紅外成像論文

紅外成像主要內(nèi)容前言紅外成像的發(fā)展紅外成像原理紅外焦平面和紅外熱像儀分類紅外熱像儀的應(yīng)用一、前言 自然界中一切物體，只要溫度高于絕對零度(-273℃)，就總是在不斷地發(fā)射輻射能（紅外線）。 因此，從原理上講，只要能收集并探測出這些輻射能，就可以通過重新排列來自探測器的、與景物輻射分布相對應(yīng)的信號，形成熱圖像。 這種熱圖像再現(xiàn)了景物各部分的輻射起伏，從而能顯示出景物的各部分的特征。 利用這種原理制成的成像器件就是紅外熱像儀。一、前言1.1紅外成像的由來1800年，英國天文學(xué)家W.Herschel發(fā)現(xiàn)紅外射線；十九世紀(jì)，認(rèn)識紅外輻射的本質(zhì)，建立基本的輻射定理；二十世紀(jì)七十年代，紅外電荷耦合器件(IRCCD)、陣列探測器(ArrayDetectors)和掃積型器件(SPRITE)等先進(jìn)探測器研制成功，紅外技術(shù)和紅外成像進(jìn)入并發(fā)展到了一個(gè)新的發(fā)展階段。一、前言紅外射線及大氣窗口紅外焦平面陣列探測器(IRFPA，infraredfocalplanearray)表征輻射性質(zhì)的基本物理量幾個(gè)基本的輻射定理1.2要了解的幾個(gè)概念一、前言紅外射線紅外射線是一種與物體的表面溫度密切相關(guān)的一種輻射，它是一種看不見、摸不著的一種電磁波。1.2.1紅外射線及窗口紅外窗口 紅外輻射：從0.76m~1000m的光輻射范圍。 習(xí)慣上，紅外波段被劃分為：“近”、“中”、“遠(yuǎn)”和“極遠(yuǎn)”四個(gè)區(qū)域。 根據(jù)紅外波在大氣中的傳輸特性，又分為三個(gè)窗口。四個(gè)區(qū)域15~103m極遠(yuǎn)紅外區(qū)6~15m遠(yuǎn)紅外區(qū)1.5~6m中紅外區(qū)0.76~1.5m近紅外區(qū)三個(gè)窗口8~12m長波紅外窗口3~5m中波紅外窗口0.8~2m短波紅外窗口紅外成像一、前言IRFPA： 把大量探測器單元，按照一定規(guī)則，用先進(jìn)的微電子工藝，高密度地集成到一塊對紅外透明的材料芯片上，同時(shí)將其它必要的信號讀出及處理電路，如：前放，集成到同一芯片或另一其他材料的芯片上，構(gòu)成一個(gè)既能接收光輻射，又能將光電信號轉(zhuǎn)變?yōu)榭捎脭?shù)據(jù)輸出的整體。1.2.2紅外焦平面陣列探測器 (IRFPA，infraredfocalplanearray)一、前言輻射通量輻射通量的空間密度F輻射出射度M輻射照度E輻射通量的譜密度M黑體和灰體1.2.3表征輻射性質(zhì)的基本物理量輻射通量(RadiationFlux，單位：W) 單位時(shí)間內(nèi)通過某一表面的輻射能量Q(單位：J)。輻射通量的空間密度F(單位：W?m-2) 單位時(shí)間內(nèi)，通過單位面積的輻射能量。 當(dāng)只考慮輻射的發(fā)射和入照時(shí)，可分別使用輻射出射度M和輻射照度E。輻射出射度M(單位：W?m-2) 單位時(shí)間內(nèi)，從單位面積上輻射出的輻射能量。 物理意義：單位波長間隔(m)內(nèi)在單位面積(m2)上的輻射功率。輻射照度E(單位：W?m-2) 單位時(shí)間內(nèi)，單位面積上接收的輻射能量。黑體和灰體絕對黑體：對任何波長的輻射，都能全部吸收的物體。黑體：只能吸收某一波長輻射的物體。灰體：物體的吸收率不隨波長而變，且小于1。一、前言紅外成像原理中要涉及到的幾個(gè)輻射定理：普朗克定律斯蒂芬—玻爾茲曼定律維恩位移定律基爾霍夫定律1.2.4基本的輻射定理普朗克定律(Planck’sLaw) 以波長表示的普朗克公式為： 式中，M表示絕對黑體的光譜輻射出射度（SpectralRadiantExitance），單位：W?cm-2?m-1。 表示波長(m)，T表示絕對溫度(K)，C1、C2分別表示第一、第二輻射常數(shù)。1.2.4基本的輻射定理普朗克定律給出了絕對黑體輻射的光譜分布規(guī)律：

光譜輻射出射度隨溫度的增加而增加，溫度越高，所有波長上的光譜輻射出射度也就越大。且光譜輻射出射度的峰值波長隨溫度的增加而向短波方向移動(dòng)。斯蒂芬-玻爾茲曼定律 在全部波長范圍內(nèi)對普朗克公式積分，得到從黑體單位面積輻射到半球空間的總輻射功率，即總輻射出射度的表達(dá)式，通常稱為斯蒂芬－玻爾茲曼定律：

M表示黑體的總輻射出射度，單位W?cm-2。

=5.669610-8(W?m-2?k-4)，為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)。由斯蒂芬－玻爾茲曼定律可以看出：黑體的總輻射出射度與絕對溫度的四次方成正比，因此即使溫度變化相當(dāng)小，都會(huì)引起輻射出射度很大的變化。斯蒂芬-玻爾茲曼定律表明了黑體輻射功率和絕對溫度之間的關(guān)系，它是通過物體輻射功率測量物體溫度的主要理論依據(jù)。1.2.4基本的輻射定理維恩位移定律(Wein’sDisplancementLaw) 1893年，維恩從熱力學(xué)理論導(dǎo)出黑體輻射光譜的極大值對應(yīng)的波長：max=b／T 式中，b=2897.8m?K。從維恩位移定律可知：光譜輻射出射度的峰值波長與絕對溫度成反比。溫度愈高，峰值波長越短。根據(jù)維恩位移定律，300K室溫目標(biāo)光譜出射度的峰值約為9.6m，所以8~14m的長波紅外成像特別受到重視1.2.4基本的輻射定理基爾霍夫定律(Kirchoff’sLaw) 一定溫度下，任何物體的輻射出射度與其吸收率的比值是一個(gè)普適函數(shù)，只是溫度、波長的函數(shù)，與物體的性質(zhì)無關(guān)?；鶢柣舴蚨杀砻鳎喝魏挝矬w的輻射出射度和其吸收率之比，等于同一溫度下黑體的輻射出射度。1.2.4基本的輻射定理二、紅外成像的發(fā)展 根據(jù)目前紅外熱成像系統(tǒng)的發(fā)展情況及對今后的預(yù)測，紅外熱成像系統(tǒng)大致可分為三代：第一代 指六十年代采用的致冷型單元或線列紅外探測器，以數(shù)目有限的探測單元為特征，借助光機(jī)掃描實(shí)現(xiàn)圖像探測，同時(shí)還需要低溫制冷器協(xié)同工作，如：HgCdTe、InSb、PbS等紅外探測器，其產(chǎn)品成本高。 第一代紅外技術(shù)分辨率和速度都受到限制，而且價(jià)格十分昂貴，應(yīng)用范圍僅局限于軍事。2.1紅外成像系統(tǒng)的分類二、紅外成像的發(fā)展第二代 80年代，探測器由單元或線列走向了面陣，紅外熱成像系統(tǒng)發(fā)展成為紅外焦平面陣列。 將紅外焦平面陣列器件應(yīng)用到紅外成像中，出現(xiàn)了致冷型固體紅外攝象機(jī)，它不需要光機(jī)掃描，通常稱該技術(shù)為第二代紅外技術(shù)。 與第一代相比，它改善了分辨率和速度，大大提高了紅外成象技術(shù)的水平，擴(kuò)大了應(yīng)用領(lǐng)域。2.1紅外成像系統(tǒng)的分類二、紅外成像的發(fā)展第三代 九十年代中期，美國發(fā)明了可在室溫環(huán)境下工作的固體紅外焦平面陣列，它完全克服了前兩種紅外技術(shù)的缺點(diǎn)，可以工作在室溫，無需致冷，所以無任何機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，如：斯特林致冷機(jī)和斬波調(diào)制等。 這種器件應(yīng)用到紅外成像中，出現(xiàn)了非致冷型紅外攝象儀。這種熱像儀不僅在軍事上得到了廣泛的應(yīng)用，而且還廣泛應(yīng)用到很多民用行業(yè)中。2.1紅外成像系統(tǒng)的分類二、紅外成像的發(fā)展非致冷紅外焦平面成像傳感器 非致冷紅外焦平面陣列技術(shù)的出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了熱像儀系統(tǒng)的小型化和低成本，使熱像儀大量進(jìn)入廣闊的民用市場，進(jìn)一步擴(kuò)大了它的使用范圍。

近兩年典型的代表產(chǎn)品有：美國FLIR系統(tǒng)公司的ThermaCam系列、Raytheon系統(tǒng)公司的PalmIR系列以及ReportIR系列等，它們都采用了320×240的微測輻射熱計(jì)探測器。2.2紅外成像系統(tǒng)的發(fā)展二、紅外成像的發(fā)展能在室溫下工作，無需致冷；與大規(guī)模集成電路工藝兼容，成品率高、均勻性好，圖像清晰；體積小、重量輕、功耗低、工作可靠、使用壽命為10年，可做成便攜式產(chǎn)品，操作與維護(hù)簡便；響應(yīng)波段寬，能在3~5m和8~12m波段使用，溫度分辨率高，噪聲等效溫差可達(dá)100mK（0.1℃）；空間分辨率1（mrad，毫弧度），空間分辨率高，可制成高密度像元陣列；2.3非致冷紅外焦平面熱像儀的優(yōu)點(diǎn)目標(biāo)表面發(fā)射的紅外輻射，經(jīng)大氣的紅外窗口，一般是中波和長波紅外窗口，傳輸?shù)轿镧R，即紅外光學(xué)系統(tǒng)。三、紅外成像的原理非制冷紅外成像框圖紅外光學(xué)系統(tǒng)目標(biāo)物體發(fā)出紅外輻射非致冷焦平面陣列A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)字信號處理器溫度參考信號邏輯時(shí)序控制紅外輻射經(jīng)過物鏡聚焦，被聚焦后的紅外輻射傳輸?shù)郊t外焦平面上，準(zhǔn)確的說是在光敏區(qū)上。光敏區(qū)接收到入射的紅外輻射后，在紅外輻射的入射位置上產(chǎn)生一個(gè)與入射紅外輻射性能有關(guān)的局部電荷。掃描焦平面陣列的不同部位、或按順序?qū)㈦姾蓚魉偷阶x出器件中，讀出這些電荷。當(dāng)信號以視頻信號輸出時(shí)，每一個(gè)局部稱做一個(gè)像元。紅外焦平面陣列的輸出信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后進(jìn)行DSP處理，A/D轉(zhuǎn)換一般是12~16位。Video視頻模擬輸出USB接口數(shù)字輸出三、紅外成像的原理數(shù)字信號處理器主要是進(jìn)行的是非線性校正等。(a)校正前(b)校正后實(shí)際圖像校正前后對比四、紅外焦平面和紅外熱像儀分類根據(jù)焦平面陣列結(jié)構(gòu)分類單片式：在同一芯片上同時(shí)含有探測器和信號處理電路準(zhǔn)單片式：將探測器和讀出線路分別制備，然后裝在同一個(gè)襯底上，通過引線焊接將兩部分連在一起平面混合式：采用銦柱將探測器陣列正面的每個(gè)探測器與多路傳輸器一對一地對準(zhǔn)配接起來Z型混合式：將許多集成電路芯片一個(gè)一個(gè)的層疊起來，形成一個(gè)三維的電路層疊結(jié)構(gòu)4.1紅外焦平面分類四、紅外焦平面和紅外熱像儀分類根據(jù)焦平面陣列是否需要制冷分類制冷型IRFPA

基于光子探測原理。較高工作溫度下，探測器材料固有的熱激發(fā)迅速增強(qiáng)，暗電流和噪聲的增大將嚴(yán)重降低探測器的性能，甚至無法正常工作。這類探測器通常工作在200K溫度下，一般用液氮制冷。非制冷型UFPA4.1紅外焦平面分類四、紅外焦平面和紅外熱像儀分類根據(jù)焦平面陣列是否需要制冷分類非制冷型UFPA

按傳感器材料，目前的UFPA分為熱釋電和微測輻射熱計(jì)兩種，工作時(shí)不需要制冷器。

4.1紅外焦平面分類五、紅外熱像儀的應(yīng)用應(yīng)用領(lǐng)域：安全防犯車輛、飛行器和船只夜視停車場和飛機(jī)場的夜間監(jiān)視公安消防環(huán)境污染監(jiān)測發(fā)電廠和輸電線的檢測醫(yī)學(xué)方面對早期癌腫瘤診斷五、紅外熱像儀的應(yīng)用車輛、飛行器和船只夜視

五、紅外熱像儀的應(yīng)用五、紅外熱像儀的應(yīng)用五、紅外熱像儀的應(yīng)用安全防范金融機(jī)構(gòu)和公共設(shè)施的安全防犯日益引起全社會(huì)的嚴(yán)重關(guān)注，罪犯襲擊的目標(biāo)往往是金融機(jī)構(gòu)。紅外熱像儀幾乎在任意條件下（含白天、黑夜）都可使用，對潛伏在光照區(qū)域外的入侵罪犯，也能判明其位置，記錄下犯罪的實(shí)況。因此安全防范是非致冷紅外熱成像焦平面技術(shù)的又一個(gè)大型應(yīng)用市場。五、紅外熱像儀的應(yīng)用五、紅外熱像儀的應(yīng)用環(huán)境污染監(jiān)測石油勘探生產(chǎn)和工廠排污必須受到嚴(yán)格的監(jiān)控。墨西哥灣海底是美國石油和天然氣的主要來源，有3800多口油井在日夜運(yùn)行。政府嚴(yán)格規(guī)定：“禁止把含油量超過百分之幾的廢水排入海灣”。這一禁令由光電子系統(tǒng)負(fù)責(zé)執(zhí)行，廢水含油量用紅外光譜儀測定。五、紅外熱像儀的應(yīng)用公安消防消防工作中，常遇到濃煙霧。特別在夜間消防現(xiàn)場環(huán)境下，消防人員的能見度受到限制，容易造成人員傷亡和裝備損失。

非致冷紅外焦平面陣列在消防頭盔上的應(yīng)用，大大提高了消防隊(duì)員在濃煙密霧和夜間現(xiàn)場的觀察和機(jī)動(dòng)能力。五、紅外熱像儀的應(yīng)用發(fā)電廠和輸電線的檢測發(fā)電廠和輸電線故障的非接觸式故障診斷檢測與維護(hù)是紅外熱像儀技術(shù)商業(yè)應(yīng)用的又一個(gè)引人注目的領(lǐng)域。

五、紅外熱像儀的