红外成像技术与应用

红外成像技术及应用

1.红外成像的意义和背景

白天，人眼能看到自然界中的景物，因为眼睛接收到景物表面反射太阳的直射光，或是散射光。夜晚，虽然没有太阳照明，但在多数夜间，仍有月光、星光或大气辉光存在，自然界中的景物表面仍然要反射这些微弱的光线，于是人眼还是能模糊地看到近处的景物的轮廓。在夜间观察遇到的最大难点是光强不足及对比度差，在夜视技术没出现之前或技术不发达时，单凭人眼是很难在夜间观察目标及环境的，因此，夜间也就成为非法活动如抢劫、恐怖活动。据统计,世界上47%的暴力犯罪案件发生在晚6点到早6点之间。原因很简单，在夜幕的笼罩下，罪犯分子易于隐蔽，易于接近受害者，犯罪场面也不容易被看见。夜间同样是军事活动的频繁发生时间，如夜间行军、劫营、伏击等，我军在抗战及解放战争期间就是以夜战出名。现代战争中，美国都是选择在夜间发动战争的，如伊拉克战争等，原因就是对方没有夜视技术，而美方装备有先进的夜视设备，进行一场不对等的战争。

2.国内外红外成像发展现状

目前在红外成像方面，美国处于绝对领先的地位，由美国Aeromet公司研制的红外侦察设备“全球鹰”高空侦察机，装有1个上下可旋转的微型CCD摄像机，能获得足以探测洞穴内人员活动的灵敏度和分辨率，可以向地面接收站传送实时图像。根据需要，采用不同的CCD器件，其光谱响应范围已从1~3μm的近红外区扩展到了3~5μm的中红外区和8~14μm的远红外区。其他国家的红外成像技术也非常先进，由以色列OPGAL公司生产的FLIR 红外CCD摄像机的光谱响应范围为8~12μm，探测距离为1.5km，识别距离为800m，非常适合无人机的低空甚至超低空夜间侦察。另外，它研制的TIRIS红外成像仪，覆盖了从可见光到远红外的光谱范围。随着红外器材价格不断降低，红外设备越来越多的在民用领域获得了应用。我国红外成像技术的研究工作起步比较晚，但是发展很快，其中以微视公司、敏通公司、华北光电技术研究所、武汉高德光电有限公司等比较著名。我国自行研制的红外敏感材料有CdTe(碲化镉)、GASIR(硫系锗)、Ge(锗)、ZnSe(硒化锌)等，其波长响应范围为3~5μm和8~14μm。如香港彼岸科仪有限公司研制的ThermaCAMTM，波长响应范围是7.5~13μm，它采用的是非制冷焦平面成像的方式，重量只有0.7kg。另外，我国研制的红外滤光片的性能较好，其中，国晶辉红外光学科技有限公司研制的ZnSCCD，透射波段为0.4~14μm，有效地解决了其它光线对红外成像器件的干扰。

3.红外成像技术的几个应用实例

（1）汽车红外夜视系统：通用(GM)公司在其生产的凯迪拉克帝威(DeVille)2000型轿车上采用了夜视技术，成为第一家采用这种安全技术的汽车制造商。红外成像系统是由雷希恩公司制造的。在汽车前格栅的后面安装有一个起摄影像机作用的传感器，实际上是用来探测前面物体热量的。热能被集中到一个可以通过各种红外线波长的探测器，由探测器的众多红外线敏感元件所吸收。每一个敏感元件都是一个与温度有关的电容器，其电容大小随所接收的红外线的多少而变化。这种电容的适合人的眼睛，还可以把屏幕上下调整到适合不同司机的最佳位置。该夜视系统可以使司机探测到前照灯照明范围以外的路况，增加了驾驶的安全性。但这种夜视设备属于红外热成像系统，这种成像技术的性质决定了司机看到的画面像是一张颗粒很多的黑白照片的底片，而且这底片是时刻在变化着。继GM率先在凯迪拉克帝威(DeVille)车上装置夜视系统(Night Vision)之后，全球第五大汽车制造商克莱斯勒(DAIMLERCHRYSLER)公司也开始开发一种以红外线为探测工具的主动性夜视系统，借此

系统驾驶者在夜间的视野将可由目前一般远光灯的130尺的距离拓展到500尺。目前，克莱斯勒已经将该夜视系统送往德国进行测试，初期将由大型车辆先行装配，未来将会搭载在奔驰及克莱斯勒品牌下的高级车型上。美国美洲虎公司也应用红外技术制成了供汽车司机在夜间行驶用的夜视系统。该系统中的红外传感器依靠感知记录物体间温度不同来区分它们。物体可以是汽车、人、动物、道路，甚至可以是远处的山和云团。它的成像系统非常敏感，可以区分前方物体间十分之一的摄氏度温差，在屏幕上显示出深暗不同的非常清晰的图像，这样就可以及早发现前方车辆，从而避免相撞；

（2）热红外人脸识别系统：人脸识别技术利用计算机对人脸图像进行分析,从中提取有效的识别信息,实现个人身份的鉴别到目前为止,人们研究的重点主要集中在可视图像人脸识别领域,已研究了大量的算法,在一定的条件下,达到较好的识别效果但在某些如光照条件变化、人脸表情或姿态变化、化妆、照片欺诈等条件下,可视图像人脸识别效果会变差近年来,热红外成像人脸识别技术逐渐受到人们重视热红外人脸图像是由人脸组织与结构如血管和血管分布等的红外辐射决定的,它们如同指纹一样与人的基因结构有关,具有唯一性,且不受光照条件等因素的影响而人脸皮肤的热辐射系数与周围景物的热辐射系数有明显区别,所以易与周围的景物区分开来因此,热红外成像人脸识别具有抗干扰性强、不受可见光源影响、防伪装、防欺诈等优点,在很大程度上弥补可视图像人脸识别技术的不足可视图像与热红外图像人脸识别技术的融合,将大大提高人脸识别技术的实用性；

（3）红外成像制导技术：红外成像制导系统所要探测的目标(飞机、导弹、坦克、车辆)其发射的热辐射效率大大高出天空背景的热辐射效率。因此,红外成像制导系统可以根据目标和背景之间不同的热辐射效率,利用红外探测器描绘出一幅如同电视图像一样清晰可见的温差图像,从而实现对目标的识别、捕捉、测定、跟踪。红外成像制导是通过红外导引头的摄像部件摄取被分成有限象素的两维图像,经过数字转换为数字图像,然后利用图形识别和图像处理技术进行背景抑制,目标图像增强、目标提取和识别特征工作,自动跟踪目标,同时制导导弹攻击目标。红外成像制导的导引头能对目标实现边搜索边跟踪。它的工作波段一般选择在中波3 一5脚和长波8 -1 2 脚的红外波段上。

4.红外光学成像系统

光学系统有很多种分类方法,按照系统是否采用反射镜可将系统分为:透射式系统，折反射式系统和全反射式系统。

（1）透射式系统：透射式系统只有在扩大光学视场，无中心遮拦和非球面使用上具有优势,在温度效应，气压变化效应，强辐射环境耐受力，消杂光特性等性能上均为

最差,尤其光学总长过长是透射式系统最致命的弱点,系统的冗长使得透射式系统

在很多使用环境都被抛弃"红外光学系统所用的透射材料的折射率比光学玻璃高

的多,常在2~4之间"从校正像差容易和无中心遮拦的角度看,选择透射光学系统似

乎较合适"但大口径红外透镜的材料十分昂贵,且不易置备;同时红外材料对温度较

敏感,如Ge的折射率温度系数约是Kg玻璃的140倍;Si的折射率温度系数约是Kg

玻璃的57倍"同时光学材料与结构材料的热效应也很难做到很好匹配,使得透射式

系统的热效应很差,也决定了透射式系统不能适用于工作温度范围宽的使用环境"

透射式系统受杂光影响严重,如采取消杂光筒进行杂光抑制,所需消杂光筒的长度

与体积非常大,消杂光效果也远比其它两种系统来的差"为了精简系统采用的镜片

数量,现在透射式系统中也会采用非球面,在保证成像质量的同时,使得系统结构简

化,重量降低"；

（2）有中间像的折反射式系统：折反射式光学系统在温度效应，气压变化效应!强辐射