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*新的红外热成像系统的组成及工作原理

日期:2020-06-05 00:56
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摘要:*新的红外热成像系统的组成及工作原理 红外热成像技术是一种被动红外夜视技术,其原理是基于自然界中一切温度高于优良零度(-273℃)的物体,每时每刻都辐射出红外线,同时这种红外线辐射都载有物体的特征信息,这就为利用红外技术判别各种被测目标的温度高低和热分布场提供了客观的基础。利用这一特性,通过光电红外探测器将物体发热部位辐射的功率信号转换成电信号后,成像装置就可以一一对应地模拟出物体表面温度的空间分布,*后经系统处理,形成热图像视频信号,传至显示屏幕上,就得到与物体表面热分布相对应的热像图,...
*新的红外热成像系统的组成及工作原理

        红外热成像技术是一种被动红外夜视技术,其原理是基于自然界中一切温度高于优良零度(-273℃)的物体,每时每刻都辐射出红外线,同时这种红外线辐射都载有物体的特征信息,这就为利用红外技术判别各种被测目标的温度高低和热分布场提供了客观的基础。利用这一特性,通过光电红外探测器将物体发热部位辐射的功率信号转换成电信号后,成像装置就可以一一对应地模拟出物体表面温度的空间分布,*后经系统处理,形成热图像视频信号,传至显示屏幕上,就得到与物体表面热分布相对应的热像图,即红外热图像。由图1可见,非致冷焦平面红外热成像系统由光学系统、光谱滤波、红外探测器阵列、输入电路、读出电路、视频图像处理、视频信号形成、时序脉冲同步控制电路、监视器等组成。

        系统的工作原理是,由光学系统接受被测目标的红外辐射经光谱滤波将红外辐射能量分布图形反映到焦平面上的红外探测器阵列的各光敏元上,探测器将红外辐射能转换成电信号,由探测器偏置与前置放大的输入电路输出所需的放大信号,并注入到读出电路,以便进行多路传输。高密度、多功能的CMOS多路传输器的读出电路能够执行稠密的线阵和面阵红外焦平面阵列的信号积分、传输、处理和扫描输出,并进行A/D转换,以送入微机作视频图像处理。由于被测目标物体各部分的红外辐射的热像分布信号非常弱,缺少可见光图像那种层次和立体感,因而需进行一些图像亮度与对比度的控制、实际校正与伪彩色描绘等处理。经过处理的信号送入到视频信号形成部分进行D/A转换并形成标准的视频信号,*后通过电视屏或监视器显示被测目标的红外热像图。

      红外焦平面阵列的工作性能除了与探测器性能如量子效率、光谱响应、噪声谱、均匀性等有关外,还与探测器探测信号的输出性能有关,如输入电路中的电荷存储、均匀性、线性度、噪声谱、注入效率,读出电路中的电荷转移效率、电荷处理能力、串扰等。

      焦平面阵列结构有四种类型:单片式、准单片式、平面混合式和Z型混合式。单片式焦平面阵列是指在同一芯片上即含有探测器又含有信号处理电路的Si器件;准单片式焦平面阵列器件是将探测器和读出线路分别制备,然后把它们装在同一个衬底上,通过引线焊接将两部分连在一起;平面混合式采用铟柱将探测器阵列正面的每个探测器与多路传输器一对一地对准配接起来;Z型混合式则将许多集成电路芯片一个一个地层叠起来以形成一个三维的电路层叠结构。平面混合和Z型混合方法的优点是由于将多路传输器与探测器直接混合,因而具有很高的封装密度,较快的工作效率,并使总的设计得以简化。由于信号处理是在焦平面阵列中进行的,所以减少了器件的引线数目,光学孔径和频谱带宽也得以减小。

       读出电路的电荷处理能力直接控制焦平面的动态范围,它的电荷转移效率影响焦平面的非均匀性、数据率、串扰和噪声,这些都综合影响焦平面的空间、时间和辐射能量的极限分辨能力以及空间和时间频率传递特性。因此,读出电路的设计要求为: 高电荷容量、高转移效率、低噪声和低功率耗散 ; 其次考虑抗光晕控制和降低交叉串扰。

       据报道,GaAs可作为一种潜在的焦平面阵列读出技术,其原因是:GaAs的热膨胀系数与HgCdTe的匹配要比硅好得多,这样便有可能可靠地制备大型混合焦平面阵列; GaAs技术的辐射硬度比硅好得多 ;n型GaAs器件的施主能级比硅更接近导带边缘,这就使得GaAs器件在4K时更不受冻结效应的影响。

       目前达到实用水平的焦平面阵列探测器主要有碲镉汞、锑化铟、硅化铂和非制冷探测器4种。近几年推出的阵列式凝视成像的焦平面热像仪,属新一代的热成像装置,在性能上大大优于光机扫描式热像仪,定将逐步取代光机扫描式热像仪。其关键技术是探测器由单片集成电路组成,被测目标的整个视野都聚焦在上面,并且图像更加清晰,使用更加方便,仪器非常小巧轻便,同时具有自动调焦图像冻结,连续放大,点温、线温、等温和语音注释图像等功能,仪器采用PC卡,存储容量可高达500幅图像。

       总之,红外热像仪是通过非接触探测红外能量(热量),并将其转换为电信号,进而在显示器上生成热图像和温度值,并可以对温度值进行计算的一种检测设备。红外热像仪能够将探测到的热量精*量化,或测量,使您不仅能够观察热图像,还能够对发热的故障区域进行准确识别和严格分析。
四、红外热成像技术的优缺点

1、红外热成像技术的优点

①红外热成像技术是一种被动式的非接触的检测与识别,隐蔽性好

       由于红外热成像技术是一种对目标的被动式的非接触的检测与识别,因而隐蔽性好,不容易被发现,从而使红外热成像仪的操作者更安全、更有效。

②红外热成像技术不受电磁干扰,能远距离*确跟踪热目标,*确制导

       由于红外热成像技术利用的是热红外线,因而不受电磁干扰。采用先进热成像技术的红外搜索与跟踪系统,能远距离*确跟踪热目标,并可同时跟踪多个目标,使武器发挥*佳效能。红外热成像技术可*确制导,使制导武器具有较高的智能性和发射后不用管的能力,并可寻找*重要的目标予以摧毁,从而大幅度提高了*的命中精度,使其作战威力成几十倍地提高。

③红外热成像技术能真正做到24h全天候监控

       红外辐射是自然界中存在*为广泛的辐射,而大气、烟云等可吸收可见光和近红外线,但是对3~5μm和8~14μm的红外线却是透明的,这两个波段被称为红外线的“大气窗口”。因此,利用这两个窗口,可以在完全无光的夜晚,或是在雨、雪等烟云密布的恶劣环境,能够清晰地观察到所需监控的目标。正是由于这个特点,红外热成像技术能真正做到24h全天候监控。

④红外热成像技术的探测能力强,作用距离远

       利用红外热成像技术进行探测的能力强,可在敌方防卫武器*之外实施观察,其作用距离远。目前手持式及装于轻武器上的热成像仪可让使用者看清800m以上的人体 ;且瞄准射击的作用距离为2~3km; 在舰艇上观察水面可达10km ; 在1.5km高的直升机上可发现地面单兵的活动 ;在20km高的偵察机上可发现地面的人群和行驶的车辆,并可分析海水温度的变化而探测到水下潜艇等。

⑤红外热成像技术可采用多种显示方式,把人类的感官由五种增加到六种

       只有当物体的温度高达1000℃以上时,才能够发出可见光被人眼看见。而所有温度在优良零度(-273℃)以上的物体,都会不停地发出热红外线。如一个正常的人所发出的热红外线能量,大约为100W。这些都是人眼看不见的,但物体的热辐射能量的大小,直接和物体表面的温度相关。热辐射的这个特点使人们可以利用红外热成像技术对物体进行无接触温度测量和热状态分析,并可采用多种显示方式显示出来。如对视频信号进行假彩色处理,便可由不同颜色显示不同温度的热图像;若反视频信号进行模数转换处理,即可用数字显示物体各点的温度值等,从而看清人眼原来看不见的东西。所以可以说,红外热成像技术把人类的感官由五种增加到六种。

⑥红外热成像技术能直观地显示物体表面的温度场,不受强光影响,应用广泛

      红外测温仪只能显示物体表面某一小区域或某一点的温度值,而红外热成像仪则可以同时测量物体表面各点温度的高低,直观地显示物体表面的温度场,并以图像形式显示出来。由于红外热成像仪是探测目标物体的红外热辐射能量的大小,从而不像微光像增强仪那样处于强光环境中时会出现光晕或关闭,因此不受强光影响。

      红外热成像技术除主要应用军事方面外,还可广泛应用于工业、农业、医疗、消防、考古、交通、地质、公安侦察等民用领域。并且,还可将这种技术大量地应用到安防监控领域中,以方便实现智能安防监控。

2、红外热成像技术的缺点

①图像对比度低,分辨细节能力较差

       由于红外热成像仪靠温差成像,而一般目标温差都不大,因此红外热图像对比度低,使分辨细节能力变差。

②不能透过透明的障碍物看清目标,如窗户玻璃。

       由于红外热成像仪靠温差成像,而像窗户玻璃这种透明的障碍物,使红外热成像仪探测不到其后物体的温差,因而不能透过透明的障碍物看清目标。

③成本高、价格贵

       目前红外热成像仪的成本仍是限制它广泛使用的*大因素,随着科技的发展,关键技术的突破,并提高加工效率,今后的成本会大为降低的。

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