1、第十一章第十一章 红外热成像系统的结构与特性红外热成像系统的结构与特性分析分析n11.1 11.1 热成像系统类型与基本参数热成像系统类型与基本参数n11.2 11.2 光机扫描系统光机扫描系统n11.3 11.3 制冷器工作原理与分类制冷器工作原理与分类n11.4 11.4 信号的处理与显示信号的处理与显示n11.5 11.5 热成像系统的性能与作用距离模型热成像系统的性能与作用距离模型n11.6 11.6 热成像系统的实验室评价热成像系统的实验室评价n11.7 11.7 热成像系统总体设计的基本考虑热成像系统总体设计的基本考虑11.1 11.1 热成像系统类型与基本参数热成像系统类型与基本
2、参数n11.1.1 11.1.1 热成像原理热成像原理n11.1.3 11.1.3 热成像系统的基本参数与概念热成像系统的基本参数与概念返回自然界中的一切物体，只要它的温度高于绝对零度，总自然界中的一切物体，只要它的温度高于绝对零度，总是在不断地发射辐射能。因此，从原理上讲，只要能收是在不断地发射辐射能。因此，从原理上讲，只要能收集并探测这些辐射能，就可通过探测器信号的采集和处集并探测这些辐射能，就可通过探测器信号的采集和处理形成与景物辐射分布相对应的热图像。这种热图像再理形成与景物辐射分布相对应的热图像。这种热图像再现了景物各部分的辐射起伏，能显示出景物的特征。现了景物各部分的辐射起伏，能显
3、示出景物的特征。11.1.1 11.1.1 热成像原理热成像原理下一页下一页返回返回11.111.1图图以最简单的单元探测器光机扫描说明了热成像系统以最简单的单元探测器光机扫描说明了热成像系统如何将景物的温度和辐射发射率差异转换成可见热图如何将景物的温度和辐射发射率差异转换成可见热图像。红外光学系统将景物发出的红外辐射通量分布聚像。红外光学系统将景物发出的红外辐射通量分布聚焦成像位于光学系统焦平面的探测器光敏面上；位于焦成像位于光学系统焦平面的探测器光敏面上；位于聚焦光学系统和探测器之间的光机扫描器包括垂直和聚焦光学系统和探测器之间的光机扫描器包括垂直和水平两个扫描镜组，当扫描器工作时，从景物
4、到达探水平两个扫描镜组，当扫描器工作时，从景物到达探测器的光束随之移动，从而在物空间扫出像电视一样测器的光束随之移动，从而在物空间扫出像电视一样的光栅；的光栅； 上一页上一页下一页下一页11.1.1 11.1.1 热成像原理热成像原理返回当扫描器以电视光栅形式使探测器扫过景物时，探测器将当扫描器以电视光栅形式使探测器扫过景物时，探测器将逐点接收的景物辐射转换成相应的电信号序列，或者说，逐点接收的景物辐射转换成相应的电信号序列，或者说，光机扫描器构成的景物图像依次扫过探测器，探测器依次光机扫描器构成的景物图像依次扫过探测器，探测器依次把景物各部分的红外辐射转换成电信号，经过视频处理的把景物各部分
5、的红外辐射转换成电信号，经过视频处理的信号，在同步扫描的显示器上显示出景物的热图像。信号，在同步扫描的显示器上显示出景物的热图像。上一页上一页下一页下一页11.1.1 11.1.1 热成像原理热成像原理下一页下一页返回返回11.111.1返回返回光机扫描器使单元或多元阵列探测器依次扫过景物视场，形成景物的光机扫描器使单元或多元阵列探测器依次扫过景物视场，形成景物的二维图像。在光机扫描热成像系统中，探测器把接收的辐射信号转换二维图像。在光机扫描热成像系统中，探测器把接收的辐射信号转换成电信号，通过隔直流电路把背景辐射从场景电信号中消除，以获得成电信号，通过隔直流电路把背景辐射从场景电信号中消除，
6、以获得对比度良好的热图像。光机扫描型热成像系统由于存在光机扫描器，对比度良好的热图像。光机扫描型热成像系统由于存在光机扫描器，系统结构复杂、体积较大系统结构复杂、体积较大 、可靠性降低、成本也较高，但由于探测器、可靠性降低、成本也较高，但由于探测器性能的要求相对较低，技术难度相对较低，成为性能的要求相对较低，技术难度相对较低，成为2020世纪世纪7070年代以后国年代以后国际上主要的实用热成像类型，目前仍有一些重要的应用。际上主要的实用热成像类型，目前仍有一些重要的应用。上一页上一页下一页下一页光机扫描型热成像系统光机扫描型热成像系统方框图方框图所示所示凝视型热成像系统利用焦平面探测器面阵，使
7、探测器中的每个单元凝视型热成像系统利用焦平面探测器面阵，使探测器中的每个单元与景物中的一个微面元应。图所示为凝视型热成像系统的方框图，与景物中的一个微面元应。图所示为凝视型热成像系统的方框图，凝视焦平面热成像系统取消了光机扫描系统，同时探测器前置放大凝视焦平面热成像系统取消了光机扫描系统，同时探测器前置放大电路与探测器合一，集成在位于光学系统焦平面的探测器阵列上，电路与探测器合一，集成在位于光学系统焦平面的探测器阵列上，这也是所谓这也是所谓“焦平面焦平面”的含义所在。近年来，凝视焦平面热成像技的含义所在。近年来，凝视焦平面热成像技术的发展非常迅速术的发展非常迅速. . 上一页上一页下一页下一页
8、返回返回热释电红外成像系统热释电红外成像系统( (也称为热电视也称为热电视) )也属于凝视型热成像系统，其也属于凝视型热成像系统，其采用热释电材料作靶面，制成热释电摄像管，勿需光机扫描，直接采用热释电材料作靶面，制成热释电摄像管，勿需光机扫描，直接利用电子束扫描和相应的处理电路，组成电视摄像型热像仪。由于利用电子束扫描和相应的处理电路，组成电视摄像型热像仪。由于结构简化，不需要制冷，成本低，虽然性能不及光机扫描型热成像结构简化，不需要制冷，成本低，虽然性能不及光机扫描型热成像系统，但仍有一定的市场应用。系统，但仍有一定的市场应用。上一页上一页下一页下一页19971997年美国陆军提出了一种新的
9、更细致的划分方法：年美国陆军提出了一种新的更细致的划分方法： 将由光机扫描器与单元或多元探测器所构成的热成像系统称为将由光机扫描器与单元或多元探测器所构成的热成像系统称为第一代热成像系统；第一代热成像系统； 扫描型热像仪称为第二代热像仪扫描型热像仪称为第二代热像仪 凝视型热像仪称为第三代热像仪凝视型热像仪称为第三代热像仪 具有先进的信号处理功能，工作波段覆盖可见光、近红外、中红具有先进的信号处理功能，工作波段覆盖可见光、近红外、中红外和远红外区域的灵外和远红外区域的灵巧焦平面阵列称为第四代热成像系统。巧焦平面阵列称为第四代热成像系统。上一页上一页下一页下一页此外，西方进一步提出了三代成像传感器
10、系统的概念，热成像传感此外，西方进一步提出了三代成像传感器系统的概念，热成像传感器按照战技术性能可大致器按照战技术性能可大致分为三类：分为三类：1 1 微型传感器微型传感器 2 2 高性能非制冷传感器高性能非制冷传感器 3 3 兆像素级、多色制冷传感器兆像素级、多色制冷传感器上一页上一页下一页下一页 以上几种传感器均为焦平面器件，从中可以看出兆像素级、多色制以上几种传感器均为焦平面器件，从中可以看出兆像素级、多色制冷探测器，高性能非制冷探测器以及低成本微型非制冷探测器是重冷探测器，高性能非制冷探测器以及低成本微型非制冷探测器是重要的发展方向。根据目前探测器的水平，实际热成像系统大致采用要的发展
11、方向。根据目前探测器的水平，实际热成像系统大致采用如下设计思想：在近程或低成本应用中一般采用非制冷探测器技术如下设计思想：在近程或低成本应用中一般采用非制冷探测器技术，在中、远程监视将尽可能采用二维，在中、远程监视将尽可能采用二维PtSiPtSi、InSbInSb、HgCdTeHgCdTe凝视凝视阵列，而在高级武器瞄准应用如新一代坦克瞄具中将采用扫描型阵列，而在高级武器瞄准应用如新一代坦克瞄具中将采用扫描型HgCdTeHgCdTe阵列。阵列。上一页上一页下一页下一页 1.1.瞬时视场瞬时视场( (IFOVIFOV) ) 瞬时视场指的是探测器线性尺寸对系统物空间的两维张角，它由探瞬时视场指的是探
12、测器线性尺寸对系统物空间的两维张角，它由探测器的形状、尺寸和光学系统的焦距决定。测器的形状、尺寸和光学系统的焦距决定。若探测器为矩形，尺寸为若探测器为矩形，尺寸为a ab b，则瞬时视场的平面角，则瞬时视场的平面角、为为 =a/f,=b/f=a/f,=b/f 下一页下一页11.1.3 11.1.3 热成像系统的基本参数与概念热成像系统的基本参数与概念返回返回11.111.12 2 帧周期和帧频帧周期和帧频系统扫过一幅完整画面所需的时间系统扫过一幅完整画面所需的时间TfTf称为帧周期，单位为称为帧周期，单位为s,s,系统一秒系统一秒钟扫过画面的帧数钟扫过画面的帧数fpfp称为帧频或帧速，单位为称
13、为帧频或帧速，单位为HzHz。fpfp和和TfTf的关系的关系为为 fpfp=1/T=1/T 上一页上一页下一页下一页11.1.3 11.1.3 热成像系统的基本参数与概念热成像系统的基本参数与概念3 3扫描效率扫描效率(scan(scan) ) 热成像系统对景物扫描时，由于同步扫描、回扫、直流恢复等要占热成像系统对景物扫描时，由于同步扫描、回扫、直流恢复等要占时间，在这个时间内不产生视频信号，称为空载时间，表示为时间，在这个时间内不产生视频信号，称为空载时间，表示为TfTf。帧周期与空载时间之差帧周期与空载时间之差(Tf-Tf(Tf-Tf) )称为有效扫描时间。有效扫描时称为有效扫描时间。有
14、效扫描时间与帧周期之比称为系统的扫描效率，即间与帧周期之比称为系统的扫描效率，即scan=(Tf-Tf)/Tscan=(Tf-Tf)/T4 4 空间角频率空间角频率 上一页上一页下一页下一页11.1.3 11.1.3 热成像系统的基本参数与概念热成像系统的基本参数与概念11.1.3 11.1.3 热成像系统的基本参数与概念热成像系统的基本参数与概念 5 5 空间频率空间频率 空间频率定义为单位空间上目标条纹的周期数。在热成像系统中空间频率定义为单位空间上目标条纹的周期数。在热成像系统中常用单位毫弧度中的周期数来表示常用单位毫弧度中的周期数来表示(cyc/mrad(cyc/mrad) )。设有等
15、宽度的。设有等宽度的亮暗条纹图案，相邻条纹中心距为亮暗条纹图案，相邻条纹中心距为lxlx，称为空间周期，称为空间周期( (单位为单位为mm)mm)，若观察点，若观察点O O与图案之间的距离为与图案之间的距离为R (R (单位为单位为mm)mm)，则，则=lx =lx /R(/R(单位为单位为mradmrad) )称为角周期，其倒数即为空间角频率称为角周期，其倒数即为空间角频率fx=1/=R/lx(fx=1/=R/lx(cyc/mradcyc/mrad) ) 对于二维图像可以定义二维空间对于二维图像可以定义二维空间角频率角频率(fx , fy(fx , fy) )。 过扫比过扫比在热成像系统中，
16、相邻两行的瞬时视场之间可能有重叠或间隙，表在热成像系统中，相邻两行的瞬时视场之间可能有重叠或间隙，表征这种行扫描重叠程度的征这种行扫描重叠程度的系数称为过扫比系数称为过扫比 上一页上一页下一页下一页11.1.3 11.1.3 热成像系统的基本参数与概念热成像系统的基本参数与概念11.1.3 11.1.3 热成像系统的基本参数与概念热成像系统的基本参数与概念 6 6 总视场总视场 ( (FOVFOV) ) 总视场指系统所观察到的物空间两维视场角。总视场由系统所观总视场指系统所观察到的物空间两维视场角。总视场由系统所观察的景物空间和光学系统的焦距决定，若总视场在水平和垂直察的景物空间和光学系统的焦
17、距决定，若总视场在水平和垂直方向分别为方向分别为WhWh和和W Wv v，则系统的总视场可表示为，则系统的总视场可表示为WhWhWvWv。 上一页上一页下一页下一页 7 7驻留时间驻留时间 (d(d) )驻留时间是光机扫描热成像系统的一个重要参数。热成像系统所观察驻留时间是光机扫描热成像系统的一个重要参数。热成像系统所观察的景物可以看成若干个发射辐射能的几何点的集合。成像过程中，探的景物可以看成若干个发射辐射能的几何点的集合。成像过程中，探测器相对于这些点源是运动的，在与探测器前沿相交的瞬间到与探测测器相对于这些点源是运动的，在与探测器前沿相交的瞬间到与探测器后沿脱离的瞬间所经历的时间，就是探
18、测器的驻留时间。换言之，器后沿脱离的瞬间所经历的时间，就是探测器的驻留时间。换言之，探测器驻留时间是扫过一个探测器张角所需的时间。探测器驻留时间是扫过一个探测器张角所需的时间。 上一页上一页下一页下一页11.1.3 11.1.3 热成像系统的基本参数与概念热成像系统的基本参数与概念 8. 8. 时间频率与空间频率的关系时间频率与空间频率的关系在光机扫描热成像系统中，空间频率在光机扫描热成像系统中，空间频率f(f( cyc/mradcyc/mrad) )和时间频率和时间频率ftft( (单位：单位：HzHz) )之间是相关之间是相关的的上一页上一页下一页下一页11.1.3 11.1.3 热成像系
19、统的基本参数与概念热成像系统的基本参数与概念11.1.3 11.1.3 热成像系统的基本参数与概念热成像系统的基本参数与概念热成像系统具有以下优点：热成像系统具有以下优点： 热成像系统不像主动红外夜视仪那样需要红外光源，也不像微光热成像系统不像主动红外夜视仪那样需要红外光源，也不像微光夜视仪那样需要借助夜光，而是靠目标与背景的辐射差产生景物夜视仪那样需要借助夜光，而是靠目标与背景的辐射差产生景物图像。因此，热成像系统是全被动式的，不易被对方发现和干扰图像。因此，热成像系统是全被动式的，不易被对方发现和干扰。热成像系统能在。热成像系统能在2424小时全天候工作小时全天候工作 红外辐射比人眼和可见
20、光传感器所利用的可见光辐射具有更强的红外辐射比人眼和可见光传感器所利用的可见光辐射具有更强的透过雾、霾、雨、雪的能力，因而热成像系统的作用距离远。透过雾、霾、雨、雪的能力，因而热成像系统的作用距离远。上一页上一页下一页下一页上一页上一页下一页下一页上一页上一页下一页下一页11.1.3 11.1.3 热成像系统的基本参数与概念热成像系统的基本参数与概念 在战场上，不会由于炮口火焰的强闪光和炸弹硝烟而产生迷盲效在战场上，不会由于炮口火焰的强闪光和炸弹硝烟而产生迷盲效应。应。 能透过伪装，探测出隐蔽的热目标，甚至能识别出刚离去的飞机能透过伪装，探测出隐蔽的热目标，甚至能识别出刚离去的飞机和坦克等所留
21、下的热轮廓和坦克等所留下的热轮廓 随着计算机技术的发展，很多热成像系统具有完整的图像处理功随着计算机技术的发展，很多热成像系统具有完整的图像处理功能，可明显改善图像质量。热成像系统通常采用全电视信号，可能，可明显改善图像质量。热成像系统通常采用全电视信号，可实现与电视兼容，具有与电视系统一样的优越性，如多人同时观实现与电视兼容，具有与电视系统一样的优越性，如多人同时观察，录像和传输等。热成像系统在战略预警、战术预警察，录像和传输等。热成像系统在战略预警、战术预警/ /告警、告警、侦察、观瞄、导航、制导、遥感、气象、医学和侦察、观瞄、导航、制导、遥感、气象、医学和科学研究等军事科学研究等军事和民
22、用的许多领域中得到广泛应用。和民用的许多领域中得到广泛应用。在军事上在军事上, ,热成像技术广泛应用于战略和战术武器装备。热成像技术广泛应用于战略和战术武器装备。战略装备诸如对洲际弹道导弹的探测、识别、跟踪，高战略装备诸如对洲际弹道导弹的探测、识别、跟踪，高能束拦截武器的瞄准，拦截导弹的制导，大气层内外核能束拦截武器的瞄准，拦截导弹的制导，大气层内外核爆炸的探测等。战术装备包括侦察、观瞄、火控、跟踪爆炸的探测等。战术装备包括侦察、观瞄、火控、跟踪、制导等。目前，已有大量的热瞄具，导弹成像制导与、制导等。目前，已有大量的热瞄具，导弹成像制导与火炮瞄准镜，机载和舰载前视红外系统等装备部队。火炮瞄准
23、镜，机载和舰载前视红外系统等装备部队。上一页上一页下一页下一页11.1.3 11.1.3 热成像系统的基本参数与概念热成像系统的基本参数与概念 在热成像系统中，单一红外探测器所对应的瞬时视场往往是很小在热成像系统中，单一红外探测器所对应的瞬时视场往往是很小的，一般只有毫弧度或亚毫弧度，为得到总视场中景物的热图像，的，一般只有毫弧度或亚毫弧度，为得到总视场中景物的热图像，必须对景物扫描。这种扫描通常是由机械传动的光学扫描部件完必须对景物扫描。这种扫描通常是由机械传动的光学扫描部件完成，故称为光机扫描。成，故称为光机扫描。11.2 11.2 光机扫描系统光机扫描系统下一页返回11.2 11.2 光
24、机扫描系统光机扫描系统n11.2.1 11.2.1 基本扫描方式基本扫描方式n11.2.3 11.2.3 几种常用的光机扫描方案几种常用的光机扫描方案上一页上一页根据扫描器置于聚光光学系统之前或之后，构成两根据扫描器置于聚光光学系统之前或之后，构成两种基本的扫描方式，即物方扫描和像方扫描。种基本的扫描方式，即物方扫描和像方扫描。图图 (a)(a)和图和图 (b)(b)分别表示以物点为固定参考点的物方分别表示以物点为固定参考点的物方扫描和像方扫描，图扫描和像方扫描，图 (c)(c)和图和图 (d)(d)分别表示以像点分别表示以像点为固定参考点的物方扫描和像方扫描。为固定参考点的物方扫描和像方扫描
25、。下一页下一页返回返回11.211.211.2.1 11.2.1 基本扫描方式基本扫描方式返回返回1.1.物方扫描物方扫描扫描器位于聚光光学系统之前或置于无焦望远系统压缩的平行光路扫描器位于聚光光学系统之前或置于无焦望远系统压缩的平行光路中。由于扫描器在平行光路中工作，故称平行光束扫描。扫描器在中。由于扫描器在平行光路中工作，故称平行光束扫描。扫描器在聚光光学系统前面，旋转反射镜鼓聚光光学系统前面，旋转反射镜鼓3 3完成水平方向快扫，摆动反射镜完成水平方向快扫，摆动反射镜2 2完成垂直方向慢扫。这种扫描方式一般需要有个比聚光光学系统口完成垂直方向慢扫。这种扫描方式一般需要有个比聚光光学系统口径
26、大的扫描镜，且口径随聚光光学系统的增大而增大。由于扫描器径大的扫描镜，且口径随聚光光学系统的增大而增大。由于扫描器比较大，扫描速度的提高受到限制。比较大，扫描速度的提高受到限制。上一页上一页下一页下一页11.2.1 11.2.1 基本扫描方式基本扫描方式2 2 像方扫描像方扫描扫描器位于聚光光学系统和探测器之间的光路中，对像方光束进行扫描器位于聚光光学系统和探测器之间的光路中，对像方光束进行扫描。由于扫描器在会聚光路中工作，故称会聚光束扫描。摆动平扫描。由于扫描器在会聚光路中工作，故称会聚光束扫描。摆动平面反射镜和旋转折射棱镜置于会聚光路中，扫描器可做得较小，易面反射镜和旋转折射棱镜置于会聚光
27、路中，扫描器可做得较小，易于实现高速扫描。但这种扫描方式需要使用后截距长的聚光光学系于实现高速扫描。但这种扫描方式需要使用后截距长的聚光光学系统，且由于在像方扫描，将导致像面的扫描散焦，对聚光光学系统统，且由于在像方扫描，将导致像面的扫描散焦，对聚光光学系统有较高的要求。扫描视场不宜太大，像差修正比较困难。有较高的要求。扫描视场不宜太大，像差修正比较困难。上一页上一页下一页下一页11.2.1 11.2.1 基本扫描方式基本扫描方式 3.3.两种基本扫描方式的比较两种基本扫描方式的比较 优缺点优缺点 : : 1. 1.产生平直扫描场；产生平直扫描场； 2.2.大多数扫描器不产生附加像差；大多数扫
28、描器不产生附加像差； 3.3.扫描器光学质量对系统聚焦性能影响较扫描器光学质量对系统聚焦性能影响较 小，像差校正容易小，像差校正容易上一页上一页下一页下一页11.2.1 11.2.1 基本扫描方式基本扫描方式11.2.1 11.2.1 基本扫描方式基本扫描方式上一页上一页下一页下一页下面介绍常用的摆动平面反射镜、旋转反射镜鼓、旋转折射棱镜、下面介绍常用的摆动平面反射镜、旋转反射镜鼓、旋转折射棱镜、旋转折射光楔等光机扫描器。旋转折射光楔等光机扫描器。1.1.摆动平面反射镜摆动平面反射镜摆动平面反射镜在一定范围内周期性地摆动完成扫描。根据反射的摆动平面反射镜在一定范围内周期性地摆动完成扫描。根据反
29、射的光学原理，摆动反射镜使光线产生的偏转角二倍于反射镜的摆角，光学原理，摆动反射镜使光线产生的偏转角二倍于反射镜的摆角，即当反射镜摆动即当反射镜摆动角时，反射光线偏转角时，反射光线偏转22角。角。摆动平面反射镜构摆动平面反射镜构成的扫描器既可用作平行光束扫描器，又可用作会聚光束扫描。成的扫描器既可用作平行光束扫描器，又可用作会聚光束扫描。下一页下一页返回返回11.211.22 2 旋转旋转2 2反射镜鼓反射镜鼓在高速扫描的情况下，经常采用旋转反射镜鼓在高速扫描的情况下，经常采用旋转反射镜鼓, , 由于镜鼓是连续由于镜鼓是连续转动，故比较平稳。旋转反射镜鼓主要用于平行光束扫描。旋转转动，故比较平
30、稳。旋转反射镜鼓主要用于平行光束扫描。旋转反射镜鼓与摆动平面反射镜工作状态基本相同，转角关系和像差反射镜鼓与摆动平面反射镜工作状态基本相同，转角关系和像差也类似。但旋转反射镜鼓的反射面是绕镜鼓中心线旋转，所以镜也类似。但旋转反射镜鼓的反射面是绕镜鼓中心线旋转，所以镜面面位置相对于光线产生位移。位置相对于光线产生位移。3 3旋转折射棱镜扫描器旋转折射棱镜扫描器上一页上一页下一页下一页 4 4旋转折射光楔旋转折射光楔 折射光楔是指两折射平面夹角很小的折射棱镜。旋转折射光楔扫描由折射光楔是指两折射平面夹角很小的折射棱镜。旋转折射光楔扫描由于在会聚光束中会产生严重的像差，因此一般用在平行光路中。于在会
31、聚光束中会产生严重的像差，因此一般用在平行光路中。图图给给出入射光线在折射光楔主截面内折射偏转的情况。出入射光线在折射光楔主截面内折射偏转的情况。 上一页上一页下一页下一页返回返回上一页上一页下一页下一页5 5其他扫描器其他扫描器 除上述常用的光学扫描器外，还有其他类型的扫描器除上述常用的光学扫描器外，还有其他类型的扫描器(如图如图)。2 2 折射棱镜帧扫描、反射镜鼓行扫描折射棱镜帧扫描、反射镜鼓行扫描 1 1 旋转反射镜鼓作行扫描，摆镜作帧扫描旋转反射镜鼓作行扫描，摆镜作帧扫描3 3 两个折射棱镜扫描两个折射棱镜扫描 4 4 两摆动平面镜扫描两摆动平面镜扫描11.2.3 11.2.3 几种常
32、用的光机扫描方案几种常用的光机扫描方案返回返回11.211.211.3 11.3 制冷器工作原理与分类制冷器工作原理与分类下一页下一页11.3.111.3.1杜瓦瓶杜瓦瓶 在红外探测器的制冷器组件中，杜瓦瓶是一种能防止辐、对流和在红外探测器的制冷器组件中，杜瓦瓶是一种能防止辐、对流和传导的隔热容器。瓦瓶主要分为玻璃杜瓦瓶和金属杜瓦瓶两种。传导的隔热容器。瓦瓶主要分为玻璃杜瓦瓶和金属杜瓦瓶两种。图图所示为热成像系统中常用的小型玻璃杜瓦瓶，它由内外壁、引所示为热成像系统中常用的小型玻璃杜瓦瓶，它由内外壁、引线、红外窗口等部分组成。在内壁的外表面和外壁的内表面镀上线、红外窗口等部分组成。在内壁的外表
33、面和外壁的内表面镀上反射层，内外壁间抽成真空，构成绝热层。反射层，内外壁间抽成真空，构成绝热层。返回上一页上一页下一页下一页11.3 11.3 制冷器工作原理与分类制冷器工作原理与分类 红外探测器的制冷器红外探测器的制冷器 1.1.液氮制冷器液氮制冷器 获得低温的方法大致有物理和化学两种。在红外探测器制冷中常用物获得低温的方法大致有物理和化学两种。在红外探测器制冷中常用物理方法。由于使用场合和要求制冷温度的不同，可利用不同的原理制理方法。由于使用场合和要求制冷温度的不同，可利用不同的原理制成合适的制冷器。成合适的制冷器。1 1液氮制冷器相变制冷原理：物质相变是指其聚集液氮制冷器相变制冷原理：物
34、质相变是指其聚集状态的变化状态的变化, , 物质发生相变时，需要吸收或放出热量，这种热量称为物质发生相变时，需要吸收或放出热量，这种热量称为相变潜热。利用制冷工作物质相变吸热效应，如固态工作物质熔解吸相变潜热。利用制冷工作物质相变吸热效应，如固态工作物质熔解吸热或升华吸热、液体气化吸热等而达到制冷热或升华吸热、液体气化吸热等而达到制冷. .在杜瓦瓶的冷液室中直在杜瓦瓶的冷液室中直接注入液氮制冷剂，构成液氮制冷器。接注入液氮制冷剂，构成液氮制冷器。上一页上一页下一页下一页红外探测器的制冷器红外探测器的制冷器2 2 气体节流式制冷器气体节流式制冷器焦耳焦耳 - - 汤姆逊效应：当高压气体的温度低于
35、本身的转换温度，并通过汤姆逊效应：当高压气体的温度低于本身的转换温度，并通过一个很小的节流孔时，由于气体膨胀而使温度下降。如果使节流后的一个很小的节流孔时，由于气体膨胀而使温度下降。如果使节流后的低温气体返回来冷却进入的高压气体，使高压气体在越来越低的温度低温气体返回来冷却进入的高压气体，使高压气体在越来越低的温度下节流，不断重复这种过程，就可获得所要求的低温，达到制冷的目下节流，不断重复这种过程，就可获得所要求的低温，达到制冷的目的。的。上一页上一页下一页下一页11.3 11.3 制冷器工作原理与分类制冷器工作原理与分类11.3 11.3 制冷器工作原理与分类制冷器工作原理与分类红外探测器的
36、制冷器红外探测器的制冷器 3 3 斯特林循环制冷器斯特林循环制冷器 由于气体等熵膨胀时，不但借膨胀机的活塞向外输出机械功，且由于气体等熵膨胀时，不但借膨胀机的活塞向外输出机械功，且膨胀后，气体的内位能也要增加，这要消耗气体本身的内功能来膨胀后，气体的内位能也要增加，这要消耗气体本身的内功能来补偿，所以气体等熵膨胀后温度将显著降低。斯特林循环制冷器补偿，所以气体等熵膨胀后温度将显著降低。斯特林循环制冷器利用气体等熵膨胀原理而工作，由压缩腔、冷却器、再生器和制利用气体等熵膨胀原理而工作，由压缩腔、冷却器、再生器和制冷膨胀腔等部分组成。冷膨胀腔等部分组成。 上一页上一页下一页下一页上一页上一页下一页
37、下一页上一页上一页下一页下一页11.3 11.3 制冷器工作原理与分类制冷器工作原理与分类红外探测器的制冷器红外探测器的制冷器 4 4半导体制冷器半导体制冷器 珀尔贴效应：如果把任何两种物体联结成电偶对，构成闭合回路珀尔贴效应：如果把任何两种物体联结成电偶对，构成闭合回路，当有直流电通过时，在一个接头电子与空穴产生分离运动，吸，当有直流电通过时，在一个接头电子与空穴产生分离运动，吸收能量而变冷，另一接头处产生复合，放出能量而变热。一般物收能量而变冷，另一接头处产生复合，放出能量而变热。一般物体的珀尔贴效应不明显，如果用两块体的珀尔贴效应不明显，如果用两块N N型和型和P P型半导体作电偶型半导
38、体作电偶对时，就会产生非常明显的珀尔贴效应，冷端可用于探测器制冷对时，就会产生非常明显的珀尔贴效应，冷端可用于探测器制冷，故又称温差电制冷器或半导体制冷器。半导体制冷器的制冷能，故又称温差电制冷器或半导体制冷器。半导体制冷器的制冷能力取决于半导体材料和回路中电流。目前，较好的半导体材料为力取决于半导体材料和回路中电流。目前，较好的半导体材料为碲化铋及其固熔体合金，一级半导体制冷器可获得大约碲化铋及其固熔体合金，一级半导体制冷器可获得大约6060的温的温差。为达到更低制冷温度可将多级热电偶对串接起来，即把一个差。为达到更低制冷温度可将多级热电偶对串接起来，即把一个热电偶对的热结与下一个热电偶对的
39、冷结形成良好的热电偶对的热结与下一个热电偶对的冷结形成良好的热接触。热接触。上一页上一页下一页下一页11.3 11.3 制冷器工作原理与分类制冷器工作原理与分类红外探测器的制冷器红外探测器的制冷器 5 5 辐射制冷器辐射制冷器 辐射传热：如果两物体温度不同，高温物体就要辐射能量，温度辐射传热：如果两物体温度不同，高温物体就要辐射能量，温度降低；而低温物体则吸收辐射能，温度升高。由于宇宙空间处于降低；而低温物体则吸收辐射能，温度升高。由于宇宙空间处于高真空、深低温状态，处于这种特殊环境中，物体可以和周围的高真空、深低温状态，处于这种特殊环境中，物体可以和周围的深冷深冷( (约约3K)3K)空间进
40、行辐射热交换，从而使热物体不断降温，达到空间进行辐射热交换，从而使热物体不断降温，达到制冷的目的。辐射制冷器由冷片、辐射器、帽檐、多层绝热层和制冷的目的。辐射制冷器由冷片、辐射器、帽檐、多层绝热层和外屏蔽等部分组成。为了获得不同的制冷温度，可由一个、两个外屏蔽等部分组成。为了获得不同的制冷温度，可由一个、两个或三个以上大小不同的辐射器串联构成单级、双级或三级制冷器或三个以上大小不同的辐射器串联构成单级、双级或三级制冷器，图为欧洲，图为欧洲ESAESA卫星上的辐射制冷器，它能把红外探测器制卫星上的辐射制冷器，它能把红外探测器制冷到冷到95K95K。 对于单元探测器的热成像系统，由于探测器的基本限
41、制，不可能有对于单元探测器的热成像系统，由于探测器的基本限制，不可能有足够的热灵敏度。因此，必须提高探测器元数，以改进每帧、每探足够的热灵敏度。因此，必须提高探测器元数，以改进每帧、每探测器单元的信噪比，提高系统的性能。在热成像系统中，将多元探测器单元的信噪比，提高系统的性能。在热成像系统中，将多元探测器按不同方式排列起来分解景物测器按不同方式排列起来分解景物( (如图如图) )，形成并联扫描、串联扫，形成并联扫描、串联扫描和串并扫描三种基本摄像方式。描和串并扫描三种基本摄像方式。11.4.1 11.4.1 热成像系统的摄像方式热成像系统的摄像方式下一页下一页返回上一页上一页下一页下一页11.
42、4.1 11.4.1 热成像系统的摄像方式热成像系统的摄像方式 1 1并联扫描摄像方式并联扫描摄像方式 并联扫描是利用一个与行扫描方向垂直的探测器列阵来分解景物，并联扫描是利用一个与行扫描方向垂直的探测器列阵来分解景物，列阵中的每个探测器平行扫过景物像，每个探测器扫过一行。每个列阵中的每个探测器平行扫过景物像，每个探测器扫过一行。每个探测器输出的信号经多路传输和扫描转换后按视频信号输出探测器输出的信号经多路传输和扫描转换后按视频信号输出( (如图如图) )。 返回返回上一页上一页下一页下一页11.4.1 11.4.1 热成像系统的摄像方式热成像系统的摄像方式 2 2串联扫描摄像方式串联扫描摄像
43、方式 串联扫描中串联扫描中nsns个探测器列阵，参照物空间水平排列成一行。各探个探测器列阵，参照物空间水平排列成一行。各探测器单元扫描是同一行，通过两维扫描，每个探测器都扫过系统测器单元扫描是同一行，通过两维扫描，每个探测器都扫过系统的总视场。各探测器信号经相应的延迟后叠加，形成单一通道视的总视场。各探测器信号经相应的延迟后叠加，形成单一通道视频信号输入频信号输入( (如图如图) )。返回返回上一页上一页下一页下一页11.4.1 11.4.1 热成像系统的摄像方式热成像系统的摄像方式3 3 串并扫摄像方式串并扫摄像方式 无论是串扫摄像方式还是并扫摄像方式，都有各自的优缺点，尤其当无论是串扫摄像
44、方式还是并扫摄像方式，都有各自的优缺点，尤其当并联探测器的元数不能覆盖整个景物区域时，为了得到一幅完整的图并联探测器的元数不能覆盖整个景物区域时，为了得到一幅完整的图像，需采用串并扫摄像方式。串并扫摄像方式中，用两维多元探测器像，需采用串并扫摄像方式。串并扫摄像方式中，用两维多元探测器面阵代替线阵探测器。面阵代替线阵探测器。4 4 三种摄像方式的比较三种摄像方式的比较 综上所述，三种摄像方式各有特点，在提高系统热灵敏度方面具有大综上所述，三种摄像方式各有特点，在提高系统热灵敏度方面具有大体相同的效果。但在具体相同的效果。但在具体应用上却受到许多实际问题的影响，使其在体应用上却受到许多实际问题的
45、影响，使其在实用上有一定差异。实用上有一定差异。 11.4.2 11.4.2 信号处理与显示信号处理与显示 热成像系统为获取景物图像，首先将景物进行空间分解热成像系统为获取景物图像，首先将景物进行空间分解，然后依次将这些单元空间的景物辐射转换成相应的电，然后依次将这些单元空间的景物辐射转换成相应的电信号，最后以时序视频信号方式输出。不同的摄像方式信号，最后以时序视频信号方式输出。不同的摄像方式所得出的视频信号具有相同的性质，只是由于景物分解所得出的视频信号具有相同的性质，只是由于景物分解方法不同，时序视频信号形成方式有所不同。信号处理方法不同，时序视频信号形成方式有所不同。信号处理与显示的基本
46、任务是形成与景物辐射相应的视频信号，与显示的基本任务是形成与景物辐射相应的视频信号，然后根据景物各单元对应的视频信号然后根据景物各单元对应的视频信号得到景物各部分的得到景物各部分的温度，并显示出景物的热图像。温度，并显示出景物的热图像。 上一页上一页下一页下一页上一页上一页下一页下一页11.4.2 11.4.2 信号处理与显示信号处理与显示 在实际应用中，有时要求对图像作进一步的处理，如图像增强、图在实际应用中，有时要求对图像作进一步的处理，如图像增强、图像修复等。这里主要讨论温度信号处理和热图像显示两个基本问题。像修复等。这里主要讨论温度信号处理和热图像显示两个基本问题。 1 1 视频信号处
47、理视频信号处理 信号处理系统是热成像系统的重要组成部分。它将探测器输出的微信号处理系统是热成像系统的重要组成部分。它将探测器输出的微弱信号进行某种加工或变换。一般包括前置放大、主放、自动增益弱信号进行某种加工或变换。一般包括前置放大、主放、自动增益控制、限制带宽、检波、滤波、鉴幅、线性变换和多路传输等控制、限制带宽、检波、滤波、鉴幅、线性变换和多路传输等2 2 热图像的显示热图像的显示目前的热成像系统普遍采用标准视频格式进行输出，因此，其显示目前的热成像系统普遍采用标准视频格式进行输出，因此，其显示可以采用标准视频显示器可以采用标准视频显示器或电视机。对于最新的高分辨力热成像系统，为了更好地发
48、挥系统或电视机。对于最新的高分辨力热成像系统，为了更好地发挥系统特点，采用了数字视频模特点，采用了数字视频模式，可以按照式，可以按照VGAVGA、SVGASVGA甚至更高的模式在一般显示器上显示。甚至更高的模式在一般显示器上显示。上一页上一页下一页下一页11.4.2 11.4.2 信号处理与显示信号处理与显示11.5 11.5 热成像系统的性能与作用距离模热成像系统的性能与作用距离模型型n11.5.111.5.1热成像系统性能的分析方法热成像系统性能的分析方法 一代光机扫描热成像系统一般由光学系统、扫描器、探测器列阵、一代光机扫描热成像系统一般由光学系统、扫描器、探测器列阵、前置放大器、视频信
49、号处理系统和显示系统等组成。前置放大器、视频信号处理系统和显示系统等组成。 下一页下一页返回11.5 11.5 热成像系统的性能与作用距离模热成像系统的性能与作用距离模型型n11.5.211.5.2调制传递函数调制传递函数( (MTFMTF) )模型模型 热成像系统是由一系列具有特定频率特性热成像系统是由一系列具有特定频率特性( (空间或时间空间或时间) )的分系的分系统组合而成。根据线性不变系统理论，若能得到各分系统的频率统组合而成。根据线性不变系统理论，若能得到各分系统的频率特性，热成像系统的频率特性也就确定。采用传递函数的概念来特性，热成像系统的频率特性也就确定。采用传递函数的概念来描述
50、各分系统的频率特性，逐个求出各分系统的传递函数，并将描述各分系统的频率特性，逐个求出各分系统的传递函数，并将它们相乘就得到整个热成像系统的传递函数它们相乘就得到整个热成像系统的传递函数。上一页上一页下一页下一页11.5 11.5 热成像系统的性能与作用距离模热成像系统的性能与作用距离模型型n11.5.3 11.5.3 噪声等效温差噪声等效温差( (NETDNETD) )和三维噪声和三维噪声模型模型 1.1.标准标准NETDNETD的推导的推导 测量标准的测量标准的NETDNETD时，通常要求目标尺寸时，通常要求目标尺寸W W超过系统瞬时视场若干超过系统瞬时视场若干倍，目标和背景的温差倍，目标和
