紅外熱成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與特性分析課件

第十一章紅外熱成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與特性分析§11.1熱成像系統(tǒng)類型與基本參數(shù)§11.2光機(jī)掃描系統(tǒng)§11.3制冷器工作原理與分類§11.4信號的處理與顯示§11.5熱成像系統(tǒng)的性能與作用距離模型§11.6熱成像系統(tǒng)的實驗室評價§11.7熱成像系統(tǒng)總體設(shè)計的基本考慮§11.1熱成像系統(tǒng)類型與基本參數(shù)11.1.1熱成像原理11.1.2熱成像系統(tǒng)的類型和組成11.1.3熱成像系統(tǒng)的基本參數(shù)與概念返回自然界中的一切物體，只要它的溫度高于絕對零度，總是在不斷地發(fā)射輻射能。因此，從原理上講，只要能收集并探測這些輻射能，就可通過探測器信號的采集和處理形成與景物輻射分布相對應(yīng)的熱圖像。這種熱圖像再現(xiàn)了景物各部分的輻射起伏，能顯示出景物的特征。11.1.1熱成像原理下一頁返回11.1圖以最簡單的單元探測器光機(jī)掃描說明了熱成像系統(tǒng)如何將景物的溫度和輻射發(fā)射率差異轉(zhuǎn)換成可見熱圖像。紅外光學(xué)系統(tǒng)將景物發(fā)出的紅外輻射通量分布聚焦成像位于光學(xué)系統(tǒng)焦平面的探測器光敏面上；位于聚焦光學(xué)系統(tǒng)和探測器之間的光機(jī)掃描器包括垂直和水平兩個掃描鏡組，當(dāng)掃描器工作時，從景物到達(dá)探測器的光束隨之移動，從而在物空間掃出像電視一樣的光柵；

上一頁下一頁11.1.1熱成像原理返回當(dāng)掃描器以電視光柵形式使探測器掃過景物時，探測器將逐點接收的景物輻射轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號序列，或者說，光機(jī)掃描器構(gòu)成的景物圖像依次掃過探測器，探測器依次把景物各部分的紅外輻射轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)過視頻處理的信號，在同步掃描的顯示器上顯示出景物的熱圖像。上一頁下一頁11.1.1熱成像原理11.1.2熱成像系統(tǒng)的類型和組成

根據(jù)紅外探測器的原理，熱成像系統(tǒng)可以分為制冷型和非制冷型。按照成像方式，熱成像系統(tǒng)可分為光機(jī)掃描型和凝視型兩種熱成像系統(tǒng)圖所示為光機(jī)掃描型熱成像系統(tǒng)方框圖，整個系統(tǒng)主要包括紅外光學(xué)系統(tǒng)、紅外探測器及制冷器，電子信號處理系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)四個組成部分。下一頁返回11.1返回光機(jī)掃描器使單元或多元陣列探測器依次掃過景物視場，形成景物的二維圖像。在光機(jī)掃描熱成像系統(tǒng)中，探測器把接收的輻射信號轉(zhuǎn)換成電信號，通過隔直流電路把背景輻射從場景電信號中消除，以獲得對比度良好的熱圖像。光機(jī)掃描型熱成像系統(tǒng)由于存在光機(jī)掃描器，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積較大、可靠性降低、成本也較高，但由于探測器性能的要求相對較低，技術(shù)難度相對較低，成為20世紀(jì)70年代以后國際上主要的實用熱成像類型，目前仍有一些重要的應(yīng)用。上一頁下一頁11.1.2熱成像系統(tǒng)的類型和組成

光機(jī)掃描型熱成像系統(tǒng)方框圖所示凝視型熱成像系統(tǒng)利用焦平面探測器面陣，使探測器中的每個單元與景物中的一個微面元應(yīng)。圖所示為凝視型熱成像系統(tǒng)的方框圖，凝視焦平面熱成像系統(tǒng)取消了光機(jī)掃描系統(tǒng)，同時探測器前置放大電路與探測器合一，集成在位于光學(xué)系統(tǒng)焦平面的探測器陣列上，這也是所謂“焦平面”的含義所在。近年來，凝視焦平面熱成像技術(shù)的發(fā)展非常迅速.上一頁下一頁11.1.2熱成像系統(tǒng)的類型和組成返回?zé)後岆娂t外成像系統(tǒng)(也稱為熱電視)也屬于凝視型熱成像系統(tǒng)，其采用熱釋電材料作靶面，制成熱釋電攝像管，勿需光機(jī)掃描，直接利用電子束掃描和相應(yīng)的處理電路，組成電視攝像型熱像儀。由于結(jié)構(gòu)簡化，不需要制冷，成本低，雖然性能不及光機(jī)掃描型熱成像系統(tǒng)，但仍有一定的市場應(yīng)用。上一頁下一頁11.1.2熱成像系統(tǒng)的類型和組成1997年美國陸軍提出了一種新的更細(xì)致的劃分方法：①將由光機(jī)掃描器與單元或多元探測器所構(gòu)成的熱成像系統(tǒng)稱為第一代熱成像系統(tǒng)；②

掃描型熱像儀稱為第二代熱像儀③

凝視型熱像儀稱為第三代熱像儀④具有先進(jìn)的信號處理功能，工作波段覆蓋可見光、近紅外、中紅外和遠(yuǎn)紅外區(qū)域的靈巧焦平面陣列稱為第四代熱成像系統(tǒng)。上一頁下一頁11.1.2熱成像系統(tǒng)的類型和組成此外，西方進(jìn)一步提出了三代成像傳感器系統(tǒng)的概念，熱成像傳感器按照戰(zhàn)技術(shù)性能可大致分為三類：1微型傳感器

2高性能非制冷傳感器

3兆像素級、多色制冷傳感器上一頁下一頁11.1.2熱成像系統(tǒng)的類型和組成11.1.2熱成像系統(tǒng)的類型和組成

以上幾種傳感器均為焦平面器件，從中可以看出兆像素級、多色制冷探測器，高性能非制冷探測器以及低成本微型非制冷探測器是重要的發(fā)展方向。根據(jù)目前探測器的水平，實際熱成像系統(tǒng)大致采用如下設(shè)計思想：在近程或低成本應(yīng)用中一般采用非制冷探測器技術(shù)，在中、遠(yuǎn)程監(jiān)視將盡可能采用二維PtSi、InSb、HgCdTe凝視陣列，而在高級武器瞄準(zhǔn)應(yīng)用如新一代坦克瞄具中將采用掃描型HgCdTe陣列。上一頁下一頁

1.瞬時視場(IFOV)

瞬時視場指的是探測器線性尺寸對系統(tǒng)物空間的兩維張角，它由探測器的形狀、尺寸和光學(xué)系統(tǒng)的焦距決定。若探測器為矩形，尺寸為a×b，則瞬時視場的平面角α、β為α=a/f′,β=b/f′下一頁11.1.3熱成像系統(tǒng)的基本參數(shù)與概念返回11.12幀周期和幀頻系統(tǒng)掃過一幅完整畫面所需的時間Tf稱為幀周期，單位為s,系統(tǒng)一秒鐘掃過畫面的幀數(shù)fp稱為幀頻或幀速，單位為Hz。fp和Tf的關(guān)系為fp=1/T上一頁下一頁11.1.3熱成像系統(tǒng)的基本參數(shù)與概念3掃描效率(ηscan)

熱成像系統(tǒng)對景物掃描時，由于同步掃描、回掃、直流恢復(fù)等要占時間，在這個時間內(nèi)不產(chǎn)生視頻信號，稱為空載時間，表示為Tf。幀周期與空載時間之差(Tf-T′f)稱為有效掃描時間。有效掃描時間與幀周期之比稱為系統(tǒng)的掃描效率，即ηscan=(Tf-T′f)/T4空間角頻率上一頁下一頁11.1.3熱成像系統(tǒng)的基本參數(shù)與概念11.1.3熱成像系統(tǒng)的基本參數(shù)與概念

5空間頻率

空間頻率定義為單位空間上目標(biāo)條紋的周期數(shù)。在熱成像系統(tǒng)中常用單位毫弧度中的周期數(shù)來表示(cyc/mrad)。設(shè)有等寬度的亮暗條紋圖案，相鄰條紋中心距為lx，稱為空間周期(單位為mm)，若觀察點O與圖案之間的距離為R(單位為mm)，則θ=lx/R(單位為mrad)稱為角周期，其倒數(shù)即為空間角頻率fx=1/θ=R/lx(cyc/mrad)對于二維圖像可以定義二維空間角頻率(fx,fy)。

過掃比在熱成像系統(tǒng)中，相鄰兩行的瞬時視場之間可能有重疊或間隙，表征這種行掃描重疊程度的系數(shù)稱為過掃比

上一頁下一頁11.1.3熱成像系統(tǒng)的基本參數(shù)與概念11.1.3熱成像系統(tǒng)的基本參數(shù)與概念

6總視場(FOV)

總視場指系統(tǒng)所觀察到的物空間兩維視場角?？傄晥鲇上到y(tǒng)所觀察的景物空間和光學(xué)系統(tǒng)的焦距決定，若總視場在水平和垂直方向分別為Wh和Wv，則系統(tǒng)的總視場可表示為Wh×Wv。

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7駐留時間(τd)駐留時間是光機(jī)掃描熱成像系統(tǒng)的一個重要參數(shù)。熱成像系統(tǒng)所觀察的景物可以看成若干個發(fā)射輻射能的幾何點的集合。成像過程中，探測器相對于這些點源是運(yùn)動的，在與探測器前沿相交的瞬間到與探測器后沿脫離的瞬間所經(jīng)歷的時間，就是探測器的駐留時間。換言之，探測器駐留時間是掃過一個探測器張角所需的時間。上一頁下一頁11.1.3熱成像系統(tǒng)的基本參數(shù)與概念

8.時間頻率與空間頻率的關(guān)系在光機(jī)掃描熱成像系統(tǒng)中，空間頻率f(cyc/mrad)和時間頻率ft(單位：Hz)之間是相關(guān)的上一頁下一頁11.1.3熱成像系統(tǒng)的基本參數(shù)與概念11.1.3熱成像系統(tǒng)的基本參數(shù)與概念熱成像系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：①熱成像系統(tǒng)不像主動紅外夜視儀那樣需要紅外光源，也不像微光夜視儀那樣需要借助夜光，而是靠目標(biāo)與背景的輻射差產(chǎn)生景物圖像。因此，熱成像系統(tǒng)是全被動式的，不易被對方發(fā)現(xiàn)和干擾。熱成像系統(tǒng)能在24小時全天候工作②紅外輻射比人眼和可見光傳感器所利用的可見光輻射具有更強(qiáng)的透過霧、霾、雨、雪的能力，因而熱成像系統(tǒng)的作用距離遠(yuǎn)。上一頁下一頁上一頁下一頁上一頁下一頁11.1.3熱成像系統(tǒng)的基本參數(shù)與概念③在戰(zhàn)場上，不會由于炮口火焰的強(qiáng)閃光和炸彈硝煙而產(chǎn)生迷盲效應(yīng)。④能透過偽裝，探測出隱蔽的熱目標(biāo)，甚至能識別出剛離去的飛機(jī)和坦克等所留下的熱輪廓⑤隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，很多熱成像系統(tǒng)具有完整的圖像處理功能，可明顯改善圖像質(zhì)量。熱成像系統(tǒng)通常采用全電視信號，可實現(xiàn)與電視兼容，具有與電視系統(tǒng)一樣的優(yōu)越性，如多人同時觀察，錄像和傳輸?shù)?。熱成像系統(tǒng)在戰(zhàn)略預(yù)警、戰(zhàn)術(shù)預(yù)警/告警、偵察、觀瞄、導(dǎo)航、制導(dǎo)、遙感、氣象、醫(yī)學(xué)和科學(xué)研究等軍事和民用的許多領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。在軍事上,熱成像技術(shù)廣泛應(yīng)用于戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)武器裝備。戰(zhàn)略裝備諸如對洲際彈道導(dǎo)彈的探測、識別、跟蹤，高能束攔截武器的瞄準(zhǔn)，攔截導(dǎo)彈的制導(dǎo)，大氣層內(nèi)外核爆炸的探測等。戰(zhàn)術(shù)裝備包括偵察、觀瞄、火控、跟蹤、制導(dǎo)等。目前，已有大量的熱瞄具，導(dǎo)彈成像制導(dǎo)與火炮瞄準(zhǔn)鏡，機(jī)載和艦載前視紅外系統(tǒng)等裝備部隊。上一頁下一頁11.1.3熱成像系統(tǒng)的基本參數(shù)與概念在熱成像系統(tǒng)中，單一紅外探測器所對應(yīng)的瞬時視場往往是很小的，一般只有毫弧度或亞毫弧度，為得到總視場中景物的熱圖像，必須對景物掃描。這種掃描通常是由機(jī)械傳動的光學(xué)掃描部件完成，故稱為光機(jī)掃描?！?1.2光機(jī)掃描系統(tǒng)下一頁返回§11.2光機(jī)掃描系統(tǒng)11.2.1基本掃描方式11.2.2光機(jī)掃描器11.2.3幾種常用的光機(jī)掃描方案上一頁根據(jù)掃描器置于聚光光學(xué)系統(tǒng)之前或之后，構(gòu)成兩種基本的掃描方式，即物方掃描和像方掃描。圖

(a)和圖(b)分別表示以物點為固定參考點的物方掃描和像方掃描，圖(c)和圖(d)分別表示以像點為固定參考點的物方掃描和像方掃描。下一頁返回11.211.2.1基本掃描方式返回1.物方掃描掃描器位于聚光光學(xué)系統(tǒng)之前或置于無焦望遠(yuǎn)系統(tǒng)壓縮的平行光路中。由于掃描器在平行光路中工作，故稱平行光束掃描。掃描器在聚光光學(xué)系統(tǒng)前面，旋轉(zhuǎn)反射鏡鼓3完成水平方向快掃，擺動反射鏡2完成垂直方向慢掃。這種掃描方式一般需要有個比聚光光學(xué)系統(tǒng)口徑大的掃描鏡，且口徑隨聚光光學(xué)系統(tǒng)的增大而增大。由于掃描器比較大，掃描速度的提高受到限制。上一頁下一頁11.2.1基本掃描方式2像方掃描掃描器位于聚光光學(xué)系統(tǒng)和探測器之間的光路中，對像方光束進(jìn)行掃描。由于掃描器在會聚光路中工作，故稱會聚光束掃描。擺動平面反射鏡和旋轉(zhuǎn)折射棱鏡置于會聚光路中，掃描器可做得較小，易于實現(xiàn)高速掃描。但這種掃描方式需要使用后截距長的聚光光學(xué)系統(tǒng)，且由于在像方掃描，將導(dǎo)致像面的掃描散焦，對聚光光學(xué)系統(tǒng)有較高的要求。掃描視場不宜太大，像差修正比較困難。上一頁下一頁11.2.1基本掃描方式

3.兩種基本掃描方式的比較

優(yōu)缺點:1.產(chǎn)生平直掃描場；

2.大多數(shù)掃描器不產(chǎn)生附加像差；3.掃描器光學(xué)質(zhì)量對系統(tǒng)聚焦性能影響較小，像差校正容易上一頁下一頁11.2.1基本掃描方式11.2.1基本掃描方式

4.掃描器尺寸大，不易實現(xiàn)高速掃描

(1)產(chǎn)生彎曲場；

(2)掃描器存在不可避免的散焦；(3)掃描器光學(xué)質(zhì)量對系統(tǒng)聚焦性能影響較大，像正校正困難；

(4)聚光系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜掃描器尺寸較小，容易實現(xiàn)高速掃描應(yīng)用民用熱像儀中居多，配以無焦望遠(yuǎn)系統(tǒng)，壓縮平行光路，減小尺寸，可用于軍事上上一頁下一頁下面介紹常用的擺動平面反射鏡、旋轉(zhuǎn)反射鏡鼓、旋轉(zhuǎn)折射棱鏡、旋轉(zhuǎn)折射光楔等光機(jī)掃描器。1.擺動平面反射鏡擺動平面反射鏡在一定范圍內(nèi)周期性地擺動完成掃描。根據(jù)反射的光學(xué)原理，擺動反射鏡使光線產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)角二倍于反射鏡的擺角，即當(dāng)反射鏡擺動α角時，反射光線偏轉(zhuǎn)2α角。擺動平面反射鏡構(gòu)成的掃描器既可用作平行光束掃描器，又可用作會聚光束掃描。11.2.2光機(jī)掃描器下一頁返回11.22旋轉(zhuǎn)2反射鏡鼓在高速掃描的情況下，經(jīng)常采用旋轉(zhuǎn)反射鏡鼓,由于鏡鼓是連續(xù)轉(zhuǎn)動，故比較平穩(wěn)。旋轉(zhuǎn)反射鏡鼓主要用于平行光束掃描。旋轉(zhuǎn)反射鏡鼓與擺動平面反射鏡工作狀態(tài)基本相同，轉(zhuǎn)角關(guān)系和像差也類似。但旋轉(zhuǎn)反射鏡鼓的反射面是繞鏡鼓中心線旋轉(zhuǎn)，所以鏡面位置相對于光線產(chǎn)生位移。3旋轉(zhuǎn)折射棱鏡掃描器上一頁下一頁11.2.2光機(jī)掃描器11.2.2光機(jī)掃描器

4旋轉(zhuǎn)折射光楔

折射光楔是指兩折射平面夾角很小的折射棱鏡。旋轉(zhuǎn)折射光楔掃描由于在會聚光束中會產(chǎn)生嚴(yán)重的像差，因此一般用在平行光路中。圖給出入射光線在折射光楔主截面內(nèi)折射偏轉(zhuǎn)的情況。

上一頁下一頁返回上一頁下一頁11.2.2光機(jī)掃描器5其他掃描器

除上述常用的光學(xué)掃描器外，還有其他類型的掃描器(如圖)。2

折射棱鏡幀掃描、反射鏡鼓行掃描

1旋轉(zhuǎn)反射鏡鼓作行掃描，擺鏡作幀掃描3

兩個折射棱鏡掃描

4兩擺動平面鏡掃描11.2.3幾種常用的光機(jī)掃描方案返回11.2§11.3制冷器工作原理與分類下一頁11.3.1杜瓦瓶

在紅外探測器的制冷器組件中，杜瓦瓶是一種能防止輻、對流和傳導(dǎo)的隔熱容器。瓦瓶主要分為玻璃杜瓦瓶和金屬杜瓦瓶兩種。圖所示為熱成像系統(tǒng)中常用的小型玻璃杜瓦瓶，它由內(nèi)外壁、引線、紅外窗口等部分組成。在內(nèi)壁的外表面和外壁的內(nèi)表面鍍上反射層，內(nèi)外壁間抽成真空，構(gòu)成絕熱層。返回上一頁下一頁§11.3制冷器工作原理與分類

11.3.2紅外探測器的制冷器

1.液氮制冷器獲得低溫的方法大致有物理和化學(xué)兩種。在紅外探測器制冷中常用物理方法。由于使用場合和要求制冷溫度的不同，可利用不同的原理制成合適的制冷器。1液氮制冷器相變制冷原理：物質(zhì)相變是指其聚集狀態(tài)的變化,物質(zhì)發(fā)生相變時，需要吸收或放出熱量，這種熱量稱為相變潛熱。利用制冷工作物質(zhì)相變吸熱效應(yīng)，如固態(tài)工作物質(zhì)熔解吸熱或升華吸熱、液體氣化吸熱等而達(dá)到制冷.在杜瓦瓶的冷液室中直接注入液氮制冷劑，構(gòu)成液氮制冷器。上一頁下一頁11.3.2紅外探測器的制冷器2氣體節(jié)流式制冷器焦耳-湯姆遜效應(yīng)：當(dāng)高壓氣體的溫度低于本身的轉(zhuǎn)換溫度，并通過一個很小的節(jié)流孔時，由于氣體膨脹而使溫度下降。如果使節(jié)流后的低溫氣體返回來冷卻進(jìn)入的高壓氣體，使高壓氣體在越來越低的溫度下節(jié)流，不斷重復(fù)這種過程，就可獲得所要求的低溫，達(dá)到制冷的目的。上一頁下一頁§11.3制冷器工作原理與分類§11.3制冷器工作原理與分類11.3.2紅外探測器的制冷器

3斯特林循環(huán)制冷器由于氣體等熵膨脹時，不但借膨脹機(jī)的活塞向外輸出機(jī)械功，且膨脹后，氣體的內(nèi)位能也要增加，這要消耗氣體本身的內(nèi)功能來補(bǔ)償，所以氣體等熵膨脹后溫度將顯著降低。斯特林循環(huán)制冷器利用氣體等熵膨脹原理而工作，由壓縮腔、冷卻器、再生器和制冷膨脹腔等部分組成。上一頁下一頁上一頁下一頁上一頁下一頁§11.3制冷器工作原理與分類

11.3.2紅外探測器的制冷器

4半導(dǎo)體制冷器珀爾貼效應(yīng)：如果把任何兩種物體聯(lián)結(jié)成電偶對，構(gòu)成閉合回路，當(dāng)有直流電通過時，在一個接頭電子與空穴產(chǎn)生分離運(yùn)動，吸收能量而變冷，另一接頭處產(chǎn)生復(fù)合，放出能量而變熱。一般物體的珀爾貼效應(yīng)不明顯，如果用兩塊N型和P型半導(dǎo)體作電偶對時，就會產(chǎn)生非常明顯的珀爾貼效應(yīng)，冷端可用于探測器制冷，故又稱溫差電制冷器或半導(dǎo)體制冷器。半導(dǎo)體制冷器的制冷能力取決于半導(dǎo)體材料和回路中電流。目前，較好的半導(dǎo)體材料為碲化鉍及其固熔體合金，一級半導(dǎo)體制冷器可獲得大約60℃的溫差。為達(dá)到更低制冷溫度可將多級熱電偶對串接起來，即把一個熱電偶對的熱結(jié)與下一個熱電偶對的冷結(jié)形成良好的熱接觸。上一頁下一頁§11.3制冷器工作原理與分類11.3.2紅外探測器的制冷器

5輻射制冷器輻射傳熱：如果兩物體溫度不同，高溫物體就要輻射能量，溫度降低；而低溫物體則吸收輻射能，溫度升高。由于宇宙空間處于高真空、深低溫狀態(tài)，處于這種特殊環(huán)境中，物體可以和周圍的深冷(約3K)空間進(jìn)行輻射熱交換，從而使熱物體不斷降溫，達(dá)到制冷的目的。輻射制冷器由冷片、輻射器、帽檐、多層絕熱層和外屏蔽等部分組成。為了獲得不同的制冷溫度，可由一個、兩個或三個以上大小不同的輻射器串聯(lián)構(gòu)成單級、雙級或三級制冷器，圖為歐洲ESA衛(wèi)星上的輻射制冷器，它能把紅外探測器制冷到95K。

對于單元探測器的熱成像系統(tǒng)，由于探測器的基本限制，不可能有足夠的熱靈敏度。因此，必須提高探測器元數(shù)，以改進(jìn)每幀、每探測器單元的信噪比，提高系統(tǒng)的性能。在熱成像系統(tǒng)中，將多元探測器按不同方式排列起來分解景物(如圖)，形成并聯(lián)掃描、串聯(lián)掃描和串并掃描三種基本攝像方式。11.4.1熱成像系統(tǒng)的攝像方式下一頁返回上一頁下一頁11.4.1熱成像系統(tǒng)的攝像方式

1并聯(lián)掃描攝像方式

并聯(lián)掃描是利用一個與行掃描方向垂直的探測器列陣來分解景物，列陣中的每個探測器平行掃過景物像，每個探測器掃過一行。每個探測器輸出的信號經(jīng)多路傳輸和掃描轉(zhuǎn)換后按視頻信號輸出(如圖)。返回上一頁下一頁11.4.1熱成像系統(tǒng)的攝像方式2串聯(lián)掃描攝像方式

串聯(lián)掃描中ns個探測器列陣，參照物空間水平排列成一行。各探測器單元掃描是同一行，通過兩維掃描，每個探測器都掃過系統(tǒng)的總視場。各探測器信號經(jīng)相應(yīng)的延遲后疊加，形成單一通道視頻信號輸入(如圖)。返回上一頁下一頁11.4.1熱成像系統(tǒng)的攝像方式3串并掃攝像方式

無論是串掃攝像方式還是并掃攝像方式，都有各自的優(yōu)缺點，尤其當(dāng)并聯(lián)探測器的元數(shù)不能覆蓋整個景物區(qū)域時，為了得到一幅完整的圖像，需采用串并掃攝像方式。串并掃攝像方式中，用兩維多元探測器面陣代替線陣探測器。4三種攝像方式的比較

綜上所述，三種攝像方式各有特點，在提高系統(tǒng)熱靈敏度方面具有大體相同的效果。但在具體應(yīng)用上卻受到許多實際問題的影響，使其在實用上有一定差異。

11.4.2信號處理與顯示

熱成像系統(tǒng)為獲取景物圖像，首先將景物進(jìn)行空間分解，然后依次將這些單元空間的景物輻射轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號，最后以時序視頻信號方式輸出。不同的攝像方式所得出的視頻信號具有相同的性質(zhì)，只是由于景物分解方法不同，時序視頻信號形成方式有所不同。信號處理與顯示的基本任務(wù)是形成與景物輻射相應(yīng)的視頻信號，然后根據(jù)景物各單元對應(yīng)的視頻信號得到景物各部分的溫度，并顯示出景物的熱圖像。

上一頁下一頁上一頁下一頁11.4.2信號處理與顯示

在實際應(yīng)用中，有時要求對圖像作進(jìn)一步的處理，如圖像增強(qiáng)、圖像修復(fù)等。這里主要討論溫度信號處理和熱圖像顯示兩個基本問題。

1視頻信號處理信號處理系統(tǒng)是熱成像系統(tǒng)的重要組成部分。它將探測器輸出的微弱信號進(jìn)行某種加工或變換。一般包括前置放大、主放、自動增益控制、限制帶寬、檢波、濾波、鑒幅、線性變換和多路傳輸?shù)?熱圖像的顯示目前的熱成像系統(tǒng)普遍采用標(biāo)準(zhǔn)視頻格式進(jìn)行輸出，因此，其顯示可以采用標(biāo)準(zhǔn)視頻顯示器或電視機(jī)。對于最新的高分辨力熱成像系統(tǒng)，為了更好地發(fā)揮系統(tǒng)特點，采用了數(shù)字視頻模式，可以按照VGA、SVGA甚至更高的模式在一般顯示器上顯示。上一頁下一頁

11.4.2信號處理與顯示§11.5熱成像系統(tǒng)的性能與作用距離模型11.5.1熱成像系統(tǒng)性能的分析方法

一代光機(jī)掃描熱成像系統(tǒng)一般由光學(xué)系統(tǒng)、掃描器、探測器列陣、前置放大器、視頻信號處理系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)等組成。下一頁返回§11.5熱成像系統(tǒng)的性能與作用距離模型11.5.2調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)模型

熱成像系統(tǒng)是由一系列具有特定頻率特性(空間或時間)的分系統(tǒng)組合而成。根據(jù)線性不變系統(tǒng)理論，若能得到各分系統(tǒng)的頻率特性，熱成像系統(tǒng)的頻率特性也就確定。采用傳遞函數(shù)的概念來描述各分系統(tǒng)的頻率特性，逐個求出各分系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，并將它們相乘就得到整個熱成像系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。上一頁下一頁§11.5熱成像系統(tǒng)的性能與作用距離模型11.5.3噪聲等效溫差(NETD)和三維噪聲模型

1.標(biāo)準(zhǔn)NETD的推導(dǎo)測量標(biāo)準(zhǔn)的NETD時，通常要求目標(biāo)尺寸W超過系統(tǒng)瞬時視場若干倍，目標(biāo)和背景的溫差ΔT超過NETD數(shù)十倍，使信號峰值電壓Vs遠(yuǎn)大于均方根噪聲電壓V上一頁下一頁上一頁下一頁§11.5熱成像系統(tǒng)的性能與作用距離模型11.5.3噪聲等效溫差(NETD)和三維噪聲模型

2.三維噪聲模型為了描述焦平面系統(tǒng)的噪聲，引進(jìn)三維噪聲的分析方法，把系統(tǒng)噪聲按時間(t)、空間水平(v)和空間垂直(h)的三維空間分為7個部分。設(shè)用g(t,v,h)代表t幀v行h列的輸出，包含信號和噪聲?！?1.5熱成像系統(tǒng)的性能與作用距離模型11.5.4最小可分辨溫差(MRTD)模型

MRTD是綜合評價熱成像系統(tǒng)溫度分辨力和空間分辨力的重要參數(shù)，它不僅包含系統(tǒng)特征，也包含觀察者的主觀因素，其定義是：對于處于均勻黑體背景中具有某一空間頻率高。

1.MRTD的推導(dǎo)要點MRTD推導(dǎo)的基本思想是由對應(yīng)人眼感覺到的圖像信噪比大于或等于視覺閾值信噪比時的黑體目標(biāo)與背景之間的溫差就是MRTD。上一頁下一頁§11.5熱成像系統(tǒng)的性能與作用距離模型

11.5.4最小可分辨溫差(MRTD)模型

2.二維MRTD假定存在水平空間頻率fx和垂直空間頻率fy，使MRTD(fx)＝MRTD(fy)，則定義有效的二維空間頻率feff=(fxfy)1/2，對應(yīng)二維

MRTDxy(feff)＝MRTD(fx)＝MRTD(fy)，

如圖上一頁下一頁返回

§11.5熱成像系統(tǒng)的性能與作用距離模型

11.5.5最小可探測溫差(MDTD)模型MDTD是評價

熱成像系統(tǒng)的一個重要參數(shù)，它既反映了熱靈敏度特性，也反映了系統(tǒng)的空間分辨力，與MRTD不同之處，MRTD是空間頻率的函數(shù)，而MDTD是目標(biāo)尺寸W(=1/f)的函數(shù)，其定義為：當(dāng)觀察者的觀察時間不受限制時，在顯示屏上恰好能分辨出一塊一定尺寸的方形或圓形黑體目標(biāo)及其所處的位置時，黑體目標(biāo)與黑體背景之間的溫差稱為最小可探測溫差MDTD。MDTD也有許多模型，這里仍只給出推導(dǎo)的要點，并給出FLIR92模型MDTD表達(dá)式。上一頁下一頁§11.5熱成像系統(tǒng)的性能與作用距離模型

11.5.6熱成像系統(tǒng)的作用距離模型

作用距離(視距)是成像系統(tǒng)一個重要的綜合指標(biāo)，系統(tǒng)性能的好壞最終都將在觀察距離或細(xì)節(jié)上體現(xiàn)。熱成像系統(tǒng)視距估算就是在已知系統(tǒng)基本性能的情況下(實測或理論結(jié)果)，利用理論分析和計算機(jī)模擬的方法，估算系統(tǒng)在各種觀察條件(天氣、路徑和景物特性)下可能達(dá)到的最大觀察距離，它對于系統(tǒng)性能分析、系統(tǒng)總體方案論證和設(shè)計以及型號項目技術(shù)指標(biāo)的確定都具有科學(xué)的指導(dǎo)意義。為了盡可能正確地估算熱成像系統(tǒng)的視距，需要采用合理的數(shù)學(xué)模型。上一頁下一頁§11.6熱成像系統(tǒng)的實驗室評價

目前國外對熱像儀實驗室測試的性能參數(shù)多達(dá)16～17項，我國在通規(guī)范中確定測試17個參數(shù)。本節(jié)討論的實驗室評價熱像儀性能參數(shù)是由光學(xué)系統(tǒng)、紅外探測器，信號處理系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)構(gòu)成的熱像儀整機(jī)的4個重要的性能參數(shù)：最小可分辨溫差(MRTD)；最小可探測溫差(MDTD)，信號傳遞函數(shù)(STF)和調(diào)傳遞函數(shù)(MTF)。信號傳遞函數(shù)STF定義為熱像儀入瞳上的輸入信號與其輸出信號之間的函數(shù)關(guān)系。輸入信號規(guī)定為靶標(biāo)與其均勻背景之間的溫差，輸出信號規(guī)定為熱像儀監(jiān)視器上靶標(biāo)圖像的對數(shù)亮度(longL)。下一頁返回1—可變溫差目標(biāo)發(fā)生器；2—溫差測量儀；3—溫度控制器；4—準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)；5—待測熱像儀；6—觀察者；7—掃描微光度計；8—模數(shù)轉(zhuǎn)換器；9—微機(jī)；10—xy記錄儀；11—繪圖儀；12—打印機(jī)；13—標(biāo)準(zhǔn)黑體；14—掃描輻射計11.6.1基本測量裝置測量熱成像系統(tǒng)性能參數(shù)的基本測試裝置原理示意圖如圖，

上一頁下一頁§11.6熱成像系統(tǒng)的實驗室評價

11.6.2測量方法

1.MRTD和MDTD的測量雖然MRTD和MDTD已有客觀測量法，但國內(nèi)目前仍主要采用主觀測量法，即用人眼直接觀察被測熱像儀顯示器上的靶標(biāo)像。位于準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)焦面上的測試靶標(biāo)可裝在步進(jìn)電機(jī)帶動的轉(zhuǎn)輪上，根據(jù)測試需要把不同空間頻率、大小和形狀的靶標(biāo)裝到輪上。測MRTD時裝高寬比7∶1的不同頻率的四桿靶板，測MDTD裝不同尺寸的圓孔或方形圖案靶。標(biāo)板溫度為背景溫度，靶標(biāo)圖案通常由薄金屬片腐蝕而成，使背景(環(huán)境)溫度穩(wěn)定，調(diào)節(jié)平板黑體溫度使目標(biāo)和背景產(chǎn)生不同的溫差。上一頁下一頁上一頁下一頁§11.6熱成像系統(tǒng)的實驗室評價

11.6.2測量方法

2STF和MTF的測量可變溫差目標(biāo)靶標(biāo)位于準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)焦面，準(zhǔn)直儀產(chǎn)生的無限遠(yuǎn)目標(biāo)輻射進(jìn)入被測熱像儀入瞳，熱像儀監(jiān)視器上的目標(biāo)像由掃描微光度計掃描，結(jié)果輸出至計算機(jī)，處理后輸出測試結(jié)果?！?1.7熱成像系統(tǒng)總體設(shè)計的基本考慮

系統(tǒng)總體設(shè)計包括總體結(jié)構(gòu)設(shè)計和信息處理兩方面的內(nèi)容?？傮w結(jié)構(gòu)設(shè)計主要包括：總體技術(shù)指標(biāo)、方案論證、設(shè)計計算分析、誤差分配、總體結(jié)構(gòu)型式及布局的設(shè)計、探測器及制冷器的選擇和設(shè)計等。信息處理主要包括：目標(biāo)及背景的特性分析、信號檢測及處理、視頻輸出格式及顯示方式的設(shè)計、可靠性設(shè)計等。系統(tǒng)設(shè)計的最終目的是使總體性能達(dá)到規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)，滿足使用要求。系統(tǒng)設(shè)計必須強(qiáng)調(diào)可行性和可靠性，應(yīng)在先進(jìn)性、實用性和經(jīng)濟(jì)性等方面綜合平衡。下一頁返回§11.7熱成像系統(tǒng)總體設(shè)計的基本考慮

11.7.1通用組件的概念及系統(tǒng)的基本組成

通用組件化是各國熱像儀發(fā)展的方向，其內(nèi)容是把熱像儀的核心部件——掃描器、探測器、制冷器和電子學(xué)處理部件模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化，稱之為通用組件。用這些組件配上不同的紅外光學(xué)系統(tǒng)、顯示器、外框架和接口等，組裝成不同構(gòu)形、視場、顯示處理功能和總體性能的完整熱成像系統(tǒng)，以適應(yīng)不同使用場合，滿足特定的要求。上一頁下一頁上一頁下一頁§11.7熱成像系統(tǒng)總體設(shè)計的基本考慮11.7.1通用組件的概念及系統(tǒng)的基本組成

通用組件熱像儀的主要優(yōu)點是：①可根據(jù)不同要求靈活地配置成不同的系統(tǒng)；②成本大幅度下降，便于大量生產(chǎn)；③性能穩(wěn)定可靠，便于維修保養(yǎng)；④根據(jù)技術(shù)發(fā)展，各部件可有計劃地進(jìn)行改進(jìn)。通用組件通常分為Ⅰ類和Ⅱ類兩種。Ⅰ類——便攜式，便于單人使用；Ⅱ類——高性能熱像儀，可供車載、艦載、機(jī)載使用?！?1.7熱成像系統(tǒng)總體設(shè)計的基本考慮11.7.2總體技術(shù)指標(biāo)與設(shè)計方案的確定

1.分析和確定總體技術(shù)指標(biāo)總體技術(shù)指標(biāo)應(yīng)滿足使用要求，但也要考慮技術(shù)可能性、生產(chǎn)成本以及產(chǎn)品的可靠性和可維修性等因素，技術(shù)指標(biāo)應(yīng)合理