红外焦平面探测器技术的发展

红外焦平面探测器技术的发展

1焦平面探测器的快速响应特性红外焦耳三维勘探的开发和应用极大地提高了红外热成像系统的性能，主要体现在两个方面：（1）系统的热度灵活水平显著提高，可以通过理论上提高到单元探测器（nh）的1.2倍，其中nh指的是焦平面矩阵单元的数量，nv指的是一系列单元的数量。（2）它最大地利用了探测器的快速响应功能。理论上，使用焦平面勘探系统的红色外热图像系统的景观辐射响应时间仅受探测器时间和扫描次数的限制，不受扫描机构和扫描速度的影响，保证了红外热图像系统的高视频操作。除此之外,红外焦平面探测器的使用还简化了红外热成像系统的光机扫描机构,缩小了系统的体积,减轻了系统的质量。总之,红外焦平面探测器的研制和使用进一步增加了红外热成像系统的灵敏度和可靠性,扩展了应用范围。2成像系统的视场性质和运动速度在水下活动的潜艇,由于水分子对红外辐射的吸收,其本身所发出的红外辐射很难被处于水面上的红外热成像系统探测到。但是,潜艇在水下的一切活动,包括潜艇推进中表面与海水的摩擦、各种设备的运转甚至人员的活动等,都需要消耗能量。从能量转化和守恒定律的观点来看,所有消耗的能量最终都转化为热能的形式,并不可避免地要耗散到周围的环境也就是海水中,从而使潜艇周围的海水温度升高。温度升高的海水随着对流到达海面,并维持一小段时间。这样,在水下潜艇刚经过的地方,海面上的水温与周围的海水温度有细小的差异,所以其红外辐射也存在差异,红外热成像系统可以将海面海水的这种红外辐射差异转换为电信号并形成可见光图像,从而显示出潜艇的航迹。当然,要探测到海面上水温的这一极小差异,红外热成像系统必须具有极高的灵敏度才可以做到,理论计算和分析表明,采用焦平面列阵探测器的红外热成像系统具有极高的灵敏度,可以在一定距离外探测到海面上水温的这一细小差异。利用红外热成像系统进行反潜探测一般用飞机作为承载平台,下视搜索目标,这时无疑需要很大的视场,但是现有的红外焦平面列阵探测器其列阵一般都还比较小,覆盖的视场也不会很大(一般为3~5°),所以在反潜探测中红外热成像系统还必须采用某种扫描方式来覆盖大视场。在实际使用中,基于焦平面探测器的红外热成像系统一般采用一种称为“分级凝视扫描”的方式来覆盖大视场,如图1所示。在这种方式下,红外热成像系统本身是处于凝视的工作方式,所以可以在很高帧频下工作,现阶段一般可做到100Hz。由此可见,当红外热成像系统的凝视视场角取为5°时,“分级凝视扫描”的角速度最高可达500(°)/s,红外热成像系统也不会丢失扫描区域的图像信息。作为红外热成像系统承载平台的飞机在海面上的飞行则构成了红外热成像系统的推扫结构,如图2所示。为了保证红外热成像系统在推扫过程中不丢失扫描区域的信息,对平台的运动速度有一定限制。假设平台处于海面上空1.5km处,“分级凝视扫描”的视场角为120°,由此可以计算出在500(°)/s的扫描角速度下一次“分级凝视扫描”所需时间为0.24s,而“分级凝视扫描”视场的最窄处此时为130m(如图2所示),所以平台的运动速度必须小于130/0.24=541m/s才能保证红外热成像系统在推扫过程中不丢失扫描区域的信息,这一速度对一般飞机而言是一个很高的速度,所以一般情况下,红外热成像系统在推扫过程中也不会丢失扫描区域的信息。从以上分析可以看出,当平台在1.5km高空时,红外热成像系统“分级凝视扫描”可覆盖的海面宽度大约为5.2km,再加上平台高速运动的推扫结构,红外热成像系统可以以成像方式快速扫描大片海面,比较适合反潜探测的需要。3初始噪声信号转换首先推导焦平面探测器中的某个探测单元输出的计算公式。假设目标是温度为T0的绝对黑体,与红外成像系统的距离为D,其光谱辐射出射度为Meo(λ,T)。对于朗伯辐射源,光谱辐射出射度与亮度之间的关系为:Le(λ)=1πMeo(λ,T)(1)Le(λ)=1πΜeo(λ,Τ)(1)若目标辐射表面与视线垂直,则在入瞳内的光谱辐射通量为:Φe(λ)=τa(λ)Ie(λ)Ω0=τa(λ)Le(λ)AobΩ0=(2)1πτa(λ)AobΩ0Meo(λ,T)Φe(λ)=τa(λ)Ιe(λ)Ω0=τa(λ)Le(λ)AobΩ0=(2)1πτa(λ)AobΩ0Μeo(λ,Τ)式中τa(λ)——大气光谱透过率;Aob——进入红外热成像系统单元视场内的目标面积;Ω0=A0/D2——目标辐射对面积为A0的光学系统入瞳所张的立体角。则对光谱灵敏度为Sn(λ)的辐射接收器,其输出端的信号等于:Uc=∫λ2λ1Φe(λ)τ0(λ)Sn(λ)dλ=1πAobA0D2∫λ2λ1τa(λ)τ0(λ)Sn(λ)Meo(λ,T)dλ(3)Uc=∫λ1λ2Φe(λ)τ0(λ)Sn(λ)dλ=1πAobA0D2∫λ1λ2τa(λ)τ0(λ)Sn(λ)Μeo(λ,Τ)dλ(3)式中τ0(λ)为光学系统的光谱透过率,在探测器敏感的红外波段内可假设其光谱透过率为常数,记为τ0。由Sn(λ)的定义,可得:Sn(λ)=UmD∗(λ)/AnΔfeϕ−−−−−−−√(4)Sn(λ)=UmD*(λ)/AnΔfeϕ(4)式中Um——噪声信号(V);D*(λ)——比探测率(cmHz1/2W-1);An——单元辐射接收器的面积(cm2);Δfeφ——读出放大器的等效噪声带宽(Hz)。由此可得读出放大器输出端的信号为:Uc=τ0πAobUmA0D21AnΔfeϕ√×∫λ2λ1τa(λ)D∗(λ)Meo(λ,T)dλ(5)Uc=τ0πAobUmA0D21AnΔfeϕ×∫λ1λ2τa(λ)D*(λ)Μeo(λ,Τ)dλ(5)考虑到目标一般为灰体,发射率小于1,所以假设:在光谱工作范围内目标的光谱发射率为常数,即ε0(λ,T)=ε0,则读出放大器输出端的信号电压为:Uc=τ0πAobUmA0D21AnΔfeϕ√×∫λ2λ1τa(λ)D∗(λ)ε0Meo(λ,T)dλ(6)Uc=τ0πAobUmA0D21AnΔfeϕ×∫λ1λ2τa(λ)D*(λ)ε0Μeo(λ,Τ)dλ(6)为了与图像处理中信噪比的定义相对应,可定义原始红外图像的信噪比如下:SNR=|Uc−Ub|Um(7)SΝR=|Uc-Ub|Um(7)式中Uc——目标对应的探测单元的输出电压信号;Ub——背景对应的探测单元的输出电压信号;Um——辐射接收器的等效噪声电压信号。代入公式(6),则红外图像的信噪比计算公式可写为:SNR=τ0πAobA0D21AnΔfeϕ√×∫λ2λ1D∗(λ)τa(λ)(ε0Meo(λ,To)−εbMeo(λ,Tb))dλ(8)SΝR=τ0πAobA0D21AnΔfeϕ×∫λ1λ2D*(λ)τa(λ)(ε0Μeo(λ,Τo)-εbΜeo(λ,Τb))dλ(8)应用中,红外热成像系统的目标和背景都是海水,所以有ε0=εb=0.96。红外热成像系统的主要参量有:128元×128元,单元大小为50μm×50μm,工作波段为8~10.6μm,探测器峰值比探测率为1×1011cmHz1/2W-1,帧频100Hz,探测器积分时间为10μs,系统凝视视场角5°,光学系统入瞳孔径为5cm,f/D=1.5,透过率为0.8。除以上参量之外,可由LOWTRAN7计算出大气的光谱透过率τa(λ)。这时可设海水处于常温,即293K,而水下有潜艇经过时,其海面水温升高了0.2K,即目标区海面水温为293.2K,在某些情况下,如对具有特别重要战略意义的核潜艇,因为要定时排放所积聚的高温热水,很有可能在海面上形成这样的红外轨迹。在此情况下,可由公式(8)计算出红外热成像系统输出图像的信噪比:当目标区出现在平台正下方时,输出图像的信噪比为5.8;当目标区出现在“分级凝视扫描”区的边缘时,输出图像的信噪比为5.3。对于当前的自动目标识别系统,在图像信噪比大于4的情况下,其单帧探测概率大于90%,所以基于焦平面探测器的红外热成像系统,在温差有0.2K情况下提供的图像是可以满足反潜探测需要的。可以预言,随着焦平面红外探测器的进一步发展,其灵敏度会更高,可以分辨的海面温差会更小,实际上,在国外已经研制成功比计算中灵敏度更高、面阵更大的焦平面探测器,