙F (帧/s)。

有 )(1s F T f ∙=（5-3）五、扫描效率η 光机扫描机构对景物扫描时，实际扫过的空间角度范围通常比观察视场角H W 、V W 要大。

观察视场完成一次扫描所需的时间与扫描机构实际扫描一周所需的时间之比称为扫描效率η，即f fovT T =η （5-4）其中fov T 是对视场完成一次扫描所需的时间。

通常空间扫描是由水平扫描和俯仰扫描合成的，所以扫描效率也分为水平扫描效率H η和俯仰扫描效率V η，有V H ηηη= （5-5）六、滞留时间d τ对光机扫描系统而言，物空间一点扫过单元探测器所经历的时间称为滞留时间d τ。

探测器在观察视场中对应的分辨单元数为αβVH W W n = （5-6）由d τ的定义，有∙==F W W n T V H f d αβηητ （5-7） 热像仪的综合性能参数是在以上各基本技术参数的基础上作进一步的综合分析得出的。

5.2 光机扫描成像系统光机扫描器的作用是使光学系统所成的景物热像对探测器作相对移动，以便探测器能对景物热像进行顺序分解。

光机扫描器可分为两种类型：平行光束扫描器和会聚光束扫描器。

平行光束扫描器的原理如图5-5所示。

入射的平行光束经可摆动的平面镇反射后再进入光学聚焦系统。

这种扫描机构是直接对由物方来的光线进行扫描的，所以又称作物扫描方式。

会聚光束扫描器的原理如图5-6所示。

入射光束先经光学系统会聚，在会聚光路中插入摆动的平面反射镜，对会聚光束进行扫描。

这种扫描机构是对像方光线进行扫描的，所以又称作像扫描方式。

另有一种扫描机构称作伪物扫描方式，也属于平行光束扫描的类型，其原理结构如图5-7所示。

物方光线经望远镜压缩光束宽度后再由扫描机构扫描，然后经光学会聚部件聚焦成像。

5.2.1 光机扫描部件光机扫描机构中的扫描部件有下面几种：1) 摆动平面反射镜；2) 旋转多面反射镜；3) 旋转折射棱镜；4) 旋转光楔；5) 摆动透镜；6) 旋转V 型反射镜。

在光机扫描方式的热成像系统中，主要采用的是前面三种扫描部件。

本小节对这三扫描部件作一介绍。

对于扫描部件工作特性的讨论，主要考虑以下四个方面：1) 扫描部件转角γ与物方入射光束偏转角W 的关系；2) 扫描部件造成的象差；3) 扫描效率，4) 扫描部件尺寸。

一、摆动平面反射镜（一）平行光束扫描器（物扫描及伪物扫描）平面反射镜用作平行光束扫描是无像差的。

1、平面反射镜作为物扫描时，其入射光线即是物方光线，镜面转角γ与物方入射光线的偏转角W 的关系是γθ2==W2、当平面反射镜用作伪物扫时，镜面的入射光束就是望远镜的出射光束，若望远镜的角放大率为Γ，则 Γ=Γ=Γ=γθ2'W W3、扫描效率：为观察视场完成一次扫描所需的时间fov T 与扫描机构实际扫描一周所需的时间f T 之比。

方转角镜面扫描一周对应的物视场角＝物方扫描角速度物方扫描角速度⨯⨯==f fov f fovT T T T η 镜面摆动的角度应该根据所要求的视场角来设计，使空程尽可能小。

摆动平面镜通常只在正程使用，回程不用，所以平面反射镜的扫描效率一般小于50%，由于往复运动的惯性，存在过扫描，实际的扫描效率还要低。

有的系统将回程扫描速度加快以提高扫描效率，有的系统中将回程也用作扫描，但这需要在视频信号处理或显示方法上采取响应的措施，使正程与回程的图像协调一致。

摆动平面镜是作周期性往复运动，因为扫描机构有一定的惯性，所以扫描速度不能太大。

（二）、会聚光束扫描摆动平面镜常在会聚光束中作扫描器用。

1、物方转角W 与镜面转角γ的关系式为)(2cos 2sin rad b a b arctg W ⎥⎦⎤⎢⎣⎡+=γγ 当γ很小时，近似为)(2rad ba b W +=γ从上图可见，在镜面的基准位置M 时，从透镜中心到探测器的光程为b a +，当镜面摆动到'M 时，主光线向轴外偏移，相应光程为c 。