汇聚光束 光谱滤波
光电转换
电视光栅
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7.4 红外热成像系统
光学系统
光机扫描型热成像系统以瞬时视场为单位，用光机扫描方 法来覆盖总视场。 聚光光学系统 接收目标或景物辐射，聚焦于探测器。 扫描光学系统 产生扫描光栅，使分立探测元件能够获取大范围景物图像。 红外光学系统的特点：通光孔径和相对孔径大，工作波段 宽，像差校正困难。
可见光图像 荧光屏 电子光学系统
通常变像管的光阴极采用对近红外敏感（ 0.8 ～ 1.2µ m ）的银氧铯光敏层，电子光学部分相当于一 个静电聚焦系统。
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7.3 主动式红外成像系统
大气后向散射现象：红外探照灯向目标发出的红外光束通过大 气时，其中一部分散射后向辐射进入观察系统。引入了图像的 背景噪声，降低了图像对比度和清晰度。 如何减小大气后向散射影响？ 选通技术：利用发出短脉冲光的探照灯和在相应时间工作的 选通型变像管，以时间的先后分开不同距离上的散射光和目 标的反射光，使由被观察目标反射回来的辐射脉冲刚好在变 像管选通时到达并成像，由辐射脉冲在投向目标的后向散射 辐射到达接收器时，变像管恰好处于非工作状态而不参与成 像，从而减小后向散射对成像的影响。
8.62 9.50
9.66 10.6 37.53
红外辐射能量密度曲线
常见物体的峰值波长
10
7.2 红外辐射的基本概念
红外辐射的大气窗口
红外辐射在大气中传输时，不同波长的红外辐射，有着不 同的吸收和衰减。能够透过大气的红外辐射主要有三个波长 范围：1～2.5um，3～5um，8～14um，通常称为大气窗口。
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7.4 红外热成像系统
反射镜鼓行扫描 摆镜场扫描 反射镜鼓行扫描 折射镜场扫描
适于小视场单元器件扫 描用，不适合高速扫描
扫描效率高，像差校正有难度
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7.4 红外热成像系统
多元探测器热成像系统
将多元探测器按不同方式排列起来分解景物，可 以改进每帧、每分辨单元的信噪比，提高系统的性 能。
基本摄像方式
装有红外夜视仪的步枪
红外夜视图像
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7.3 主动式红外成像系统
主动式红外成像系统的系统结构
主动式红外成像系统
光学系统
红外变像管 光谱转换 电子成像 亮度增强
红外探照灯
高压电源
物镜组 目镜组
红外辐射光源 变像管电源
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7.3 主动式红外成像系统
主动式红外成像系统结构示意图
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7.3 主动式红外成像系统
可见，物体的温度越高，红外辐射能量越多。正常人体 的红外辐射功率大致为1kW。
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7.2 红外辐射的基本概念
维恩位移定律
物体的红外辐射能量密度大小，随波长（频率）不同而变 化。与辐射能量密度最大峰值相对应的波长为峰值波长，维 恩通过大量实验得出峰值波长和物体热力学温度之间的关系：
max 2897 /T
树林中人的热图像
小图是可见光图像 大图是热图像
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7.4 红外热成像系统
红外热成像系统
光机扫描型：图像质量好、结构复杂、成本高。 非扫描型：结构简单、图像质量逐渐提高。 光机扫描型红外热成像系统结构框图 光学系统部分 红外探测与致冷部分 电子信号处理系统部分 显示系统部分
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7.4 红外热成像系统
第七章
红外成像原理
7.1 引言
7.1.1 红外线的历史
通常取可见光谱中红光末端为780nm，比它长的光就是红外 光，或称为热射线。
1800年，赫胥耳利用太阳光谱色散实验发现了红外光。
1870 年，兰利制成了面积只有针孔那样大小的探测器，并 用凹面反射光栅、岩盐及氟化物棱镜来提高测量色散的能力， 这为红外应用的重要方面——航空摄影奠定了基础。
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7.3 主动式红外成像系统
脉冲光源照明输出 后向散射辐射 目标反射辐射 优点1：减少大气 后向散射对红外图 像对比度和清晰度 的影响 优点 2 ：精确测量 目标与观察者之 间的距离
选通脉冲
探测距离为1220米时的选通时序图 选通脉冲的时序要与目标反射辐射时序一致！
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7.3 主动式红外成像系统
探照灯：短脉冲红外激光 红外变像管：加选通电极
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7.3 主动式红外成像系统
红外探照灯
技术要求：
① 红外探照灯的辐射光谱要与变像 管光阴极的光谱响应有效匹配，在 匹配的光谱范围内有高的辐射效率。
② 探照灯的照射范围与仪器的视场 角基本吻合。 ③ 红光暴露距离要短，结构上要容 易调焦，滤光片和光源更换方便。
结构包括光源、灯座、红 外滤光片、抛物面反射镜 ④ 体积要小，重量轻，寿命长， 工作可靠。
电热光源（白炽灯）；气体放电光源（高压氙灯）；半导体光源（砷化镓发 光二极管）；激光光源（砷化镓发光二极管）
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7.3 主动式红外成像系统
直流高压电源
高压电源提供红外变像管进行图像增强的能量，一般为1.2 ～ 2.9万伏。 技术要求： ① 输出稳定直流高压； ② 在高、低温环境下能保证系统正常 工作；③ 防潮、防震、体积小、重量轻、耗电省。 主动式红外成像系统的特点： ① 能够区分军事目标和自然景物，识别伪装； ② 近红外辐射 比可见光受大气散射影响小，较易通过大气层（恶劣天气除 外）；③ 由于系统“主动照明”，工作时不受环境照明影响， 可以在“全黑”条件下工作。
场镜：指加在像平面或像平面附近的透镜，用来扩大视场， 使探测器接收的辐照均匀。 光锥：利用圆锥的高反射率聚光，缩小探测器尺寸。 中继光学系统：便于探测器件的结构安排。
前置望远系统 ：减小光学扫描器件的尺寸。
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7.4 红外热成像系统
扫描系统
平行光束扫描（物方扫描）：扫描器在聚光系统之前，扫描 镜尺寸大，扫描速度慢，像差校正简单，对聚光光学系统要 求不高。 会聚光束扫描（像方扫描）：扫描器安置在聚光光学系统和 探测器之间，对像方光束进行扫描。尺寸小，扫描速度高。 对聚光光学系统有较高要求。 扫描方案可以采用不同的场扫描和行扫描组合方案，比如摆 镜场扫描加旋转反射镜鼓行扫描，折射棱镜场扫描加反射镜 鼓行扫描。
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7.3 主动式红外成像系统
红外成像系统
利用不同物体 对红外辐射的 不同反射 利用物体自 然发射的红 外辐射
主动式红外成像系统 （红外夜视仪）
被动式红外成像系统 （红见光图像？
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7.3 主动式红外成像系统
7.3.1 主动式红外成像系统
主动式红外成像系统自身带有红外光源，是根据被成像 物体对红外光源的不同反射率，以红外变像管作为光电成像 器件的红外成像系统。 优点：成像清晰、对比度高、不受环境光源影响。 缺点：易暴露，不利于军事应用。
1～2.5
3 ～5
8～14
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7.2 红外辐射的基本概念
红外辐射的介质传输特性
许多对可见光透明的介质，对红外辐射却是不透明的。通 常把可以透过红外辐射的介质称为红外光学材料。红外光学 材料可以分为晶体材料、玻璃材料和塑性材料三种，每种材 料都对某些波长范围的红外有较高的透过率。
单晶锗： 1.8 ～ 20µ m， 最常见；单晶硅： 11µm 以内；多晶硫 化 锌 ： 1 ～ 14µm ； 多晶氟化镁：3～ 5µm ， 高 温 性 能 稳 定 几种红外光学材料的透过率
① 并联扫描摄像方式
② 串联扫描摄像方式
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7.4 红外热成像系统
优点：系统灵敏 度高，对探测器 速度要求不高； 缺点：探测器数 量多，电路和材 料工艺复杂。
并联扫描摄像方式
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7.4 红外热成像系统
优点：探测器性能均 匀，图像缺陷少，信 噪比提高 n 倍，信 号处理容易，不需要 扫描变换就可以得到 标准视频信号； 缺点：对探测器速度 要求高。
光学系统
物镜组：把目标成像于变像管的光阴极面上 目镜组：把变像管荧光屏上的像放大，便于人眼观察 与常规光学仪器不同，变像管将物镜组和目镜组 隔开，使得光学系统的入瞳和出瞳不存在物象共轭 关系！渐晕系数越大越好，像面照度均匀。
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7.3 主动式红外成像系统
红外变像管
红外变像管是主动式红外成像系统的核心，是一 种高真空图像转换器件，完成从近红外图像到可见 光图像的转换并增强图像。 从结构材料上分，红外变像管可以分为金属结构 型和玻璃结构型； 从工作方法上分，可以分为连续工作方式和选通工 作方式。
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7.3 主动式红外成像系统
红外变像管结构
阴极 外筒 光学纤维 红外光阴极 电子轨迹 电子光学系统
阳极锥电极
荧光屏
工作波长范围取决于红外变像管的光阴极响应谱区，一般为 0.76~1.2µ m的近红外光。 19
7.3 主动式红外成像系统
红外变像管的工作过程 近红外辐射 光阴极面 电子流图像
高能电子
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7.4 红外热成像系统
红外热成像系统是被动式成像系统。
自然界中，温度高于绝对零度的一切物体，总是在不断地 发射红外辐射。收集并探测这些辐射能，就可以形成与景物 温度分布相对应的热图像。
热图像再现了景物各部分温度和辐射发射率的差异，能够 显示出景物的特征。
ThermoVision™ A20V高品质红外热像仪
串联扫描摄像方式
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7.4 红外热成像系统
红外探测器（核心器件）
红外探测器是红外辐射能的接收器，通过光电变换，将接收 的红外辐射能量变为电信号，经过放大、处理，形成图像。
基尔霍夫 1824～1887
推论：性能好的反射体或透明体，必然是性能差的辐射体。
7
7.2 红外辐射的基本概念
斯蒂芬－玻耳兹曼定律
物体辐射的红外能量密度 W 与其自身的热力学温度 T 的 4 次方成正比，并与它表面的比辐射率成正比：
W T