红外成像系统

目录

一、概论 (1

1、热像仪构成 (1

2、热成像功能: (1

3、热成像技术的优点 (1

4、红外成像阵列与系统分类 (1

5、热成像技术的划代 (1

6、典型技术特点 (2

7、制冷红外成像阵列与系统的发展 (4

7、非制冷红外成像阵列与系统的发展 (4

8、红外成像探测器的发展趋势 (5

二、工作原理与结构 (5

1、串扫型热像仪 (6

2、并扫型热像仪 (7

3、串并扫型热像仪 (8

四、常见的光机扫描机构 (9

1、旋转反射镜鼓做二维扫描 (9

2、平行光路中旋转反射镜鼓与摆镜组合 (10

3、平行光路中反射镜鼓加会聚光路中摆镜 (10

4、折射棱镜与反射镜鼓组合 (11

5、会聚光路中两旋转折射棱镜组合 (12

6、两个摆动平面镜组合 (12

五、热成像系统基本技术参数 (12

1、光学系统的通光口径0D 和焦距0f (12

2、瞬时视场角α、β (12

3、观察视场角H W 、V W (13

4、帧时f T 和帧速∙

F (13

5、扫描效率η (13

6、滞留时间d τ (13

六、红外成像系统综合性能参数 (14

1、噪声等效温差NETD (14

2、最小可分辨温差MRTD (15

3、最小可探测温差MDTD (18

红外成像系统

一、概论

能够摄取景物红外辐射分布,并将其转换为人眼可见图像的装置,就是红外热成像系统(简称热像仪。

实现景物热成像的技术称为热成像技术。

1、热像仪构成

✓接收和汇聚景物红外辐射的红外光学组件;

✓既实现红外望远镜大视场与红外探测器小视场匹配,又按显示制式的要求进行信号编码的光学机械扫描器(当使用探测元数量足够多的红外焦平面探测器时,光学机械扫描器可以省去;

✓将热辐射信号变成电信号的红外探测器组件;

✓对电信号进行处理的电子学组件;

✓将电信号转变成可见光图像的显示器;

✓进行信号处理的算法和软件。

2、热成像功能:

✓将人眼的观察范围扩展到光谱红外区;

✓极大地提高人眼观察的灵敏度;

✓获得了客观世界与热运动相关的信息。

3、热成像技术的优点

✓环境适应性优于可见光,尤其是在夜间和恶劣天候下,具有较好的穿透烟雾和尘埃的能力;

✓隐蔽性好,比雷达和激光探测安全且保密性强,不易被干扰;

✓识别伪装目标的能力优于可见光,具有较强的反隐身能力;

✓具有较远的作用距离;

✓与雷达系统相比,体积小,重量轻,功耗低。

✓由于大气中的水分子对红外辐射的吸收比对雷达波的大,因此热成像技术还不能实现全天候工作。

4、红外成像阵列与系统分类

✓被动红外成像系统,主动红外成像系统;

✓扫描型红外成像系统,凝视型红外成像系统;

✓制冷型热像仪,非制冷型热像仪;

✓长波红外热像仪、中波红外热像仪、短波红外成像仪、双波段红外热像仪、多波段红外热像仪。

✓平台观瞄型热像仪、便携式热像仪、制导型热像仪、红外搜索跟踪系统、红外行扫仪。

5、热成像技术的划代

关于热成像系统的划代,有不同的说法:

●欧洲

第一代:探测元数少于200元的热成像系统;

第二代:探测器为扫描型FPA的热成像系统;

第三代:探测器为凝视型FPA的热成像系统。

●美国

第一代:探测元数少于200元的热成像系统;

第二代:探测器元数少于106的FPA热成像系统;

第三代:探测器元数大于106的FPA,多光谱FPA的热成像系统。

●不同代之间热像仪的典型性能

第一代:热灵敏度~100mK,空间分辨率~0.2mrad;

第二代:热灵敏度~50mK,空间分辨率~0.1mrad;

第三代热灵敏度~10mK,空间分辨率≤0.1mrad。

●特征比较

第一代的特征:HgCdTe体材料,多元线列或小面阵探测器,复杂的光机扫描机构,中、小规模集成电路构成的电子学,简单的信号处理,热图像的像素最多与黑白电视图像相当。

典型例子:美国以光导HgCdTe 60元、120元和180元探测器为核心的热像仪通用组件,英国以扫积型探测器为核心的热像仪通用组件。

第二代的特征:使用体材料或薄膜材料,长线列或可以达到与黑白电视图像像素相当的凝视型FPA,有一定信号处理功能的大规模集成的读出电路,简单的光机扫描机构或无扫描机构。第二代热成像系统具有大规模集成电路构成的电子学,复杂的信号处理,其热图像与黑白电视图像相当,在与第一代热像仪大致相同的条件下,作用距离和空间分辨率有明显的提高。

典型例子有采用法国长波HgCdTe288×4扫描型FPA的热像仪,采用美国InSb 512×512凝视型FPA的热像仪。

第三代的特征:先进薄膜材料,长线列或可达到与高清晰度电视图像像素相当的凝视型FPA,功能复杂的、超大规模集成的读出电路,简单的光机扫描机构或无扫描机构,大规模或超大规模集成电路构成的电子学,很复杂的信号处理,热图像的像质达到高清晰度电视图像的水平。在与第二代热像仪大致相同的条件下,作用距离和空间分辨率比第二代有明显的提高。

典型例子:美国InSb 1024×1024凝视型FPA。

第四代的特征:先进的多层薄膜材料,长线列或可以达到与高清晰度电视图像像素相当的多光谱面阵FPA,亚微米工艺集成的、信号处理功能强大的读出电路,简单的光机扫描机构或无扫描机构,超大规模集成电路构成的电子学,采用很复杂的信号处理和图像融合技术,可以得到多光谱,甚至全光谱的高清晰度的“彩色”热图像。在与第三代热像仪大致相同的条件下,作用距离、空间分辨率、信息量和数据处理能力比第三代热像仪有明显的提高。

6、典型技术特点

●美国

第一代热像仪通用组件和红外探测器的技术特点

1长波红外;

2光导HgCdTe多元线列探测器,分为

60 元——便携式、低成本应用,采用节流制冷器或斯特林制冷机

120元——车辆应用,采用分置式斯特林制冷机

180元——高性能应用,采用分置式斯特林制冷机

这三种规格的探测器的尺寸、中心距均相同,采用结构类似的杜瓦封装,偏置电路与杜瓦集成在一起;

3采用2:1隔行并扫模式;

4采用二次图像显示,即热图像先由发光二极管阵列显示,再用电视摄像机摄取发光二极管阵列显示

的热图像,在显示器上显示出来;