红外热成像系统的结构与特性分析课件.ppt
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- 红外 成像 系统 结构 特性 分析 课件
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1、第十一章第十一章 红外热成像系统的结构与特性红外热成像系统的结构与特性分析分析n11.1 11.1 热成像系统类型与基本参数热成像系统类型与基本参数n11.2 11.2 光机扫描系统光机扫描系统n11.3 11.3 制冷器工作原理与分类制冷器工作原理与分类n11.4 11.4 信号的处理与显示信号的处理与显示n11.5 11.5 热成像系统的性能与作用距离模型热成像系统的性能与作用距离模型n11.6 11.6 热成像系统的实验室评价热成像系统的实验室评价n11.7 11.7 热成像系统总体设计的基本考虑热成像系统总体设计的基本考虑11.1 11.1 热成像系统类型与基本参数热成像系统类型与基本
2、参数n11.1.1 11.1.1 热成像原理热成像原理n11.1.3 11.1.3 热成像系统的基本参数与概念热成像系统的基本参数与概念返回自然界中的一切物体,只要它的温度高于绝对零度,总自然界中的一切物体,只要它的温度高于绝对零度,总是在不断地发射辐射能。因此,从原理上讲,只要能收是在不断地发射辐射能。因此,从原理上讲,只要能收集并探测这些辐射能,就可通过探测器信号的采集和处集并探测这些辐射能,就可通过探测器信号的采集和处理形成与景物辐射分布相对应的热图像。这种热图像再理形成与景物辐射分布相对应的热图像。这种热图像再现了景物各部分的辐射起伏,能显示出景物的特征。现了景物各部分的辐射起伏,能显
3、示出景物的特征。11.1.1 11.1.1 热成像原理热成像原理下一页下一页返回返回11.111.1图图以最简单的单元探测器光机扫描说明了热成像系统以最简单的单元探测器光机扫描说明了热成像系统如何将景物的温度和辐射发射率差异转换成可见热图如何将景物的温度和辐射发射率差异转换成可见热图像。红外光学系统将景物发出的红外辐射通量分布聚像。红外光学系统将景物发出的红外辐射通量分布聚焦成像位于光学系统焦平面的探测器光敏面上;位于焦成像位于光学系统焦平面的探测器光敏面上;位于聚焦光学系统和探测器之间的光机扫描器包括垂直和聚焦光学系统和探测器之间的光机扫描器包括垂直和水平两个扫描镜组,当扫描器工作时,从景物
4、到达探水平两个扫描镜组,当扫描器工作时,从景物到达探测器的光束随之移动,从而在物空间扫出像电视一样测器的光束随之移动,从而在物空间扫出像电视一样的光栅;的光栅; 上一页上一页下一页下一页11.1.1 11.1.1 热成像原理热成像原理返回当扫描器以电视光栅形式使探测器扫过景物时,探测器将当扫描器以电视光栅形式使探测器扫过景物时,探测器将逐点接收的景物辐射转换成相应的电信号序列,或者说,逐点接收的景物辐射转换成相应的电信号序列,或者说,光机扫描器构成的景物图像依次扫过探测器,探测器依次光机扫描器构成的景物图像依次扫过探测器,探测器依次把景物各部分的红外辐射转换成电信号,经过视频处理的把景物各部分
5、的红外辐射转换成电信号,经过视频处理的信号,在同步扫描的显示器上显示出景物的热图像。信号,在同步扫描的显示器上显示出景物的热图像。上一页上一页下一页下一页11.1.1 11.1.1 热成像原理热成像原理下一页下一页返回返回11.111.1返回返回光机扫描器使单元或多元阵列探测器依次扫过景物视场,形成景物的光机扫描器使单元或多元阵列探测器依次扫过景物视场,形成景物的二维图像。在光机扫描热成像系统中,探测器把接收的辐射信号转换二维图像。在光机扫描热成像系统中,探测器把接收的辐射信号转换成电信号,通过隔直流电路把背景辐射从场景电信号中消除,以获得成电信号,通过隔直流电路把背景辐射从场景电信号中消除,
6、以获得对比度良好的热图像。光机扫描型热成像系统由于存在光机扫描器,对比度良好的热图像。光机扫描型热成像系统由于存在光机扫描器,系统结构复杂、体积较大系统结构复杂、体积较大 、可靠性降低、成本也较高,但由于探测器、可靠性降低、成本也较高,但由于探测器性能的要求相对较低,技术难度相对较低,成为性能的要求相对较低,技术难度相对较低,成为2020世纪世纪7070年代以后国年代以后国际上主要的实用热成像类型,目前仍有一些重要的应用。际上主要的实用热成像类型,目前仍有一些重要的应用。上一页上一页下一页下一页光机扫描型热成像系统光机扫描型热成像系统方框图方框图所示所示凝视型热成像系统利用焦平面探测器面阵,使
7、探测器中的每个单元凝视型热成像系统利用焦平面探测器面阵,使探测器中的每个单元与景物中的一个微面元应。图所示为凝视型热成像系统的方框图,与景物中的一个微面元应。图所示为凝视型热成像系统的方框图,凝视焦平面热成像系统取消了光机扫描系统,同时探测器前置放大凝视焦平面热成像系统取消了光机扫描系统,同时探测器前置放大电路与探测器合一,集成在位于光学系统焦平面的探测器阵列上,电路与探测器合一,集成在位于光学系统焦平面的探测器阵列上,这也是所谓这也是所谓“焦平面焦平面”的含义所在。近年来,凝视焦平面热成像技的含义所在。近年来,凝视焦平面热成像技术的发展非常迅速术的发展非常迅速. . 上一页上一页下一页下一页
8、返回返回热释电红外成像系统热释电红外成像系统( (也称为热电视也称为热电视) )也属于凝视型热成像系统,其也属于凝视型热成像系统,其采用热释电材料作靶面,制成热释电摄像管,勿需光机扫描,直接采用热释电材料作靶面,制成热释电摄像管,勿需光机扫描,直接利用电子束扫描和相应的处理电路,组成电视摄像型热像仪。由于利用电子束扫描和相应的处理电路,组成电视摄像型热像仪。由于结构简化,不需要制冷,成本低,虽然性能不及光机扫描型热成像结构简化,不需要制冷,成本低,虽然性能不及光机扫描型热成像系统,但仍有一定的市场应用。系统,但仍有一定的市场应用。上一页上一页下一页下一页19971997年美国陆军提出了一种新的
9、更细致的划分方法:年美国陆军提出了一种新的更细致的划分方法: 将由光机扫描器与单元或多元探测器所构成的热成像系统称为将由光机扫描器与单元或多元探测器所构成的热成像系统称为第一代热成像系统;第一代热成像系统; 扫描型热像仪称为第二代热像仪扫描型热像仪称为第二代热像仪 凝视型热像仪称为第三代热像仪凝视型热像仪称为第三代热像仪 具有先进的信号处理功能,工作波段覆盖可见光、近红外、中红具有先进的信号处理功能,工作波段覆盖可见光、近红外、中红外和远红外区域的灵外和远红外区域的灵巧焦平面阵列称为第四代热成像系统。巧焦平面阵列称为第四代热成像系统。上一页上一页下一页下一页此外,西方进一步提出了三代成像传感器
10、系统的概念,热成像传感此外,西方进一步提出了三代成像传感器系统的概念,热成像传感器按照战技术性能可大致器按照战技术性能可大致分为三类:分为三类:1 1 微型传感器微型传感器 2 2 高性能非制冷传感器高性能非制冷传感器 3 3 兆像素级、多色制冷传感器兆像素级、多色制冷传感器上一页上一页下一页下一页 以上几种传感器均为焦平面器件,从中可以看出兆像素级、多色制以上几种传感器均为焦平面器件,从中可以看出兆像素级、多色制冷探测器,高性能非制冷探测器以及低成本微型非制冷探测器是重冷探测器,高性能非制冷探测器以及低成本微型非制冷探测器是重要的发展方向。根据目前探测器的水平,实际热成像系统大致采用要的发展
11、方向。根据目前探测器的水平,实际热成像系统大致采用如下设计思想:在近程或低成本应用中一般采用非制冷探测器技术如下设计思想:在近程或低成本应用中一般采用非制冷探测器技术,在中、远程监视将尽可能采用二维,在中、远程监视将尽可能采用二维PtSiPtSi、InSbInSb、HgCdTeHgCdTe凝视凝视阵列,而在高级武器瞄准应用如新一代坦克瞄具中将采用扫描型阵列,而在高级武器瞄准应用如新一代坦克瞄具中将采用扫描型HgCdTeHgCdTe阵列。阵列。上一页上一页下一页下一页 1.1.瞬时视场瞬时视场( (IFOVIFOV) ) 瞬时视场指的是探测器线性尺寸对系统物空间的两维张角,它由探瞬时视场指的是探
12、测器线性尺寸对系统物空间的两维张角,它由探测器的形状、尺寸和光学系统的焦距决定。测器的形状、尺寸和光学系统的焦距决定。若探测器为矩形,尺寸为若探测器为矩形,尺寸为a ab b,则瞬时视场的平面角,则瞬时视场的平面角、为为 =a/f,=b/f=a/f,=b/f 下一页下一页11.1.3 11.1.3 热成像系统的基本参数与概念热成像系统的基本参数与概念返回返回11.111.12 2 帧周期和帧频帧周期和帧频系统扫过一幅完整画面所需的时间系统扫过一幅完整画面所需的时间TfTf称为帧周期,单位为称为帧周期,单位为s,s,系统一秒系统一秒钟扫过画面的帧数钟扫过画面的帧数fpfp称为帧频或帧速,单位为称
13、为帧频或帧速,单位为HzHz。fpfp和和TfTf的关系的关系为为 fpfp=1/T=1/T 上一页上一页下一页下一页11.1.3 11.1.3 热成像系统的基本参数与概念热成像系统的基本参数与概念3 3扫描效率扫描效率(scan(scan) ) 热成像系统对景物扫描时,由于同步扫描、回扫、直流恢复等要占热成像系统对景物扫描时,由于同步扫描、回扫、直流恢复等要占时间,在这个时间内不产生视频信号,称为空载时间,表示为时间,在这个时间内不产生视频信号,称为空载时间,表示为TfTf。帧周期与空载时间之差帧周期与空载时间之差(Tf-Tf(Tf-Tf) )称为有效扫描时间。有效扫描时称为有效扫描时间。有
14、效扫描时间与帧周期之比称为系统的扫描效率,即间与帧周期之比称为系统的扫描效率,即scan=(Tf-Tf)/Tscan=(Tf-Tf)/T4 4 空间角频率空间角频率 上一页上一页下一页下一页11.1.3 11.1.3 热成像系统的基本参数与概念热成像系统的基本参数与概念11.1.3 11.1.3 热成像系统的基本参数与概念热成像系统的基本参数与概念 5 5 空间频率空间频率 空间频率定义为单位空间上目标条纹的周期数。在热成像系统中空间频率定义为单位空间上目标条纹的周期数。在热成像系统中常用单位毫弧度中的周期数来表示常用单位毫弧度中的周期数来表示(cyc/mrad(cyc/mrad) )。设有等
15、宽度的。设有等宽度的亮暗条纹图案,相邻条纹中心距为亮暗条纹图案,相邻条纹中心距为lxlx,称为空间周期,称为空间周期( (单位为单位为mm)mm),若观察点,若观察点O O与图案之间的距离为与图案之间的距离为R (R (单位为单位为mm)mm),则,则=lx =lx /R(/R(单位为单位为mradmrad) )称为角周期,其倒数即为空间角频率称为角周期,其倒数即为空间角频率fx=1/=R/lx(fx=1/=R/lx(cyc/mradcyc/mrad) ) 对于二维图像可以定义二维空间对于二维图像可以定义二维空间角频率角频率(fx , fy(fx , fy) )。 过扫比过扫比在热成像系统中,
16、相邻两行的瞬时视场之间可能有重叠或间隙,表在热成像系统中,相邻两行的瞬时视场之间可能有重叠或间隙,表征这种行扫描重叠程度的征这种行扫描重叠程度的系数称为过扫比系数称为过扫比 上一页上一页下一页下一页11.1.3 11.1.3 热成像系统的基本参数与概念热成像系统的基本参数与概念11.1.3 11.1.3 热成像系统的基本参数与概念热成像系统的基本参数与概念 6 6 总视场总视场 ( (FOVFOV) ) 总视场指系统所观察到的物空间两维视场角。总视场由系统所观总视场指系统所观察到的物空间两维视场角。总视场由系统所观察的景物空间和光学系统的焦距决定,若总视场在水平和垂直察的景物空间和光学系统的焦
17、距决定,若总视场在水平和垂直方向分别为方向分别为WhWh和和W Wv v,则系统的总视场可表示为,则系统的总视场可表示为WhWhWvWv。 上一页上一页下一页下一页 7 7驻留时间驻留时间 (d(d) )驻留时间是光机扫描热成像系统的一个重要参数。热成像系统所观察驻留时间是光机扫描热成像系统的一个重要参数。热成像系统所观察的景物可以看成若干个发射辐射能的几何点的集合。成像过程中,探的景物可以看成若干个发射辐射能的几何点的集合。成像过程中,探测器相对于这些点源是运动的,在与探测器前沿相交的瞬间到与探测测器相对于这些点源是运动的,在与探测器前沿相交的瞬间到与探测器后沿脱离的瞬间所经历的时间,就是探
18、测器的驻留时间。换言之,器后沿脱离的瞬间所经历的时间,就是探测器的驻留时间。换言之,探测器驻留时间是扫过一个探测器张角所需的时间。探测器驻留时间是扫过一个探测器张角所需的时间。 上一页上一页下一页下一页11.1.3 11.1.3 热成像系统的基本参数与概念热成像系统的基本参数与概念 8. 8. 时间频率与空间频率的关系时间频率与空间频率的关系在光机扫描热成像系统中,空间频率在光机扫描热成像系统中,空间频率f(f( cyc/mradcyc/mrad) )和时间频率和时间频率ftft( (单位:单位:HzHz) )之间是相关之间是相关的的上一页上一页下一页下一页11.1.3 11.1.3 热成像系
19、统的基本参数与概念热成像系统的基本参数与概念11.1.3 11.1.3 热成像系统的基本参数与概念热成像系统的基本参数与概念热成像系统具有以下优点:热成像系统具有以下优点: 热成像系统不像主动红外夜视仪那样需要红外光源,也不像微光热成像系统不像主动红外夜视仪那样需要红外光源,也不像微光夜视仪那样需要借助夜光,而是靠目标与背景的辐射差产生景物夜视仪那样需要借助夜光,而是靠目标与背景的辐射差产生景物图像。因此,热成像系统是全被动式的,不易被对方发现和干扰图像。因此,热成像系统是全被动式的,不易被对方发现和干扰。热成像系统能在。热成像系统能在2424小时全天候工作小时全天候工作 红外辐射比人眼和可见
20、光传感器所利用的可见光辐射具有更强的红外辐射比人眼和可见光传感器所利用的可见光辐射具有更强的透过雾、霾、雨、雪的能力,因而热成像系统的作用距离远。透过雾、霾、雨、雪的能力,因而热成像系统的作用距离远。上一页上一页下一页下一页上一页上一页下一页下一页上一页上一页下一页下一页11.1.3 11.1.3 热成像系统的基本参数与概念热成像系统的基本参数与概念 在战场上,不会由于炮口火焰的强闪光和炸弹硝烟而产生迷盲效在战场上,不会由于炮口火焰的强闪光和炸弹硝烟而产生迷盲效应。应。 能透过伪装,探测出隐蔽的热目标,甚至能识别出刚离去的飞机能透过伪装,探测出隐蔽的热目标,甚至能识别出刚离去的飞机和坦克等所留
21、下的热轮廓和坦克等所留下的热轮廓 随着计算机技术的发展,很多热成像系统具有完整的图像处理功随着计算机技术的发展,很多热成像系统具有完整的图像处理功能,可明显改善图像质量。热成像系统通常采用全电视信号,可能,可明显改善图像质量。热成像系统通常采用全电视信号,可实现与电视兼容,具有与电视系统一样的优越性,如多人同时观实现与电视兼容,具有与电视系统一样的优越性,如多人同时观察,录像和传输等。热成像系统在战略预警、战术预警察,录像和传输等。热成像系统在战略预警、战术预警/ /告警、告警、侦察、观瞄、导航、制导、遥感、气象、医学和侦察、观瞄、导航、制导、遥感、气象、医学和科学研究等军事科学研究等军事和民
22、用的许多领域中得到广泛应用。和民用的许多领域中得到广泛应用。在军事上在军事上, ,热成像技术广泛应用于战略和战术武器装备。热成像技术广泛应用于战略和战术武器装备。战略装备诸如对洲际弹道导弹的探测、识别、跟踪,高战略装备诸如对洲际弹道导弹的探测、识别、跟踪,高能束拦截武器的瞄准,拦截导弹的制导,大气层内外核能束拦截武器的瞄准,拦截导弹的制导,大气层内外核爆炸的探测等。战术装备包括侦察、观瞄、火控、跟踪爆炸的探测等。战术装备包括侦察、观瞄、火控、跟踪、制导等。目前,已有大量的热瞄具,导弹成像制导与、制导等。目前,已有大量的热瞄具,导弹成像制导与火炮瞄准镜,机载和舰载前视红外系统等装备部队。火炮瞄准
23、镜,机载和舰载前视红外系统等装备部队。上一页上一页下一页下一页11.1.3 11.1.3 热成像系统的基本参数与概念热成像系统的基本参数与概念 在热成像系统中,单一红外探测器所对应的瞬时视场往往是很小在热成像系统中,单一红外探测器所对应的瞬时视场往往是很小的,一般只有毫弧度或亚毫弧度,为得到总视场中景物的热图像,的,一般只有毫弧度或亚毫弧度,为得到总视场中景物的热图像,必须对景物扫描。这种扫描通常是由机械传动的光学扫描部件完必须对景物扫描。这种扫描通常是由机械传动的光学扫描部件完成,故称为光机扫描。成,故称为光机扫描。11.2 11.2 光机扫描系统光机扫描系统下一页返回11.2 11.2 光
24、机扫描系统光机扫描系统n11.2.1 11.2.1 基本扫描方式基本扫描方式n11.2.3 11.2.3 几种常用的光机扫描方案几种常用的光机扫描方案上一页上一页根据扫描器置于聚光光学系统之前或之后,构成两根据扫描器置于聚光光学系统之前或之后,构成两种基本的扫描方式,即物方扫描和像方扫描。种基本的扫描方式,即物方扫描和像方扫描。图图 (a)(a)和图和图 (b)(b)分别表示以物点为固定参考点的物方分别表示以物点为固定参考点的物方扫描和像方扫描,图扫描和像方扫描,图 (c)(c)和图和图 (d)(d)分别表示以像点分别表示以像点为固定参考点的物方扫描和像方扫描。为固定参考点的物方扫描和像方扫描
25、。下一页下一页返回返回11.211.211.2.1 11.2.1 基本扫描方式基本扫描方式返回返回1.1.物方扫描物方扫描扫描器位于聚光光学系统之前或置于无焦望远系统压缩的平行光路扫描器位于聚光光学系统之前或置于无焦望远系统压缩的平行光路中。由于扫描器在平行光路中工作,故称平行光束扫描。扫描器在中。由于扫描器在平行光路中工作,故称平行光束扫描。扫描器在聚光光学系统前面,旋转反射镜鼓聚光光学系统前面,旋转反射镜鼓3 3完成水平方向快扫,摆动反射镜完成水平方向快扫,摆动反射镜2 2完成垂直方向慢扫。这种扫描方式一般需要有个比聚光光学系统口完成垂直方向慢扫。这种扫描方式一般需要有个比聚光光学系统口径
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