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红外热成像技术原理

发表在热成像2016-04-29 14:09:08复制链接 阅读:977

目前,新的热成像仪主要采用非致冷焦平面阵列技术,集成数万个乃至数十万个信号放大器,将芯片置于光学系统的焦平面上,无须光机扫描系统而取得目标的全景图像,从而大大提高了灵敏度和热分辨率,并进一步地提高目标的探测距离和识别能力。


    1991年的海湾战争成为展示高科技武器使用先进技术的平台。在这些新科技中,红外热成像技术就是其中最为闪亮的高科技技术之一。红外热成像技术。是利用各种探测器来接收物体发出的红外辐射,再进行光电信息处理,最后以数字、信号、图像等方式显示出来,并加以利用的探知、观察和研究各种物体的一门综合性技术。它涉及光学系统设计、器件物理、材料制备、微机械加工、信号处理与显示、封装与组装等一系列专门技术。该技术除主要应用在黑夜或浓厚幕云雾中探测对方的目标,探测伪装的目标和高速运动的目标等军事应用外,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。如果将这种技术大量地应用到民用领域中,将会引起安防领域的革命。


  智能监控是计算机视觉和模式识别技术在视频监控领域的应用,它能对视频图像中的目标进行自动地监测、识别、跟踪和分析。国外智能视频监控技术的发展动力是来源于对特殊监控场所的监控需求,9•11事件之后,出于反恐、国家安全、社会安定等多方面的需要,智能视频监控与预警技术已逐渐成为国际上最为关注的前沿研究领域。尤其是在一些特殊的应用场所,如在恶劣天气下24h全天候监控、边防与周界入侵自动报警、火灾隐患的自动识别、被遗弃的行李和包裹等遗留物体检测、盗窃赃物查找、被埋尸体查找等等。



一. 红外热成像系统的工作原理



    1672年,牛顿使用分光棱镜把太阳光(白光)分解为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等各色单色光,证实了太阳光(白光)是由各种颜色的光复合而成。1800年,英国物理学家F.W.赫胥尔从热的观点来研究各种色光时,偶然发现放在光带红光外的一支温度计,比其他色光温度的指示数值高。经过反复试验,这个所谓热量最多的高温区,总是位于光带最边缘处红光的外面。于是他宣布:太阳发出的辐射中除可见光线外,还有一种人眼看不见的“热线”,这种看不见的“热线”位于红色光外侧,叫做红外线。这种红外线,又称红外辐射,是指波长为0.78~1000μm的电磁波。其中波长为0.78~1.5μm的部分称为近红外,波长为1.5~10μm的部分称为中红外,波长为10~1000μm的部分称为远红外线。而波长为2.0~1000μm的部分,也称为热红外线。


红外线辐射是自然界存在的一种最为广泛的电磁波辐射,它在电磁波连续频谱中的位置是处于无线电波与可见光之间的区域。这种红外线辐射是,基于任何物体在常规环境下都会产生自身的分子和原子无规则的运动,并不停地辐射出热红外能量。分子和原子的运动愈剧烈,辐射的能量愈大;反之,辐射的能量愈小。


    


    在自然界中,一切物体都会辐射红外线,因此利用探测器测定目标本身和背景之间的红外线差,可以得到不同的红外图像,称为热图像。同一目标的热图像和可见光图像不同,它不是人眼所能看到的可见光图像,而是目标表面温度分布的图像。或者可以说,它是人眼不能直接看到目标的表面温度分布,而是变成人眼可以看到的代表目标表面温度分布的热图像。运用这一方法,便能实现对目标进行远距离热状态图像成像和测温,并可进行智能分析判断。


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绝对零度(-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,最后经系统处理,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。



   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,最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,砷化镓(GaAs)可作为一种潜在的焦平面阵列读出技术,其原因是:GaAs的热膨胀系数与碲镉汞探测器(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。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。


  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确量化,或测量,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。


  


二、红外热成像技术的发展



  从赫胥尔1800年发现了红外线后,开辟了人类应用红外技术的广阔道路。 二次世界大战中,德国人用红外变像管,研制出了主动式夜视仪和红外通信设备,为红外技术的发展奠定了基础。


  二次世界大战后,美国德克萨斯仪器公司(TI)在1964年首次开发研制成功第一代用于军事领域的红外成像装置,称之为红外寻视系统(FLIR)。它是利用光学机械系统对被测目标的红外辐射扫描,由光子探测器接收两维红外辐射,经光电转换及处理,最后形成热图像视频信号,并在荧屏上显示。


  六十年代中期,瑞典AGA公司和瑞典国家电力局,在红外寻视装置的基础上,开发了具有温度测量功能的热红外成像装置。这种第二代红外成像装置,通常称为热像仪。


  七十年代,法国汤姆荪公司又研制出,不需致冷的红外热电视产品。


1986年,瑞典研制出工业用的实时成像系统,它无须液氮或高压气,而以热电方式致冷,可用电池供电;1988年又推出全功能热像仪,它将温度的测量、修改、分析、图像采集、存储合于一体,重量小于7kg,使仪器的功能、精度和可靠性都得到了显著的提高。


  九十年代中期,美国FSI公司首先研制成功由军用转民用并商品化的新一代红外热像仪,它是属焦平面阵列式结构的一种凝视成像装置,技术功能更加先进,现场测温时只需对准目标摄取图像,并存储到机内的PC卡上。各种参数的设定,可回到室内用软件进行修改和分析,最后直接得出检测报告。由于取代了复杂的机械扫描,仪器重量已小于2kg,如同手持摄像机一样,单手即可操作使用。


  随着红外焦平面阵列技术的迅速发展,美、英、法、德、以色列等西方发达国家都在竞相研制和生产先进的红外焦平面阵列摄像仪,其中美国在红外焦平面阵列传感器的发展水平方面处于遥遥领先地位,其焦平面阵列规模已大达2048×2048元,已接近于可见光硅CCD摄像阵列的水平。日本在世界上最先实现了100万像元集成度的单片式红外焦平面阵列,在品种方面,从HgCdTe、InSb、GaAlAs/GaAs量子阱和PtSi到非致冷红外焦平面阵列等种类产品推向市场,抢占商机;法国、荷兰、瑞典、英国、德国和意大利等在非致冷红外热摄像仪技术的发展方面,已显出其处于前沿的竞争地位,如AGEMA公司的热视570,AGEMA520和德国STNATLAS电子公司驾驶员视觉增强系统,都具有很高的水平和市场竞争实力。


  七十年代,中国有关单位已经开始对红外热成像技术进行研究。八十年代末,中国已经研制成功了实时红外成像样机,其灵敏度、温度分辨率都达到很高的水平。进入九十年代,中国在红外成像设备上使用低噪声宽频带前置放大器,微型致冷器等关键技术方面有了发展,并且从实验走向应用。如用于部队的便携式野战热像仪,反坦克飞弹、防空雷达以及坦克、军舰火炮等。


  近几年来,中国的红外成像技术得到突飞猛进的发展,与西方的差距正在逐步缩小,有些设备的先进性也可同西方同步。如目前己能生产面积小于30μm2的1000×1000像素的探测器阵列,由于采用了基于锑化銦的新器件,目前己达到了分辨率小干0.01℃的温差,使对目标的识别达到更高的水平。


  红外热成像仪,可以分为致冷型和非致冷型两大类。红外电视产品和非致冷焦平面热成像仪是非致冷型产品,其他为致冷型红外热成像仪。


  前一代的热像仪主要由带有扫描装置的光学仪器和电子放大线路、显示器等部件组成,已经成功装备部队,并己用于夜间的地面观察、空中侦查、水面保险等方面。


  目前,新的热成像仪主要采用非致冷焦平面阵列技术,集成数万个乃至数十万个信号放大器,将芯片置于光学系统的焦平面上,无须光机扫描系统而取得目标的全景图像,从而大大提高了灵敏度和热分辨率,并进一步地提高目标的探测距离和识别能力。


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