紅外成像原理

第七章紅外成像原理7.1引言7.1.1紅外線的歷史

1800年，赫胥耳利用太陽光譜色散實驗發(fā)現(xiàn)了紅外光。通常取可見光譜中紅光末端為780nm，比它長的光就是紅外光，或稱為熱射線。

1870年，蘭利制成了面積只有針孔那樣大小的探測器，并用凹面反射光柵、巖鹽及氟化物棱鏡來提高測量色散的能力，這為紅外應(yīng)用的重要方面——航空攝影奠定了基礎(chǔ)。

1904年，開始采用近紅外進行攝影。

1929年，苛勒發(fā)明了銀氧銫（Ag-o-Cs）光陰極，開創(chuàng)了紅外成像器件的先河。

1888年，麥洛尼用比較靈敏的熱電堆改進了赫胥耳的探測和測量方法，為紅外技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。27.1引言天文觀測溫度感應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸醫(yī)學(xué)成像二十世紀30年代中期，荷蘭、德國、美國各自獨立研制成紅外變像管，紅外夜視系統(tǒng)應(yīng)用于實戰(zhàn)。

1952年，美國陸軍制成第一臺熱像記錄儀。37.2紅外輻射的基本概念7.2.1紅外輻射紅外輻射是一種電磁波：近紅外（0.78～3.0μm），中紅外（3.0～20μm），遠紅外（20～100μm）。紅外輻射普遍存在于自然界：任何溫度高于絕對零度的物體（人體、冰、雪等）都在不停地發(fā)射紅外輻射。紅外輻射的倍頻程比可見光寬?？梢姽猓?.38～0.78μm，一個倍頻程；紅外線：0.78～1000μm，商為1282＝210，10個倍頻程。倍頻程：若使每一頻帶的上限頻率比下限頻率高一倍，即頻率之比為2，這樣劃分的每一個頻程稱為1倍頻程，簡稱倍頻程。47.2紅外輻射的基本概念

黑體的紅外輻射率和吸收率為1（客觀世界不存在），其意義體現(xiàn)在為衡量自然物體的紅外輻射和吸收能力建立一個標準。黑體假想的全部吸收和輻射紅外電磁波的理想體，其紅外吸收和輻射能力與溫度無關(guān)。一般物體的紅外輻射率和吸收率都小于1，并且其輻射和吸收能力都與表面溫度和波長有關(guān)。在理論和工程實踐中，常用物體的比輻射率定量描述物體輻射和吸收紅外電磁波的能力：（7-1）即物體的實際紅外輻射與同溫度下黑體紅外輻射之比值，顯然，物體的比輻射率都小于1。人體為0.98。57.2紅外輻射的基本概念不同材料的比輻射率67.2紅外輻射的基本概念7.2.2紅外輻射的三個規(guī)律同溫度物體的紅外發(fā)射能力正比于其紅外吸收能力；紅外平衡狀態(tài)時，物體吸收的紅外能量恒等于它所發(fā)射的紅外能量?；鶢柣舴蚨赏普摚盒阅芎玫姆瓷潴w或透明體，必然是性能差的輻射體?；鶢柣舴?824～188777.2紅外輻射的基本概念物體輻射的紅外能量密度W與其自身的熱力學(xué)溫度T的4次方成正比，并與它表面的比輻射率成正比：斯蒂芬－玻耳茲曼定律（7-2）可見，物體的溫度越高，紅外輻射能量越多。正常人體的紅外輻射功率大致為1kW。87.2紅外輻射的基本概念物體的紅外輻射能量密度大小，隨波長（頻率）不同而變化。與輻射能量密度最大峰值相對應(yīng)的波長為峰值波長，維恩通過大量實驗得出峰值波長和物體熱力學(xué)溫度之間的關(guān)系：（7-3）維恩位移定律的單位是μm，T是物體的絕對溫度，單位是K。97.2紅外輻射的基本概念紅外輻射能量密度曲線溫度波長物體名稱溫度/K太陽110000.26融化的鐵18031.61融化的銅11732.47融化的蠟3368.62人體3059.50地球大氣3009.66冰27310.6液態(tài)氮77.237.53常見物體的峰值波長107.2紅外輻射的基本概念紅外輻射的大氣窗口紅外輻射在大氣中傳輸時，不同波長的紅外輻射，有著不同的吸收和衰減。能夠透過大氣的紅外輻射主要有三個波長范圍：1～2.5um，3～5um，8～14um，通常稱為大氣窗口。1～2.53～58～14117.2紅外輻射的基本概念紅外輻射的介質(zhì)傳輸特性許多對可見光透明的介質(zhì)，對紅外輻射卻是不透明的。通常把可以透過紅外輻射的介質(zhì)稱為紅外光學(xué)材料。紅外光學(xué)材料可以分為晶體材料、玻璃材料和塑性材料三種，每種材料都對某些波長范圍的紅外有較高的透過率。幾種紅外光學(xué)材料的透過率單晶鍺：1.8～20μm，最常見；單晶硅：11μm以內(nèi)；多晶硫化鋅：1～14μm；多晶氟化鎂：3～5μm，高溫性能穩(wěn)定127.3主動式紅外成像系統(tǒng)紅外成像系統(tǒng)被動式紅外成像系統(tǒng)（紅外熱像儀）利用物體自然發(fā)射的紅外輻射主動式紅外成像系統(tǒng)（紅外夜視儀）利用不同物體對紅外輻射的不同反射核心問題：如何將紅外圖像轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姽鈭D像？137.3主動式紅外成像系統(tǒng)主動式紅外成像系統(tǒng)自身帶有紅外光源，是根據(jù)被成像物體對紅外光源的不同反射率，以紅外變像管作為光電成像器件的紅外成像系統(tǒng)。優(yōu)點：成像清晰、對比度高、不受環(huán)境光源影響。7.3.1主動式紅外成像系統(tǒng)缺點：易暴露，不利于軍事應(yīng)用。裝有紅外夜視儀的步槍紅外夜視圖像147.3主動式紅外成像系統(tǒng)主動式紅外成像系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主動式紅外成像系統(tǒng)紅外探照燈紅外輻射光源紅外變像管光譜轉(zhuǎn)換電子成像亮度增強高壓電源變像管電源光學(xué)系統(tǒng)

物鏡組目鏡組15主動式紅外成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖7.3主動式紅外成像系統(tǒng)167.3主動式紅外成像系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)物鏡組：把目標成像于變像管的光陰極面上目鏡組：把變像管熒光屏上的像放大，便于人眼觀察與常規(guī)光學(xué)儀器不同，變像管將物鏡組和目鏡組隔開，使得光學(xué)系統(tǒng)的入瞳和出瞳不存在物象共軛關(guān)系！漸暈系數(shù)越大越好，像面照度均勻。177.3主動式紅外成像系統(tǒng)紅外變像管是主動式紅外成像系統(tǒng)的核心，是一種高真空圖像轉(zhuǎn)換器件，完成從近紅外圖像到可見光圖像的轉(zhuǎn)換并增強圖像。紅外變像管從結(jié)構(gòu)材料上分，紅外變像管可以分為金屬結(jié)構(gòu)型和玻璃結(jié)構(gòu)型；從工作方法上分，可以分為連續(xù)工作方式和選通工作方式。187.3主動式紅外成像系統(tǒng)紅外變像管結(jié)構(gòu)光學(xué)纖維陰極外筒電子軌跡陽極錐電極紅外光陰極電子光學(xué)系統(tǒng)熒光屏工作波長范圍取決于紅外變像管的光陰極響應(yīng)譜區(qū)，一般為0.76~1.2μm的近紅外光。197.3主動式紅外成像系統(tǒng)紅外變像管的工作過程近紅外輻射光陰極面通常變像管的光陰極采用對近紅外敏感（0.8～1.2μm）的銀氧銫光敏層，電子光學(xué)部分相當于一個靜電聚焦系統(tǒng)。電子流圖像電子光學(xué)系統(tǒng)熒光屏可見光圖像高能電子207.3主動式紅外成像系統(tǒng)大氣后向散射現(xiàn)象：紅外探照燈向目標發(fā)出的紅外光束通過大氣時，其中一部分散射后向輻射進入觀察系統(tǒng)。引入了圖像的背景噪聲，降低了圖像對比度和清晰度。如何減小大氣后向散射影響？選通技術(shù)：利用發(fā)出短脈沖光的探照燈和在相應(yīng)時間工作的選通型變像管，以時間的先后分開不同距離上的散射光和目標的反射光，使由被觀察目標反射回來的輻射脈沖剛好在變像管選通時到達并成像，由輻射脈沖在投向目標的后向散射輻射到達接收器時，變像管恰好處于非工作狀態(tài)而不參與成像，從而減小后向散射對成像的影響。21優(yōu)點2：精確測量目標與觀察者之間的距離探測距離為1220米時的選通時序圖脈沖光源照明輸出后向散射輻射目標反射輻射選通脈沖優(yōu)點1：減少大氣后向散射對紅外圖像對比度和清晰度的影響7.3主動式紅外成像系統(tǒng)選通脈沖的時序要與目標反射輻射時序一致！227.3主動式紅外成像系統(tǒng)探照燈：短脈沖紅外激光紅外變像管：加選通電極237.3主動式紅外成像系統(tǒng)紅外探照燈結(jié)構(gòu)包括光源、燈座、紅外濾光片、拋物面反射鏡電熱光源（白熾燈）；氣體放電光源（高壓氙燈）；半導(dǎo)體光源（砷化鎵發(fā)光二極管）；激光光源（砷化鎵發(fā)光二極管）技術(shù)要求：①紅外探照燈的輻射光譜要與變像管光陰極的光譜響應(yīng)有效匹配，在匹配的光譜范圍內(nèi)有高的輻射效率。②探照燈的照射范圍與儀器的視場角基本吻合。③紅光暴露距離要短，結(jié)構(gòu)上要容易調(diào)焦，濾光片和光源更換方便。④體積要小，重量輕，壽命長，工作可靠。247.3主動式紅外成像系統(tǒng)直流高壓電源高壓電源提供紅外變像管進行圖像增強的能量，一般為1.2～2.9萬伏。技術(shù)要求：①輸出穩(wěn)定直流高壓；②在高、低溫環(huán)境下能保證系統(tǒng)正常工作；③防潮、防震、體積小、重量輕、耗電省。主動式紅外成像系統(tǒng)的特點：①能夠區(qū)分軍事目標和自然景物，識別偽裝；②近紅外輻射比可見光受大氣散射影響小，較易通過大氣層（惡劣天氣除外）；③由于系統(tǒng)“主動照明”，工作時不受環(huán)境照明影響，可以在“全黑”條件下工作。257.4紅外熱成像系統(tǒng)熱圖像再現(xiàn)了景物各部分溫度和輻射發(fā)射率的差異，能夠顯示出景物的特征。紅外熱成像系統(tǒng)是被動式成像系統(tǒng)。自然界中，溫度高于絕對零度的一切物體，總是在不斷地發(fā)射紅外輻射。收集并探測這些輻射能，就可以形成與景物溫度分布相對應(yīng)的熱圖像。ThermoVision?A20-V高品質(zhì)紅外熱像儀樹林中人的熱圖像小圖是可見光圖像大圖是熱圖像267.4紅外熱成像系統(tǒng)紅外熱成像系統(tǒng)光機掃描型：圖像質(zhì)量好、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高。非掃描型：結(jié)構(gòu)簡單、圖像質(zhì)量逐漸提高。光機掃描型紅外熱成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖光學(xué)系統(tǒng)部分紅外探測與致冷部分電子信號處理系統(tǒng)部分顯示系統(tǒng)部分277.4紅外熱成像系統(tǒng)匯聚光束光譜濾波光電轉(zhuǎn)換電視光柵287.4紅外熱成像系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)聚光光學(xué)系統(tǒng)掃描光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生掃描光柵，使分立探測元件能夠獲取大范圍景物圖像。光機掃描型熱成像系統(tǒng)以瞬時視場為單位，用光機掃描方法來覆蓋總視場。接收目標或景物輻射，聚焦于探測器。紅外光學(xué)系統(tǒng)的特點：通光孔徑和相對孔徑大，工作波段寬，像差校正困難。297.4紅外熱成像系統(tǒng)物鏡系統(tǒng)①反射式：光能損失小、不產(chǎn)生色差，但是視場小、體積大，有次鏡遮擋。②折射式：結(jié)構(gòu)簡單，裝校方便，可以滿足大視場和大孔徑成像的要求；通過透鏡的組合平衡系統(tǒng)的球差和色差。③折反式：主鏡與次鏡均采用球面鏡，加入補償透鏡校正像差非球面鏡的加工難度。輔助光學(xué)系統(tǒng)場鏡：指加在像平面或像平面附近的透鏡，用來擴大視場，使探測器接收的輻照均勻。光錐：利用圓錐的高反射率聚光，縮小探測器尺寸。中繼光學(xué)系統(tǒng)：便于探測器件的結(jié)構(gòu)安排。前置望遠系統(tǒng)：減小光學(xué)掃描器件的尺寸。307.4紅外熱成像系統(tǒng)掃描系統(tǒng)平行光束掃描（物方掃描）：掃描器在聚光系統(tǒng)之前，掃描鏡尺寸大，掃描速度慢，像差校正簡單，對聚光光學(xué)系統(tǒng)要求不高。會聚光束掃描（像方掃描）：掃描器安置在聚光光學(xué)系統(tǒng)和探測器之間，對像方光束進行掃描。尺寸小，掃描速度高。對聚光光學(xué)系統(tǒng)有較高要求。掃描方案可以采用不同的場掃描和行掃描組合方案，比如擺鏡場掃描加旋轉(zhuǎn)反射鏡鼓行掃描，折射棱鏡場掃描加反射鏡鼓行掃描。31反射鏡鼓行掃描擺鏡場掃描反射鏡鼓行掃描折射鏡場掃描適于小視場單元器件掃描用，不適合高速掃描掃描效率高，像差校正有難度7.4紅外熱成像系統(tǒng)327.4紅外熱成像系統(tǒng)多元探測器熱成像系統(tǒng)

將多元探測器按不同方式排列起來分解景物，可以改進每幀、每分辨單元的信噪比，提高系統(tǒng)的性能?；緮z像方式①并聯(lián)掃描攝像方式②串聯(lián)掃描攝像方式337.4紅外熱成像系統(tǒng)優(yōu)點：系統(tǒng)靈敏度高，對探測器速度要求不高；缺點：探測器數(shù)量多，電路和材料工藝復(fù)雜。并聯(lián)掃描攝像方式347.4紅外熱成像系統(tǒng)串聯(lián)掃描攝像方式優(yōu)點：探測器性能均勻，圖像缺陷少，信噪比提高倍，信號處理容易，不需要掃描變換就可以得到標準視頻信號；缺點：對探測器速度要求高。

357.4紅外熱成像系統(tǒng)紅外探測器（核心器件）

紅外探測器是紅外輻射能的接收器，通過光電變換，將接收的紅外輻射能量變?yōu)殡娦盘枺?jīng)過放大、處理，形成圖像。熱探測器如熱敏電阻、熱電偶、熱釋電探測器等，是吸收紅外輻射，使敏感元件溫度上升，由此引起物理參數(shù)改變的探測器。光子探測器光子探測器是通過光子與物質(zhì)內(nèi)部電子相互作用，產(chǎn)生電子能態(tài)變化而完成光電轉(zhuǎn)換的探測器。光子探測器在響應(yīng)靈敏度和響應(yīng)速度方面均優(yōu)于熱探測器，應(yīng)用廣泛。分光導(dǎo)型和光伏型。367.4紅外熱成像系統(tǒng)⑤探測器致冷要求不宜太高（小型化）。對紅外探測器的基本要求①探測率要高，提高系統(tǒng)的熱靈敏度。②工作波段與檢測目標的輻射光譜要適應(yīng)，以便接收盡可能多的紅外輻射。③用于并掃的多元探測器，各單元探測器的特性要均勻。④探測器響應(yīng)速度要快，以適應(yīng)快速掃描。377.4紅外熱成像系統(tǒng)致冷器致冷器的作用是降低紅外探測器的噪聲，使其在低溫狀態(tài)工作。B.焦耳－湯姆遜效應(yīng)致冷：高壓氣體節(jié)流循環(huán)致冷。C.輻射熱交換致冷：高溫物體輻射能量降溫。D.溫差電致冷：利用直流電通過半導(dǎo)體電偶對的珀爾帖效應(yīng)致冷。A.變相致冷：由致冷劑變相吸收熱量而致冷。387.4紅外熱成像系統(tǒng)顯示可以采用發(fā)光二極管和CRT。信號處理與顯示

信號處理與顯示的基本任務(wù)是形成與景物溫度分布相對應(yīng)的視頻信號，然后根據(jù)景物各單元對應(yīng)的視頻信號標出景物各部分的溫度，并顯示出景物的熱圖像。信號處理部分包括：前置放大、主放、自動增益控制、限制帶寬、檢波、鑒幅、多路傳輸和線性變換。397.5微光成像系統(tǒng)微光成像系統(tǒng)是一種利用光增強技術(shù)的光電成像系統(tǒng)，可以在極低照度（10-5lx）下工作，應(yīng)用領(lǐng)域涉及軍事、天文、公安執(zhí)法、生物醫(yī)療等。微光成像系統(tǒng)包括直視系統(tǒng)（微光夜視儀）和間視系統(tǒng)（微光電視系統(tǒng)）微光夜視儀

夜空自然微光照射目標，經(jīng)目標反射的微光輻射進入光學(xué)系統(tǒng)物鏡，物鏡把目標成像于焦平面的像增強器光陰極面上，像增強器對目標像進行光電轉(zhuǎn)換、電子成像和亮度增強，顯示于熒光屏。

由于工作時只靠夜天光照明而受自然照度和大氣透明度影響大，圖像平淡而層次不夠分明。407.5微光成像系統(tǒng)直視微光夜視系統(tǒng)目標目鏡系統(tǒng)人眼像增強器高壓電源物鏡系統(tǒng)核心器件：把微弱的光圖像增強到足夠的亮度，以便人眼進行觀察不用人工照明是其最主要的優(yōu)點417.5微光成像系統(tǒng)微光像增強