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基于长波红外成像的安防技术研究 赵德政（工程硕士） 2008年元月 红外成像的定义 红外技术的起源 红外成像技术的发展——第一代 热成像技术的发展始于上世纪50年代，起初只能研制出基于单元器件的热像仪，场频较低，只限于小范围应用。直到20世纪70年代中长波碲镉汞(MCT)材料与光导型多元线列器件工艺成熟之后，热像仪才开始大量生产并装备军队。热像仪的种类繁多，可大致分为二类：一类是通用组件化的热像仪；另一类是按特殊要求设计的热像仪。 美国发展的是60元、120元与180元光导线列器件并扫的通用组件化热成像体制。它们的帧频与电视兼容，也是隔行扫描制，每场只有60行、120行和180行，并分别由同步扫描的60元、120元和180元发光二极管对应地显示每帧的图像。在欧洲，以英国的热像仪为代表采用了串并扫体制。它以扫积型光导MCT探测器为基础构成了英国的第二类通用组件热像仪。这是一种完全电视兼容、分辨率与普通电视相同的热像仪。不论串扫、并扫或串并扫体制的热像仪都需要光机扫描。因此，此类热像仪统称为第一代热像仪。 第二代 不用光机扫描而用红外焦平面阵列(IRFPA)器件成像的热像仪。由于去掉了光机扫描，这种用大规模焦平面成像的传感器被称为凝视传感器。它的体积小、重量轻、可靠性高。在俯仰方向可有数百元以上的探测器阵列，可得到更大张角的视场，还可采用特殊的扫描机构，用比通用热像仪慢得多的扫描速度完成360度全方位扫描以保持高灵敏度。这类器件主要包括InSb IRFPA、HgCdTeIRFPA、SBDFPA、非制冷IRFPA和多量子阱IRFPA等。此类热像仪被称为第二代热像仪。 第三代 第三代红外热像技术采用的红外焦平面探测器单元数已达到320x240元或更高(即105-106)，其性能提高了近3个数量级。目前，3μm-5μm焦平面探测器的单元灵敏度又比8μm-14μm探测器高2～3倍左右。因而，基于320x240元的中波与长波热像仪的总体性能指标相差不大，所以3μm-5μm焦平面探测器在第三代焦平面热成像技术中格外的重要。从长远看，高量子效率、高灵敏度、覆盖中波和长波的HgCdTe焦平面探测器仍是焦平面器件发展的首选。 红外系统的组成及原理 红外系统一般由红外光学系统、红外探测器、信号放大和处理、显示记录系统等组成。 红外光学系统把目标的红外辐射集聚到红外探测器上，并以光谱和空间滤波方式抑制背景干扰。红外探测器将集聚的辐射能转换成电信号。微弱的电信号经放大和处理后，输送给控制和跟踪执行机构或送往显示记录装置。红外光学系统的结构，一般可分为反射式、折射式和折反射式三种，后两种结构需采用具有良好红外光学性能的材料。 红外探测器一般有光子探测器、热释电探测器、热敏探测器、电荷耦合器件和红外电真空器件等。有些探测器要在低温下工作，需采用致冷器。致冷器有辐射致冷器、热电致冷器和冷冻剂致冷器等。采用何种致冷器，需视系统结构、所用探测器类型和使用环境而定。置于红外探测器前的光学调制器，将目标辐射进行调制编码，以便从背景中提取目标信号或目标的空间位置信息。前置放大器将探测器输出的微弱信号进行初级放大，并给探测器提供合适的偏置条件。它的噪声指数很低，从而使探测器的噪声有可能成为系统的极限噪声。信号处理系统把前置放大器输出的信号进一步放大和处理，从信号中提取控制装置或显示记录设备所需的信息。一般非成像系统视目标为点辐射源，相应的信号处理、显示记录系统比较简单。红外成像系统，通常需将目标红外辐射转换成黑白照片和假彩色照片或电视图像。这种图像不象可见光照相机所得的图像那样直观，它反映的是目标的辐射温度分布。 红外成像系统的主要参数 1．f/数：f/数是光学系统相对孔径的倒数。设光学系统的相对孔径为A=D/f（D为通常孔径，f为焦距），1A=f/D，则数f/D是表示系统的集中f为通光孔径的多少倍。 2．视场：视场是光学系统视场角的简称。它表示能够在光学系统像平面视场光阑内成像的空间范围。当目标位于以光轴为轴线，顶角为视场角的圆锥内的任一点（在一定距离内）时能被光学系统发现，即成像于光学系统像平面的视场光阑内。即使物体能在热像仪（热成像仪或红外热成像仪）中成像的物空间的最大张角叫做视场，一般是ao×βo的矩形视场。 3．光谱响应：红外探测器对各个波长的入射辐射的响应称为光谱响应。一般的光电探测器均为选择性探测器。 4．空间分辨率：应用热像仪（热成像仪或红外热成像仪）观测时，热像仪（热成像仪或红外热成像仪）对目标空间形状的分辨能力。本行业中通常以mrad（毫弧度）的大小来表