目录一、概论 (11、热像仪构成 (12、热成像功能: (13、热成像技术的优点 (14、红外成像阵列与系统分类 (15、热成像技术的划代 (16、典型技术特点 (27、制冷红外成像阵列与系统的发展 (47、非制冷红外成像阵列与系统的发展 (48、红外成像探测器的发展趋势 (5二、工作原理与结构 (51、串扫型热像仪 (62、并扫型热像仪 (73、串并扫型热像仪 (8四、常见的光机扫描机构 (91、旋转反射镜鼓做二维扫描 (92、平行光路中旋转反射镜鼓与摆镜组合 (103、平行光路中反射镜鼓加会聚光路中摆镜 (104、折射棱镜与反射镜鼓组合 (115、会聚光路中两旋转折射棱镜组合 (126、两个摆动平面镜组合 (12五、热成像系统基本技术参数 (121、光学系统的通光口径0D 和焦距0f (122、瞬时视场角α、β (123、观察视场角H W 、V W (134、帧时f T 和帧速∙F (135、扫描效率η (136、滞留时间d τ (13六、红外成像系统综合性能参数 (141、噪声等效温差NETD (142、最小可分辨温差MRTD (153、最小可探测温差MDTD (18红外成像系统一、概论能够摄取景物红外辐射分布,并将其转换为人眼可见图像的装置,就是红外热成像系统(简称热像仪。
实现景物热成像的技术称为热成像技术。
1、热像仪构成✓接收和汇聚景物红外辐射的红外光学组件;✓既实现红外望远镜大视场与红外探测器小视场匹配,又按显示制式的要求进行信号编码的光学机械扫描器(当使用探测元数量足够多的红外焦平面探测器时,光学机械扫描器可以省去;✓将热辐射信号变成电信号的红外探测器组件;✓对电信号进行处理的电子学组件;✓将电信号转变成可见光图像的显示器;✓进行信号处理的算法和软件。
2、热成像功能:✓将人眼的观察范围扩展到光谱红外区;✓极大地提高人眼观察的灵敏度;✓获得了客观世界与热运动相关的信息。
3、热成像技术的优点✓环境适应性优于可见光,尤其是在夜间和恶劣天候下,具有较好的穿透烟雾和尘埃的能力;✓隐蔽性好,比雷达和激光探测安全且保密性强,不易被干扰;✓识别伪装目标的能力优于可见光,具有较强的反隐身能力;✓具有较远的作用距离;✓与雷达系统相比,体积小,重量轻,功耗低。
✓由于大气中的水分子对红外辐射的吸收比对雷达波的大,因此热成像技术还不能实现全天候工作。
4、红外成像阵列与系统分类✓被动红外成像系统,主动红外成像系统;✓扫描型红外成像系统,凝视型红外成像系统;✓制冷型热像仪,非制冷型热像仪;✓长波红外热像仪、中波红外热像仪、短波红外成像仪、双波段红外热像仪、多波段红外热像仪。
✓平台观瞄型热像仪、便携式热像仪、制导型热像仪、红外搜索跟踪系统、红外行扫仪。
5、热成像技术的划代关于热成像系统的划代,有不同的说法:●欧洲第一代:探测元数少于200元的热成像系统;第二代:探测器为扫描型FPA的热成像系统;第三代:探测器为凝视型FPA的热成像系统。
●美国第一代:探测元数少于200元的热成像系统;第二代:探测器元数少于106的FPA热成像系统;第三代:探测器元数大于106的FPA,多光谱FPA的热成像系统。
●不同代之间热像仪的典型性能第一代:热灵敏度~100mK,空间分辨率~0.2mrad;第二代:热灵敏度~50mK,空间分辨率~0.1mrad;第三代热灵敏度~10mK,空间分辨率≤0.1mrad。
●特征比较第一代的特征:HgCdTe体材料,多元线列或小面阵探测器,复杂的光机扫描机构,中、小规模集成电路构成的电子学,简单的信号处理,热图像的像素最多与黑白电视图像相当。
典型例子:美国以光导HgCdTe 60元、120元和180元探测器为核心的热像仪通用组件,英国以扫积型探测器为核心的热像仪通用组件。
第二代的特征:使用体材料或薄膜材料,长线列或可以达到与黑白电视图像像素相当的凝视型FPA,有一定信号处理功能的大规模集成的读出电路,简单的光机扫描机构或无扫描机构。
第二代热成像系统具有大规模集成电路构成的电子学,复杂的信号处理,其热图像与黑白电视图像相当,在与第一代热像仪大致相同的条件下,作用距离和空间分辨率有明显的提高。
典型例子有采用法国长波HgCdTe288×4扫描型FPA的热像仪,采用美国InSb 512×512凝视型FPA的热像仪。
第三代的特征:先进薄膜材料,长线列或可达到与高清晰度电视图像像素相当的凝视型FPA,功能复杂的、超大规模集成的读出电路,简单的光机扫描机构或无扫描机构,大规模或超大规模集成电路构成的电子学,很复杂的信号处理,热图像的像质达到高清晰度电视图像的水平。
在与第二代热像仪大致相同的条件下,作用距离和空间分辨率比第二代有明显的提高。
典型例子:美国InSb 1024×1024凝视型FPA。
第四代的特征:先进的多层薄膜材料,长线列或可以达到与高清晰度电视图像像素相当的多光谱面阵FPA,亚微米工艺集成的、信号处理功能强大的读出电路,简单的光机扫描机构或无扫描机构,超大规模集成电路构成的电子学,采用很复杂的信号处理和图像融合技术,可以得到多光谱,甚至全光谱的高清晰度的“彩色”热图像。
在与第三代热像仪大致相同的条件下,作用距离、空间分辨率、信息量和数据处理能力比第三代热像仪有明显的提高。
6、典型技术特点●美国第一代热像仪通用组件和红外探测器的技术特点1长波红外;2光导HgCdTe多元线列探测器,分为60 元——便携式、低成本应用,采用节流制冷器或斯特林制冷机120元——车辆应用,采用分置式斯特林制冷机180元——高性能应用,采用分置式斯特林制冷机这三种规格的探测器的尺寸、中心距均相同,采用结构类似的杜瓦封装,偏置电路与杜瓦集成在一起;3采用2:1隔行并扫模式;4采用二次图像显示,即热图像先由发光二极管阵列显示,再用电视摄像机摄取发光二极管阵列显示的热图像,在显示器上显示出来;5通用组件包括红外探测器组件/制冷机、扫描器、前置放大器、后置放大器、偏压控制器、隔行扫描电路、辅助控制电路等信号处理电子学组件、控制电路组件、视频电子学组件等;6红外光学系统、显示器不是通用组件,需要根据型号应用的要求设计和配置;7电子学信号处理采用模拟技术。
简言之,美国用三种探测器/杜瓦/制冷器组件、一种扫描器、一套电子学组件研制了三种通用组件热像仪。
在世界上,美国第一代热像仪通用组件技术的影响最大。
第二代热成像和红外探测器技术20世纪70年代末开始进行第二代热成像技术的研究。
80年代中取得突破,90年代初进入小批量生产, 90年代末第二代热成像技术成熟到进人大批量生产阶段。
1长波红外;2HgCdTe;3扫描型红外焦平面阵列(FPA;4串-并扫模式,5通用组件。
其构成为SADA-Ⅰ:480×6,扫描型,工作温度65K;SADA-Ⅱ:480×6,扫描型,工作温度80K;SADA-ⅢA:240×1,扫描型,工作温度80K;SADA-ⅢB:240×4,扫描型,工作温度80K。
●英国第一代热像仪通用组件和红外探测器技术1长波红外;2HgCdTe光导型探测器包括:扫积型(SPRITE探测器——机动平台应用光导32元线列探测器——便携式;低成本应用3用扫积型探测器的热像仪称为Ⅱ类通用组件热像仪,采用串—并扫模式;用32元线列探测器的热像仪称为Ⅰ类通用组件热像仪;4Ⅱ类热像仪的通用组件包括:红外探测器组件/制冷机、扫描器及马达驱动器、前置放大器和缓冲放大器、CCD带存储器、电视波形发生器、增益控制和钳位电路、电源电路等电子学组件;Ⅰ类热像仪的通用组件包括:红外探测器组件/制冷机、扫描器及马达驱动器、前置放大器和缓冲放大器、波形发生器、增益控制和钳位电路、电源电路、直接观察器、间接观察转换器等电子学组件;5电子学信号处理采用模拟技术。
第二代热成像和红外探测器技术1长波红外;2高端应用追求性能,长波红外HgCdTe768×8FPA是目前最好的焦平面器件;3低端应用均采用非制冷焦平面探测器技术,追求性能价格比,在性能上达到或接近第一代热成像技术的水平,但价格只有第一代的1/5~1/2。
●法国第一代热像仪通用组件和红外探测器技术1长波红外;2HgCdTe光伏11×4小面阵探测器,机动平台的应用采用分置式斯特林制冷机,便携式应用采用节流制冷器;3采用串-并扫模式;4通用组件包括:红外探测器组件/制冷机、扫描器及马达驱动器、前置放大器和缓冲放大器、时间延迟积分电路、波形发生器、增益控制和钳位电路、电源电路等电子学组件;5电子学信号处理采用模拟技术。
第二代热成像和红外探测器技术1长波红外为主,中波红外在半数以上应用领域已可与长波红外竞争;2长波红外以HgCdTe 288×4扫描型FPA为主,串-并扫模式;中波红外HgCdTe 与InSb 320×240凝视型FPA各占一半;3通用组件和通用部件两个概念并行。
随着热像仪的小型化,在第二代热成像技术中,出现了将整个热像仪作为一个部件使用——通用热像仪的概念,发展高、中、低三类热像仪,将整个热像仪作为一个部件使用。
法国选择HgCdTe 288×4FPA为突破口,既突破了关键技术,难度又不是特别大,技术路线选择得当,有限目标,由简到繁,稳步推进,最终在第二代技术中独领风骚。
7、制冷红外成像阵列与系统的发展大致可以分成三个阶段:1技术探索期大约从1978年至1986年。
在这一阶段,主要是对各种可能的技术、技术路线进行了探索,例如:在红外焦平面探测器上,研究了HgCdTe、InSb。
在信号的读出方式上,研究了单片式和混成式结构,研究了电荷注入器件、电荷耦合器件、金属-氧化物-半导体开关矩阵器件等。
从技术的发展看,早期人们希望用一种材料,同时完成对红外辐射的光电转换和信号的读出,例如用HgCdTe、InSb材料研制的单片式电荷注入器件。
由于HgCdTe、InSb材料都是窄禁带的半导体,所形成的势阱容量不足,红外辐射的背景通量很大,因此,几年后人们就将注意力转移到混成式结构上了,即红外探测器列阵用HgCdTe、InSb材料,信号处理电路用硅集成电路,再将其互连形成一个焦平面探测器芯片组件。
2技术成型期从1986年至1997年。
在这一时期,人们已认识到:用窄禁带半导体材料研制红外探测器列阵芯片,用硅集成电路芯片实现信号处理是研制红外焦平面探测器的最佳途径,所以,技术路线主要集中在混成式结构上,进而研制成功各种规格的红外焦平面探测器,开始进入系统应用阶段。
即使集成式结构的红外焦平面探测器,也要采用其他探测器材料。
例如:肖特基势垒红外焦平面探测器采用Pt-Si等薄膜材料。