红外凝视成像系统

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凝视型红外成像探测系统的作用距离分析与验证

计算机工程应用技术本栏目责任编辑：贾薇薇Computer Knowledge and Technology 电脑知识与技术第5卷第26期(2009年9月)凝视型红外成像探测系统的作用距离分析与验证申俊杰（广州军区75706部队40分队，广东广州510600）摘要：作用距离是红外成像探测系统的主要技术指标之一，根据实际计算时部分参数可能未知的情况，推导了NETD 表达的作用距离方程，并根据凝视型探测器的特点讨论了基于对比度的对高空目标作用距离的表达式，结合高空目标探测实验结果验证两种不同计算方法的有效性。

分析结果对进一步的成像探测系统的设计提供了理论依据。

关键词：等效噪声温差；焦平面阵列；作用距离；红外成像探测中图分类号：TP311文献标识码：A 文章编号：1009-3044(2009)26-7553-02Analysis and Validation of Operating Range of Staring IR Imaging Detecting SystemSHEN Jun-jie(Unite 40,Army 75706,Guangzhou Military Region,Guangzhou 510600,China)Abstract:Operating range is a core specification of an IR imaging detecting system.Since some parameters are unknown when calculating,deduce the operating range function with NETD.Then based on the characteristic of staring detector discuss the operating range for space targets based on contrast.Validate the validity of above two functions with experimental result.The analytical result provides the theoretical reference for design of imaging detecting system.Key words:NETD;FPA;Operating Range;IR Imaging Detecting System目标的极限作用距离是红外成像探测系统的一个综合性指标，也是评价、检验一个红外探测系统的主要指标。

用于红外凝视成像系统的光学微扫描器

ＤＯＩ１３８／：０．７８０ＭＥＩ２１２１０９００７１．０９
ＡｎＯｐｉａｃｏｃｎｆｒａｉｇＩｆａｅｍａｉｇＳｓｅｔｌｃＭｉｒｓａｏＳｔｒｎｒｒｄＩｇｎｙｔｍａｎ
ｔｅｍｅｈｄｏｏｉｉｇｓｆｒｉｈｃｍｐｎａｅｈｙｔｒｔｃｂｈｖｏｆｐｅｏｌｃｒｃａｔａｏｎｄｎｔｈｆｌｒｈｔｏｆｃｍｂｎｎｏｔｅｗｈｃｏｅｓｔｄｔｅｈｓｅｅｉｅａｉｒｏｉｚｅｅｔｉｃｕｔｒａｏｃｉｔｗａｅ
３ＹｎｉａｔｎＴｃｎｌｏＬｄＹｎｉ６０６Ｃｉ）．ａｔｙｏｅｈｏｇＣ．ｔ，ａｔ４０，ｈｎａＲｒｏｙ，ａ２ａ
Ａｂｔａｃ：Ｔｅｄｖｌｐｎｆｔｅｔｒｎｉｆａｅｍａｉｇｓｓｅｗａｉｔｄｂｈｏｓａｉａｅｏｕｉｎｓｒｔｈｅｅｏｍｅｔｏｈｓａｉｇｎｒｒｄｉｇｎｙｔｍｓｌｍｉｙｔｅｌｗｐｔｃｌｒｓｌｔｏ．Ｔｈｅｅｓａｉｌｒｓｌｔｏｆｔｅｉｇｎｙｔｍｏｌｅｉｒｖｄｂｈｐｉａｃｏｃｎｔｃｎｌｇｔｏｔｌｗｅｉｇｔｅｐｔａｅｏｕｉｎｏｈｍａｉｇｓｓｅｃｕｄｂｍｐｏｅｙｔｅｏｔｌｍｉｒｓａｅｈｏｏｙｗｉｕｏｒｎｈｃｈｔｅｍａｅｓｔｉｆｔｅｄｅｅｔｒｎｈｅｄｏｉｗｏｌｘａｅｉｌｎｏｓｙｈｒｌｓｎｉｉｔｏｈｔｃｏ，ａｄｔｅｆｌｆｖｅｃｕｄｂｅｅｐｎｄｄｓｍｕｔｅｕｌ．Ｔｈｒｆｒ，ａｍｉｒｓａｖｙｉａｅｅｏｅｃｏｃｎｂｓｄｏｏｅｉｚｅｅｔｉｃｕｔｒｗａｅｉｎｄｈｒｎｉｌｆｔｅｎｖｌｐｅｏｌｃｒｃａｔａｏｎｈｅｓａｎｒａｅｎｎｖｌｐｅｏｌｃｒｃａｔａｏｓｄｓｇｅ．Ｔｅｐｉｃｐｅｏｈｏｅｉｚｅｅｔｉｃｕｔｒａｄｔｃｎｅ

凝视红外成像末制导系统性能测试评估方法

关键词：外成像制导；气动光学；测试评估ห้องสมุดไป่ตู้ 红
中图分类号：Ｎ２Ｔ１文献标识码：Ａ文章编号：０７２７（０７０ — ５８０１０ — ２６２０）５０８ — ５
ＴｅｔｎｎｖｌａｉｎｔｃｎｌｇｆｓａｉｇＩｓｉｇａｄｅａｕｔｏｅｈｏｏｙｏｔｒｎＲｉａｉｇｇｉｉｙｔｍｍｇｎｕｄｎｇｓｓｅ
ＦｉｄｎＥＩＪｎ・ｏｇ，ＬＩＡＮＧＢｏ，ＷＥＩＹｕ・ｅｆｉ
（ｈｎｅａｔｎｆｔｅＳｃｎｃｄｍｙｈｎｅｏｐｃｃｅｃｎ／ｄｓｙＣｏｐｒｔｎＢｅｉｇ１０５，ｉａＴｅ２ｄＤｐｒｍｅｔｏｅｏｄＡａｅ，ＣｉａＡｒｓａｅＳｉｅａｄｎｕｔｒｏａｏ，ｉｎ０８４Ｃｈｎ）ｈｎｒｉｊ
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第３６卷第５期
Ｖｏ１６．Ｎｏ．３５
红外与激光工程
ＩｆａｅｎｓｒｇｎｅｉｇｎｒｒｄａｄＬａｅＥｎｉｅｒｎ
２００７年１月０
Ｏｃｔｏ０．２７
分析与测试方法和气动光学效应下的末制导探测系统性能测试评估方法，通过风洞试验、学仿真和并数
实验室性能测试试验进行红外成像末制导系统各项性能的测试，而全面评估红外成像末制导系统在高从速导弹中的应用性能，开展凝视红外成像末制导系统的设计和优化提供了重要依据和指导。为

红外成像系统简介

红外图像的目标检测及跟踪

②局部阈值法：设f (i,j)周围的3×3方阵中灰度值为E=∑ ∑ f (i,j)，经过3x3的高通滤波后，该点灰度值变为，则：
ˆ (i, j) E 0 ˆ (i, j) f f f (i, j) ˆ (i, j) E 0 f 0 (0 1) (2.5)
红外成像系统简介

海湾战争充分显示了红外技术特别是热成像技术在军事上的作用和威力。海湾战争从开始、作战到获胜都是在夜间，夜视装备应用的普遍性乃是这次战争的最大特点之一。在战斗中投入的夜视装备之多，性能之好，是历次战争所不能比拟的。美军每辆坦克，每个重要武器直到反坦克导弹都配有夜视瞄准具，仅美军第二十四机械化步兵师就装备了上千套夜视仪。多国部队除了地面部队，海军陆战队广泛装备了夜视装置外，美国的F117隐形战斗轰炸机、阿帕奇直升机、F15E战斗机、英国的旋风GRI对地攻击机等都装有先进的热成像夜视装备。正因为多国部队在夜视和光电装备方面的优势，所以在整个战争期间他们掌握了绝对的主动权。多国部队利用飞机发射的红外制导导弹在海湾战争中发挥了极大的威力，他们仅在10天内就摧毁伊军坦克650辆、装甲车500辆。
(2.8)
所以若令:
μ 0 (l) l
l 1 L l
Pi P0 (l) Pi
(2.9) (2.10)
μ1 (l)
l l1
l P (l)
1
红外图像的目标检测及跟踪

则它们分别是集合和集合的灰度均值，于是有：
μ P0 (l)μ0 (l) P1 (l)μ1 (l)
红外图像的目标检测及跟踪

此方法的关键是值的确定，提出了一种自适应确定方法，即=|均值一标准方差| /标准方差。通过将高通滤波后的目标与它周围的背景作自适应门限比较可以很好地分割出点目标，这样既可以解决由单纯的自适应门限造成的预选点过多，又可解决单纯的高通滤波，当目标出现在强噪声下分割不出来的弊病。

红外成像系统简介

THANKS FOR WATCH时监测
实时红外成像技术能够实现快速的目标物监测，及时发现异常情况，提高预警和响应速度。
动态跟踪
实时红外成像技术能够实现动态跟踪，对移动目标进行连续监测，提高跟踪精度和实时性。
促进智能化应用
实时红外成像技术能够与人工智能等技术相结合，实现智能化应用，提高红外成像系统的应用价值。
性能指标
电源效率、稳定性、可靠性等。
03 红外成像系统的特点
穿透烟雾和灰尘的能力
01
由于红外线波长较长，能够较好地穿透烟雾和灰尘，因此在火灾、烟雾等场景中，红外成像系统能够清晰地观测到目标。
02
在工业领域，红外成像系统也常用于检测设备运行时的温度异常，穿透工厂内的烟尘和气体。
夜间或低光环境下的观测能力
红外成像系统简介
目录
• 红外成像系统概述 • 红外成像系统的组成 • 红外成像系统的特点 • 红外成像系统的优势与限制 • 红外成像系统的未来发展
01 红外成像系统概述
红外成像系统的定义
红外成像系统是一种能够接收并处理红外辐射的设备，通过将红外辐射转换为可见光图像，实现对目标物体的非接触式检测和识别。
红外成像系统不受光照条件限制，能够在夜间或低光环境下正常工作，观测目标。
在军事侦察、野生动物研究等领域，红外成像系统是不可或缺的工具，能够在黑暗中捕捉到目标的热辐射。
对温度变化的敏感性
红外成像系统通过测量目标发射的红外辐射来感知温度变化，因此对温度变化非常敏感。
在医疗领域，红外成像系统可用于检测人体病变部位的温度异常，如乳腺肿瘤等。
工作原理
基于热电效应或光电效应，将红外辐射转换为电信号。
性能指标

红外凝视成像系统中的光学微扫描技术

红外凝视成像系统中的光学微扫描技术
吴新社，毅蔡
（昆明物理研究所，云南昆明６０２）５２３摘要：要介绍了国内外微扫描技术研究情况，简讨论了用于凝视焦平面探测器的微扫描技术原理和分类，按伺服电机驱动和压电陶瓷驱动两种形式，分析了微扫描技术的原理、构和信号读出方式，后总结了微扫描技术的优结最
引言
随着凝视型红外焦平面探测器的发展，扫描微技术的重要性逐渐显现．通过微扫描技术，以在不可
寸，些因素共同作用使得探测器的制造成本居高这
不下．其次，红外成像系统工作在波长较长的红外波
段（～１１，１２￣ｍ）在光学系统的ｆ＃确定的情况下，／数波长越长衍射光斑越大，从这一点来看，即使探测器制造水平很高也不可能做出分辨力很高的探测器，因为探测器设计的首先要保证热灵敏度（测距探离）然后才考虑分辨力．３探测器结构决定了它，第，
颈．辨力高低主要受探测器制造成本和光学衍射分极限的限制，还与红外焦平面探测器的器件结构有关．先，首目前虽然可以做出大规模的红外焦平面探测器，但是成本很高，价比低，因是制备大尺寸性原均匀性好的红外晶体材料很困难，以满足使用要难求，测器制作工艺水平还不完美，探与之相连的采用平面工艺制造的读出电路的性能也受制于平面尺

红外凝视成像导引头随动系统误差分析

张盈华．中南万
（北京华北光学仪器有限公司，北京１０５）０００摘要：了分析红外图像末制导导弹的落点精度。为需要对红外成像导引头的输出误差进行估算。
分析了红外凝视成像导引头伺服稳像平台的控制回路，以该回路为依据，分考虑系统中误差产生并充的外因和内因，讨论了存在于导引头输出量中的弹体扰动误差和成像误差，以及部件漂移误差和测速坐标系误差，导了各误差项的表达形式，推最后基于以上分析，就如何有效控制导引头误差，高其精提
输出的视线角速度与实际的弹目连线角速度的偏差。
采用大规模红外成像阵列的红外凝视成像导引头，摆
脱了复杂的光机扫描机构。使光学成像导引头的优势
度。出了有针对性的方法和关键点。提
关键词：红外凝视成像导引头；误差；随动系统；稳像平台中图分类号：Ｊ６Ｔ７５文献标识码：Ａ文章编号：０７２７（０６０ — ０５０１０ — ２６２０）１０２ — ６
ａｄｔｎ，ｂｓｄｎｈｅｎａｙｉｂｖｈｅｐａｔｃｌｄｉｏｉａｅｏｔａｌｓｓａｏｅ，ｔｒｃｉａｍｅｏａｅｒｐｓｄｎｒｅｔｆｅｔｅｙｏｔｏｈｔｄｓｒｐｏｏｅｉｏｄｒｏｅｆｃｉｌｃｎｒｌｖ

凝视红外成像末制导系统应用研究

结合高速导弹末制导系统要求和所处的工作环境，分析了红外成像末制导在高速导弹上应用的系统
技术问题。最后，出了应用数学仿真、实物仿真和外场试验等进行红外成像末制导系统性能评估提半
的方法。
关键词：确制导；红外成像；高速导弹；气动光学精
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第３５卷第３期
ＶＯ．５Ｎｏ３１．３
红外与激光工程
Ｉ￣ａｅｎａｅＥｎｉｅｒｇｎｒｄａｄＬｓｒｇｎｅｉｎ
２００６年６月
Ｊｎ２ｏｕ．０６
凝视红外成像末制导系统应用研究
ｉｏｉａｏｔｐ￣ａｏｅｕｒｍｅｔａｄｗｏｋｎｎｉｎｎｏｇｅｏｉｓｌｒｎｎｃｍｂｎｔｎｗｉｌａｐｃｔｎｒｑｉｉｌｉｅｎｓｎｒｉｇｅｖｒｍｅｔｆｒｈｈｖｌｔｍｓｅｔｍｉａｏｉｃｙｉｉｅｌ
随着战术弹道导弹（Ｂ技术的扩展和军用空ＴＭ）
末制导及其应用技术提出了新的要求。在国外，一新
代防空导弹，美国海军标准一、ＨＤ【和美以联如３ＴＡＡ１］合研制的箭一（ｒｗ２２Ａｒ一）防空导弹均采用了红外成ｏ
ＫｙｗｒｓＰｅｉｕａｃ；Ｉｆｒｄｉ￣ｇｅｏｄ：ｒｃｅｇｉｎｅｎｒｅｓｄａｍａ；Ｈｇｅｃｓｉ；Ａｒｐｃｉｖｌｉｍｓｅｅｏｏｔｓｈｏｔｉｌｙｉ

海空背景凝视红外成像系统作用距离研究

引言
舰载红外成像探测系统通过探测目标与背景的热辐射图像探测识别目标，有智能化高、动隐具被
成像探测系统时，理论计算值与实际测量值之间有较大误差．本文在分析传统系统作用距离模型的基
础上，特别的提出对于凝视成像探测系统除了目标与背景的对比度外，图像空间噪声更是制约探测距离的重要因素，此基础上分析了图像空间噪声来在
源，出了适用于目前凝视红外成像探测系统的新提
蔽、抗干扰能力强、跟踪精度高等优点，相对于雷达
探测，红外成像系统在对于远距离舰船目标、低空超飞行器及掠海攻击导弹的检测方面更具有其独特的优势，已成为目前各国竞相研究的重点．对于红外成像探测系统来说，作用距离是一项关键的战术技术指标．自从红外探测系统问世起，国
（ＴａｆａｉａＵｉｒｔｏｅｅｅｅｈｏｇＣａｇｈ１０３ｈｎ）ＡＲＬｂｏｔｎｌｎｖｓｙｆｆｅＴｃｎｌｙ，ｈｎｓａ０７，ＣｉａＮｏｅｉＤｎｏ４
ＡｂｔａｔＦｒｔｅｏｅａｉｇｒｎｅｃｃｌｔｎｏｔｒｎＲｉｇｎｙｔｍ，ｔｄｔｎｐｒｔｇｒｎｅｍｏｅａａｙｅｓｒｃ：ｏｈｐｒｔａｇａｕａｉｆｓｉｇＩｍａｉｇｓｓｅｎｌｏａｒｉｏａｏｅａｉａｇｄｌｗｓａｌｚｄａｉｌｎｎａｄａｎｗｍｏｅａｒｐｓｄｂｅｎｔｅｔｒｅｍａｅＳＳｅｅｔｎｃｔｒｏ．ＴｅｃｎｒｔｆｔｒｅｄｂｃｇｏｎｎｅｄｌｓｐｏｏｅａｄｏｈｇｔＷｓａｉｇ ’ ＮＲｄｔｃｉｒｅｎｏｉｉｈｏｔａｇｔｓｏａｎａａｋｒｕｄａｄｔｅＩｉｇＳｃｕｔｒｃａａｔｒｗｒｏｓｄｒｄｉｈｓｍｏｅ，ａｄｔｅｃｃｌｔｇｆｒｌｆｔｅｏｒｔｇｒｇｅｎｈＲｍａｅ’ ｌｔｈｒｃｅｅｅｃｎｉｅｅｎｔｉｅｄｌｎｈａｕａｉｏｍｕａｏｐａｉａｅｒ－ｌｎｈｅｎｎｓｉｔｄｂｈｏｌｘｂｃｇｏｎｓｅｖｄｈｅｅｐｒｍｅｔｒｓｌｏｈｈｐｂｒｅｓｒｎＲｍａｉｇｓｓｅｓｏｓｔｅｅｙｔｅｃｍｐｅａｋｒｕｄＷａｄｒｅ．Ｔｘｅｒｉｉｎｅｕｔｆｔｅｓｉ — ｏｎｔｉｇＩｉｇｎｙｔｍｈｗａｔａｈｅｄｌａｅｍｏｅａｃｒｔｌｏｃｃｌｔｈｐｒｔｇｒｎｅｏＲｍａｇｓｓｅｉｏｌｘｂｃｇｏｎ．ｈｔｔｅｎｗｍｏｅｎｂｒｃｕａｅｙｔａｕａｅｔｅｏｅａｉａｇｆＩｉｎｙｔｍｎｃｍｐｅａｋｒｕｄｃｌｎＫｅｒｓｓａｎＲｍａｉｇｓｓｅ；ｏｅａｉｇｒｎｅ；Ｓｙｗｏｄ：ｔｒｇＩｉｇｎｙｔｍｉｐｒｔａｇｎＮＲ；ｂｃｇｏｎｌｔｒａｋｒｕｄｃｕｔｅ

红外凝视系统中的微扫描技术研究

ｓｌｈｗｔｅｔｃｎｑｅｏｃｏｓａｎｎａｆｃｉｅｙｒｄｃｅｓｅｔｍｌｓｎｆｃｎｕｔｓｏｈｉｕｆｍｉｒｃｎｉｇｃｎｅｆｔｌｅｕｅｔｐｃｕａｉｉｇｅｆｔａｄｓｈｅｅｖｈｒａｅ
Ｒｅｅｒｈｏｉｒ－ｃｎｎｇＴｅｈｎｑｎＩｆａｅＳｔｉｙｔｍｓｓａｃｎＭｃｏ— ｓａｎｉｃｉｕｅｉｎｒｒｄａｒｎｇＳｓｅ
ＱＵＹａｌｇＬｏｇ－ｕＺＮＧｉｇｎ— ｉ，ＵＹｎｊｎ，ＨＡｎＰｎ，ＷＡＮＧｉｍｅ，ＡＮＳｏＬ — ｉＧＵｈｕ—ｈａｕ
红外凝视系统中的微扫描技术研究
曲艳玲，永军，芦张萍，丽梅，寿华王关
（大连民族学院物理与材料工程学院，宁大连１６０）辽１６５
摘要：细介绍了微扫描的原理，详在对微扫描成像性能的评价过程中引入了像素传递函数的概念，给并
且像元减小会带来灵敏度的降低和信噪比的减
它可以穿透浓烟、雾、夜、浓黑伪装等识别一定的
目标，且可以提供２而４ｈ全天候的服务。由于红
外成像系统本身的特点，在战略预警、术报它战警、察、瞄、航、导、感、象、学、侦观导制遥气医搜救、林防火、森冶金和科学研究等军事和民用的许

凝视型红外成像系统中冷像的仿真分析

（．ｈｎｃｕｎｔｕｅｏｔｓＦｎｅｈｎｃｎｈｓｓＣｉｅｅＡｃｄｍｙｏｃｎｅ，ｈｇｈｎ１０３，ｈｎ１ＣａｇｈｎＩｓｔｔｆＯｐｉ，ｉｅＭｃａｉｓａｄＰｙｉ，ｈｎｓａｅｆＳｉｃｓＣａｃｕ３０３Ｃｉａｉｃｃｅｎ

Ｓｍｕａｉｎａｌｓｓｏｈｒｉｓｓｉｈｔｒｎｇｉｌｔｏｎａｙｉｆｔｅｎａｃｓｕｎｔｅｓａｉ
ｉｆａｅｍａｉｇｓｓｅｎｒｒｄｉｇｎｙｔｍ
ＬＩＺｈ — ｉｎ，ＭＡｎｍｅＵｉｘａｇＤｏｇ— ｉ，ＨＵｉｇ— ｅｇ。Ｍｎｐｎ，ＭＡｉ， ’ Ｌｅ。
ａｔｒｔｅａｉｒｔｎｃｄｔｏｓａｅｈｎｅ．Ｔｈｒｆｒ，ｎｃｓｕａａ３ｉｉｅｙｍｐｒａｔｆｒｄｓｇｆｆｅｃｌａｏｏｎｉｎｃａｇｄｈｂｉｉｒｅｅｏｅｒａｉｓｓｎｌｒｓｓｖｒｉｏｔｎｏｅｉｎｏｓ
２ＧｒｄａｅＳｈｏｆＣｈｎｓＡｃｄｍｙｏｃｎｅ，ｅｉｇ１０３，ｉａ．ａｕｔｃｏｌｉｅｅａｅｆＳｉｃｓＢｉｎ００９Ｃｈｎ）ｏｅｊＡｂｓｒｃ：Ｉｔｓａｉｇｉｆａｅｉａｉｇｓｓｅ，ｎｒｉｓｓｅｆｃｓｃｎｂｒｍｏｅｂｔｅｔａｔｎｈｅｔｒｎｎｒｒｄｍｇｎｙｔｍａｃｓｕｆｅｔａｅｅｖｄｙｈ

红外成像系统的原理

红外成像系统的原理
红外成像系统的原理基于红外辐射的特性。

红外辐射是指电磁波的一种，其波长范围在0.75至1000微米之间，即处于可见光和微波之间。

红外成像系统主要包含红外相机和红外探测器。

红外探测器是系统的核心部件，可以将红外辐射转化为电信号。

其基本原理可分为两种类型：
1. 热辐射探测原理：根据物体的温度差异发出的红外辐射信号来实现成像。

探测器采用热电偶、热敏电阻等物理元件，当红外辐射通过探测器时，探测器的温度会发生变化，进而产生电压或电阻变化，最终转化为电信号。

2. 光学探测原理：利用特定的红外感光材料对红外辐射进行感应和转换。

当红外辐射通过探测器时，探测器材料内的电子会受到激发，从基态跃迁到激发态，形成电荷粒子的分布差异，进而产生电流或电压变化，最终转化为电信号。

红外成像系统通过获取物体在红外波段的辐射信息，经过信号处理和图像处理后，能够显示出物体的显热分布和温度分布，从而实现红外图像的成像。

这种成像技术在安防监控、医学诊断、夜视设备、火灾监测等领域具有广泛的应用。

红外凝视成像系统中的光学微扫描技术

第26卷第1期2007年2月红外与毫米波学报J.I nfrared M illi m .W avesVol .26,No .1February,2007文章编号:1001-9014(2007)01-0010-005收稿日期:2006203230,修回日期:2006211230 Rece i ved da te:2006203230,rev ised da te:2006211230基金项目:国家973课题(5131305)作者简介:吴新社(19662),男,湖南邵阳人,高级工程师,主要从事红外光电器件研发.红外凝视成像系统中的光学微扫描技术吴新社,　蔡　毅(昆明物理研究所,云南昆明　650223)摘要:简要介绍了国内外微扫描技术研究情况,讨论了用于凝视焦平面探测器的微扫描技术原理和分类,按伺服电机驱动和压电陶瓷驱动两种形式,分析了微扫描技术的原理、结构和信号读出方式,最后总结了微扫描技术的优点.关　键　词:光学微扫描;红外成像;凝视;红外焦平面探测器中图分类号:T N 文献标识码:ATECHNI QUES OF OPTI CAL M I CR OSCAN I N STARI NGI NFRARE D I M AGI NG S YSTE MWU Xin 2She,　CA I Yi(Kun m ing I nstitute of Physics,Kun m ing 650223,China )Abstract:The m icr oscan techniques studies both domestic and overseas were intr oduced briefly and the p rinci p les and cat 2egories of m ircoscan techniques used for I R staring i m aging were discussed .According t o different actuating ele ments,such as servo mot ors and ferr oelectric ceram ics,the p rinci p les,structues and signal read 2out of m icr oscan were described in de 2tail .Finally,the merits of m icr oscan were su mmarized .Key words:op tical m icr oscan;infrared i m aging;staring;I RFP A引言随着凝视型红外焦平面探测器的发展,微扫描技术的重要性逐渐显现.通过微扫描技术,可以在不降低探测器热灵敏度的前提下提高成像系统的空间分辨力.微扫描技术是一种微位移技术,原理是在规定的方向上使景物图像相对于探测器表面移动规定距离,为探测器采样提供位置微小变化的图像.在红外成像系统设计中,空间分辨力不足限制了整机的探测距离进而成为制约红外成像系统发展的技术瓶颈.分辨力高低主要受探测器制造成本和光学衍射极限的限制,还与红外焦平面探测器的器件结构有关.首先,目前虽然可以做出大规模的红外焦平面探测器,但是成本很高,性价比低,原因是制备大尺寸均匀性好的红外晶体材料很困难,难以满足使用要求,探测器制作工艺水平还不完美,与之相连的采用平面工艺制造的读出电路的性能也受制于平面尺寸,这些因素共同作用使得探测器的制造成本居高不下.其次,红外成像系统工作在波长较长的红外波段(1～12μm ),在光学系统的f/#数确定的情况下,波长越长衍射光斑越大,从这一点来看,即使探测器制造水平很高也不可能做出分辨力很高的探测器,因为探测器设计的首先要保证热灵敏度(探测距离),然后才考虑分辨力.第3,探测器结构决定了它的填充因子小于100%,有的甚至低于50%,也就是说探测器光敏面上存在盲区,不能探测到视场内的所有信息,人为抖动或随机振动也不能可靠地消除这一缺陷.第4,微扫描器件的开发成本远低于高分辨力探测器的制造成本,也就说后者的性能与价格比不高.第5,工作过程中凝视型红外焦平面探测器尤其是光伏型器件多数时间处于等待状态,只有少数时间处于积分状态,器件潜能没有充分发挥出来.通过微扫描技术可以在不增加红外焦平面探测器探测元总数的情况下提高红外成像系统的分辨力,扩1期吴新社等:红外凝视成像系统中的光学微扫描技术大热成像系统的作用距离,消除探测器因填充因子小带来的探测盲区,同时还具有一定的稳像功能,这就是为什么国际上一些著名红外技术公司争相开发微扫描技术的原因.1　光学微扫描技术原理Nyquist 定律表明,探测器的采样频率只有大于场景最高空间频率的一倍时,所生成的图像才能完全反映场景信息.微扫描就是使场景相对于探测器做微小或规定运动,为探测器采样提供微小变化的辐射信号.微扫描在不影响探测器热灵敏度、探测元总数、光学系统结构和过多增加制造成本的前提下提高采样频率或扩大视场,并最终扩大瞬时视场(I F OV ).微扫描技术具体应用有两种,一种是视场不变提高空间分辨力,另一种是空间分辨力不变扩大视场.由于篇幅有限,文章主要讨论提高空间分辨力的微扫描技术.图1　提高空间分辨率的微扫描技术原理Fig .1　Princi p le of m icr oscanning technique t o i m p r ove res olu 2ti on提高空间分辨力的微扫描原理如图1所示,图中以2×2微扫描为例,微扫描得到4幅子图像,通过信号处理电路将4幅子图像合成在一起,这样空间分辨力就提高到原来图像的4倍,视场保持不变.需要特别说明的是,微扫描模式(子图像数)要根据探测器的最高工作频率而定,两者的参数需要匹配.一般情况下,光子探测器尤其是光伏型的探测器的工作频率较高,热探测器的工作频率要低一些.频率越低,微扫描时能够得到的子图像数就越少.1.1　微扫描形式分类同普通扫描成像技术类似,微扫描形式多种多样.按扩大瞬时视场(I F OV )的方式不同,可分为提高空间分辨力的微扫描和扩大视场的微扫描.按所用驱动元件的不同,可分为电机驱动的微扫描、压电陶瓷驱动的微扫描、电场或超声波驱动的微扫描.按微扫描的模式不同可分为1×2,2×2,3×3,4×4,2×3,3×4等等.按微扫描过程的不同可分为连续微扫描和不连续微扫描两种.按光学元件与光的作用方式不同可分为反射式微扫描和折射式微扫描两种.1.2　国内外研究情况微扫描的理论研究始于上世纪70年代,器件开发始于90年代.西方国家在非制冷探测器开发过程中,为了将探测元间距大空间分辨力低的焦平面探测器用于空间分辨力较好的整机产品上而研发微扫描技术.经过长期研究,目前已经形成了以压电陶瓷驱动和电机驱动的两大产品系列(含英国、日本、加拿大、美国和韩国研制出的实验室产品),部分已经成功用于在空中或地面武器平台上,生产单位有美国的F L I R Syste m s 、Raytheon 、TI,英国的BAE Sys 2tem s 和法国的Thales .F L I R Syste m s 公司的所有COTS AN /AAQ 222系列吊舱系统都采用了微扫描技术;Thales 公司推出的V I P I R 近程武器热瞄准具(2005年4月1日),以及改进型MT 2DNGS 昼夜射击和观察瞄准具(2005年8月1日)采用了这种技术,并计划为荷兰皇家陆军的184辆CV9035Mk III 步兵战车提供UT AAS 火控系统,首批交货定于2006年5月1日.BAE Syste m s 公司以Merlin 系列非制冷红外焦平面探测器为核心的部分热像仪也采用微扫描技术.2006年上半年,加拿大的I N O 报道了8～12u m 和300～900nm 双波段直径100mm 的圆柱形枪瞄产品,该产品用160×120的非制冷探测器,通过2×2微扫描模式得到320×240像素的图像.韩国S AMS UNG 2THALES 公司生产的一款中波热像仪采用两个压电陶瓷元件分别驱动用于折转光路的两块平面镜摆动实现微扫描成像,微扫描模式为2×2,图像分辨力由原来的320×240提高到640×480.国内目前还没有开发出实用的微扫描器件,从报道的情况来看,理论研究、实验模拟方面的文章比较多,实用产品处于空白状态.2　提高空间分辨力的微扫描技术提高空间分辨力的微扫描主要针对填充因子小于100%的凝视型红外焦平面探测器,微扫描时子图像的最大位移小于探测元间距.将空间位置微小变化的子图像合成,就得到分辨力提高的完整图像,相当于用探测元间距缩小的探测器生成的图像.实现微扫描的形式多种多样,按驱动方式的不同,大致可以分成以电机驱动和压电陶瓷驱动两类.11红外与毫米波学报26卷图2　旋转多面体微扫描示意图Fig .2　Princi p le of m icr oscanning technique by r otating multi 2facets dru m2.1　电机驱动方式在压电陶瓷技术不成熟的情况下,电机驱动方式是最容易实现的一种方式.这种微扫描的原理是利用电机带动光学元件旋转、改变其光学面的法向矢量从而使反射或透射图像产生微小移动,达到微扫描目的.按使用光学元件的不同,电机驱动又可分为镜面反射和平板或透镜光学元件透射两种.图3　平板透射微扫描结构简图Fig .3　Princi p le of m icr oscanning technique by refractive p late2.1.1　镜面反射镜面反射最常用的情况是电机驱动多面体旋转,如图2所示,每个面上每点的法向矢量(自由曲面)与光轴的夹角不一样,每个反射面形成的微扫描图像(子图像)也不一样,通过控制这个法向矢量来确定子图像位移大小和方向.在微扫描精度要求很高的情况下,这种微扫描方式的设计和制作难度很大,因而它的应用受到限制.2.1.2　平板透射平板透射微扫描原理如图3所示,大圆为旋转圆盘,四个小圆为平板透射元件,平板光学元件入射面的法向矢量与光轴有一定夹角,光线穿过平板时由于折射作用,出射光线会在入射面内沿平板倾斜的方向移动距离Δd ,Δd 的大小由探测元间距和微扫描模式决定.如果将几个这样的光学元件放在同一个圆盘上,每个元件的与光轴的夹角大小相等方向不同,通过旋转就可以得到空间位置略微不同的子图像.图4　陶瓷驱动平面镜微扫描原理示意图Fig .4　Princi p le of m icr oscanning technique with m irr or actua 2ted by PZT这种微扫描方式可以将斩波与微扫描有机结合为一体,结构紧凑,特别适合于非制冷热释电凝视焦平面探测器.探测器的几何尺寸较大时改为阿基米德螺旋线,信号读出采用逐行读出方式.其突出特点是可以解决因高性能压电陶瓷技术不足而带来的技术难题,微扫描过程连续,工作效率高,不足之处是微扫描精度有限,设计复杂,工艺难度较大.2.2　陶瓷驱动方式陶瓷驱动方式是指利用压电陶瓷的电致伸缩特性驱动光学元件运动,通过改变光学元件的空间位置改变由它们所生成的图像的空间位置,从而得到微扫描图像.2.2.1　平面反射镜如图4所示,两个驱动元件分别安装在可以使平面镜绕两个正交轴旋转的驱动位置,控制压电陶瓷的伸缩就可以改变平面反射镜的反射角度,从而改变反射光束的位置,得到不同位置的子图像.为说明问题,图中所示有点夸张,实际上每一幅相邻子图像的位移距离为1/2个探测间距.这种微扫描过程为平面镜先运动到某幅子图像位置,然后保持在这个位置,等到信号读出时再转向下一个子图像位置,循环往复直到程序停止.从上面的描述来看,这种微扫描过程是不连续的,微扫描时不运动,运动时不微扫描.它的优点是微扫描位置精度比较高,凝视成像,可以生成多种模式的微扫描,不足之处是存在“像旋”.2.2.2　平板透射元件平板透射元件微扫描方式的结构与上面介绍的平面反射镜微扫描方式类似,也是通过压电陶瓷驱动平板透射元件运动改变元件的法向矢量得到微扫描图像的.如图5所示,平板透射光学元件由两个压电陶瓷驱动分别绕两个正交轴旋转,透射元件的偏转角度由陶瓷的驱动行程决定,即两个驱动元件共211期吴新社等:红外凝视成像系统中的光学微扫描技术图5　陶瓷驱动平板透射元件微扫描原理示意图Fig .5　Princi p le of m icr oscanning technique with refrac 2tive p late ele ment actuated by PZT同决定了元件的法向矢量,不同的法向矢量得到不同的子图像.特点与上面基本一样.2.2.3　成像透镜成像透镜微扫描是指利用压电陶瓷作为驱动元件,驱动成像透镜在垂直于光轴的平面内运动得到微扫描图像.如图6所示,成像系统的单个透镜元件置于支承架内,在两个正交方向上分别设置压电陶瓷元件,用来驱动和支承透镜,两个元件共同运动使成像透镜按预定模式运动,从一个位置沿直线运动到另一个位置,一个元件伸长另一个元件相应地也要伸长.它可以做常用的2×2,3×3,4×4微扫描,也可做2×3,3×4微扫描.图6a 是硬件结构示意图,图6b 是2×2微扫描模式示意图.这种微扫描方式的特点是选择模式多,可控性能好,微扫描精度高.不足之处对压电陶瓷的驱动能力,响应速度和定位精度要求较高.2.3　电机驱动与压电陶瓷驱动的微扫描器件性能比较(如表1所示)表1　电机驱动与压电陶瓷驱动的微扫描器性能比较表Table 1　Co m parable sheet of m i croscann i n g perfor mancebetween m i croscanners m oti va ted by m otors and p i ezoelectr i c ceram i cs驱动方式扫描精度扫描过程成像形式体积功耗电机驱动低连续扫描大低陶瓷驱动高不连续凝视小高3　微扫描过程中的同步信号微扫描生成的子图像要通过后面的信号处理电路才能合成为分辨力提高的图像,因此需要同步信号来统一“动作”.同步信号是指控制微扫描状态和红外焦平面探测器信号读出时序的控制信号.凝视型探测器通常选用逐行读出方式和整帧读出(Snap2图6　成像透镜微扫描原理Fig .6Princi p le of m icr oscanning technique by lens ele mentshot )方式,在微扫描状态下,对于扫描成像的微扫描,探测器的信号读出应选择逐行读出方式,而对于凝视成像的微扫描则应选择整帧读出方式.在上面介绍的几种微扫描形式中,只有电机驱动平板透射元件的微扫描方式是扫描成像,其余都是凝视成像.图7　扫描成像时的同步信号Fig .7　Synchr onous signal in scanning i m age3.1　扫描成像时微扫描的同步设计从上面的分析可知,这种情况下探测器只能选择边积分边读出的方式.微扫描圆盘做匀速圆周运动,如果将窗口形状设计成阿基米德螺旋线,可使微扫描器近似均匀地逐行扫过,也就是说探测器是被逐行曝光的.又由于微扫描窗口大小一致,可以认为每一行的曝光时间是相等的.因此探测器的同步信号起始点应当在第一行曝光结束点位置,在这个位置设置一个信号发生点就可以了,具体做法如图7所示,仍以2×2微扫描为例,在圆盘上边缘距每个微扫描窗口结束边相应位置打上一个通孔,在这个孔的正下方安装一对光耦合器(不动),当圆盘旋转时其上的通孔也一起旋转,通孔与光耦合器正对时光耦合器上发光二极管发出的光不能反射回去,光敏元件输出一个信号,这个信号启动探测器进行信号读出.圆盘转过这个位置后又有光信号反射回去,光耦合器复位.探测器在完成整个一帧图像的读出后复位,等待下一个读出信号的到来,如此反复进行.这种同步方式结构简单,容易实现,相位与微扫描窗口的空间位置一一对应.3.2　凝视成像时微扫描的同步设计旋转自由曲面多面体的同步信号设计与上面介31红外与毫米波学报26卷绍的扫描成像时微扫描同步设计类似,在此不再赘述.压电陶瓷驱动下的微扫描同步信号设计比较简单,方法是由同一个信号源去同时控制压电陶瓷运动和探测器信号读出.以2×2微扫描为例,共分4个步骤,其控制过程为(积分1)→(微扫描元件运动1的同时探测器信号读出1)→(积分2)→(微扫描元件运动2的同时探测器信号读出2)→(积分3)→(微扫描元件运动3的同时探测器信号读出3)→(积分4)→(微扫描元件运动4的同时探测器信号读出4),然后重复上述过程.由于微扫描元件的运动只有“动”和“不动”两种状态,因此可以将“运动”状态表示为1,“不动”状态表示为0,两个方向的压电陶瓷的表示方法都一样,那么我们可以将整个微扫描控制过程用一个类似于数字电子技术中的真值表来表示,如表2所示.需要说明的是,虽然微扫描器和探测器同时收到信号源发出的控制信号,但动作并不是同时发生,微扫描动作是立即执行,但探测器的信号读出要经过延时电路的延时处理,过早读出是错误的.延时长度由探测器积分时间决定.表2　凝视成像时微扫描的状态控制表Table2　St a te con trol sheet of m i croscan w ith st ar i n g i m a2g i n g微扫描步骤水平方向垂直方向信号读出状态①001②011③101④1114　结论随着红外焦平面探测器技术的发展,微扫描技术越来越受到人们的重视.微扫描技术建立在普通的扫描成像技术和凝视型红外焦平面探测器技术之上,扫描原理和结构没有多大改变,但扫描幅度更小,扫描精度更高,扫描形式更多.微扫描技术可以弥补红外焦平面探测器填充因子小于100%的固有缺陷,充分利用它的等待时间进行微扫描成像,长远来看,微扫描技术是红外技术领域竞争的又一项重要技术.REFERENCES[1]Joseph C Gillette,ThomasM Stadt m iller.A liasing reducti onin staring infrared i m agers utilizing subp ixel techniques[J], O pt.Eng.1995,34:3130—3137.[2]Cabanski W,B reiter R,Mauk K2H,et al.M iniaturizedhigh perf or mance starring ther mal i m aging syste m[J], P roc.SPIE,2000,4028:208—219.[3]Jean Fortin,Paul Chevrette.Realizati on of a fastm icr oscan2ning device for infrared focal p lane arrays[J],Proc.SPIE, 1996,2743:185—196.[4]Ed ward A W ats on,Robert A Muse,Fred P B l ommel.A liasing and blurring in m icr oscanned i m agery[J],Proc.SPIE,1992,1689:242—250.[5]John Lester M iller,John W ilste.Benefits of m icr oscan f orstaring infrared i m agers[J].Proc.SPIE,2004,5407: 127—138.[6]Berger on A,Jer om inek H.Dual2band dual field2of2vie wT VW S p 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凝视红外成像系统温度变化对其性能的影响

第37卷，增刊红外与激光工程2008年6月V ol.37SupplementInfrared and Laser EngineeringJun.2008收稿日期：2008-06-24作者简介：杨俊彦（3），男，山西忻州人，硕士生，主要从事红外系统设计、非均匀性校正技术研究。

yjy @凝视红外成像系统温度变化对其性能的影响杨俊彦，沈飞（上海航天局第803研究所，上海200233）摘要：在过去的凝视红外成像系统设计中，很少考虑成像系统自身组成部分的背景热辐射对其性能的影响，然而这些热辐射在某些成像系统中却是一个不可忽略的重要因素，尤其是采用非制冷探测器的成像系统。

因为在大多数实际的应用中，成像系统的温度是不可能保持不变的。

通过建立系统热辐射对其影响的模型，分析了系统自身组成部分温度变化对其性能的影响，表明了温度变化对系统性能有很大影响，同时提出了一种解决思路。

关键词：凝视系统；温度变化；非制冷探测器中图分类号：TN215文献标识码：A文章编号：1007-2276(2008)增(红外)-0487-03Influence on the per formance of star ing infrared imaging systemdue to its temper ature var iationY ANG Jun-yan,SHEN Fei（No.803Research Institute of Shanghai Academy of Spaceflight Technology,Shanghai 200233,China ）Abstr act:The background thermal radiation from internal parts of the staring infrared imaging system was usually not considered in designs of the system,however,these therm al radiations are an important parameter that can not be ignored in some imaging systems,especially in the system used the uncooled-detector,because the system temperature is not constant in most practical applications.A model about the background therm al radiation is established,and the influence on the performance of the system due to temperature variation is analyzed,then a prelim inary scheme to solve the problem is put forward.Key wor ds:Staring system;Temperature variation;Uncooled-detector0引言随着科技的进步，凝视红外成像系统在民用和国防领域得到了越来越广泛的重视，在电力、消防、冶金、化工、建筑、汽车、电子、军工等诸多行业都显示出了很强的应用价值，如医用热像仪、美国的THAAD 导弹、SBIRS 等都采用了凝视红外成像系统。

红外凝视成像系统

5.2 红外凝视成像技术的发展
1800年，William Herschel为了寻找观察太阳时保护眼睛的方法，在研究太阳光谱各部分的热效应时，发现了后来被称为红外线的电磁波，揭示了人眼看不见的热辐射。他让太阳光穿过一个分光棱镜，用温度计证明了远离可见红色光波段的一种辐射，这种红外辐射遵循与可见光波段一样的物理学定律，从此以后，人类开拓了观察、认识自然界的崭新领域---红外技术。红外技术主要研究物体红外辐射的产生、传输、探测、识别及其广泛的应用。
红外成像技术的实质：是一种波长转换技术，即把红外辐射图像转换为可视图像的技术。热成像技术的有点：它利用景物自身各部分辐射的差异获得图像的细节，通常采用3~5um和8~14um两个波段，这是由大气透红外性质和目标自身辐射所决定的。克服了主动红外夜视需要依靠人工辐射，并由此产生容易自我暴露的缺点，又克服了被动微光夜视完全依赖于环境自然光和无光不能成像的缺点。红外热成像的特点：具有透过烟雾、尘、雾、雪，以及识别伪装的能力，不受战场上强光、眩光干扰而致盲，可以尽享远距离。全天候观察你。因此它特别适合于军事应用。
1830年，Nobili发明了第一个热敏元件，1833年他做出了第一个温差电池，能够把红外辐射转换成电信号。 1880年，有人做成了第一个热敏电阻式辐射热测量计。
1870~1920年，量子探测器广泛应用
20世纪20年代，蒸气成像技术曾用于早期的热像仪。在军事应用方面，1930年德国的Gudden、Gorlich和Kutscher研制成功了硫化铅（PbS）量子探测器，其另觅案范围从1.5~3um波段扩展到其他工作波段。在第二次世界大战中，采用了锑化铟（InSb）量子探测器（灵敏范围3~5um波段）。军事上的应用推动了红外探测器的进一步发展。20世纪50年代中期，第一批装备用红外寻的头的自动寻向导弹投入使用。 1954年，出现了以温差电池为基础的红外摄像机和以热敏电阻式辐射热测量计为基础的红外摄像机。

凝视红外成像原理

凝视红外成像原理我对红外成像原理那可是充满了好奇，就像一个孩子对神秘的魔法世界充满向往一样。

咱先来说说啥是红外线吧。

红外线啊，它就像一个隐藏在光的大家庭里的神秘成员。

你看啊，我们平常能看到的光，红橙黄绿青蓝紫，这是可见光。

但红外线呢，它就在红光的外面，我们的眼睛看不到它，就好像它在跟我们玩捉迷藏，藏在一个我们看不见的角落。

可你别小瞧它，虽然我们看不到，但是它的作用可大着呢！我有个朋友叫小李，他就和我聊过红外成像在军事上的应用。

他眼睛放光地说：“你知道吗？在战场上，那可是红外线的大舞台。

”士兵们利用红外成像设备，就像戴上了一副特殊的眼镜，能够在黑暗中发现敌人。

那些敌人啊，在红外成像里就像一个个发光的小火苗，怎么躲都躲不掉。

为啥呢？这就得讲讲红外成像的原理了。

所有的物体，不管是热乎乎的人体，还是冷冰冰的石头，它们都会发出红外线。

这就好比每个人都在默默地散发着一种独特的气息，只是我们平常感觉不到。

物体的温度越高，发出的红外线就越强。

就像一个烧得通红的火炉，它散发的热量和红外线那是相当的多。

红外成像设备呢，就像是一个超级灵敏的“红外线捕手”。

它里面有个探测器，这个探测器可厉害啦。

它能感知到红外线的存在，然后把红外线转换成电信号。

这就像把一种神秘的语言翻译成我们能理解的信号一样神奇。

我当时就跟小李说：“这探测器就像一个翻译官啊，把红外线的语言变成我们能读懂的电信号的语言。

”小李笑着点头。

接着啊，这些电信号经过一系列复杂的处理。

这过程就像是精心烹饪一道复杂的菜肴。

先是对电信号进行放大，就像把小小的声音放大成响亮的呼喊一样。

然后呢，再把这些处理后的电信号转换成图像。

这时候就出现奇迹啦，原本我们眼睛看不到的红外线分布情况，就变成了一幅清晰的图像。

你说神不神奇？这就好比把无形的风变成了有形的图案一样让人惊叹。

在生活中啊，红外成像也到处都有它的影子。

有一次我去看消防员救火，我就看到他们拿着一种设备，我就问旁边的消防员大哥：“大哥，这是啥设备啊？”大哥很自豪地说：“这是红外热成像仪，能透过浓烟看到火源呢。