第四章热成像技术

1、三、红外辐射在大气(dq)中的传输 对红外辐射衰减最重要的是水蒸气、二氧化碳和臭氧(chuyng) 若红外辐射是平行光束，则大气吸收使红外辐射在传输路程上的功率按指数衰减 低空：水蒸气吸收对红外辐射的衰减起主要作用 高空：二氧化碳起主要作用 若红外辐射是平行光束，则大气吸收使红外辐射在传输路程上的功率按指数衰减共五十八页四、热目标和背景的红外辐射(fsh)特性坦克的热辐射峰值波长为7.245秒人体的热辐射8-13um和3.2-4.8um太阳(tiyng)的热辐射0.153um地面的热辐射3.5um天空的热辐射3um共五十八页三、红外辐射在大气(dq)中的传输大气散射：大气中的悬浮(xunf)微

2、粒和雾霾瑞利散射迈散射无选择性散射共五十八页四、热目标和背景的红外辐射(fsh)特性 4、军事目标(mbio)的辐射 分为三类：空中目标、地面目标和海上目标共五十八页四、热目标和背景的红外辐射(fsh)特性几种军事目标的辐射特性：飞机海上目标的辐射地面车辆(chling)的辐射炮口闪光共五十八页四、热目标(mbio)和背景的红外辐射特性共五十八页四、热目标和背景的红外辐射(fsh)特性共五十八页四、热目标和背景(bijng)的红外辐射特性共五十八页热成像仪的优缺点-优点(yudin)不依赖月光、星光、夜天光照明，在全黑的条件下观测目标与雷达激光成像比，隐蔽性好，不易被对方发现，亦不易受敌方干扰

3、探测距离(jl)低于雷达，但雷达的空间分辨本领较低，且多数雷达不成像可以探测到其他手段难以发现的目标共五十八页*10 可以探测到用其他手段难以(nny)发现的目标，例如它可以发现军事人员和车辆活动过、后来又撤离的场所，还可揭露各种军事伪装，透过丛林及伪装看清目标共五十八页*11景物热图与人眼直视视觉形象的差别在白天，自然视觉主要是靠区别目标反射率差及反射阳光的强弱来区分(qfn)物体。人习惯于把热成像仪采集、形成的图像与日常通过视觉形成的抽象概念相联系。通常条件下，观察人员可以凭借其日常的经验来判读热图，即使热成像与日常习惯的视觉形象不一致，也能凭联想辨别出大多数目标。共五十八页*12 另一方

4、面，由于热成像仪接受到的热辐射含两种成分，即物体(wt)自身辐射和反射两种成分，物体(wt)对热红外辐射的反射率也与日光下不尽相同，因此热图既不是单纯测量绝对温度，也不是描绘等温线。 由于上述与热图成因有关的多种因素混在仪器，某些物体在热成像仪视场中的形象面目全非。例如在黑白屏幕上冬季动物的热成像色调比雪原浅，即灰白背景中的小白点是温血动物，这与人们先入为主的印象相去甚远。共五十八页*13共五十八页*14热成像仪的应用 红外热像仪有助于侦测并控制猪流感以及其它病毒性疾病的传播,对病毒感染传播加以控制。随着(su zhe)国际交流，旅游，商业移民的增长，需要一致，快速，高效且国际化的病毒性疾病预

5、防政策。 人体体温的上升或发烧是大多数病毒感染的有力可信的预警信号,由于严重急性呼吸道综合症的爆发,全球公共卫生当局已在寻找快速,简单,非接触性且可靠的方法以侦测人体体温升高的差异.共五十八页红外热像仪是非常有效的排查工具,能在早期检测出人体感染(gnrn)病毒性疾病,它生成的红外图像能显示最细微的温度差异。人体体温是一个复杂的现象。人的体温是恒温的，他们发散热量，这些热量会在环境中挥发。在热源和环境之间媒介就是皮肤。该机能器官不断调整人体生理需求，和外界环境条件间的最佳均衡。红外热像仪提供实时的皮肤温度可视图。此外，它也是非常敏感的仪器。FLIR 公司生产的ThermaCAM系列热像仪最小可

6、测量到0.08温差。共五十八页人的普通体表温度不等于体内核心温度。人的体表能给出最可靠结果的最可行测量点（即体表温度接近人体体内温度的点）是眼角位置，即泪管接近体表皮肤处。建议使用热像仪进行测量时，被测人站在离热像仪前方一定距离的位置，通常是距离镜头1到1.6米的位置，以便其脸部覆盖整个图像。被测人看着热像仪仅需不到1秒的时间。因为只从眼角测量最高温度，所以继续佩带口罩或帽子不影响测量过程(guchng)，因为玻璃和塑料制品不能传递红外辐射，所以检查时需要摘下眼镜。共五十八页*17共五十八页热成像仪的优缺点-局限性第一代热成像仪使用光机扫描装置和机械式制冷装置野外不方便，而非致冷装置价格高分辨

7、本领不如近红外和可见光照相(zho xing)系统 夜天光，可见物体阴影立体形象 热图中没有阴影无立体感共五十八页热像仪发展(fzhn)概述-分类现用热成像仪都是将图像分解为像元，以二维扫描(somio)方式成像按扫描原理：光机扫描、电子束扫描和自扫描按显示方式：实时和非实时共五十八页热像仪发展(fzhn)概述-成像实质是在保持物体的热像轮廓与可见光轮廓相似的前提下，实现“波长变换”把波长314 微米的红外辐射分布(fnb)图像转换为可见光图像共五十八页热像仪发展(fzhn)概述-红外探测器红外探测器是实现波长转换的核心部件新型红外探测器的问世，必然导致红外科学技术的进一步发展红外焦平面阵列技

8、术：可在芯片上封装成千上万个探测器，同时又能在焦平面上进行信号处理，因此(ync)可用它制成凝视型红外系统各国发展重点共五十八页红外探测器共五十八页红外探测器共五十八页红外探测器共五十八页红外探测器实质：红外辐射与物质相互作用产生(chnshng)各种效应。任务：检测红外辐射的存在，测定它的强弱并将其转变为其他形式的能量（多为电能）工作原理：通过光电转换功能把红外辐射能转变为电信号共五十八页红外探测器组成(z chn)红外敏感元件、红外辐射入射窗口、外壳、电极引出线以及按需要而加的光学器件；在低温工作(gngzu)的探测器还包括杜瓦瓶，或者前置放大器。共五十八页红外探测器工作(gngzu)于3

9、5 微米波段的热像仪，大多使用光伏锑化铟（InSb)探测器工作于814 微米波段的热像仪，多数使用碲镉汞(Hg-Cd) Te探测器共五十八页红外探测器分为热探测器和光子探测器两大类热探测器主要有：热电阻型、热电偶性热释电型和高莱气动型优点(yudin)： 响应波段宽，可以在室温下工作，使用方便缺点： 响应时间长，灵敏度低，常用于红外辐射变化缓慢的场合（源于热绝缘设计）共五十八页红外探测器光子探测器：外光电探测器，内光电探测器（分为光电导探测器、光伏探测器和光磁电探测器三种） 优点：灵敏度高、响应速度快、响应频率(pnl)高 缺点：必须在低温下工作，且探测波段较窄共五十八页红外探测器-热探测器定

10、义： 利用入射辐射引起(ynq)敏感元件的温度变化，进而使其有关物理参数或性能发生相应变化，通过测量有关物理参数性能的变化可确定探测器所吸收的红外辐射是一种对一切波长的辐射都具有相同响应的无选择性探测器，对某些波长的红外辐射的响应会偏低共五十八页红外探测器-热探测器热探测器吸收红外辐射后产生温升，然后伴随发生某些物理性能的变化。测量这些物理性能的变化就可以测量出它吸收的能量或功率。常利用的物理性能变化有四种，利用其中一种(y zhn)就可以制备一种(y zhn)类型的热探测器。共五十八页热探测器热敏电阻(r mn din z) 热敏物质吸收红外辐射(fsh)后，温度升高，阻值发生变化。阻值变化

11、的大小与吸收的红外辐射能量成正比。共五十八页热探测器热电偶 把两种不同的金属或半导体细丝(也有制成薄膜结构)连成一个封闭环，当一个接头吸热后其温度和另一个接头不同，环内就产生电动势，这种现象称为温差电现象。半导体温差电偶灵敏度高，响应时间短，常用做红外辐射接收(jishu)元件若干个热电偶串联在一起成为热电堆（得到大的温差电势,应用广泛共五十八页热探测器气体(qt)探测器气体在体积保持一定的条件下吸收红外辐射后会引起温度(wnd)升高、压强增大。压强增加的大小与吸收的红外辐射功率成正比，可测量被吸收的红外辐射功率（高莱管）共五十八页热探测器热释电探测器 有些(yuxi)晶体如硫酸三甘肽(TGS

12、)、钽酸锂(LiTaO3)和铌酸锶钡(Sr1xBaxNb206)等，当受到红外辐照时，温度升高，在某一晶轴方向能产生电压。电压与吸收的红外辐射成正比 共五十八页红外探测器-光子(gungz)探测器 光子探测器吸收光子后发生电子状态的改变，从而引起几种电学现象。这些现象统称为光子效应。测量光子效应的大小可以测定被吸收的光子数。利用(lyng)光子效应制成的探测器称为光子探测器 共五十八页红外探测器-光子(gungz)探测器光电子发射属于外光电效应。光电导、光生伏特(ft)相光磁电三种属于内光电效应。 共五十八页红外探测器-光子(gungz)探测器 光电子发射器件当光入射到某些金属、金属氧化物或半

13、导体表面时，如果光子能量足够大，能使其表面发射(fsh)电子，这种现象统称为光电子发射，属于外光电效应 利用光电子发射制成的器件，光电管、光电倍增管，灵敏度高，时间常数较短；只对可见光起作用共五十八页红外探测器-光子(gungz)探测器 光电导探测器当半导体材料吸收入射光子后，半导体内有些电子和空穴从原来不导电的束缚状态转变到能导电的自由状态，从而使半导体的电导率增加，这种现象称为光电导效应 可分为(fn wi)单晶型，多晶薄膜型种类最多，应用最广光子探测器共五十八页红外探测器-光子(gungz)探测器 光伏探测器一个P-N结吸收光子后产生电子和空穴，在结区外，它们靠扩散进入结区，在结区内，受

14、结的静电场作用电子漂移(pio y)到N区，空穴漂移到P区，得到P-N结的光伏效应。光电二极管、光电三极管共五十八页红外探测器-光子(gungz)探测器 光磁电探测器 在物品横向加一磁场，当半导体表面吸收光子(gungz)后所产生的电子和空穴随即向体内扩散，在扩散过程中由于受横向磁场的作用，电子和空穴分别向样品两端偏移，在样品两端产生电位差 共五十八页红外探测器-非制冷(zhlng)红外焦平面探测器省去昂贵的低温制冷系统和复杂的光机扫描装置(zhungzh)采用非制冷焦平面列阵（UFPA）（UFPA）的敏感元件都是热探测器非制冷探测器探测率比制冷型要低一个数量级以上，故制成大规模的UFPA共五

15、十八页热探测器与光子(gungz)探测器性能比较热探测器一般在室温下工作(gngzu)，不需要制冷 多数光子探测器必须在低温条件下才能有优良的性能热探测器对各种波长的红外辐射均有响应，是无选择性探测器；光子探测器只对短于或等于截止波长c的红外辐射才有响应，具有选择性的探测器热探测器的响应率比光子探测器的响应率低12个数量级，响应时间比光子探测器长很多共五十八页红外探测器的性能参数红外探测器的工作条件辐射源的光谱分布(fnb)工作频率和放大器的噪声等效带宽工作温度 光敏面积和形状探测器的偏置条件特殊工作条件共五十八页红外探测器的性能参数红外探测器的性能参数响应率噪声电压噪声等效功率探测率D光谱响

16、应响应时间(shjin)频率响应共五十八页红外探测器的使用(shyng)和选择性能要求：尽可能高的探测率，以便提高系统灵敏度，保证达到所需探测距离工作波段与被测目标温度（热辐射波段）匹配，以便接收更多的红外辐射能制冷要求不能高，最好采用高水平的常温(chngwn)探测器件小型轻便化探测器工作频率要尽可能高高速目标共五十八页红外探测器的使用(shyng)和选择选取原则根据目标辐射光谱范围来选取探测器的响应波段根据系统温度分辨率要求(yoqi)确定探测率、响应率根据系统扫描率要求确定探测器响应时间根据系统分辨率要求和光学系统焦距来确定探测器接收面积共五十八页热成像的工作(gngzu)原理瞬时视场和

17、总视场任何光机扫描装置在某一瞬间只能将目标中某一小部分的红外辐射呈现在红外探测器上，这一部分面积通常称为“瞬时(shn sh)视场”总视场是“瞬时视场”所有的总和共五十八页热成像的工作(gngzu)原理基本概念 象素： 任何一幅图像，都是由一个一个明暗不同的小点构成的（黑白图像）或是由许多颜色不同的小点组成(z chn)（彩色图像）的 这些组成图像的小点通常称象素共五十八页图像的分解(fnji)：把一幅图像分割为许多象素的过程图像的综合：许多象素组合在一起便可以构成一幅图像无论是可见光成像还是红外热成像，其成像原理都是建立在图像的分解和综合的基础上热成像的工作(gngzu)原理-基本概念共五十

18、八页光学(gungxu)机械扫描使用扫描(somio)可以把图像分解为一系列象素其基本功能是：将目标表面的红外辐射分布图分解为一系列的热信号象素，并按确定的规律（扫描制式）会聚在红外探测器上共五十八页热成像的工作(gngzu)原理-基本概念摄像：通过图像的分解而形成视频信号的过程显像：通过图像的综合(zngh)而显示视频信号的过程共五十八页制冷(zhlng)器制冷可保证探测器功能正常，或增加探测器的灵敏度；低温制冷可以减小来自(li z)掳光片、挡板及光学系统本身带来的热噪声 共五十八页热像仪发展概述(i sh)-制冷器是军用成像仪的另一个关键部件一般获得(hud)低温的方法有物理和化学两种。 斯特林循环制冷器、焦汤效应制冷器、温差电制冷器共五十八页制冷(zhlng)器在红外探测器制冷中