主動式紅外夜視儀講解

1、物電學院本科生課程設(shè)計課程名稱:光學課程設(shè)計題目：主動式紅外夜視儀專業(yè)班級：學生姓名：_學生學號：日期：指導(dǎo)教師：物電學院教務(wù)部印制說明：1、報告中的第一、二、三項由學生在課程設(shè)計開始前填寫，由指導(dǎo)教師指導(dǎo)并確認簽字。2、學生成績由指導(dǎo)教師根據(jù)學生的設(shè)計情況給出各項分值及總評成績，并填寫成績評定表。3、所有學生必須參加課程設(shè)計的答辯環(huán)節(jié)，凡不參加答辯者，其成績一律按不及格處理。答辯小組成員應(yīng)由2人及以上教師組成。答辯后學生根據(jù)答辯情況填寫答辯記錄表。4、報告正文字數(shù)一般應(yīng)不少于3000字，也可由指導(dǎo)教師根據(jù)本門課程設(shè)計的情況另行規(guī)定。5、平時表現(xiàn)成績低于6分的學生，取消答辯資格，其該課程設(shè)計成

2、績按不及格處理。6、課程設(shè)計完成后，由指導(dǎo)教師根據(jù)完成情況寫出總結(jié)。7、此表格式為徐州師范大學物理與電子工程學院提供的基本格式，指導(dǎo)教師可根據(jù)本門課程設(shè)計的特點及內(nèi)容做適當?shù)恼{(diào)整。一、課程設(shè)計目的、任務(wù)和內(nèi)容要求在現(xiàn)在社會，紅外夜視儀的用途越來越廣泛，不僅在軍事方面，而且在執(zhí)法、狩獵、野外觀察、監(jiān)視、安全、導(dǎo)航、隱藏目標觀察、娛樂等方面也起到了越來越重要的作用。主動式紅外夜視儀不受照度的限制，全黑情況下可以進行觀察，且效果很好,價格便宜。，成像清晰，制作簡單自帶光源，不受環(huán)境照明條件影響，可以獲得較大的反差，易于區(qū)別目標和背景。本課程設(shè)計的目的就是設(shè)計一個簡易的主動式紅外夜視儀，可以在無光或者

3、光線較弱的夜晚也能通過夜視儀觀察到東西，雖然能夠看到的距離不是很遠，但基本能夠?qū)崿F(xiàn)功能。具體設(shè)計內(nèi)容如下：1査找資料，熟悉紅外夜視儀的不同類別工作原理；2確定設(shè)計課題：主動式紅外夜視儀3設(shè)計出簡易的主動式紅外夜視儀的制作方案；4根據(jù)方案，準備制作材料；5開始詳細設(shè)計制作，解決技術(shù)問題；6硬件檢測，調(diào)試，改進；7設(shè)計報告。設(shè)計要求：通過查找資料以及詳細地設(shè)計，能夠制作出一個簡易的主動式紅外夜視儀，并且在光線很弱或者無光的夜晚可以比較清晰地觀察到物體，達到夜視的效果，從而能夠在實際生活中得到應(yīng)用和推廣。二、進度安排：第1112周：查找資料，擬定設(shè)計課題，制定設(shè)計總體方案;第1314周：根據(jù)方案進行

4、詳細設(shè)計，并解決一些技術(shù)問題;第15周：進行行硬件的檢測和調(diào)試；第16：開始準備設(shè)計課程設(shè)計報告；第17周：做好課程設(shè)計PPT、答辯文本；第18周，答辯、完善、提交設(shè)計報告。三、主要參考文獻:主要是網(wǎng)上尋找資料。指導(dǎo)教師簽字：年月日江蘇師范大學物電學院本科生課程設(shè)計 目錄TOC o 1-5 h z摘要IIAbstractII HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 課題背景11.1紅外夜視儀發(fā)展1 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 1.2紅外夜視儀基本原理1 HYPERLINK l bookmark10

5、o Current Document 設(shè)計方案簡述3 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 2.1設(shè)計方案32.2簡單光路3 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 詳細設(shè)計4 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 3.1所需材料及硬件焊接4 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 3.2需解決的主要技術(shù)問題5 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 設(shè)計結(jié)果及分析6 HY

6、PERLINK l bookmark24 o Current Document 4.1設(shè)計結(jié)果6 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 4.2結(jié)果分析7摘要夜視儀，簡單的說就是以像增強器為核心器件的夜間外瞄準具，其工作時不用紅外探照燈照明目標，而利用微弱光照下目標所反射光線通過像增強器在熒光屏上增強為人眼可感受的可見圖像來觀察和瞄準目標。而紅外夜視儀是利用光電轉(zhuǎn)換技術(shù)的軍用夜視儀器。它分為主動式和被動式兩種：前者用紅外探照燈照射目標，接收反射的紅外輻射形成圖像；后者不發(fā)射紅外線，依靠目標自身的紅外輻射形成“熱圖像”，故又稱為”熱像儀”。簡易的主動式

7、紅外夜視儀，以紅外發(fā)光管作為光源，通過在無光條件下照射目標并接收目標反射的紅外光，經(jīng)過顯像系統(tǒng)的處理，讓人能夠清楚地觀察到目標。這種夜視儀自帶光源，不受環(huán)境影響，制作簡單，成像清晰，能夠很好地得到應(yīng)用。關(guān)鍵詞：紅外夜視儀；原理；制作方法AbstractNightvisiondevices,asimplenightofthecorecomponentsoftheimageintensifigersights,infraredsearchlightlightinggoals,anditsworkwithouttheuseofthegoalunderthefaintlightreflectedlig

8、htthroughtheimageintensifieronthescreentoenhancethehumaneyecanthevisibleimageofthefeelingsofobservationandtargeting.Andinfrarednightvisiondeviceisaphotoelectricconversiontechnology,militarynightvisiondevices.Itisdividedintotwokindsofactiveandpassive:theformerinfraredsearchlightsgoal,receivingtherefl

9、ectedinfraredradiationtoformimages;whichdoesnotemitinfrared,felyontheinfraredradiationofthetargetitselftotheformationof”hotimages”,alsocalled“thermalimaginginstrument.”Whatwedoisanactivenightvision,nightvisionimageprinciple,analysis,andlisitstheproductionmethdofasimpleinfrarednightvision.Keywords：In

10、frarednightvision;Principle;Productionmethods江蘇師范大學物電學院本科生課程設(shè)計 課程背景1.1紅外夜視儀發(fā)展歷史及用途盡管人們很早就發(fā)現(xiàn)了紅外線，但受到紅外元器件的限制，紅外遙感技術(shù)發(fā)展很緩慢。直到1940年德國研制出硫化鉛和幾種紅外透射材料后，才使紅外遙感儀器的誕生成為可能。此后德國首先研制出主動式紅外夜視儀等幾種紅外探測儀器，但它們都未能在第二次世界大戰(zhàn)中實際使用。幾乎同時，美國也在研制紅外夜視儀，雖然實驗成功的時間比德國晚，但卻搶先將其投入實戰(zhàn)應(yīng)用。1945年夏，美軍登陸進攻沖繩島，隱藏在巖洞坑道里的日軍利用復(fù)雜的地形，夜晚出來偷襲美軍。于是

11、美軍將一批剛剛制造出來的紅外夜視儀緊急運往沖繩，把安有紅外夜視儀的槍炮架在巖洞附近，當日軍趁黑夜剛爬出洞口，立即被一陣準確的槍炮擊倒。洞內(nèi)的日軍不明原因，繼續(xù)往外沖，又糊里糊涂的送了命。紅外夜視儀初現(xiàn)戰(zhàn)場，就為肅清沖繩島上頑固的日軍發(fā)揮了重要作用。主動式紅外夜視儀具有成像清晰、制作簡單等特點，但它的致命弱點是紅外探照燈的紅外線會被敵人的紅外探測裝置發(fā)現(xiàn)。60年代，美國首先研制出被動式的熱像儀，它不發(fā)射紅外光，不易被敵人發(fā)現(xiàn)，并具有透過霧、雨等進行觀察的能力。1982年4月到6月，英國和阿根廷之間爆發(fā)馬爾維納斯群島戰(zhàn)爭。4月13日半夜，英軍攻擊承軍據(jù)守的最大據(jù)點斯坦利港。3000名英軍布設(shè)的雷區(qū)

12、，突然出現(xiàn)在阿軍防線錢。英國的所有槍支、火炮都配置了紅外夜視儀，能夠在黑夜中清楚地發(fā)現(xiàn)阿軍目標。而阿軍卻缺少夜視儀，不能發(fā)現(xiàn)英軍，只有被動挨打的份。在英軍火力準確的擊下，阿軍支持不住，英軍趁機發(fā)起沖鋒。到黎明時，英軍已占領(lǐng)了阿軍防線上的幾個主要制高點，阿軍完全處于英軍的火力控制下。6月14日晚9時，14000名阿軍不得不向英軍投降。英軍領(lǐng)先紅外夜視儀器材贏得了一場兵力懸殊的戰(zhàn)斗。1991年海灣戰(zhàn)爭中，在風沙和硝煙彌漫的戰(zhàn)場上，由于美軍裝備了先進的紅外夜視器材，能夠先于伊拉克軍的坦克而發(fā)現(xiàn)對方，并開炮射擊。而伊軍只是從美軍坦克開炮時的炮口火光上才得知大敵在前。由此可以看出紅外夜視儀器材在現(xiàn)代戰(zhàn)爭

13、中的重要作用。現(xiàn)在，進入二十一世紀，紅外夜視儀已不再是只用于軍事，它在執(zhí)法、狩獵、野外觀察、監(jiān)視、安全、導(dǎo)航、隱藏目標觀察、娛樂等方面也起到了越來越重要的作用。1.2紅外夜視儀基本原理想要理解夜視儀的原理，就必須對光的原理有所了解。光波的能量大小與其波長有關(guān)：波長越短，能量越高。在可見光中，紫光的能量最高，而紅光的能量最低?？梢姽夤庾V相鄰的事紅外線光譜。紅外線分為三類：近紅外線（近IR）近紅外線與可見光相鄰，其波長范圍是0.7-1.3微米（一微米等于百萬分之一米）。中紅外線（中IR）中紅外線的波長范圍是1.3-3微米。近紅外線和中紅外線應(yīng)用到各種電子設(shè)備中，例如遙控器。熱紅外線（熱IR）熱紅外

14、線占據(jù)了紅外線光譜中最大的一部分，其波長范圍是3-30微米。熱紅外線與其他兩種紅外線的主要區(qū)別是，熱紅外線是由物體發(fā)射出來的，而不是從物體上反射出來的。物體之所以能夠發(fā)射紅外線，是因為其原子發(fā)生了某種變化。十九世紀愛爾蘭人史密斯發(fā)現(xiàn)了一種光電效應(yīng)，這就使光和電轉(zhuǎn)換成為可能。而在科學技術(shù)高度發(fā)展的今天，將電信號進行變頻、變相和放大，并不是一件難事。只要把景物各部分明暗不同的亮度轉(zhuǎn)變成大小不同的電信號（電流和電壓）,然后通過掃描技術(shù)，將光圖像轉(zhuǎn)變?yōu)殡妶D像，這個過程就叫攝像。最后利用顯像技術(shù)將電圖像還原為光圖像，以達到觀察的目的。主動式紅外儀就是利用光電轉(zhuǎn)換技術(shù)。用紅外線光源照射在物體上，然后通過紅

15、外變像管將不可視的電像轉(zhuǎn)變?yōu)槿搜劭梢姷墓鈱W像，達到觀察的目的。設(shè)計方案簡述2.1設(shè)計方案通過查找資料，了解到主動式夜視儀的基本原理：儀器向外發(fā)射紅外光束，照射目標，并將目標反射的紅外圖像轉(zhuǎn)化成為可見光圖像，從而進行夜間觀察，軍事上主要用于夜間瞄準、駕駛車輛、偵察照相等。所以我們可以用一種簡單的方法制作出這種主動式紅外夜視儀。紅外夜視儀是利用光電轉(zhuǎn)換技術(shù)制作的，因此，我們的設(shè)計方案如下：紅外夜視儀需要發(fā)出紅外光，我們把紅外發(fā)光二極管作為夜視儀的發(fā)光源，紅外光照射目標，然后用攝像頭這種裝置接收目標反射回來的紅外光，把光圖像轉(zhuǎn)換為電圖像，然后再用顯示屏將電圖像轉(zhuǎn)換為人眼可見的光圖像，顯示在顯示屏上。

16、2.2簡單原理圖我們設(shè)計的主動式紅外夜視儀制作簡單，效果明顯，原理圖也是比較簡單的。圖中，用紅外光照射目標，然后目標反射的光進入物鏡，再經(jīng)紅外變像管，到目鏡，人眼即可觀察，在實際制作中用攝像頭和顯示屏代替紅外變像管，物鏡和目鏡，直接通過攝像頭接收目標反射回來的紅外光，并顯像在屏幕上，這樣便于觀察和分析。AIMK）宜動戌F腫卜寅視位的祭統(tǒng)結(jié)樹紅卄嗨惟f?圖2-1主動式紅外夜視儀原理圖詳細設(shè)計3.1所需材料及硬件焊接紅外發(fā)光二極管若干，攝像頭一個，顯示器一個，電位器一個。紅外發(fā)光二極管：紅外二極管主要用來發(fā)射紅外光。常用的紅外發(fā)光二極管（如SE303.PH303）,其外形和發(fā)光二極管LED相似，發(fā)

17、出紅外光。光譜功率分布為中心波長830950nm，半峰帶寬約40nm左右，它是窄帶分布，為普通CCD黑白攝像機可感受的范圍，其最大的優(yōu)點是可以完全無紅暴管壓降約1.4v。工作電流一般小于20mA。功率分為小功率（lmW-10mW）、中功率（20mW-50mW0和大功率（50mW-100mW以上）三大類，我們使用SE303.PH303型外發(fā)光二極管。攝像頭：又稱CCD，它能夠?qū)⒐饩€變?yōu)殡姾刹⒖蓪㈦姾蓛Υ婕稗D(zhuǎn)移，也可將儲存的電荷取出使電壓發(fā)生變化，是理想的攝像元件。結(jié)構(gòu)主件有：鏡頭（LENS）,圖像傳感器（CCD），數(shù)字信號處理芯片（DSP），電源。其工作原理為：被攝像體反射光線，傳播到鏡頭，經(jīng)鏡

18、頭聚焦到CCD芯片上，CCD根據(jù)光的強弱積聚相應(yīng)的電荷，經(jīng)周期性放電，產(chǎn)生表示一幅幅畫面的電信號，經(jīng)過濾波、放大處理，通過攝像頭的輸出端子輸出一個標準的復(fù)合視頻信號。再通過USB接口傳輸?shù)诫娔X中處理，通過顯示器就可以看到圖像了。由于攝像頭制作較復(fù)雜，所以我們直接買了一個攝像頭。顯示器：顯示器主要由視頻放大電路、場掃描電路、行掃描電路開關(guān)電源、模式識別和控制電路等組成。它是一種將一定的電子文件通過特定的傳輸設(shè)備顯示到頻幕上再反射到人眼的顯示工具。制作太過復(fù)雜，所以我們直接用電腦做顯:耳9示器。電位器：是可變電阻器的一種。通常是由電阻體與轉(zhuǎn)動或滑動系統(tǒng)組成，即靠一個動觸點在電阻體上移動，獲得部分電

19、壓輸出。它的作用主要是調(diào)節(jié)電壓（含直流電壓和信號電壓）和電流的大小。電位器的電阻體有兩個固定端，通過手動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)軸或滑柄，改變動觸點在電阻體上的位置，則改變了動觸點與任一個固定端之間的電阻值，從而改變了電壓與電流的大小。我們使用電位器主要是通過改變電位器阻值大小來改變紅外發(fā)光二極管的亮暗程度，以便在不同距離能在顯示屏上顯示同樣清晰的像。我們用3296型電位器。所有這些硬件集齊之后，開始焊接電路。我們準備把紅外二極管焊接在攝像頭的周圍作為光源，用十個紅外二極管是為了保證其亮度，紅外二極管發(fā)光人眼并不能觀察到，這樣就保證了夜視儀在夜晚能夠引發(fā)揮作用；紅外二極管之間我們采用并聯(lián)模式，這樣保證了每個紅外

20、二極管電壓相同，發(fā)出的光的亮度相同，再接入電位器，電源采用干電池兩節(jié)，共3V電壓，給紅外放光管供電。攝像頭一端用USB接口接在電腦上（一方面給攝像頭供電，另外電腦可以作為顯示屏），將攝像頭、紅外二極管焊接在一塊電路板上，基本雛形就是這樣。設(shè)計并制作好了之后，就開始試驗，在夜晚無光情況下，啟動夜視儀，觀察其夜視效果并做相應(yīng)的調(diào)試。如若效果不好，再做調(diào)試和整改，爭取做到夜視效果做好，成像最清晰。下面是我們拍攝的各個器件和完成后的成品照片。圖3-1SE303.PH303紅外發(fā)光二極管圖3-23296型電位器圖3-3紅外夜視儀成品3.2需解決的主要技術(shù)問題紅外夜視儀需要接收反射光和顯像的裝置，比如攝像

21、頭和顯示頻，這些做起來比較復(fù)雜，以我們目前的知識水平，很難設(shè)計出來。為了解決這一問題，并且能夠?qū)崿F(xiàn)良好的夜視效果，我們決定買一個電腦攝像頭改造一下，把攝像頭和電腦相連，以電腦作為顯示屏。一般的攝像頭里都有一個紅外截止濾鏡，我們需要把該濾鏡移出，因為紅外截止濾鏡主要是防止紅外光進入鏡頭，而我們的目的就是要讓紅外光進入鏡頭，讓組件拍攝到紅外線照射的物體。所以需要找到紅外截止濾鏡把它去掉，移出時用鑷子小心移出。截止濾鏡圖3-1紅設(shè)計結(jié)果及分析4.1設(shè)計結(jié)果第十六周時，紅外夜視儀設(shè)計基本完成，。我們把夜視儀連在電腦上實際試驗了一下，夜視儀功能基本能夠?qū)崿F(xiàn)，能夠清楚地觀察到目標。下面是我們拍的幾張對比圖

22、片。圖4-1無光1圖4-2夜視效果圖4-3無光2圖4-4夜視效果2圖4-5夜視效果3圖4-6自然光4.2結(jié)果分析我們設(shè)計的簡易紅外夜視儀基本成功，能夠基本實現(xiàn)夜視功能。通過試驗觀察，在無光的條件下可以清楚地觀察到目標，成像清晰，效果明顯，達到預(yù)期目標。不過對于主動式夜視儀，它還有其他的一些優(yōu)缺點。主動式夜視儀的一些優(yōu)點：技術(shù)成熟、造價低廉、觀測效果比較好；自帶光源，不受環(huán)境照明條件影響，可以獲得較大的明暗反差，易于區(qū)別目標和背景，有利于觀察；由于不同的物體對紅外輻射的反射能力不同，因而具有部分識別偽裝的能力。主動式夜視儀的一些缺點：觀察距離近，在觀察時很容易被對方發(fā)現(xiàn)，從而暴露自己；觀察范圍只限于被照射的景物，視距受到探照燈尺寸和功率的限制，其應(yīng)用范圍有限。同時我們還測試了我們做的紅外夜視儀到底能探測到多遠的距離，經(jīng)過測試，我們發(fā)現(xiàn)能照到的距離不是很遠，只能照到四米左右的地方，我們設(shè)想，如果我們再加上聚焦反射鏡，也許照射距離還會再長一些。5.總結(jié)通過我們的精心設(shè)計和團隊的通力協(xié)作，主動式夜視儀的設(shè)計完成，其效果明顯，達到設(shè)計目標，實現(xiàn)設(shè)計目的。在這次的課程設(shè)計中不僅檢驗了我所學習的知識，也培養(yǎng)了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在設(shè)計過程中，與同學分工設(shè)計，和同學們相互