紅外成像系統(tǒng)

1、目錄一、概論 (11、熱像儀構(gòu)成 (12、熱成像功能: (13、熱成像技術(shù)的優(yōu)點 (14、紅外成像陣列與系統(tǒng)分類 (15、熱成像技術(shù)的劃代 (16、典型技術(shù)特點 (27、制冷紅外成像陣列與系統(tǒng)的發(fā)展 (47、非制冷紅外成像陣列與系統(tǒng)的發(fā)展 (48、紅外成像探測器的發(fā)展趨勢 (5二、工作原理與結(jié)構(gòu) (51、串掃型熱像儀 (62、并掃型熱像儀 (73、串并掃型熱像儀 (8四、常見的光機掃描機構(gòu) (91、旋轉(zhuǎn)反射鏡鼓做二維掃描 (92、平行光路中旋轉(zhuǎn)反射鏡鼓與擺鏡組合 (103、平行光路中反射鏡鼓加會聚光路中擺鏡 (104、折射棱鏡與反射鏡鼓組合 (115、會聚光路中兩旋轉(zhuǎn)折射棱鏡組合 (126、兩

2、個擺動平面鏡組合 (12五、熱成像系統(tǒng)基本技術(shù)參數(shù) (121、光學(xué)系統(tǒng)的通光口徑0D 和焦距0f (122、瞬時視場角、 (123、觀察視場角H W 、V W (134、幀時f T 和幀速F (135、掃描效率 (136、滯留時間d (13六、紅外成像系統(tǒng)綜合性能參數(shù) (141、噪聲等效溫差NETD (142、最小可分辨溫差MRTD (153、最小可探測溫差MDTD (18紅外成像系統(tǒng)一、概論能夠攝取景物紅外輻射分布,并將其轉(zhuǎn)換為人眼可見圖像的裝置,就是紅外熱成像系統(tǒng)(簡稱熱像儀。實現(xiàn)景物熱成像的技術(shù)稱為熱成像技術(shù)。1、熱像儀構(gòu)成接收和匯聚景物紅外輻射的紅外光學(xué)組件;既實現(xiàn)紅外望遠鏡大視場與紅

3、外探測器小視場匹配,又按顯示制式的要求進行信號編碼的光學(xué)機械掃描器(當使用探測元數(shù)量足夠多的紅外焦平面探測器時,光學(xué)機械掃描器可以省去;將熱輻射信號變成電信號的紅外探測器組件;對電信號進行處理的電子學(xué)組件;將電信號轉(zhuǎn)變成可見光圖像的顯示器;進行信號處理的算法和軟件。2、熱成像功能:將人眼的觀察范圍擴展到光譜紅外區(qū);極大地提高人眼觀察的靈敏度;獲得了客觀世界與熱運動相關(guān)的信息。3、熱成像技術(shù)的優(yōu)點環(huán)境適應(yīng)性優(yōu)于可見光,尤其是在夜間和惡劣天候下,具有較好的穿透煙霧和塵埃的能力;隱蔽性好,比雷達和激光探測安全且保密性強,不易被干擾;識別偽裝目標的能力優(yōu)于可見光,具有較強的反隱身能力;具有較遠的作用距

4、離;與雷達系統(tǒng)相比,體積小,重量輕,功耗低。由于大氣中的水分子對紅外輻射的吸收比對雷達波的大,因此熱成像技術(shù)還不能實現(xiàn)全天候工作。4、紅外成像陣列與系統(tǒng)分類被動紅外成像系統(tǒng),主動紅外成像系統(tǒng);掃描型紅外成像系統(tǒng),凝視型紅外成像系統(tǒng);制冷型熱像儀,非制冷型熱像儀;長波紅外熱像儀、中波紅外熱像儀、短波紅外成像儀、雙波段紅外熱像儀、多波段紅外熱像儀。平臺觀瞄型熱像儀、便攜式熱像儀、制導(dǎo)型熱像儀、紅外搜索跟蹤系統(tǒng)、紅外行掃儀。5、熱成像技術(shù)的劃代關(guān)于熱成像系統(tǒng)的劃代,有不同的說法:歐洲第一代:探測元數(shù)少于200元的熱成像系統(tǒng);第二代:探測器為掃描型FPA的熱成像系統(tǒng);第三代:探測器為凝視型FPA的熱成

5、像系統(tǒng)。美國第一代:探測元數(shù)少于200元的熱成像系統(tǒng);第二代:探測器元數(shù)少于106的FPA熱成像系統(tǒng);第三代:探測器元數(shù)大于106的FPA,多光譜FPA的熱成像系統(tǒng)。不同代之間熱像儀的典型性能第一代:熱靈敏度100mK,空間分辨率0.2mrad;第二代:熱靈敏度50mK,空間分辨率0.1mrad;第三代熱靈敏度10mK,空間分辨率0.1mrad。特征比較第一代的特征:HgCdTe體材料,多元線列或小面陣探測器,復(fù)雜的光機掃描機構(gòu),中、小規(guī)模集成電路構(gòu)成的電子學(xué),簡單的信號處理,熱圖像的像素最多與黑白電視圖像相當。典型例子:美國以光導(dǎo)HgCdTe 60元、120元和180元探測器為核心的熱像儀通

6、用組件,英國以掃積型探測器為核心的熱像儀通用組件。第二代的特征:使用體材料或薄膜材料,長線列或可以達到與黑白電視圖像像素相當?shù)哪曅虵PA,有一定信號處理功能的大規(guī)模集成的讀出電路,簡單的光機掃描機構(gòu)或無掃描機構(gòu)。第二代熱成像系統(tǒng)具有大規(guī)模集成電路構(gòu)成的電子學(xué),復(fù)雜的信號處理,其熱圖像與黑白電視圖像相當,在與第一代熱像儀大致相同的條件下,作用距離和空間分辨率有明顯的提高。典型例子有采用法國長波HgCdTe288×4掃描型FPA的熱像儀,采用美國InSb 512×512凝視型FPA的熱像儀。第三代的特征:先進薄膜材料,長線列或可達到與高清晰度電視圖像像素相當?shù)哪曅虵PA,功

7、能復(fù)雜的、超大規(guī)模集成的讀出電路,簡單的光機掃描機構(gòu)或無掃描機構(gòu),大規(guī)?；虺笠?guī)模集成電路構(gòu)成的電子學(xué),很復(fù)雜的信號處理,熱圖像的像質(zhì)達到高清晰度電視圖像的水平。在與第二代熱像儀大致相同的條件下,作用距離和空間分辨率比第二代有明顯的提高。典型例子:美國InSb 1024×1024凝視型FPA。第四代的特征:先進的多層薄膜材料,長線列或可以達到與高清晰度電視圖像像素相當?shù)亩喙庾V面陣FPA,亞微米工藝集成的、信號處理功能強大的讀出電路,簡單的光機掃描機構(gòu)或無掃描機構(gòu),超大規(guī)模集成電路構(gòu)成的電子學(xué),采用很復(fù)雜的信號處理和圖像融合技術(shù),可以得到多光譜,甚至全光譜的高清晰度的“彩色”熱圖像。在

8、與第三代熱像儀大致相同的條件下,作用距離、空間分辨率、信息量和數(shù)據(jù)處理能力比第三代熱像儀有明顯的提高。6、典型技術(shù)特點美國第一代熱像儀通用組件和紅外探測器的技術(shù)特點1長波紅外;2光導(dǎo)HgCdTe多元線列探測器,分為60 元便攜式、低成本應(yīng)用,采用節(jié)流制冷器或斯特林制冷機120元車輛應(yīng)用,采用分置式斯特林制冷機180元高性能應(yīng)用,采用分置式斯特林制冷機這三種規(guī)格的探測器的尺寸、中心距均相同,采用結(jié)構(gòu)類似的杜瓦封裝,偏置電路與杜瓦集成在一起;3采用2:1隔行并掃模式;4采用二次圖像顯示,即熱圖像先由發(fā)光二極管陣列顯示,再用電視攝像機攝取發(fā)光二極管陣列顯示的熱圖像,在顯示器上顯示出來;5通用組件包括

9、紅外探測器組件/制冷機、掃描器、前置放大器、后置放大器、偏壓控制器、隔行掃描電路、輔助控制電路等信號處理電子學(xué)組件、控制電路組件、視頻電子學(xué)組件等;6紅外光學(xué)系統(tǒng)、顯示器不是通用組件,需要根據(jù)型號應(yīng)用的要求設(shè)計和配置;7電子學(xué)信號處理采用模擬技術(shù)。簡言之,美國用三種探測器/杜瓦/制冷器組件、一種掃描器、一套電子學(xué)組件研制了三種通用組件熱像儀。在世界上,美國第一代熱像儀通用組件技術(shù)的影響最大。第二代熱成像和紅外探測器技術(shù)20世紀70年代末開始進行第二代熱成像技術(shù)的研究。80年代中取得突破,90年代初進入小批量生產(chǎn), 90年代末第二代熱成像技術(shù)成熟到進人大批量生產(chǎn)階段。1長波紅外;2HgCdTe;

10、3掃描型紅外焦平面陣列(FPA;4串-并掃模式,5通用組件。其構(gòu)成為SADA-:480×6,掃描型,工作溫度65K;SADA-:480×6,掃描型,工作溫度80K;SADA-A:240×1,掃描型,工作溫度80K;SADA-B:240×4,掃描型,工作溫度80K。英國第一代熱像儀通用組件和紅外探測器技術(shù)1長波紅外;2HgCdTe光導(dǎo)型探測器包括:掃積型(SPRITE探測器機動平臺應(yīng)用光導(dǎo)32元線列探測器便攜式;低成本應(yīng)用3用掃積型探測器的熱像儀稱為類通用組件熱像儀,采用串并掃模式;用32元線列探測器的熱像儀稱為類通用組件熱像儀;4類熱像儀的通用組件包括:

11、紅外探測器組件/制冷機、掃描器及馬達驅(qū)動器、前置放大器和緩沖放大器、CCD帶存儲器、電視波形發(fā)生器、增益控制和鉗位電路、電源電路等電子學(xué)組件;類熱像儀的通用組件包括:紅外探測器組件/制冷機、掃描器及馬達驅(qū)動器、前置放大器和緩沖放大器、波形發(fā)生器、增益控制和鉗位電路、電源電路、直接觀察器、間接觀察轉(zhuǎn)換器等電子學(xué)組件;5電子學(xué)信號處理采用模擬技術(shù)。第二代熱成像和紅外探測器技術(shù)1長波紅外;2高端應(yīng)用追求性能,長波紅外HgCdTe768×8FPA是目前最好的焦平面器件;3低端應(yīng)用均采用非制冷焦平面探測器技術(shù),追求性能價格比,在性能上達到或接近第一代熱成像技術(shù)的水平,但價格只有第一代的1/51

12、/2。法國第一代熱像儀通用組件和紅外探測器技術(shù)1長波紅外;2HgCdTe光伏11×4小面陣探測器,機動平臺的應(yīng)用采用分置式斯特林制冷機,便攜式應(yīng)用采用節(jié)流制冷器;3采用串-并掃模式;4通用組件包括:紅外探測器組件/制冷機、掃描器及馬達驅(qū)動器、前置放大器和緩沖放大器、時間延遲積分電路、波形發(fā)生器、增益控制和鉗位電路、電源電路等電子學(xué)組件;5電子學(xué)信號處理采用模擬技術(shù)。第二代熱成像和紅外探測器技術(shù)1長波紅外為主,中波紅外在半數(shù)以上應(yīng)用領(lǐng)域已可與長波紅外競爭;2長波紅外以HgCdTe 288×4掃描型FPA為主,串-并掃模式;中波紅外HgCdTe與InSb 320×24

13、0凝視型FPA各占一半;3通用組件和通用部件兩個概念并行。隨著熱像儀的小型化,在第二代熱成像技術(shù)中,出現(xiàn)了將整個熱像儀作為一個部件使用通用熱像儀的概念,發(fā)展高、中、低三類熱像儀,將整個熱像儀作為一個部件使用。法國選擇HgCdTe 288×4FPA為突破口,既突破了關(guān)鍵技術(shù),難度又不是特別大,技術(shù)路線選擇得當,有限目標,由簡到繁,穩(wěn)步推進,最終在第二代技術(shù)中獨領(lǐng)風(fēng)騷。7、制冷紅外成像陣列與系統(tǒng)的發(fā)展大致可以分成三個階段:1技術(shù)探索期大約從1978年至1986年。在這一階段,主要是對各種可能的技術(shù)、技術(shù)路線進行了探索,例如:在紅外焦平面探測器上,研究了HgCdTe、InSb。在信號的讀出

14、方式上,研究了單片式和混成式結(jié)構(gòu),研究了電荷注入器件、電荷耦合器件、金屬-氧化物-半導(dǎo)體開關(guān)矩陣器件等。從技術(shù)的發(fā)展看,早期人們希望用一種材料,同時完成對紅外輻射的光電轉(zhuǎn)換和信號的讀出,例如用HgCdTe、InSb材料研制的單片式電荷注入器件。由于HgCdTe、InSb材料都是窄禁帶的半導(dǎo)體,所形成的勢阱容量不足,紅外輻射的背景通量很大,因此,幾年后人們就將注意力轉(zhuǎn)移到混成式結(jié)構(gòu)上了,即紅外探測器列陣用HgCdTe、InSb材料,信號處理電路用硅集成電路,再將其互連形成一個焦平面探測器芯片組件。2技術(shù)成型期從1986年至1997年。在這一時期,人們已認識到:用窄禁帶半導(dǎo)體材料研制紅外探測器列陣

15、芯片,用硅集成電路芯片實現(xiàn)信號處理是研制紅外焦平面探測器的最佳途徑,所以,技術(shù)路線主要集中在混成式結(jié)構(gòu)上,進而研制成功各種規(guī)格的紅外焦平面探測器,開始進入系統(tǒng)應(yīng)用階段。即使集成式結(jié)構(gòu)的紅外焦平面探測器,也要采用其他探測器材料。例如:肖特基勢壘紅外焦平面探測器采用Pt-Si等薄膜材料。在這一時期,人們結(jié)合特定領(lǐng)域的應(yīng)用,集中研制幾種規(guī)格的紅外焦平面探測器,例如:掃描型的有288 /240×4、480×4/6、576×6、768×8等,凝視型的有128×128、256×256、320×240、384×288、512&#

16、215;512、640×480等。3技術(shù)成熟期從1997年至今。在這一時期,形成紅外焦平面探測器主流產(chǎn)品,并投人大規(guī)模生產(chǎn)。由于成本的原因,即使已經(jīng)研制出來的一些產(chǎn)品也未投人大規(guī)模生產(chǎn),例如,長波HgCdTe 640×480規(guī)模的焦平面探測器。7、非制冷紅外成像陣列與系統(tǒng)的發(fā)展發(fā)展大致可以分成三個階段:1技術(shù)探索期大約從1979年至1992年。在這13年中,主要是對兩種材料熱釋電材料和氧化釩材料、兩種技術(shù)路線混合式和單片式(硅微橋陣列進行了探索。以美國德克薩斯公司研制成功規(guī)模為328×245的鈦酸鍶鋇非制冷紅外焦平面探測器、霍尼韋爾光公司研制成功規(guī)模為336

17、15;240的氧化釩微測輻射熱計的非制冷焦平面探測器為標志。2技術(shù)成熟期從1992年至今。在這一時期,形成紅外焦平面探測器主流產(chǎn)品,混成式、集成式非制冷型紅外焦平面探測器均投人生產(chǎn)。例如,美國德克薩斯公司規(guī)模為328×245的鈦酸鍶鋇非制冷紅外焦平面探測器、霍尼韋爾光公司規(guī)模為336×240的氧化釩微測輻射熱計的非制冷焦平面探測器、英國GEC馬克尼公司規(guī)模為256×128的鉭鈧酸鉛非制冷焦平面探測器、法國索法拉迪公司規(guī)模為320×240的非晶硅非制冷焦平面探測器等,大量被各種低成本熱像儀所采用。非制冷焦平面探測器的出現(xiàn),使非制冷熱像儀的價格降低到第一代制

18、冷型熱像儀的l/10以下,這使熱像儀可以在更大規(guī)模、更多領(lǐng)域得到應(yīng)用,是熱成像技術(shù)領(lǐng)域的一個里程碑。另外,160×120規(guī)模的非制冷紅外焦平面探測器的生產(chǎn),進一步降低了成本。3新技術(shù)探索期從1992年至今,非制冷紅外焦平面探測器的成功,使更多的人投人新材料、新工藝、新技術(shù)的探索之中,希望解決還存在的問題,例如解決微測輻射熱計的非制冷焦平面探測器的功耗問題、減小探測元尺寸、進一步降低成本的問題、研制640×480等規(guī)模更大的器件等等。8、紅外成像探測器的發(fā)展趨勢今后,紅外探測器將隨探測器及其配套技術(shù)的成熟和市場需求的迅速擴大而加快發(fā)展,探測器的發(fā)展趨勢有以下幾個方面:1集成式

19、集成化的紅外探測器有利于簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu),能充分利用半導(dǎo)體材料和工藝技術(shù)、微電子、微機械加工、制冷的最新成果,便于器件焦平面化;2焦平面采用焦平面器件,更好地滿足系統(tǒng)的要求,簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu);3大陣列為明顯的提高系統(tǒng)的性能,紅外探測器將向大面陣和長線列發(fā)展;4小型化紅外系統(tǒng)將克服制冷、光學(xué)設(shè)計和加工、信號處理和顯示等方面的困難,縮小體積、減輕重量、降低成本等,以便擴大其應(yīng)用范圍,5高速化探測元數(shù)量增加后,要與高清晰度電視兼容,要用于獲取快速目標熱圖像等,必然要求提高焦平面探測器的幀頻和采樣速度;6多色化隨材料、器件和系統(tǒng)技術(shù)的進步,紅外探測器將向更多的光譜波段發(fā)展,既包括拓寬光譜波段,也包括將光譜波段

20、劃分成更為細致的波段,以獲得目標的“彩色”熱圖像,更豐富、更精確、更可靠地得到目標的信息;7智能化在探測器芯片上實現(xiàn)非均勻性校正、圖像處理、對背景輻射的自適應(yīng)探測等。二、工作原理與結(jié)構(gòu)熱像儀的紅外光學(xué)系統(tǒng)把來自目標景物的紅外輻射聚焦于紅外探測器上,探測器與“相應(yīng)單元”共同作用,把二維分布的紅外輻射轉(zhuǎn)換為按時序排列的一維電信號(視頻信號,經(jīng)過后續(xù)處理,變成可見光圖像顯示出來。按掃描的體制,熱像儀有“光機掃描”、“電掃描”(固態(tài)自掃描和電子束掃描均屬電掃描和“光機掃描+電掃描”三種類型。圖示為采用單元探測器的光機掃描熱像儀原理圖 它以擺動軸正交的兩塊擺動平面反射鏡分別完成水平和鉛垂方向的掃描。其中

21、沿水平向的掃描叫行掃描。行掃描鏡上裝有同步信號發(fā)生器,其輸出電壓標示每一瞬時行掃描鏡的角坐標,并以此信號來控制顯示器的電子束做同步偏轉(zhuǎn)。因而,當行掃描鏡完成對景物平面一個水平條帶的掃描時,顯示器就相應(yīng)地呈現(xiàn)熱圖像的一行。此時高低掃描鏡被驅(qū)動,使光軸在鉛垂方向下偏一行所對應(yīng)的角度。同時,高低掃描鏡上的同步信號發(fā)生器控制顯示器的電子束相應(yīng)偏轉(zhuǎn),行掃描鏡也回到起始位置,準備做下一行掃描。這樣循環(huán)往復(fù),掃完一幀,顯示器上就呈現(xiàn)景物的熱圖像。電掃描熱像儀系統(tǒng)示意如圖所示 特點是采用足夠大的焦平面陣列(FPA探測器(例如256× 256像元,用電掃描方式(圖中是用CCD將探測器的信號逐個依次讀出

22、(因而取消了光機掃描單元實質(zhì)上是以電掃描取代光機掃描,驅(qū)動電掃描的同時也發(fā)出行與幀的同步脈沖,送給顯示器,以保證各像素信號在顯示器上能被正確排列,成為所希望的可見光圖像。“光機掃描+電掃描”的熱像儀系統(tǒng)示意圖如下 以多元線列探測器上下貫穿熱像儀的像面跨度,而用水平方向的掃描鏡來掃滿系統(tǒng)在水平面內(nèi)的視角。由于此類熱像儀技術(shù)難度相對適中,工藝成熟,性能較好,故應(yīng)用很多。根據(jù)多元探測器的排列方式及其與光機掃描的協(xié)調(diào)配合情況,又將系統(tǒng)細分為串掃型、并掃型、串并掃型三種。1、串掃型熱像儀在串掃型熱像儀中,線列探測器之各單元的排列方向與光機掃描的行掃描方向一致(如圖所示, 各個探測器都有自己的前置放大器。

23、光機掃描時,景物上一點依次掃過各單元探測器,即每個單元探測器都要掃過整個物方視場所對應(yīng)的景物平面。故行掃速率與幀頻均與采用單個探測器的情況相同。假定由n個單元探測器沿行掃描方向排成線陣,在做行掃描時,各元探測器的輸出信號要經(jīng)過相應(yīng)的時間延遲后才進入積分器疊加,形成單一通道視頻信號輸入顯示器。例如,第一個探測器的信號應(yīng)延遲n-1個像元的掃描時間,第i個探測器的信號則應(yīng)延遲n-i個像元的掃描時間1in。這n個信號一起積分疊加(CCD即可實現(xiàn)這種延遲積分,形成一個增強的信號。由于信號是相關(guān)的,而噪聲則不相關(guān),結(jié)果使每行輸出的信噪比都會增加。可以證明,串聯(lián)n個單元探測器使信噪比增加為單個探測器的n倍。

24、應(yīng)當指出,采用串掃方式時,其行掃描單元必須在平行光路中。若以會聚光束做行掃描,則會使沿行掃描方向排列的線陣探測器部分出現(xiàn)離焦現(xiàn)象。另外,由于串掃方式依然需要快速行掃描和慢速幀掃描,故要求各單元探測器時間常數(shù)小,放大電路的頻帶相應(yīng)要寬。串掃方式的突出優(yōu)點是對線陣器件各單元的性能一致性要求大大放寬。另外,它信號處理簡單,無須掃描轉(zhuǎn)換即可形成時序視頻信號,便于與電視兼容。2、并掃型熱像儀在并掃型熱像儀中,多個單元探測器的排列方向與行掃描方向垂直,各單元探測器與多路前置放大器一一對應(yīng)連通。 每掃描一次,各單元探測器都彼此平行地在景物圖像上掃過一行,形成多路信號,再經(jīng)高速電子開關(guān)轉(zhuǎn)換成一路時序視頻信號送

25、至顯示器。電子開關(guān)由取樣脈沖分配器控制,同時將同步信號送至顯示器?？梢宰C明,n元并掃使帶寬減至單元探測器熱像儀的1/ n。因而n元并掃使信噪比提高為單元探測器熱像儀的n倍。采用n元并掃可利用會聚光束掃描,可利用同一反射鏡完成探測器掃描及顯示器掃描,這就使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊。而且,由于一次可掃出n行,在幀速不變的條件下,探測器駐留時間增長,故放寬了對單元探測器響應(yīng)速度的要求。這種熱像儀的主要缺點是:1要求各單元探測器一致性很好,否則會直接影響熱圖像的質(zhì)量;2每一單元探測器至少要有一根引線與前置放大器連接,在探測器元數(shù)很多時,引線的排列和引出會有工藝上的困難,同時使熱負載增加,制冷困難。為克服上述第二個

26、缺點,可采用隔行掃描方式。相應(yīng)地使單元探測器隔行排列在與行掃描正交的方向上,即兩相鄰單元的間隔正好等于一個單元的尺寸。這種隔行掃描的實施需配有隔行掃描器。 在第一場掃完后,隔行掃描器使鉛垂方向的掃描機動向下偏轉(zhuǎn),光軸向下傾斜(其傾角正好與一個單元探測器的尺寸相當,再掃第二場。前后兩場拼接起來組成一幀完整的景物熱圖像。隔行掃描方式可用n/2個單元探測器達到n個單元探測器的掃描視場,同時又不增加放大器的帶寬。但它掃一幀多花了一倍的時間,而且掃描機構(gòu)復(fù)雜一些在鉛垂方向增加一個固定角度的上下擺動機構(gòu)。3、串并掃型熱像儀串并掃型熱像儀將其探測器排列成m×n元的短陣形式,其沿水平方向排列的n元探

27、測器與串掃型器件功能類似,而沿與之正交方向排列的m元探測器則與并掃型器件功能類似。它兼有使目標信息增強的優(yōu)點,又可降低掃描速率,對各單元的一致性要求相對較低。尤其在并掃線列的跨度不能覆蓋鉛垂方向的全視場時,必須采用串并掃方式。從多元探測器的排列形式而言,它是以兩維面陣取代前面所述的一維線陣。下圖表示串并掃描的構(gòu)思。 相對于并掃型熱像儀,串并掃熱像儀有許多優(yōu)點:1由于單元探測器的輸出可以疊加,故其響應(yīng)率誤差可以平均,無須專設(shè)復(fù)雜的靈敏度校正電路,可利用其最高靈敏度,獲得優(yōu)質(zhì)圖像。2探測器的冷屏相對小些,冷屏角度接近光學(xué)系統(tǒng)的孔徑角。在探測器達到背景限性能時,因冷屏因素而得益,靈敏度提高約1.3倍

28、。3獲得相同性能所必需的探測器數(shù)量只有并掃型的1/31/5。實踐表明,使用2428元探測器的串并掃型熱像儀,性能與用120元并掃者相當。4檢測點目標的性能好。這是由于它避開1/ f噪聲比并掃型熱像儀容易得多,故可借助信號檢測環(huán)節(jié)有效地提高檢測點目標的靈敏度。這對熱成像跟蹤、搜索和制導(dǎo)系統(tǒng)非常重要。4、三種掃描方式的比較下表將串掃、并掃、串并掃做了對比:方式項目串掃攝像方式并掃攝像方式串并掃攝像方式探測器列陣陣列方向與行掃描方向一致列陣方向與行掃描方向垂直兩維面陣探測器元數(shù)較少較多較多探測器特性對探測器特性均勻性要求不高,但要求響應(yīng)速度快對探測器性能的均勻性要求高對探測器特性要求一般,比并掃容易

29、提高圖像質(zhì)量制冷探測器列陣短,制冷和冷屏蔽方便探測器列陣長,制冷和冷屏蔽困難,制冷效果差探測器面陣尺寸不大時,可實現(xiàn)冷屏蔽系統(tǒng)頻帶及頻帶范圍頻帶寬,低頻端可取高些,避開1/f噪聲區(qū)頻帶窄,低頻端不能取得太高,往往避不開l/f噪聲介于二者中間,比串掃帶寬窄信號處理延遲后疊加,不需掃描轉(zhuǎn)換就可以形成單通道視頻信號探測器信號并行輸出,需經(jīng)多路傳輸和掃描轉(zhuǎn)換形成視頻信號電路復(fù)雜.需延遲疊加和多路傳輸、中間存儲器信噪比通過信號疊加來增強號,從而提高信噪比,理論上提高n倍通過降低系統(tǒng)帶寬,從而降低噪聲來提高信噪比,理論上提高n倍兼有兩種提高信噪比的功能,信噪比提高大于n倍掃描速度掃描機構(gòu)轉(zhuǎn)速高,實現(xiàn)起來較

30、困難速度相對較低,易實現(xiàn)掃描速度較低四、常見的光機掃描機構(gòu)通常的光機掃描部件有擺動平面鏡、旋轉(zhuǎn)反射鏡鼓、旋轉(zhuǎn)折射棱鏡、旋轉(zhuǎn)折射光模等。它們單獨或組合成為常用的幾種掃描機構(gòu)。1、旋轉(zhuǎn)反射鏡鼓做二維掃描能兼作行掃、幀掃的反射鏡鼓如圖所示。 它是一個多面體,其每一側(cè)面與旋轉(zhuǎn)軸構(gòu)成不同的傾角i 。例如,第1面傾角i =0;第2面傾角=i ;第3面2=i ;第i 面1(-=i i ;如此等等。這樣,當?shù)谝幻鎾咄暌恍修D(zhuǎn)到第二面時,光軸在列的方向上也偏轉(zhuǎn)了角。若使角正好對應(yīng)于探測器面陣(或并掃線陣在列方向的張角,則這個單一的旋轉(zhuǎn)反射鏡鼓就可兼有二維掃描的功能。這種方案結(jié)構(gòu)緊湊,幀掃描效率很高,適于中低檔水平

31、的熱像儀和手持式熱像儀采用。由于反射鏡鼓的反射面系繞鏡鼓的中心軸線旋轉(zhuǎn),致使反射面位置有相對于光線的位移,這種位移若出現(xiàn)在會聚光路中,則會產(chǎn)生“散焦”現(xiàn)象,影響像質(zhì)。故反射鏡鼓多用在平行光路中。2、平行光路中旋轉(zhuǎn)反射鏡鼓與擺鏡組合下圖所示的機構(gòu)是由旋轉(zhuǎn)反射鏡鼓做行掃描、擺鏡做幀掃描的實例。鏡鼓、擺鏡均在平行光路中,其外形尺寸必須保證有效光束寬度0D 和所要求的視場角2,故比較龐大,加之擺鏡運動的周期性往復(fù)以及其在高速擺動情況下使視場邊緣不穩(wěn)定,不宜高速掃描。這種二維掃描機構(gòu)無附加像差,實施容易。 3、平行光路中反射鏡鼓加會聚光路中擺鏡下圖所示的機構(gòu)是由會聚光路中的擺鏡繞圖平面內(nèi)的軸線00擺動完

32、成幀掃描,由準直鏡組之間(平行光路的反射鏡鼓繞與圖面垂直的軸線旋轉(zhuǎn)完成行掃描。 這種機構(gòu)掃描效率與上述相同,但由于擺鏡在會聚光路中,擺動時產(chǎn)生“散焦”而影響像質(zhì),不宜作大視場掃描用。4、折射棱鏡與反射鏡鼓組合在下圖所示系統(tǒng)中,四方折射棱鏡,在前置望遠鏡的會聚光路里旋轉(zhuǎn)執(zhí)行幀掃描,而反射鏡鼓2位于物鏡前的平行光路里旋轉(zhuǎn)做行掃描。 前者轉(zhuǎn)軸與圖面垂直,后者轉(zhuǎn)軸在圖面內(nèi)。由于折射棱鏡掃描效率比擺鏡高,故這種組合的總掃描效率比前面方案高。加之反射鏡鼓處在經(jīng)望遠鏡壓縮的平行光路中,故尺寸可以相對減小。但折射棱鏡在會聚光路中產(chǎn)生像差,且折射棱鏡要旋轉(zhuǎn),系統(tǒng)像差設(shè)計較難。如果設(shè)計得當,可用于大視場及多元探測

33、器串并掃的場合。5、會聚光路中兩旋轉(zhuǎn)折射棱鏡組合 上圖所示結(jié)構(gòu)是由會聚光路中兩旋轉(zhuǎn)的折射棱鏡組合完成二維掃描。其中幀掃描棱鏡在前,轉(zhuǎn)軸與圖面垂直;行掃描棱鏡在后,轉(zhuǎn)軸在圖面內(nèi)且與光軸正交。二者棱面數(shù)量一樣,以使水平視場與垂直視場的像質(zhì)相當(圖中是八棱柱體。由于行掃描棱鏡入射面靠近物鏡焦平面,這里光束寬度變窄,故其厚度尺寸可以小些,使之易于實現(xiàn)高速旋轉(zhuǎn),達到高速掃描。這種系統(tǒng)的最大優(yōu)點是掃描速度快,掃描效率高(幀頻可達25Hz ,若用多元探測器,幀頻可達到50Hz;缺點是像差設(shè)計困難。由于它的高幀頻特點,使之能與普通電視兼容,因而成為高速熱像儀采用的掃描方案。例如,現(xiàn)在最具代表性的高速熱像儀AG

34、A 系列(瑞典。6、兩個擺動平面鏡組合用兩個擺軸互相垂直的平面鏡可構(gòu)成二維掃描機構(gòu),其中一個完成行掃描,另一個完成幀掃描。上圖所示的單元探測器光機掃描熱像儀即為一例。由于擺動平面鏡可安置在平行光路或會聚光路中,給系統(tǒng)方案設(shè)計留有較多的選擇余地。但由于擺鏡穩(wěn)定性差,不宜做高速掃描。實際應(yīng)用的掃描機構(gòu)還有旋轉(zhuǎn)V 形鏡、旋轉(zhuǎn)多面體內(nèi)鏡鼓、旋轉(zhuǎn)物鏡序列、 擺動探測器列陣等。五、熱成像系統(tǒng)基本技術(shù)參數(shù)1、光學(xué)系統(tǒng)的通光口徑0D 和焦距0f它們是決定熱像儀性能和體積的關(guān)鍵參數(shù)。2、瞬時視場角、在光機掃描及固體自掃描系統(tǒng)中,單元探測器尺寸為(2m b a ,水平及俯仰方向的瞬時視場角、由a 、b 及光學(xué)系統(tǒng)

35、焦距(0mm f 決定。(0mrad f a =,(0mrad f b =稱作一個分辨單元。、的大小反映了熱像儀空間分辨率的高低。3、觀察視場角HW、V W在光機掃描系統(tǒng)中,水平及俯仰方向的觀察視場角HW、V W 由光機掃描機構(gòu)的偏轉(zhuǎn)角及視場光闌決定(有些情況下也與0f 有關(guān)。對于電子束掃描和固體自掃描系統(tǒng),HW 、V W 由攝像器件的總光敏面積與0f 決定。4、幀時f T 和幀速F上述三類熱成像系統(tǒng)都是幀掃描系統(tǒng),亦稱成幀攝像方式。完成一幀掃描所需的時間稱為幀時(s T f 。單位時間完成的幀數(shù)稱為幀速F (幀/s:=FT f 15、掃描效率光機掃描機構(gòu)對景物掃描時,實際掃過的空間角度范圍通

36、常比觀察視場角HW、V W 要大。觀察視場完成一次掃描所需的時間與掃描機構(gòu)實際掃描一周所需的時間之比稱為掃描效率,即ffov T T =其中fovT是對視場完成一次掃描所需的時間。通?？臻g掃描是由水平掃描和俯仰掃描合成的,所以掃描效率也分為水平掃描效率H 和俯仰掃描效率V ,有V H =6、滯留時間d對光機掃描系統(tǒng)而言,物空間一點掃過單元探測器所經(jīng)歷的時間稱為滯留時間d。探測器在觀察視場中對應(yīng)的分辨單元數(shù)為VH W W n =由d的定義,有=FW W nT V H f d 熱像儀的綜合性能參數(shù)是在以上各基本技術(shù)參數(shù)的基礎(chǔ)上作進一步的綜合分析得出的。六、紅外成像系統(tǒng)綜合性能參數(shù)1、噪聲等效溫差N

37、ETD1NETD 的定義用熱成像系統(tǒng)觀察標準試驗圖案,圖案上的目標與背景之間能使基準化電路輸出端產(chǎn)生峰值信號與均方根噪聲之比為1時的溫差,稱為噪聲等效溫差NETD 。NETD 是表征熱成像系統(tǒng)受客觀信噪比限制的溫度分辨率的一種量度。HW VW WWT T BT用來測量NETD 的標準試驗圖案如上圖所示。目標與背景均為黑體,目標寬度W 為熱像儀分辨元的數(shù)倍,B T T T >。為了標準化和便于系統(tǒng)間進行比較起見,在系統(tǒng)電路上外接一個作通頻帶校正用的電濾波器,使全部電路(包括外接電濾波器的總傳遞函數(shù)為基準化電路的傳遞函數(shù)。2NETD 的表達式ns v v T NETD /=式中,n v 是基

38、準電路輸出的噪聲的均方根值,s v 是目標與背景之間溫差為T 時基準電路輸出端目標信號與背景信號之差。a.單元光機掃描方式的NETD推導(dǎo)過程是,先求出熱像儀分辨元接收到的輻射功率,再求出由于目標與背景溫差引起的接收功率的差異,繼而求得信號電壓的變化量及信噪比,最后由上式得到NETD :=21(*'22d T W Tc D f ab NETD B Bp p o R式中,a 、b 為探測器尺寸;R f '是基準化電路的噪聲等效帶寬;、為瞬時視場角;o 為光學(xué)系統(tǒng)平均透過率;(*p D 為探測器峰值響應(yīng)度;p 為峰值響應(yīng)頻率;b.多元串掃方式的NETD對于多元串掃方式,由于N 個元件

39、的信號線性相加,而噪聲的均方根值只增大N 倍,則信噪比相對單元探測器提高到N 倍,即 單單串串=NETDN v v N T v v T NETDn s n s 1/(/(=c.多元并掃方式的NETD對于多元并掃方式,其NETD 與單元掃描NETD 的差別在于表達式中R f '的具體結(jié)果有所不同。在白噪聲時,多元并掃并行傳送方式的R f '比單元掃描方式多乘因子N /1;多元并掃多路轉(zhuǎn)換方式的R f '比單元掃描方式多乘因子m 。d.凝視方式與單元方式有相同的R f '。綜上所述,在幀速F 相同的條件下,串掃及并掃并行傳輸方式比單元掃描時降低了NETD ,其原因分

40、別在于提高了信噪比或減小了帶寬,并掃多路轉(zhuǎn)換方式使NETD 增大為m 倍,由此換取了高的信息速率。3NETD 與系統(tǒng)性能參數(shù)的關(guān)系 在其他參數(shù)確定時,NETD 可寫為F NETDNETD 、幀頻F 及瞬時視場角是表征一個熱成像系統(tǒng)性能的三個主要特征參數(shù),分別反映了系統(tǒng)的溫度分辨率、信息率及空間分辨率。易見,這三個特征參數(shù)在性能要求上是相互矛盾的,即存在制約關(guān)系,比如要減小NETD ,就要犧牲空間分辨率降低信息率。4NETD 的局限性NETD 作為系統(tǒng)性能的綜合量度有一些不足之處:a.NETD 的測量點是在基準化電路的輸出端。由于從電路輸出端到終端圖像之間還有其他子系統(tǒng)(如顯示器,因而NETD

41、并不能表征整個系統(tǒng)的性能。b.NETD 反映的是客觀信噪比限制的溫度分辨率,但人眼對圖象的分辨效果與視在信噪比有關(guān)。NETD 并沒有考慮視覺特性的影響。c.單純追求低的NETD 值并不意味著一定有好的系統(tǒng)性能。例如,增大工作波段的寬度,顯然會使NETD 減小。但在實際應(yīng)用場合,可能會由于所接收的日光反射成分的增加,使系統(tǒng)測出的溫度與真實溫度的差異增大。d.NETD 反映的是系統(tǒng)對低頻景物(均勻大目標的溫度分辨率,不能表征系統(tǒng)用于觀測較高空間頻率景物時的溫度分辨性能。因此,NETD 作為系統(tǒng)性能的綜合量度是有局限性的。但是NETD 這個量概念明確,測量容易,目前仍在廣泛采用。尤其在系統(tǒng)設(shè)計階段,采用NETD 作為對系統(tǒng)諸參數(shù)進行選擇的權(quán)衡標淮是有用的。2、最小可分辨溫差MRTD1MRTD 的概念MRTD 是一個作為景物空間頻率函數(shù)的表征系統(tǒng)受視在信噪比限制的溫度分辨率的量度。MRTD 的測試圖案如下圖所示。1f f T =2f f T =3f f T =TT BT目標為四條帶圖案,高度為寬度W 的7倍,目標與背景均為黑體。由成像系統(tǒng)對某一組四