红外成像系统

1、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

2、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、 (123、观察视场角H W 、V W (134、帧时f T 和帧速F (135、扫描效率 (136、滞留时间d (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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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

8、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

9、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;

10、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-:480×6,扫描型,工作温度65K;SADA-:480×6,扫描型,工作温度80K;SADA-A:240×1,扫描型,工作温度80K;SADA-B: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类通用组件热像仪;4类热像仪的通用组件包括:

11、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;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1/51

12、/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 320×24

13、0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

14、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

15、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。在这一时期,人们结合特定领域的应用,集中研制几种规格的红外焦平面探测器,例如:扫描型的有288 /240×4、480×4/6、576×6、768×8等,凝视型的有128×128、256×256、320×240、384×288、512&#

16、215;512、640×480等。3技术成熟期从1997年至今。在这一时期,形成红外焦平面探测器主流产品,并投人大规模生产。由于成本的原因,即使已经研制出来的一些产品也未投人大规模生产,例如,长波HgCdTe 640×480规模的焦平面探测器。7、非制冷红外成像阵列与系统的发展发展大致可以分成三个阶段:1技术探索期大约从1979年至1992年。在这13年中,主要是对两种材料热释电材料和氧化钒材料、两种技术路线混合式和单片式(硅微桥阵列进行了探索。以美国德克萨斯公司研制成功规模为328×245的钛酸锶钡非制冷红外焦平面探测器、霍尼韦尔光公司研制成功规模为336

17、15;240的氧化钒微测辐射热计的非制冷焦平面探测器为标志。2技术成熟期从1992年至今。在这一时期,形成红外焦平面探测器主流产品,混成式、集成式非制冷型红外焦平面探测器均投人生产。例如,美国德克萨斯公司规模为328×245的钛酸锶钡非制冷红外焦平面探测器、霍尼韦尔光公司规模为336×240的氧化钒微测辐射热计的非制冷焦平面探测器、英国GEC马克尼公司规模为256×128的钽钪酸铅非制冷焦平面探测器、法国索法拉迪公司规模为320×240的非晶硅非制冷焦平面探测器等,大量被各种低成本热像仪所采用。非制冷焦平面探测器的出现,使非制冷热像仪的价格降低到第一代制

18、冷型热像仪的l/10以下,这使热像仪可以在更大规模、更多领域得到应用,是热成像技术领域的一个里程碑。另外,160×120规模的非制冷红外焦平面探测器的生产,进一步降低了成本。3新技术探索期从1992年至今,非制冷红外焦平面探测器的成功,使更多的人投人新材料、新工艺、新技术的探索之中,希望解决还存在的问题,例如解决微测辐射热计的非制冷焦平面探测器的功耗问题、减小探测元尺寸、进一步降低成本的问题、研制640×480等规模更大的器件等等。8、红外成像探测器的发展趋势今后,红外探测器将随探测器及其配套技术的成熟和市场需求的迅速扩大而加快发展,探测器的发展趋势有以下几个方面:1集成式

19、集成化的红外探测器有利于简化系统结构,能充分利用半导体材料和工艺技术、微电子、微机械加工、制冷的最新成果,便于器件焦平面化;2焦平面采用焦平面器件,更好地满足系统的要求,简化系统结构;3大阵列为明显的提高系统的性能,红外探测器将向大面阵和长线列发展;4小型化红外系统将克服制冷、光学设计和加工、信号处理和显示等方面的困难,缩小体积、减轻重量、降低成本等,以便扩大其应用范围,5高速化探测元数量增加后,要与高清晰度电视兼容,要用于获取快速目标热图像等,必然要求提高焦平面探测器的帧频和采样速度;6多色化随材料、器件和系统技术的进步,红外探测器将向更多的光谱波段发展,既包括拓宽光谱波段,也包括将光谱波段

20、划分成更为细致的波段,以获得目标的“彩色”热图像,更丰富、更精确、更可靠地得到目标的信息;7智能化在探测器芯片上实现非均匀性校正、图像处理、对背景辐射的自适应探测等。二、工作原理与结构热像仪的红外光学系统把来自目标景物的红外辐射聚焦于红外探测器上,探测器与“相应单元”共同作用,把二维分布的红外辐射转换为按时序排列的一维电信号(视频信号,经过后续处理,变成可见光图像显示出来。按扫描的体制,热像仪有“光机扫描”、“电扫描”(固态自扫描和电子束扫描均属电扫描和“光机扫描+电扫描”三种类型。图示为采用单元探测器的光机扫描热像仪原理图 它以摆动轴正交的两块摆动平面反射镜分别完成水平和铅垂方向的扫描。其中

21、沿水平向的扫描叫行扫描。行扫描镜上装有同步信号发生器,其输出电压标示每一瞬时行扫描镜的角坐标,并以此信号来控制显示器的电子束做同步偏转。因而,当行扫描镜完成对景物平面一个水平条带的扫描时,显示器就相应地呈现热图像的一行。此时高低扫描镜被驱动,使光轴在铅垂方向下偏一行所对应的角度。同时,高低扫描镜上的同步信号发生器控制显示器的电子束相应偏转,行扫描镜也回到起始位置,准备做下一行扫描。这样循环往复,扫完一帧,显示器上就呈现景物的热图像。电扫描热像仪系统示意如图所示 特点是采用足够大的焦平面阵列(FPA探测器(例如256× 256像元,用电扫描方式(图中是用CCD将探测器的信号逐个依次读出

22、(因而取消了光机扫描单元实质上是以电扫描取代光机扫描,驱动电扫描的同时也发出行与帧的同步脉冲,送给显示器,以保证各像素信号在显示器上能被正确排列,成为所希望的可见光图像。“光机扫描+电扫描”的热像仪系统示意图如下 以多元线列探测器上下贯穿热像仪的像面跨度,而用水平方向的扫描镜来扫满系统在水平面内的视角。由于此类热像仪技术难度相对适中,工艺成熟,性能较好,故应用很多。根据多元探测器的排列方式及其与光机扫描的协调配合情况,又将系统细分为串扫型、并扫型、串并扫型三种。1、串扫型热像仪在串扫型热像仪中,线列探测器之各单元的排列方向与光机扫描的行扫描方向一致(如图所示, 各个探测器都有自己的前置放大器。

23、光机扫描时,景物上一点依次扫过各单元探测器,即每个单元探测器都要扫过整个物方视场所对应的景物平面。故行扫速率与帧频均与采用单个探测器的情况相同。假定由n个单元探测器沿行扫描方向排成线阵,在做行扫描时,各元探测器的输出信号要经过相应的时间延迟后才进入积分器叠加,形成单一通道视频信号输入显示器。例如,第一个探测器的信号应延迟n-1个像元的扫描时间,第i个探测器的信号则应延迟n-i个像元的扫描时间1in。这n个信号一起积分叠加(CCD即可实现这种延迟积分,形成一个增强的信号。由于信号是相关的,而噪声则不相关,结果使每行输出的信噪比都会增加。可以证明,串联n个单元探测器使信噪比增加为单个探测器的n倍。

24、应当指出,采用串扫方式时,其行扫描单元必须在平行光路中。若以会聚光束做行扫描,则会使沿行扫描方向排列的线阵探测器部分出现离焦现象。另外,由于串扫方式依然需要快速行扫描和慢速帧扫描,故要求各单元探测器时间常数小,放大电路的频带相应要宽。串扫方式的突出优点是对线阵器件各单元的性能一致性要求大大放宽。另外,它信号处理简单,无须扫描转换即可形成时序视频信号,便于与电视兼容。2、并扫型热像仪在并扫型热像仪中,多个单元探测器的排列方向与行扫描方向垂直,各单元探测器与多路前置放大器一一对应连通。 每扫描一次,各单元探测器都彼此平行地在景物图像上扫过一行,形成多路信号,再经高速电子开关转换成一路时序视频信号送

25、至显示器。电子开关由取样脉冲分配器控制,同时将同步信号送至显示器。可以证明,n元并扫使带宽减至单元探测器热像仪的1/ n。因而n元并扫使信噪比提高为单元探测器热像仪的n倍。采用n元并扫可利用会聚光束扫描,可利用同一反射镜完成探测器扫描及显示器扫描,这就使系统结构紧凑。而且,由于一次可扫出n行,在帧速不变的条件下,探测器驻留时间增长,故放宽了对单元探测器响应速度的要求。这种热像仪的主要缺点是:1要求各单元探测器一致性很好,否则会直接影响热图像的质量;2每一单元探测器至少要有一根引线与前置放大器连接,在探测器元数很多时,引线的排列和引出会有工艺上的困难,同时使热负载增加,制冷困难。为克服上述第二个

26、缺点,可采用隔行扫描方式。相应地使单元探测器隔行排列在与行扫描正交的方向上,即两相邻单元的间隔正好等于一个单元的尺寸。这种隔行扫描的实施需配有隔行扫描器。 在第一场扫完后,隔行扫描器使铅垂方向的扫描机动向下偏转,光轴向下倾斜(其倾角正好与一个单元探测器的尺寸相当,再扫第二场。前后两场拼接起来组成一帧完整的景物热图像。隔行扫描方式可用n/2个单元探测器达到n个单元探测器的扫描视场,同时又不增加放大器的带宽。但它扫一帧多花了一倍的时间,而且扫描机构复杂一些在铅垂方向增加一个固定角度的上下摆动机构。3、串并扫型热像仪串并扫型热像仪将其探测器排列成m×n元的短阵形式,其沿水平方向排列的n元探

27、测器与串扫型器件功能类似,而沿与之正交方向排列的m元探测器则与并扫型器件功能类似。它兼有使目标信息增强的优点,又可降低扫描速率,对各单元的一致性要求相对较低。尤其在并扫线列的跨度不能覆盖铅垂方向的全视场时,必须采用串并扫方式。从多元探测器的排列形式而言,它是以两维面阵取代前面所述的一维线阵。下图表示串并扫描的构思。 相对于并扫型热像仪,串并扫热像仪有许多优点:1由于单元探测器的输出可以叠加,故其响应率误差可以平均,无须专设复杂的灵敏度校正电路,可利用其最高灵敏度,获得优质图像。2探测器的冷屏相对小些,冷屏角度接近光学系统的孔径角。在探测器达到背景限性能时,因冷屏因素而得益,灵敏度提高约1.3倍

28、。3获得相同性能所必需的探测器数量只有并扫型的1/31/5。实践表明,使用2428元探测器的串并扫型热像仪,性能与用120元并扫者相当。4检测点目标的性能好。这是由于它避开1/ f噪声比并扫型热像仪容易得多,故可借助信号检测环节有效地提高检测点目标的灵敏度。这对热成像跟踪、搜索和制导系统非常重要。4、三种扫描方式的比较下表将串扫、并扫、串并扫做了对比:方式项目串扫摄像方式并扫摄像方式串并扫摄像方式探测器列阵阵列方向与行扫描方向一致列阵方向与行扫描方向垂直两维面阵探测器元数较少较多较多探测器特性对探测器特性均匀性要求不高,但要求响应速度快对探测器性能的均匀性要求高对探测器特性要求一般,比并扫容易

29、提高图像质量制冷探测器列阵短,制冷和冷屏蔽方便探测器列阵长,制冷和冷屏蔽困难,制冷效果差探测器面阵尺寸不大时,可实现冷屏蔽系统频带及频带范围频带宽,低频端可取高些,避开1/f噪声区频带窄,低频端不能取得太高,往往避不开l/f噪声介于二者中间,比串扫带宽窄信号处理延迟后叠加,不需扫描转换就可以形成单通道视频信号探测器信号并行输出,需经多路传输和扫描转换形成视频信号电路复杂.需延迟叠加和多路传输、中间存储器信噪比通过信号叠加来增强号,从而提高信噪比,理论上提高n倍通过降低系统带宽,从而降低噪声来提高信噪比,理论上提高n倍兼有两种提高信噪比的功能,信噪比提高大于n倍扫描速度扫描机构转速高,实现起来较

30、困难速度相对较低,易实现扫描速度较低四、常见的光机扫描机构通常的光机扫描部件有摆动平面镜、旋转反射镜鼓、旋转折射棱镜、旋转折射光模等。它们单独或组合成为常用的几种扫描机构。1、旋转反射镜鼓做二维扫描能兼作行扫、帧扫的反射镜鼓如图所示。 它是一个多面体,其每一侧面与旋转轴构成不同的倾角i 。例如,第1面倾角i =0;第2面倾角=i ;第3面2=i ;第i 面1(-=i i ;如此等等。这样,当第一面扫完一行转到第二面时,光轴在列的方向上也偏转了角。若使角正好对应于探测器面阵(或并扫线阵在列方向的张角,则这个单一的旋转反射镜鼓就可兼有二维扫描的功能。这种方案结构紧凑,帧扫描效率很高,适于中低档水平

31、的热像仪和手持式热像仪采用。由于反射镜鼓的反射面系绕镜鼓的中心轴线旋转,致使反射面位置有相对于光线的位移,这种位移若出现在会聚光路中,则会产生“散焦”现象,影响像质。故反射镜鼓多用在平行光路中。2、平行光路中旋转反射镜鼓与摆镜组合下图所示的机构是由旋转反射镜鼓做行扫描、摆镜做帧扫描的实例。镜鼓、摆镜均在平行光路中,其外形尺寸必须保证有效光束宽度0D 和所要求的视场角2,故比较庞大,加之摆镜运动的周期性往复以及其在高速摆动情况下使视场边缘不稳定,不宜高速扫描。这种二维扫描机构无附加像差,实施容易。 3、平行光路中反射镜鼓加会聚光路中摆镜下图所示的机构是由会聚光路中的摆镜绕图平面内的轴线00摆动完

32、成帧扫描,由准直镜组之间(平行光路的反射镜鼓绕与图面垂直的轴线旋转完成行扫描。 这种机构扫描效率与上述相同,但由于摆镜在会聚光路中,摆动时产生“散焦”而影响像质,不宜作大视场扫描用。4、折射棱镜与反射镜鼓组合在下图所示系统中,四方折射棱镜,在前置望远镜的会聚光路里旋转执行帧扫描,而反射镜鼓2位于物镜前的平行光路里旋转做行扫描。 前者转轴与图面垂直,后者转轴在图面内。由于折射棱镜扫描效率比摆镜高,故这种组合的总扫描效率比前面方案高。加之反射镜鼓处在经望远镜压缩的平行光路中,故尺寸可以相对减小。但折射棱镜在会聚光路中产生像差,且折射棱镜要旋转,系统像差设计较难。如果设计得当,可用于大视场及多元探测

33、器串并扫的场合。5、会聚光路中两旋转折射棱镜组合 上图所示结构是由会聚光路中两旋转的折射棱镜组合完成二维扫描。其中帧扫描棱镜在前,转轴与图面垂直;行扫描棱镜在后,转轴在图面内且与光轴正交。二者棱面数量一样,以使水平视场与垂直视场的像质相当(图中是八棱柱体。由于行扫描棱镜入射面靠近物镜焦平面,这里光束宽度变窄,故其厚度尺寸可以小些,使之易于实现高速旋转,达到高速扫描。这种系统的最大优点是扫描速度快,扫描效率高(帧频可达25Hz ,若用多元探测器,帧频可达到50Hz;缺点是像差设计困难。由于它的高帧频特点,使之能与普通电视兼容,因而成为高速热像仪采用的扫描方案。例如,现在最具代表性的高速热像仪AG

34、A 系列(瑞典。6、两个摆动平面镜组合用两个摆轴互相垂直的平面镜可构成二维扫描机构,其中一个完成行扫描,另一个完成帧扫描。上图所示的单元探测器光机扫描热像仪即为一例。由于摆动平面镜可安置在平行光路或会聚光路中,给系统方案设计留有较多的选择余地。但由于摆镜稳定性差,不宜做高速扫描。实际应用的扫描机构还有旋转V 形镜、旋转多面体内镜鼓、旋转物镜序列、 摆动探测器列阵等。五、热成像系统基本技术参数1、光学系统的通光口径0D 和焦距0f它们是决定热像仪性能和体积的关键参数。2、瞬时视场角、在光机扫描及固体自扫描系统中,单元探测器尺寸为(2m b a ,水平及俯仰方向的瞬时视场角、由a 、b 及光学系统

35、焦距(0mm f 决定。(0mrad f a =,(0mrad f b =称作一个分辨单元。、的大小反映了热像仪空间分辨率的高低。3、观察视场角HW、V W在光机扫描系统中,水平及俯仰方向的观察视场角HW、V W 由光机扫描机构的偏转角及视场光阑决定(有些情况下也与0f 有关。对于电子束扫描和固体自扫描系统,HW 、V W 由摄像器件的总光敏面积与0f 决定。4、帧时f T 和帧速F上述三类热成像系统都是帧扫描系统,亦称成帧摄像方式。完成一帧扫描所需的时间称为帧时(s T f 。单位时间完成的帧数称为帧速F (帧/s:=FT f 15、扫描效率光机扫描机构对景物扫描时,实际扫过的空间角度范围通

36、常比观察视场角HW、V W 要大。观察视场完成一次扫描所需的时间与扫描机构实际扫描一周所需的时间之比称为扫描效率,即ffov T T =其中fovT是对视场完成一次扫描所需的时间。通常空间扫描是由水平扫描和俯仰扫描合成的,所以扫描效率也分为水平扫描效率H 和俯仰扫描效率V ,有V H =6、滞留时间d对光机扫描系统而言,物空间一点扫过单元探测器所经历的时间称为滞留时间d。探测器在观察视场中对应的分辨单元数为VH W W n =由d的定义,有=FW W nT V H f d 热像仪的综合性能参数是在以上各基本技术参数的基础上作进一步的综合分析得出的。六、红外成像系统综合性能参数1、噪声等效温差N

37、ETD1NETD 的定义用热成像系统观察标准试验图案,图案上的目标与背景之间能使基准化电路输出端产生峰值信号与均方根噪声之比为1时的温差,称为噪声等效温差NETD 。NETD 是表征热成像系统受客观信噪比限制的温度分辨率的一种量度。HW VW WWT T BT用来测量NETD 的标准试验图案如上图所示。目标与背景均为黑体,目标宽度W 为热像仪分辨元的数倍,B T T T >。为了标准化和便于系统间进行比较起见,在系统电路上外接一个作通频带校正用的电滤波器,使全部电路(包括外接电滤波器的总传递函数为基准化电路的传递函数。2NETD 的表达式ns v v T NETD /=式中,n v 是基

38、准电路输出的噪声的均方根值,s v 是目标与背景之间温差为T 时基准电路输出端目标信号与背景信号之差。a.单元光机扫描方式的NETD推导过程是,先求出热像仪分辨元接收到的辐射功率,再求出由于目标与背景温差引起的接收功率的差异,继而求得信号电压的变化量及信噪比,最后由上式得到NETD :=21(*'22d T W Tc D f ab NETD B Bp p o R式中,a 、b 为探测器尺寸;R f '是基准化电路的噪声等效带宽;、为瞬时视场角;o 为光学系统平均透过率;(*p D 为探测器峰值响应度;p 为峰值响应频率;b.多元串扫方式的NETD对于多元串扫方式,由于N 个元件

39、的信号线性相加,而噪声的均方根值只增大N 倍,则信噪比相对单元探测器提高到N 倍,即 单单串串=NETDN v v N T v v T NETDn s n s 1/(/(=c.多元并扫方式的NETD对于多元并扫方式,其NETD 与单元扫描NETD 的差别在于表达式中R f '的具体结果有所不同。在白噪声时,多元并扫并行传送方式的R f '比单元扫描方式多乘因子N /1;多元并扫多路转换方式的R f '比单元扫描方式多乘因子m 。d.凝视方式与单元方式有相同的R f '。综上所述,在帧速F 相同的条件下,串扫及并扫并行传输方式比单元扫描时降低了NETD ,其原因分

40、别在于提高了信噪比或减小了带宽,并扫多路转换方式使NETD 增大为m 倍,由此换取了高的信息速率。3NETD 与系统性能参数的关系 在其他参数确定时,NETD 可写为F NETDNETD 、帧频F 及瞬时视场角是表征一个热成像系统性能的三个主要特征参数,分别反映了系统的温度分辨率、信息率及空间分辨率。易见,这三个特征参数在性能要求上是相互矛盾的,即存在制约关系,比如要减小NETD ,就要牺牲空间分辨率降低信息率。4NETD 的局限性NETD 作为系统性能的综合量度有一些不足之处:a.NETD 的测量点是在基准化电路的输出端。由于从电路输出端到终端图像之间还有其他子系统(如显示器,因而NETD

41、并不能表征整个系统的性能。b.NETD 反映的是客观信噪比限制的温度分辨率,但人眼对图象的分辨效果与视在信噪比有关。NETD 并没有考虑视觉特性的影响。c.单纯追求低的NETD 值并不意味着一定有好的系统性能。例如,增大工作波段的宽度,显然会使NETD 减小。但在实际应用场合,可能会由于所接收的日光反射成分的增加,使系统测出的温度与真实温度的差异增大。d.NETD 反映的是系统对低频景物(均匀大目标的温度分辨率,不能表征系统用于观测较高空间频率景物时的温度分辨性能。因此,NETD 作为系统性能的综合量度是有局限性的。但是NETD 这个量概念明确,测量容易,目前仍在广泛采用。尤其在系统设计阶段,采用NETD 作为对系统诸参数进行选择的权衡标淮是有用的。2、最小可分辨温差MRTD1MRTD 的概念MRTD 是一个作为景物空间频率函数的表征系统受视在信噪比限制的温度分辨率的量度。MRTD 的测试图案如下图所示。1f f T =2f f T =3f f T =TT BT目标为四条带图案,高度为宽度W 的7倍,目标与背景均为黑体。由成像系统对某一组四