第三章基于紅外線象的制導(dǎo)系統(tǒng)

1、第三章 基于紅外線象的制導(dǎo)系統(tǒng) §1 引言 紅外線象又稱熱成象。熱成象系統(tǒng)攝取目標(biāo)和物景發(fā)射出的紅外輻射，并將其轉(zhuǎn)換成圖象。早在四十年代就已開(kāi)始了熱成象的研究工作，但直到1952年才制成第一臺(tái)熱象記錄儀。隨著探測(cè)器性能不斷改進(jìn)創(chuàng)新，掃描技術(shù)CCD軟件、光學(xué)設(shè)計(jì)、信息處理技術(shù)等方面不斷發(fā)展，尤其是近一些年來(lái)微處理機(jī)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用飛速躍進(jìn)，使熱成象系統(tǒng)的應(yīng)用研究十分廣闊。熱象儀的應(yīng)用研究工作在整個(gè)紅外應(yīng)用研究方面目前幾乎處于主導(dǎo)地位，它在工業(yè)、地資勘探、環(huán)境保護(hù)、交通管理、醫(yī)療、公安、軍事等方面獲得了廣泛的應(yīng)用。 紅外成象在攝像機(jī)上的應(yīng)用一、熱象儀的組成 熱象儀景物經(jīng)熱象儀的光學(xué)系統(tǒng)成象在接

2、受面上。熱象儀能顯示出景物熱圖的關(guān)鍵是要先將景物按一定規(guī)律進(jìn)行分割，即將所觀察的整個(gè)景物空間按水平及垂直兩方向分割成若干個(gè)小的空間單元，接受系統(tǒng)依次掃過(guò)各空間單元并將各空間單元的信號(hào)再組合而成為整個(gè)景物空間的圖象。熱象儀的組成如圖31所示。 探測(cè)器在某一瞬時(shí)實(shí)際上只接受一個(gè)景物空間單元的信息。掃描機(jī)構(gòu)依次使接受系統(tǒng)對(duì)景物空間進(jìn)行二維掃描，于是接受系統(tǒng)將按時(shí)間先后依次接受到二維空間的各景物單元的信息。這個(gè)信息經(jīng)放大處理后成為一維時(shí)序視頻信號(hào)。接受系統(tǒng)將景物的視頻信號(hào)送到顯示器。這個(gè)一維時(shí)序視頻信號(hào)與由同步機(jī)構(gòu)送來(lái)的同步信號(hào)合成后顯示出完整的景物圖象。對(duì)景物空間的分割有三種方式，即光機(jī)掃描、電子束

3、掃描和固體自掃描。 圖3-1采用光機(jī)掃描方式的熱象儀原理結(jié)構(gòu)如圖32所示。單元探測(cè)器與物空間單元相對(duì)應(yīng)，當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)作方位偏轉(zhuǎn)及俯仰偏轉(zhuǎn)時(shí)，單元探測(cè)器所對(duì)應(yīng)的物空間單元也在方位方向上及俯仰方向作相應(yīng)移動(dòng)，光學(xué)系統(tǒng)偏轉(zhuǎn)角的大小決定了掃描的空間范圍(即觀察的空間范圍)。這 種使光學(xué)系統(tǒng)偏轉(zhuǎn)而探測(cè)器僅有很少接受范圍的掃描方式稱為光機(jī)掃描。 圖3-2采用電子束掃描方式的熱象儀主要是指熱釋電攝象儀，其原理結(jié)構(gòu)如圖33所示。景物空間的整個(gè)觀察區(qū)域一起全都成象在熱釋電攝象管的靶面上，圖象信號(hào)是通過(guò)電子束檢出的，只有電子束所觸及的那一小單元區(qū)域才能有信號(hào)輸出。攝象管的偏轉(zhuǎn)線圈控制電子束沿靶面掃描，這樣便能依次拾

4、取整個(gè)觀察區(qū)域的圖象信號(hào)。接受系統(tǒng)對(duì)整個(gè)景物進(jìn)行觀察，然后再通過(guò)電子束掃描去分割景物的掃描方式稱為電子束掃描。 圖3-3固體自掃描系統(tǒng)是通過(guò)面陣探測(cè)器來(lái)實(shí)現(xiàn)的如圖34所示。面陣中的每一個(gè)探測(cè)器單元對(duì)應(yīng)于景物空間的一個(gè)相應(yīng)單元，整個(gè)探測(cè)器面陣對(duì)應(yīng)一整個(gè)觀察區(qū)域空間。通過(guò)采樣換接技術(shù)，使各探測(cè)器單元所感受到的景物信號(hào)依次送出。這種利用面陣探測(cè)器大面積攝象，通過(guò)采樣而對(duì)圖象進(jìn)行分割的方法稱為固體自掃描，也稱作凝視式系統(tǒng)。若面陣探測(cè)器是CCD形式的，則采樣換接方式變成了CCD的信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移的方式，探測(cè)器上各單元的信號(hào)電荷在轉(zhuǎn)移脈沖的作用下迅速依次轉(zhuǎn)移，直至輸出至器件外部。圖3-4從目前情況來(lái)看，光機(jī)掃

5、描熱象儀由于工藝條件較成熟，性能較好，在應(yīng)用中占優(yōu)勢(shì)地位；熱釋電攝象儀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便，具有中等水平的性能指標(biāo)也相當(dāng)普通地適用某些民用部門(mén)；紅外CCD攝象儀結(jié)構(gòu)更加 的簡(jiǎn)便，性能指標(biāo)也好，隨著紅外CCD制造工藝的不斷完善，最終將成為熱象儀中占主導(dǎo)地位的品類。 可見(jiàn)光圖象主要是霉景物反射本領(lǐng)的差別而形成的。而熱象儀對(duì)景物成象則是基于景物各部分溫度的差異及發(fā)射率的差異。目前可以區(qū)辨的景物溫差(溫度分辨率)，約為0.005，可區(qū)辨的最小景物單元(空間分辨率)，約為0.06mrad。熱成象系統(tǒng)與可見(jiàn)光電視攝象系統(tǒng)從原理上看實(shí)質(zhì)上是相同的，只是工作波段不一樣(熱成象系統(tǒng)工作在紅外波段，而電視攝象系統(tǒng)工作在可見(jiàn)光

6、波段)，所以熱成象系統(tǒng)亦或稱作紅外電視。 二、熱成象系統(tǒng)的特點(diǎn) 一般的紅外搜索跟蹤系統(tǒng)要獲取目標(biāo)的方位信息，并對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤，通常情況下是將目標(biāo)當(dāng)作點(diǎn)源進(jìn)行處理的。熱成象系統(tǒng)則要求對(duì)景物成象，根據(jù)熱象的特征進(jìn)而確定景物的某些特性，因此熱成象系統(tǒng)所觀察的景物為面輻射源。這是兩者的基本區(qū)別。從這個(gè)基本考慮出發(fā)，可進(jìn)一步分析熱成象系統(tǒng)的一些特點(diǎn)。 1目標(biāo) 熱成象系統(tǒng)所敏感的是景物各部分的溫差及發(fā)射率(及反射率)的差異，而不是單純的目標(biāo)輻射強(qiáng)度的強(qiáng)弱。 2成象 熱成象系統(tǒng)要求在較寬的視場(chǎng)范圍內(nèi)成象，象質(zhì)清晰，否則熱圖會(huì)模糊不清，因此熱成象系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)象質(zhì)要求較一般的探測(cè)系統(tǒng)為高。對(duì)電子束掃描和固體自

7、掃描的熱成象系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)視場(chǎng)即為所觀察的空間范圍；對(duì)光機(jī)掃描熱成象系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，瞬時(shí)視場(chǎng)較小(如1mrad 或更小)，但所需觀察的空間范圍卻較大，因此光學(xué)系統(tǒng)需要對(duì)空間進(jìn)行掃描。掃描的光學(xué)系統(tǒng)亦應(yīng)保證足夠好的象質(zhì)。 3探測(cè)器 為了提高熱成象系統(tǒng)的性能，探測(cè)器常采用多元器件，用作多元并掃或多元串掃。單元探測(cè)器的熱象儀常用于對(duì)靈敏度要求不太高的民用部門(mén)。 4信息處理 除了低噪聲放大以外，還有很多關(guān)于景物視頻信號(hào)處理的特殊問(wèn)題(如延時(shí)疊加、多路傳輸及作各種模式的顯示等)。由于成象系統(tǒng)的景物信息量較非成象系統(tǒng)的景物信息量豐富得多，所以可以利用信號(hào)處理電路盡可能的檢出景物的固有信息，以完成多種跟蹤任務(wù)，成

8、象跟蹤便是應(yīng)用的一個(gè)例子。 5顯示 顯示器應(yīng)與人眼的視覺(jué)特性相適應(yīng)，且能方便地顯示景物的各種特征。近年來(lái)又將顯示與觀代圖象識(shí)別技術(shù)相結(jié)合進(jìn)一步提高了熱象儀的效能與應(yīng)用范圍。 6熱像儀的基本技術(shù)參數(shù) 在敘述紅外信息檢測(cè)的多元檢測(cè)及掃描搜索跟蹤系統(tǒng)時(shí)曾陸續(xù)提到過(guò)有關(guān)的技術(shù)參數(shù)。這些技術(shù)參數(shù)完全適用于成象系統(tǒng)?，F(xiàn)在為了便于了解熱象儀的各部分具體結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)原則，將熱象儀的基本技術(shù)參數(shù)重新分述于下： 1光學(xué)系統(tǒng)通光口徑和焦距它們是決定熱像儀性能和體積的關(guān)鍵因素。 2瞬時(shí)視場(chǎng)瞬時(shí)視場(chǎng)由單元探測(cè)器尺寸a,b及光學(xué)系統(tǒng)焦距決定，它的大小通常表示熱象儀的空 間分辨率的高低。 (3-1) 通常以mrad為單位。

9、3觀察視場(chǎng)A,B 觀察視場(chǎng)由所需觀察的景物空間的大小和光學(xué)系統(tǒng)焦距決定。 4幀時(shí)和幀速F 圖3-5在掃描速度受到限制的情況下，為了提高掃過(guò)每一場(chǎng)畫(huà)面的時(shí)間，有時(shí)將畫(huà)面分成兩場(chǎng)或若干場(chǎng)。圖35為隔行掃描情況。掃過(guò)完整的一幀所需的時(shí)間稱為幀時(shí)，以秒為單位。完成一幀圖象的速度稱為幀速F。顯然下面關(guān)系式成立： (1/s) (3-2) 在隔行掃描時(shí)，掃過(guò)一幀畫(huà)面的時(shí)間為場(chǎng)時(shí)的兩倍，這時(shí)幀速則為場(chǎng)速的一半。 5掃描效率 掃描機(jī)構(gòu)對(duì)景物掃描時(shí)，掃描機(jī)構(gòu)實(shí)際掃過(guò)的空間范圍往往比景物所張的空間角要大。掃過(guò)完整的景物所張空間范圍一次所需的時(shí)間與掃描機(jī)構(gòu)實(shí)際掃描一周所需的時(shí)間之比稱為掃描效率。通?？臻g掃描都是由方位

10、掃描和俯仰掃描兩者合成的，所以掃描效率也分成方位掃描效率和俯仰掃描效率兩種 ，即 (3-3)6滯留時(shí)間物空間一點(diǎn)掃過(guò)探測(cè)器所需時(shí)間稱為滯留時(shí)間。若掃描機(jī)構(gòu)掃過(guò)的景物空間為A×B， 單元探測(cè)器的張角為，則與景物空間相應(yīng)的探測(cè)器單元數(shù)n應(yīng)為 (3-4)掃過(guò)一幀的時(shí)間為，或幀速為F，則當(dāng)掃描效率時(shí)，滯留時(shí)間為 (3-5)當(dāng)掃描效率<1時(shí)，滯留時(shí)間應(yīng)為 (3-6)熱象儀的綜合性能參數(shù)則是在以上各基本參數(shù)的基礎(chǔ)上作進(jìn)一步綜合分析得出的。 §2 光機(jī)掃描攝象頭 目前正在使用及正在研制中的熱象儀絕大多數(shù)均屬于光機(jī)掃描類型。光機(jī)掃描攝象頭是光機(jī)掃描熱象儀的關(guān)鍵部分，它由光學(xué)接受系統(tǒng)和

11、掃描機(jī)構(gòu)兩大部分組成。關(guān)于紅外光學(xué)系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)這里不作專門(mén)敘述，可參見(jiàn)諸有關(guān)書(shū)籍。這里主要敘述掃描機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)類型及其性能。 圖3-6圖3-7掃描機(jī)構(gòu)有兩種掃描方式，即平行光束掃描器和會(huì)聚光束掃描器。圖3-6是一種最簡(jiǎn)單的平行光束掃描器。入射的平行光束直接經(jīng)可擺動(dòng)的平面反射鏡掃描后再進(jìn)入探測(cè)器聚焦系統(tǒng)。這種掃描機(jī)構(gòu)是直接對(duì)由物方來(lái)的光線進(jìn)行掃描的，所以又稱作物掃描系統(tǒng)。圖3-7為最簡(jiǎn)單的會(huì)聚光束掃描器。入射光束光經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)會(huì)聚，在會(huì)聚光路中插入可擺動(dòng)的平面反射鏡，使其對(duì)會(huì)聚光束掃描。這種掃描機(jī)構(gòu)是對(duì)象方光線進(jìn)行掃描的，所以又稱作象掃描系統(tǒng)。圖3-8也屬于平行光束掃描器的類型，它將物方光束經(jīng)望遠(yuǎn)鏡

12、頭壓縮頭光束寬度后再由掃描機(jī)構(gòu)掃描，然后再經(jīng)探測(cè)器光學(xué)系統(tǒng)會(huì)聚成象，這各種掃描機(jī)構(gòu)也稱作偽物掃描系統(tǒng)。 圖3-8光機(jī)掃描機(jī)構(gòu)中的掃描部件有下面幾種： 1擺動(dòng)平面鏡； 2旋轉(zhuǎn)多面鏡； 3旋轉(zhuǎn)折射棱鏡； 4旋轉(zhuǎn)光楔； 5擺動(dòng)透鏡； 6旋轉(zhuǎn)V型反射鏡； 最常用的為前面三種。擺動(dòng)平面鏡既可以用作平行光束掃描，也可以用作會(huì)聚光束掃描(見(jiàn)圖3-9)。旋轉(zhuǎn)多面鏡和擺動(dòng)平面鏡具有相同的基本特性，因此它也可以作平行光束掃描或會(huì)聚光束掃描。旋轉(zhuǎn)折射棱鏡只能使光線平移而不改變其前進(jìn)方向，所以它只用作會(huì)聚光束掃描。 圖3-9現(xiàn)僅將其主要工作特性扼要敘述于后。對(duì)掃描機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)，其主要的工作特性為 1擺動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)角與物空間轉(zhuǎn)

13、角的關(guān)系； 2掃描機(jī)構(gòu)掃描時(shí)對(duì)系統(tǒng)象差的影響； 3掃描效率； 4掃描部件尺寸。 一、擺動(dòng)平面反射鏡 對(duì)平面反射鏡來(lái)說(shuō)，若入射光線保持不動(dòng)，當(dāng)鏡面轉(zhuǎn)角為時(shí)，出射光線方向的轉(zhuǎn)角將為鏡面轉(zhuǎn)角的一倍，即 (3-7)當(dāng)平面反射鏡用作平行光束掃描時(shí)，掃描機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)角與物空間轉(zhuǎn)角的關(guān)系即由(37)決定，顯然為線性關(guān)系。在這種情況下，平面反射鏡只將入射的平行光束轉(zhuǎn)折一個(gè)方向，對(duì)系統(tǒng)象差沒(méi)有任何影響。反射鏡面所需的最大尺寸與入射光束的寬度及鏡面轉(zhuǎn)角有關(guān)。 (3-8)圖3-10平面反射鏡用作會(huì)聚光束掃描時(shí)，其光路圖如圖310。在鏡面初始位置M上，入射光線自c點(diǎn)沿a+b光程至D，當(dāng)鏡面轉(zhuǎn)動(dòng)角至M位置后，為要保持象點(diǎn)位置

14、D不變，則入射光線應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)角，這時(shí)光程為。顯然 (3-9)可以推得與的關(guān)系為 當(dāng)和都較小時(shí)，近似地有 (3-10) 因?yàn)槠矫骁R轉(zhuǎn)動(dòng)后光程有了變化，所以會(huì)因散焦而增大系統(tǒng)象差。 對(duì)平面反射鏡而言，掃描效率由所需觀察的空間角度與鏡面擺動(dòng)角度之比決定。鏡面擺動(dòng)角度可根據(jù)所需觀察空間角度設(shè)計(jì)，使空程盡量小。擺動(dòng)平面鏡一般不作正程使用，回程不用，所以平面反射鏡的掃描效率一般均小于50(通常因往復(fù)運(yùn)動(dòng)的慣性，掃描效率只能達(dá)到40)。也有特意將回程掃描速度提高以提高掃描效率的。在某些場(chǎng)合也可用回程掃描以提高掃描效率，這時(shí)需對(duì)系統(tǒng)的視頻信號(hào)進(jìn)行回程相位補(bǔ)償以使正程、回程圖象協(xié)調(diào)一致。 擺動(dòng)平面鏡是周期性往復(fù)運(yùn)動(dòng)

15、的，因?yàn)闄C(jī)構(gòu)有一定慣量，所以擺動(dòng)速度不能太大，因而在熱象儀中擺動(dòng)平面鏡通常用作幀掃描。 在行掃描器中有將平面反射鏡傾斜45安置而繞水平軸旋轉(zhuǎn)的掃描裝置(見(jiàn)圖311)常用于機(jī)載或星載多光譜掃描儀中。這種掃描機(jī)構(gòu)屬于平行光束物掃描系統(tǒng)，旋轉(zhuǎn)一周往往只有是有效掃描角，其余輪空，因此掃描效率很低。 圖3-11二、旋轉(zhuǎn)反射鏡鼓旋轉(zhuǎn)多面鏡)圖3-12反射鏡鼓是由n個(gè)矩形面鏡組成的棱柱，它繞棱柱軸轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖312所示。矩形鏡面寬為，矩形面對(duì)中心張角為，棱柱外接圓半徑為，顯然有 (3-11) (3-12)若鏡鼓面數(shù)n增大，遇鏡面夾角就減?。划?dāng)鏡鼓動(dòng)半徑為定值時(shí)，鏡面寬度就減小，因而允許的入射光束寬度也就減小。

16、旋轉(zhuǎn)反射轉(zhuǎn)鼓的掃描效率與鏡面夾角直接相關(guān)。若觀察視場(chǎng)為2W，則掃描效率為 (3-13)由上式可知，為了提高掃描效率，應(yīng)增大轉(zhuǎn)鼓面數(shù)n，這時(shí)為了保證入射光束寬度為定值，必然要增大轉(zhuǎn)鼓半徑，所以轉(zhuǎn)鼓的掃描效率與入射光束的允許寬度以及轉(zhuǎn)鼓尺寸三者相互制約。 擺鏡擺動(dòng)時(shí)鏡面只能轉(zhuǎn)動(dòng)不發(fā)生位移；轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)時(shí)，鏡面除轉(zhuǎn)動(dòng)外還有位移。若入射光束寬度為定值，則當(dāng)鏡鼓轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)因鏡面唯一可能會(huì)使掃描區(qū)邊緣部分的入射光束不能全部進(jìn)入視場(chǎng)而產(chǎn)生漸暈現(xiàn)象。在平行光束掃描情況下，為保證不發(fā)生漸暈現(xiàn)象，當(dāng)入射光束寬度為定值時(shí)，反射鏡鼓半徑應(yīng)滿足下述關(guān)系式： (3-14)上式中為入射光束相對(duì)于鏡面的平均入射角。為鏡面的有效轉(zhuǎn)角(2

17、=2W)。 從(3-14)式中可知，反射鏡的有效轉(zhuǎn)角不能取得過(guò)份接近，否則-的值小而的值將相當(dāng)大。掃描效率 (3-15) 從掃描效率角度考慮當(dāng)和差得較多時(shí)，掃描效率又將受較大影響。 旋轉(zhuǎn)反射鏡鼓與擺動(dòng)平面鏡的工作狀況基本是一致的，因此轉(zhuǎn)角關(guān)系和象差情況也基本相同。 旋轉(zhuǎn)反射鏡鼓一般用于平行光束掃描作行掃描器用；在作會(huì)聚光束掃描器用時(shí)，應(yīng)注意象差校準(zhǔn)。 三、旋轉(zhuǎn)折射棱鏡 圖3-13旋轉(zhuǎn)折射棱鏡為正n面棱柱，繞棱柱中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖313所示。入射光線透過(guò)棱柱后出射。棱柱為正n面體，若入射光束為平行光束，則出射光束仍為平行光束且方向與入射光束方向相同。當(dāng)棱柱轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，出射光束方向隨之平移，但成象位置不

18、變，因而旋轉(zhuǎn)折射棱鏡不能作平行光束掃描；在會(huì)聚光路中，棱鏡將焦點(diǎn)沿軸向后移，移動(dòng)距離為Z；隨著棱鏡轉(zhuǎn)動(dòng)，焦點(diǎn)位置同時(shí)作橫向移動(dòng)，移動(dòng)距離為Y。 圖3-14圖314是圖313的簡(jiǎn)化情況，只畫(huà)了一條主光線。棱鏡厚度為t，折射率為n，棱鏡的轉(zhuǎn)角為，入射光線對(duì)棱鏡鏡面的入射角為，折射角為。可以推得焦點(diǎn)位置的橫向移動(dòng)量Y為 (3-16) 當(dāng)()及值均較小時(shí)，(3-16)式近似為 (3-17)由上式可見(jiàn)，在小角度范圍內(nèi)，棱鏡轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生近似的線性掃描。 對(duì)于旁軸光線，因此(3-16)式所表示的Y值為 (3-18)所以 (3-19)由此可見(jiàn)，在棱鏡轉(zhuǎn)角為一般值時(shí)焦點(diǎn)位置橫向偏移量Y與呈較復(fù)雜的非線性關(guān)系。 會(huì)聚

19、光束通過(guò)折射棱鏡后，焦點(diǎn)位置的縱向位移Z也可推算出，在近軸光線()情況下為 (3-20) 入射光線通過(guò)折射棱鏡后，導(dǎo)致象點(diǎn)的縱向及橫向位移，所以了必然相應(yīng)地引起附加的球差、慧差、象散和色差。因此在選用折射鏡作掃描部件時(shí)，對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的消象差問(wèn)題應(yīng)特別注意。 旋轉(zhuǎn)折射棱鏡的掃描效率與棱鏡面數(shù)n及棱鏡的有效轉(zhuǎn)角有關(guān)： (3-21)計(jì)算棱鏡的有效轉(zhuǎn)角時(shí)，可由有效視場(chǎng)2W、系統(tǒng)焦距、棱鏡厚度t，用光路追跡算出象點(diǎn)橫向偏移量Y，然后再根據(jù)(3-16)、(3-17)或(3-18)式算出。對(duì)旋轉(zhuǎn)折射棱鏡來(lái)說(shuō)，可以有較高的效率。旋轉(zhuǎn)折射棱鏡只用于聚光束掃描，所以尺寸可以做得較小，棱鏡厚度又與掃描效率及系統(tǒng)焦距有

20、關(guān)，且棱鏡的面數(shù)n越多則棱鏡厚度值t應(yīng)越大。 §3 紅外CCD攝象頭 電荷耦合器件CCD是同MOS電容器集戒的移位寄存器。將紅外探測(cè)器陣列和電荷藕合器件組成在一起，可以用來(lái)接收景物紅外輻射，并將所得的多路信號(hào)依次傳輸出去，這種器件稱為紅外電荷耦合器件(IRCCD)。用紅外電荷耦合器件做成的紅外攝象頭結(jié)構(gòu)如圖315所示。圖3-15IRCCD為多元陣列，有線陣的和面陣的兩類。IRCCD攝象頭的掃描方式主要有串聯(lián)掃描、并聯(lián)掃描、串并聯(lián)掃描及凝視等幾種，線陣的IRCCD用于串聯(lián)掃描及并聯(lián)掃描，面陣的IRCCD則用于串并掃描 以及凝視。IRCCD攝象頭中的串聯(lián)掃描、并聯(lián)掃描或串并聯(lián)掃描還是要由

21、光機(jī)掃描機(jī)構(gòu)來(lái)完成，這和一般的多元探測(cè)器系統(tǒng)沒(méi)有任何不同。IRCCD攝象頭的主要特色 是在多元信號(hào)處理方面。一般的多元探測(cè)器輸出的信號(hào)必須要經(jīng)過(guò)信號(hào)延遲積分或者多路信號(hào)采樣等環(huán)節(jié)才能夠得到視頻景物信號(hào)，這樣結(jié)構(gòu)繁復(fù)，可靠性也就差。IRCCD可根據(jù)使用要求選擇適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)形式并由驅(qū)動(dòng)電路的時(shí)鐘脈沖驅(qū)動(dòng)，信號(hào)可直接輸出而得到視頻景物信號(hào)，省去了延遲積分電路或 者多路信號(hào)采樣等環(huán)節(jié)，既簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，又提高了工作性能和可靠性，因此它特別受到人們的重視。 CCD芯片 在本節(jié)中，首先敘述CCD的一般工作原理及其主要特性。 一、CCD的工作原理 CCD是由若干個(gè)MOS電容器陣列組成的集成器件。它是N型或P型硅襯

22、底上生長(zhǎng)成一層很薄的二氧化硅層，然后再在二氧化硅層上蒸發(fā)多個(gè)間距很小的并排鋁電極，這樣便形成了 由金屬電極、氧化層和半導(dǎo)體襯底組成的多個(gè)MOS電容器陣列結(jié)構(gòu)。如圖316所示。 圖3-16現(xiàn)在從電荷的貯存，電耦合(轉(zhuǎn)移)、信號(hào)電荷的輸入和輸出這幾個(gè)方向來(lái)敘述電荷耦合器件的工作原理。 1電荷貯存 (a) (b) (c)圖3-17圖317(a)是一個(gè)MOS結(jié)構(gòu)單元，在金屬電極上加上一定極性的電壓(對(duì)P型半導(dǎo)體>0，對(duì)N型半導(dǎo)體<0)后，半導(dǎo)體內(nèi)部的載流子分布即會(huì)發(fā)生變化。以P型半導(dǎo)體為例，電極上所加的電壓把空穴推離裝置半導(dǎo)體與氧化層之間的界面。因而在半導(dǎo)體表面形成了耗盡區(qū)，表面能帶呈現(xiàn)彎

23、曲。在0<<的情況下見(jiàn)圖317(b)，表面勢(shì)還較小，本征費(fèi)米能級(jí)始終大于費(fèi)米能級(jí)，這時(shí)只呈現(xiàn)出一般耗盡狀態(tài)，耗盡區(qū)厚度正比于外加電場(chǎng)；當(dāng)>后，表面勢(shì)增大(見(jiàn)圖317(c)，這時(shí)本征費(fèi)米能級(jí)與費(fèi)米能級(jí)相交，MOS器件處于深耗盡狀態(tài)，在相交點(diǎn)與界面之間逐漸形成一個(gè)反型層。在反型層內(nèi)，半導(dǎo)體內(nèi)的熱生少數(shù)載淀子(電子)被吸引到這個(gè)區(qū)域內(nèi)(半導(dǎo)體由P型變?yōu)镹型，為強(qiáng)反型開(kāi)始的門(mén)限電壓值)。這時(shí)若有信號(hào)電荷(電子)注入，則可貯存在深耗盡區(qū)域內(nèi)，信號(hào)電荷與半導(dǎo)體內(nèi)熱生載流子共同形成反型層(當(dāng)CCD正常工作時(shí)，的變化頻率足夠高，以致于熱生載流子與信號(hào)電荷相比完全可以忽略)。這種能貯存少數(shù)載流

24、子的區(qū)域稱為勢(shì)阱。外加電壓越高，勢(shì)阱深度也越大，因而貯存電荷的容量也越大。勢(shì)阱內(nèi)存入少數(shù)載流子后，表面勢(shì)要有所下降。 2電荷耦合 圖3-18若在電荷耦合器件中兩個(gè)相鄰MOS單元上分別加上大小不同的值，則形成兩個(gè)相鄰的深淺各異的勢(shì)阱。若在勢(shì)阱MOS單元中貯存有電荷包，則它會(huì)自動(dòng)向深勢(shì)阱MOS單元轉(zhuǎn)移耦合。在CCD中各MOS單元上加上按一定規(guī)律變化的周期性時(shí)鐘脈沖，則輸入的信號(hào)電荷便會(huì)在CCD中傳輸。圖318(a)為三個(gè)相鄰排列的MOS單元，在電極上各加上三相時(shí)鐘脈沖，其波形如圖318(b)所示。當(dāng)時(shí)，電極1下面有很深的勢(shì)阱，電極2、3下面的勢(shì)阱都比較淺，因此電荷包貯存在單元1中；當(dāng)時(shí)，單元1中的

25、勢(shì)阱變淺了，單元2的勢(shì)阱變得很深，因此單元1勢(shì)阱中貯存的電荷包向單元2的勢(shì)阱流動(dòng)；當(dāng)時(shí)，單元1和單元3的勢(shì)阱一樣淺，而單元2的勢(shì)阱很深，因此電荷包全部存入其中。當(dāng)時(shí)，將重復(fù)的過(guò)程，電荷包將由單元2的勢(shì)阱向單元3的勢(shì)阱流動(dòng)。時(shí)鐘脈沖變化為一個(gè)周期，電荷包將移位3個(gè)MOS單元。在時(shí)鐘脈沖的不斷驅(qū)動(dòng)下，電荷包將作持續(xù)的定向移動(dòng)。電荷的傳輸機(jī)理有三種： 自感生漂移 勢(shì)阱中貯存的少數(shù)載流子濃度的差異會(huì)在勢(shì)阱之間生成表面電場(chǎng)，由于自感生電場(chǎng)的作用，促位少數(shù)載流子向勢(shì)阱較深的勢(shì)阱中漂移。這種傳輸過(guò)程在電荷開(kāi)始轉(zhuǎn)移時(shí)起主要作用。 熱擴(kuò)散 熱擴(kuò)散的作用是使少數(shù)載流子從濃度高的區(qū)域向濃度低的區(qū)域擴(kuò)散，使少數(shù)載流子

26、分布趨于平衡。在電荷傳輸?shù)某跏茧A段，電荷密度相當(dāng)大，這時(shí)主要是靠自感生電場(chǎng)傳輸電荷；在電荷傳輸中的后期，電荷密度較小，電荷的傳輸逐漸靠熱擴(kuò)散進(jìn)行；如果最初存貯的電荷量就很少，那么自感生電場(chǎng)也很小，于是熱擴(kuò)散就成為主要的傳輸機(jī)構(gòu)。 邊緣場(chǎng)漂移 兩電極之間由于靜電場(chǎng)強(qiáng)的差異形成了另一種表面電場(chǎng)邊緣場(chǎng)，方向與自感生電場(chǎng)相同，因而也促使電荷轉(zhuǎn)移。即使在少數(shù)載流子濃度極低的情況下，少數(shù)載流子也會(huì)在邊緣場(chǎng)的作用下不斷轉(zhuǎn)移。電荷傳輸中的最后一部分信號(hào)電荷是在邊緣場(chǎng)作用下轉(zhuǎn)移的。 3信號(hào)電荷的輸入和輸出 電荷輸入方式 在這里討論的是電注入方法，光生電荷的注入方法將在以后敘述。電荷輸入方法有表面電勢(shì)平衡法，表面

27、電勢(shì)設(shè)定法和電流積分法等多種方式，其中性能較好、應(yīng)用較為普遍的是表面電勢(shì)平衡法。表面電勢(shì)平穩(wěn)法的原理如下：如圖319是這種輸入法的原理圖。輸入機(jī)構(gòu)包括輸入二極管、輸入柵、以及控制、偏置電路。圖中只繪出一個(gè)轉(zhuǎn)移柵，其余的轉(zhuǎn)移柵，省去未繪。輸入柵上加固定偏置電壓以便在該電極下的半導(dǎo)體表面形成導(dǎo)電溝道(n溝道)。輸入信號(hào)電壓加在輸入柵上。輸入二極管在一般輸入情況下為反向偏置，當(dāng)控制脈沖(負(fù)脈沖)作用時(shí)轉(zhuǎn)為正偏。圖319(b)為加在，各級(jí)上的信號(hào)波形。當(dāng)時(shí)，各級(jí)下，面的勢(shì)阱如圖319(a)中的所示。 圖3-19這時(shí)處于正向偏置，下面的勢(shì)阱變淺，源區(qū)的電荷將通過(guò)下面的導(dǎo)電溝道注入下面的勢(shì)阱，直到、下面的

28、表面勢(shì)與下面n區(qū)的表面勢(shì)相等為止。當(dāng)時(shí)，控制脈沖消失，輸入二極管回到反偏狀態(tài)，n區(qū)形成深勢(shì)阱，下面的過(guò)量電荷向n區(qū)倒流，直到電極下面不再有電荷為止，見(jiàn)圖319(a)中。當(dāng)時(shí)，轉(zhuǎn)移柵上的電壓值較大，下面形成深勢(shì)阱，因此下面深勢(shì)阱的信號(hào)電荷向下的勢(shì)阱中轉(zhuǎn)移。由于信號(hào)電荷量與、電極下面的勢(shì)阱深度成正比，是固定偏置的，下面的勢(shì)阱深度隨外加信號(hào)電壓變化，所以注入的電荷量與輸入信號(hào)大小成線性關(guān)系。 電荷輸出方法 圖3-20電荷輸出方法包括電流輸出法、浮置擴(kuò)散輸出法、浮置柵輸出法等很多種，其中以浮置擴(kuò)散輸出法應(yīng)用最為廣泛。浮置擴(kuò)散輸出法的原理如圖320所示。輸出機(jī)構(gòu)包括輸出柵、浮置擴(kuò)散區(qū)FD、復(fù)位柵、復(fù)位漏

29、區(qū)D，以及輸出場(chǎng)效應(yīng)管電路和偏置電路。浮置擴(kuò)散區(qū)、復(fù)位柵和復(fù)位漏區(qū)構(gòu)成 了一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管。設(shè)是CCD的最后一個(gè)轉(zhuǎn)移柵。輸出柵上加直流偏置以便在該電極下形成導(dǎo)電溝道(n溝道)。復(fù)位漏區(qū)反偏，以便形成收集電荷的深勢(shì)阱；復(fù)位柵上加上周期性的正脈沖。當(dāng)正脈沖到達(dá)時(shí)，復(fù)位柵下面形成導(dǎo)電溝道(n溝道)，信號(hào)電荷可從浮置擴(kuò)散區(qū)向復(fù)位漏區(qū)轉(zhuǎn)移；在復(fù)位脈沖消失后，浮置擴(kuò)散區(qū)和復(fù)位漏區(qū)之間被復(fù)位柵下面的勢(shì)壘所隔斷。浮置擴(kuò)散區(qū)無(wú)直流偏置，其電位處于浮置狀態(tài)，它的大小取決于復(fù)位漏區(qū)和復(fù)位柵表面勢(shì)以及浮置擴(kuò)散區(qū)自身所有的電荷量。在復(fù)位脈沖消失期間，轉(zhuǎn)移柵上的時(shí)鐘脈沖由大變小時(shí)，轉(zhuǎn)移柵勢(shì)阱變淺，其中貯存的信號(hào)電荷Q將通過(guò)下

30、面的導(dǎo)電溝道轉(zhuǎn)移到浮置擴(kuò)散區(qū)，這時(shí)浮置擴(kuò)散區(qū)的電位變化量為 (3-22)式中為與浮置擴(kuò)散區(qū)有關(guān)的總電容。 這個(gè)電壓變量經(jīng)源極跟隨器后成為輸出信號(hào)。二、CCD的結(jié)構(gòu) 前面在敘述CCD的工作原理時(shí)都是以三相分離電極為例來(lái)說(shuō)明的。實(shí)際上使用的CCD結(jié)構(gòu)有三相、二相和四相多種結(jié)構(gòu)形式，電極式樣也發(fā)展有多種式樣；驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘脈沖波形除上面所述的不對(duì)稱結(jié)構(gòu)式樣外，也有直接采用方波形式的。結(jié)構(gòu)形勢(shì)的發(fā)展是從CCD的性能要求、工藝繁簡(jiǎn)程度、簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)電路等幾方面綜合考慮的。圖3-21圖3-22前面所述的單層分離電極結(jié)構(gòu)固然簡(jiǎn)單，但有一個(gè)嚴(yán)重的缺點(diǎn)，就是在電極之間的間隙處要形成很高的勢(shì)壘而阻礙電荷的轉(zhuǎn)移。為了降低電極

31、間的勢(shì)壘而發(fā)展起來(lái)的電極有多種交疊柵結(jié)構(gòu)，常用的有三層硅柵結(jié)構(gòu)(圖321)硅-鋁交迭結(jié)構(gòu)(圖322)等。采用這些結(jié)構(gòu)形式的電極能較好地控制溝道區(qū)的表面勢(shì)，因而電極之間的間隙可以做得稍寬些，并且由于電極間隙不裸露在外面，所以器件的穩(wěn)定性也比較好。圖3-23圖3-24為了簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)電路而發(fā)展起來(lái)的結(jié)構(gòu)有階梯氧化層電極(圖323)和離子注入兩相CCD結(jié)構(gòu)(圖324)等結(jié)構(gòu)形成。對(duì)這類結(jié)構(gòu)的CCD而言，雖然所加的矩形脈沖是對(duì)稱的，但是電勢(shì)分布卻是不對(duì)稱的(見(jiàn)圖)，因此可實(shí)現(xiàn)電荷包的定向位移。 此外，還有為減少界面態(tài)損失而采用的埋溝結(jié)構(gòu)CCD(BCCD)，這里不予敘述。 三、CCD的主要特性 1電荷負(fù)載能

32、力 當(dāng)CCD電極上加上電壓后便建立起一定深度的勢(shì)阱，電荷可以貯存于勢(shì)阱中，電荷存于勢(shì)阱后，該勢(shì)阱單元表面勢(shì)變低。當(dāng)電荷存入量達(dá)到使得該勢(shì)阱單元的表面勢(shì)和相鄰勢(shì)阱單元的表面勢(shì)相等時(shí)，便不能再存入電荷了。勢(shì)阱從空阱到填滿電荷的總存入電荷量稱為電荷負(fù)載能力，它決定 了CCD的動(dòng)態(tài)范圍。的值為 (3-23)式中 絕緣層電容； 有效的外加電壓值； 半導(dǎo)體的介電常數(shù)和真空中的電容率； 電子電荷； 襯底摻雜濃度； 貯滿電荷時(shí)表面勢(shì)(或穩(wěn)態(tài)時(shí)的表面勢(shì))。 通常>>，所以有 (3-24)因此，為加大電荷負(fù)載能力，絕緣層電容及外加電壓都要較大，對(duì)一些類型的CCD來(lái)說(shuō)，其電荷負(fù)載能力的典型數(shù)據(jù)是：硅CC

33、D為；InSbCCD為；HgCdTeCCD為。 下一頁(yè) §4 信息處理與顯示 攝象頭對(duì)景物攝象時(shí)，首先將景物進(jìn)行空間分割，然后依次將這個(gè)單元空間的景物溫度轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，最后輸出的是與整個(gè)空間景物溫度分布相應(yīng)的連續(xù)的時(shí)序視頻信號(hào)。無(wú)論是光機(jī)掃描類型的攝象頭，熱釋電類型的攝象頭或者是固體自掃描類型的攝象頭所得出的視頻信號(hào)都具有相同的性質(zhì)，只是因空間分割的方法不同，時(shí)序視頻信號(hào)也有不同的形式。視頻信號(hào)所反應(yīng)的是景物的空間溫度分布信息，所以信息的處理與顯示的基本任務(wù)就是要根據(jù)景物的視頻信號(hào)標(biāo)示出景物各部分的溫度，并顯示出景物的熱圖象，這屬于圖象信號(hào)的讀出與顯示問(wèn)題。在實(shí)際應(yīng)用中還有將圖

34、象信號(hào)加以進(jìn)一步處理的，如圖象增強(qiáng)、圖象修復(fù)、圖象相關(guān)、運(yùn)動(dòng)景物的示跡等則屬于圖象處理范疇，我們不再加以介紹。本節(jié)主要敘述溫度標(biāo)示和熱圖象顯示兩個(gè)基本問(wèn)題。 一、溫度信號(hào)的處理 從攝象頭輸出的信號(hào)往往須要經(jīng)過(guò)預(yù)處理、放大和線性化后才能讀出與景物溫度相應(yīng)的溫度值?，F(xiàn)將這些方面的問(wèn)題分述于下。 1信號(hào)的預(yù)處理 從攝象頭輸出的信號(hào)有些是單一的景物圖象視頻信號(hào)，如光機(jī)掃描的單元探測(cè)器系統(tǒng)及熱釋電攝象管；有些則是在攝象器件中內(nèi)部經(jīng)過(guò)預(yù)處理以后再輸出的，如光機(jī)掃描的Sprite探測(cè)器的輸出信號(hào)、CCD的輸出信號(hào)等，這類信號(hào)也是景物圖象的視頻信號(hào)；有些從攝象器件中輸出的信號(hào)卻須要經(jīng)過(guò)再處理才能成為景物的視頻

35、信號(hào)，如一般的光機(jī)掃描多元探測(cè)器系統(tǒng)，它須經(jīng)過(guò)延遲積分或者取樣后才能成為單一的視頻信號(hào)。 多元探測(cè)器串聯(lián)掃描系統(tǒng)輸出的信號(hào)須要 經(jīng)過(guò)延遲積分，然后變成增強(qiáng)了的視頻信號(hào)。 多元探測(cè)器并聯(lián)掃描系統(tǒng)輸出的信號(hào)須要經(jīng)過(guò)取樣處理才能成為單一的視頻信號(hào)。一種取樣方法是用專門(mén)的取樣電路對(duì)多元并聯(lián)輸出信號(hào)進(jìn)行取樣，如圖331(a)所示。另一種取樣方法是用CCD進(jìn)行取樣，如圖331(b)所示。這種CCD取樣方法和混合式IRCCD實(shí)質(zhì)是完全相同的。 圖3-31取樣電路中的主要問(wèn)題是取樣頻率問(wèn)題。根據(jù)取樣定理，取樣頻率應(yīng)大于2倍信號(hào)頻譜限，則取樣后的信號(hào)有可能還能還原成原信號(hào)。也就是說(shuō)，在每一瞬時(shí)視場(chǎng)內(nèi)要對(duì)所有各元

36、件至少取樣兩次。設(shè)探測(cè)器為n元，則要在滯留時(shí)間內(nèi)至少取2n次樣。因此取樣的時(shí)間為 (3-28)取樣頻率為 (3-29)若，n=50,則 由此可見(jiàn)取樣頻率較高，成了并聯(lián)掃描的關(guān)鍵問(wèn)題。 2.通頻帶 從攝象器件輸出的信號(hào)往往是相當(dāng)微弱的，因此需要放大。關(guān)于放大倍數(shù)的要求涉及成象系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍，留待系統(tǒng)設(shè)計(jì)中去討論。這里只敘述放大器的通頻帶問(wèn)題。攝象器輸出的信號(hào)是一系列脈沖。放大器的通頻帶應(yīng)使輸入的脈沖信號(hào)經(jīng)放大后基本上不失真。放大器的通頻帶由高端頻率及低端頻率決定。 .高端頻率由信號(hào)脈沖寬度即滯留時(shí)間決定，即 (3-30)如=5，=。 低端頻率的確定要從兩個(gè)因素考慮。一方面要使信號(hào)失真不太大；另一

37、方面又不要使過(guò)低，因頻率越低則噪聲越大。 若選用RC濾波器，出脈沖信號(hào)經(jīng)RC濾波器后總會(huì)有平頂下跌(直流下落)的。平頂下 跌量即反映信號(hào)失真量的大小。圖332中為輸入脈沖信號(hào)的幅值，V為經(jīng)RC濾波器后的輸出值，則平頂下跌量即為 (3-31) 式中為脈沖寬度。 上式可近似為 (3-32)若一個(gè)大目標(biāo)充滿著整個(gè)觀察視場(chǎng)，則所得信號(hào)脈沖寬度為最寬的了，這時(shí)的信號(hào)脈沖寬度即為掃描一行的時(shí)間。設(shè)平頂下跌按3考慮，則從(3-32)式中可得 RC濾波器的特征頻率即為低端頻率，即 因此可得 若，則=8Hz 3信號(hào)的耦合方式 在探測(cè)器與前放之間若采用直流藕合方式，信號(hào)固然可以不失真，但基于下列三方面考慮，通常都

38、采用交流耦合方式。這三個(gè)方面是： 抑制大面積的背景干擾； 消除探測(cè)器上直流偏置電位的影響； 削弱噪聲的影響。 采用交流耦合時(shí)也存在兩個(gè)較大的問(wèn)題，即一方面信號(hào)直流分量被濾去了，因而通過(guò)的信號(hào)便不再具有溫度絕對(duì)值的意義；另一方面由RC組成的高通交流耦合電路在對(duì)目標(biāo)進(jìn)行掃描時(shí)會(huì)產(chǎn)生下面三種圖象缺陷。 對(duì)中等溫度差異的大目標(biāo)來(lái)說(shuō)，耦合前的信號(hào)和矩形波，耦合后信號(hào)失真，產(chǎn)生直流下跌和負(fù)尖峰，因此目標(biāo)圖象亦發(fā)生畸變(如圖333)。在某些情況下，這種圖象畸變會(huì)掩蓋掉其它目標(biāo)。 圖3-33對(duì)高溫小目標(biāo)來(lái)說(shuō)，由于線路輸出的平均值為零，所以輸出信號(hào)在正信號(hào)響應(yīng)之后，將伴隨一個(gè)振幅較低但持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的負(fù)信號(hào)響應(yīng)。

39、從圖象來(lái)看會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的黑色拖尾現(xiàn)象(見(jiàn)334)。 圖3-34多元掃描時(shí)，每個(gè)通道中在開(kāi)始掃描前(t< 0)所積存的電荷量不一定都是相同的，這個(gè)積存的電荷量將影響開(kāi)始掃描后的信號(hào)大小。如圖335(a)，通道1是從冷背景到溫目標(biāo)的探測(cè)，通道2是從熱背景到同一溫目標(biāo)的探測(cè)；顯然通道1對(duì)溫目標(biāo)的響應(yīng)大于通道2對(duì)同一溫目標(biāo)的響應(yīng)，見(jiàn)圖335(b)；因此最終的目標(biāo)圖象成了圖335(c)的樣子，原來(lái)為同一溫度的溫目標(biāo)，結(jié)果通道1顯示的圖象較亮，通道2顯示的圖象較暗。 圖3-35為了測(cè)量出溫度的絕對(duì)值及減少圖象缺陷，要對(duì)交流耦合電路進(jìn)行直流恢復(fù)。圖336為一種直流恢復(fù)方案。探測(cè)器對(duì)空間掃描時(shí)，在有效視場(chǎng)

40、內(nèi)掃過(guò)有效的空間區(qū)域；當(dāng)掃出有效視場(chǎng)后，聽(tīng)掃過(guò)的空間區(qū)域便為無(wú)用空間區(qū)域，在這無(wú)用空間區(qū)域內(nèi)設(shè)置一個(gè)參考黑體，并使這個(gè)參考黑體的溫度與環(huán)境溫度相當(dāng)。這樣當(dāng)探測(cè)器掃描到參考黑體時(shí)，便輸出與環(huán)境溫度相當(dāng)?shù)暮愣ㄐ盘?hào)。因此不管在有效空間區(qū)域內(nèi)所掃過(guò)的景物溫度為何值，當(dāng)掃到無(wú)用空間區(qū)域時(shí)，探測(cè)器信號(hào)一律箝位到與參考黑體溫度相應(yīng)的電壓信號(hào)值上。見(jiàn)圖337。也可以在掃到參考黑體時(shí)，首先將原來(lái)探測(cè)器的信號(hào)一律箝位到零電平，然后再將與環(huán)境溫度相應(yīng)的一個(gè)直流電平疊加在經(jīng)過(guò)箝位的探測(cè)器信號(hào)上以進(jìn)行環(huán)境溫度補(bǔ)償。這樣經(jīng)過(guò)箝位(或箝位補(bǔ)償)后的信號(hào)便具有絕對(duì)值的意義了。最簡(jiǎn)單的實(shí)施辦法是將參考黑體做成無(wú)源的。參考黑體用

41、紫銅板 制成，板面涂上黑色無(wú)光漆。黑體本身不加熱，在熱平衡狀態(tài)，黑體溫度便等于環(huán)境溫度。環(huán)境溫度信號(hào)通過(guò)一只放在參考黑體內(nèi)的熱敏電阻測(cè)出。 圖3-36圖3-374溫度信號(hào)的線性化 由探測(cè)器輸出的信號(hào)電平是目標(biāo)溫度的函數(shù)。這個(gè)函數(shù)由目標(biāo)輻射特性、熱象儀的光譜透過(guò)特性、敏感元件的光譜響應(yīng)特性等決定。顯然，這個(gè)函數(shù)是非線性的。但是為了熱圖象顯示判讀方便以及直接進(jìn)行溫度的數(shù)值顯示，要求將送到顯示端的溫度信號(hào)與目標(biāo)溫度成線性關(guān)系。因此要將探測(cè)器測(cè)出的電壓信號(hào)進(jìn)行線性化變換和校正，使其與溫度成線性關(guān)系。通常線性變換和校正是在箝位和溫度補(bǔ)償之后進(jìn)行的。 環(huán)境溫度的補(bǔ)償是用熱敏元件測(cè)出的，它的信號(hào)電平與溫度近

42、似的成線性關(guān)系，但是將它 送去進(jìn)行溫度補(bǔ)償時(shí)，被補(bǔ)償?shù)臏囟刃盘?hào)與溫度的關(guān)系卻是非線性性的。因此要將這個(gè)線性的環(huán)境溫度信號(hào)進(jìn)行非線性化處理，使其與原溫度信號(hào)的非線性化規(guī)律一致，然后再進(jìn)行補(bǔ)償。另外顯象管的輝度與控制電壓之間存在著非線性關(guān)系，因此也需要進(jìn)行校正，以便使控制電平線性地顯示出相應(yīng)的灰度。 線性化電路可以用非線性電位計(jì)制做，也可由二級(jí)管、電阻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。 5顯示中心溫度及顯示溫度范圍的選擇 熱圖象的中心溫度及整個(gè)熱圖象的溫度變化范圍因觀察對(duì)象不同而有所不同，因此要求顯示的中心溫度及顯示的溫度范圍也是可調(diào)節(jié)的。顯示中心溫度應(yīng)連續(xù)可調(diào)，其調(diào)節(jié)范圍應(yīng)該是整機(jī)的測(cè)量范圍。顯示溫度范圍即為儀器的靈敏

43、度。如儀器具有1、2、3、5、7、10、15、20、30、50十擋靈敏度。如對(duì)最靈敏的一擋靈敏度1而言，因測(cè)量范圍為1，顯示器具有十級(jí)灰度，所以每級(jí)灰度相當(dāng)0.1的溫差，即儀器可顯示精度為0.1。 中心溫度的調(diào)節(jié)及顯示溫度范圍的選擇可用改變電子通道內(nèi)某一放大器放大倍數(shù)的方法來(lái)實(shí)觀。二、熱圖象顯示 經(jīng)過(guò)放大、處理及線性化后的視頻信號(hào)可以線性地反應(yīng)景物各部分的溫度值，但視頻信號(hào)是個(gè)時(shí)序信號(hào)。要將時(shí)序視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成二維空間的景物圖象還要經(jīng)過(guò)同步復(fù)掃描過(guò)程。同步復(fù)掃描有兩種方式，即光學(xué)復(fù)掃描方式和陰極射線管(CRT)方式。對(duì)熱圖象顯示的基本要求是圖象清晰及能按要求進(jìn)行判讀。因此，對(duì)熱圖象顯示來(lái)說(shuō)要討論

44、的基本問(wèn)題是熱圖象的形成、圖象的清晰度和圖象的顯示模式。 1發(fā)光二極管顯示 圖3-39圖339為發(fā)光二極管顯示的原理圖。入射輻射經(jīng)光學(xué)掃描器和聚焦系統(tǒng)成象在探測(cè)器上，探測(cè)器產(chǎn)生的景物視頻信號(hào)送到發(fā)光二極管處。發(fā)光二極管由探測(cè)器送來(lái)的視頻信號(hào)激勵(lì)而發(fā)光。發(fā)光二極管發(fā)出的光束經(jīng)過(guò)原光學(xué)掃描器進(jìn)行復(fù)掃描后傳到目鏡處。在目鏡處所觀察到的發(fā) 光二極管的圖象便是一幅掃描圖象，是一幅與景物完全相當(dāng)?shù)膱D象。圖339中所示的光學(xué)掃描器為二維擺動(dòng)的平面反射鏡，鏡子兩面都涂有反射膜，正面作入射輻射掃描鏡，反面作為復(fù)掃描鏡。至于其它類型的光學(xué)掃描器也可作相應(yīng)處理以同時(shí)作入射輻射掃描及復(fù)掃描用。由于復(fù)掃描和原掃描合用一

45、套掃描機(jī)構(gòu)，所以就很自然地解決了同步問(wèn)題。對(duì)復(fù)掃描成象有兩個(gè)問(wèn)題應(yīng)予以注意： 復(fù)掃描機(jī)構(gòu)的類型和原掃描機(jī)構(gòu)的類型應(yīng)相同，即同為平行光束掃描或同為會(huì)聚光束掃描，這樣在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上便于統(tǒng)一安排，圖552所示即同為平行光掃描的情況。 若只是由目鏡觀察熱圖象，則毋需直流恢復(fù)及線性變換、校正等裝置；若須讀出溫度值，則可以在攝象機(jī)的線路中加入直流恢復(fù)以及線性變換、校正等信號(hào)。至于其它顯示模式的控制信號(hào)也都在攝象機(jī)加入。 發(fā)光二極管的亮度應(yīng)能根據(jù)視頻信號(hào)電壓的大小而變化。也可采用控制發(fā)光管工作電流的方法去改變發(fā)光管的亮度。 圖339上所示的探測(cè)器及其放大電路、發(fā)光二極管及其激勵(lì)電路都是單元的，這是為了說(shuō)明發(fā)光

46、二極管顯示的基本原理。 應(yīng)用更普遍的是多元探測(cè)器陣列和多元發(fā)光二極管陣列的情況。如多元并掃情況(見(jiàn)圖340)，發(fā)光二極管陣列與探測(cè)器陣列一一對(duì)應(yīng)，每個(gè)探測(cè)器的輸出信號(hào)大小直接控制相應(yīng)發(fā)光二極管亮度的強(qiáng)弱。因?yàn)槭遣?，所以光學(xué)掃描器只須作一維行掃。這種方法的特點(diǎn)在于對(duì)多路信號(hào)的處理是采取光電多路直接顯示的方法，而不是象小節(jié)所說(shuō)的那樣對(duì)多路信號(hào)用采樣方法變成單一的視頻信號(hào)。這種光電多路顯示的方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適用于簡(jiǎn)單的熱成象系統(tǒng)。多路信號(hào)采樣在頻率很高時(shí)(如10MHz以上)，實(shí)現(xiàn)就很困難，而光電多路顯示則不受此限。 圖3-402.圖象顯示中的同步和消隱 同步 采用陰極射線管顯示時(shí)，輸入的視頻信號(hào)用來(lái)

47、控制電子束的強(qiáng)弱，進(jìn)而控制熒光屏上的光點(diǎn)亮度。電子束的偏轉(zhuǎn)則是一種復(fù)掃描過(guò)程。電子束的偏轉(zhuǎn)方式應(yīng)和原掃描方式完全相同。無(wú)論原掃描采用的方式是光機(jī)掃描式或電子束掃描式或固體自掃描式，都應(yīng)如此。這樣在顯示器上便可顯示和景物相應(yīng)的熱象。 掃描機(jī)構(gòu)有行掃描和幀掃描兩部分，所以同步機(jī)構(gòu)也應(yīng)有行同步機(jī)構(gòu)和幀同步機(jī)構(gòu)兩部分。 同步機(jī)構(gòu)有光敏觸發(fā)、磁敏觸發(fā)和機(jī)械觸發(fā)等類型，由原掃描機(jī)構(gòu)觸發(fā)產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)過(guò)放大整形后成為符合一定要求的脈沖信號(hào)，然后控制顯象管的電子束與原掃描機(jī)構(gòu)作同步偏轉(zhuǎn)。每掃完一行及每掃完一幀后，傳送一個(gè)行同步信號(hào)和一個(gè)幀同步信號(hào)，使顯示器和掃描機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)地工作。 消隱 顯象管的電子束在有效掃描時(shí)

48、間內(nèi)發(fā)關(guān)送圖象信號(hào)，而在回掃及其他非有效掃描時(shí)間內(nèi)，為了不影響畫(huà)面的清晰度，要停止發(fā)送圖象信號(hào)，因此須加入一個(gè)脈沖信號(hào)來(lái)關(guān)掉電子束，這種脈沖信號(hào)就叫消隱信號(hào)。它也有行消隱和幀消隱兩種。消隱信號(hào)也有光敏觸發(fā)、磁敏觸發(fā)和機(jī)械觸發(fā)等類型的。觸發(fā)后的信號(hào)同樣要經(jīng)過(guò)放大整形成為符合一定要求的脈沖信號(hào)后才能使用。將消隱信號(hào)加以各種變換可以配合作各種模式顯示。 §5 成象跟蹤原理 一、引言 對(duì)擴(kuò)展源來(lái)說(shuō)，應(yīng)該用成象裝置對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)。所謂擴(kuò)展源泛指所觀察空間的一切景物。成象裝置的攝象頭攝取景物空間的圖象，并測(cè)量出各個(gè)景物在視場(chǎng)中的位置。當(dāng)其中的某些景物(目標(biāo))相對(duì)于攝象頭作某種運(yùn)動(dòng)時(shí)，攝象頭若能對(duì)作

49、相對(duì)運(yùn)動(dòng)的景物(目標(biāo))進(jìn)行跟蹤，則這種具有跟蹤能力的成象裝置稱為成象跟蹤器。 成象跟蹤器的組成方框圖如圖341所示。 圖3-41成象跟蹤器對(duì)目標(biāo)的跟蹤原理和前面第二章所述的跟蹤原理完全相同。對(duì)成象跟蹤器而言，首先應(yīng)測(cè)出面目標(biāo)在視場(chǎng)中的位置。圖342中觀察視場(chǎng)為A×B，視場(chǎng)中心為O，目標(biāo)圖象在視場(chǎng)中的位置如圖所示。測(cè)量目標(biāo)圖象位置的方法有測(cè)量目標(biāo)圖象的邊緣、測(cè)量目標(biāo)圖象的矩心以及測(cè)量目標(biāo)圖象的相關(guān)度等幾種。用這些不同的測(cè)量方法構(gòu)成的跟蹤器分別為邊緣跟蹤器、矩心跟蹤器及相關(guān)跟蹤器。由攝象頭輸出的目標(biāo)視頻信號(hào)送到圖象信號(hào)處理器，目標(biāo)視頻信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后檢出與目標(biāo)位置相應(yīng)的誤差信號(hào)。誤差信號(hào)控

50、制伺服機(jī)構(gòu)使攝象頭跟隨目標(biāo)。對(duì)成象跟蹤器而言，主要的問(wèn)題是當(dāng)觀察目標(biāo)作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)將目標(biāo)視頻信號(hào)處理成誤差信號(hào)的設(shè)計(jì)問(wèn)題，也就是圖象信號(hào)處理器的設(shè)計(jì)問(wèn)題。對(duì)邊緣跟蹤及矩心跟蹤來(lái)說(shuō)，都要設(shè)置一個(gè)波門(mén)。波門(mén)的尺寸略大于目標(biāo)圖象，波門(mén)緊緊套住目標(biāo)圖象(如圖342所示)。波門(mén)是隨目標(biāo)圖象視頻信號(hào)而產(chǎn)生的。在波門(mén)以內(nèi)的信號(hào)當(dāng)作感興趣的信號(hào)予以檢出而摒除波門(mén)以外的其它信號(hào)；也可以針對(duì)視場(chǎng)中出現(xiàn)的苦干個(gè)目標(biāo)面同時(shí)設(shè)置幾個(gè)波門(mén)，分別檢出各個(gè)波門(mén)中的信號(hào)。從整個(gè)視場(chǎng)中檢出波門(mén)內(nèi)的信號(hào)的方法屬于選通技術(shù)的范疇。利用選通技術(shù)可以對(duì)目標(biāo)進(jìn)行有選擇的跟蹤，同時(shí)也可以非常有效地排除背景干擾。相關(guān)跟蹤是用測(cè)量?jī)煞鶊D象之間的相

51、關(guān)度的方法去計(jì)算目標(biāo)的位置變化的。用預(yù)存的目標(biāo)圖象去和實(shí)時(shí)攝取的目標(biāo)圖象求取相關(guān)值稱為圖象匹配技術(shù)；有先后相鄰的兩幀實(shí)時(shí)攝取的圖象求取相關(guān)值則稱為動(dòng)目標(biāo)跟蹤技術(shù)。在相關(guān)跟蹤的誤差信號(hào)處理中對(duì)相關(guān)度的取值有一定要求(在乘積相關(guān)算法中取最大值，在MAD算法中取最小值)，所以相關(guān)跟蹤器對(duì)與選定的跟蹤目標(biāo)圖象不相似的其他一切景物都不敏感，因此相關(guān)跟蹤器具有極好的選通跟蹤能力的抗背景干擾能力。圖3-42從上面的敘述可知，由于成象跟蹤器利用了目標(biāo)圖象的形狀及其亮度分布狀況等作為跟蹤信息，所以信息量比較豐富。非成象跟蹤系統(tǒng)只是利用目標(biāo)的輻射強(qiáng)度作為跟蹤信息。因此象跟蹤器比非成象跟蹤器要優(yōu)越得多，可對(duì)各種目標(biāo)和背景進(jìn)行鑒別而實(shí)行選擇跟蹤，跟蹤精度也較高。 對(duì)成象跟蹤系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其基本性能要求應(yīng)從成象和跟蹤兩個(gè)方面同時(shí)考慮，如成象性能為溫度分辨率、空間分辨率及掃描速率(或速高比)；跟蹤性能為跟蹤角速度、跟