红外成像系统.pptx

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徐之海,红外成像系统,绪论,红外成像系统将红外图像转变为可见光图像红外夜视系统主动式近红外成像运用物体对红外辐射的不同反射特性而进行成像。

热成像系统被动式红外成像是运用物体自然发射的红外辐射进行成像。

红外成像简史,1929年柯勒（L.R.Koller）发明了Ag-O-Cs光阴极。

30年代中期：

红外变像管、蒸汽热像仪。

40年代初期：

红外夜视系统研制成功并应用于实战。

光学机械扫描式；面阵成像器件式。

50年代：

美国陆军第一台热像记录仪萨默（A.H.Sommer）发明Sb-K-Na-Cs光阴极微光成像6070年代：

红外成像仪大规模应用在军事装备上；80年代：

凝视型IRCCD迅速发展，便携式小型化红外系统90年代：

非制冷红外面阵热像技术的发展，运用于工业检测。

21世纪：

高象素、小型化、低成本方向发展。

1红外辐射的基本概念,可见光：

0.380.78m0.78m:

红外辐射、微波和无线电波。

红外的三个区域：

近红外:

0.783.0m中红外:

3.020m远红外:

201000m任何高于绝对零度的物体都在不停地发生红外辐射。

1红外辐射的基本概念,一、黑体理想的辐射体：

全部吸收或全部辐射红外电磁波的辐射率、吸收率与波长、表面温度无关，并且等于1。

一般物体的辐射率和吸收率都小于1,物体的比辐射率：

石墨及黑色漆面：

0.98；抛光的铝表面：

0.05砖、混凝土：

0.920.93人体:

0.98水、冰:

0.96,I/Ib,1红外辐射的基本概念,二、基尔霍夫定律当几个物体处于同一温度时，各物体发射红外线的能力正比于它吸收红外线的能力。

当物体处于红外辐射平衡状态时，它所吸收的红外能量，总恒等于它所发射的红外能量。

推论：

性能好的反射体或透明体，必然是性能差的辐射体。

1红外辐射的基本概念,三、斯蒂芬玻耳兹曼定律物体的红外辐射能量密度W与其自身的热力学温度T的四次方成正比，并与它表面的比辐射率成正比。

斯蒂芬玻耳兹曼常数，5.6697,推论：

物体的温度愈高，其红外辐射能量愈多,WT4,1012W/cm2K4,1红外基本概念四、维恩位移定律,T:

绝对温度，单位K；max:

峰值波长,单位m,2897/T,max,mmax,0.1,10,10,10,102,103,4,105,6,107,108,辐射能量密度/W/cm2.,400K,1000K,2000K,3000K,4000K,5000K,6000K,1.0,10,100波长/m,m,1红外辐射的基本概念,五、红外辐射在大气中的传输气体分子吸收带中心波长:

水蒸汽、二氧化碳、臭氧、氧化氮、甲烷和一氧化碳等气体的分子有选择地吸收一定波长的红外辐射大气对115m红外线的透过率曲线,大气透过率/%,10080604020,246810121416大气窗口:

12.5m、35m,814m,18,20,波长/m,1红外辐射的基本概念,六、红外辐射在介质中的传输红外光学材料的透过率曲线,多晶氟化钙、三硫化二砷玻璃、聚四氟乙烯,100,80,604020,透过率/%,单晶锗,单晶硅,多晶氟化钙,多晶硫化锌,多晶氟化镁,波长/m,20,24681012141618材料种类：

晶体材料、玻璃材料、塑性材料,2主动式红外成像系统,一、系统结构与特点,直流低压电源,晶体管变换电路,升压变电器,倍压整流电路,直流高压,稳压电路,红外探照灯,目标,物镜组,红外变像管,目镜组,高压电源,眼睛,2主动式红外成像系统,露。

1.4,0.2,0.4,0.60.81.01.2,反射比/%,604020,80,100,1.8,1.6,2.0,波长/m,工作波长：

红外变像管光阴极响应谱区，0.761.2m利用目标和自然界景物之间红外反射能力的显著差异比可见光受大气散射的影响小，而较易通过大气层主动照明：

全黑条件下工作，较大反差、清晰图像。

但易于暴绿色草木粗糙混凝土,暗绿色漆,图5-5典型目标的反射曲线,2主动式红外成像系统,二、光学系统光学设计消像差范围与变像管光阴极灵敏度范围相吻合1.成像系统的基本光学性能,

（1）视场：

物镜目镜

（2）放大率,：

变像管放大率,m：

光阴极面分辨率（线对mm,（3）分辨率（4）入瞳、出瞳,物镜系统：

孔径光阑物镜框；视场光阑光阴极有效面积目镜系统：

出瞳人眼瞳孔；视场光阑荧光屏有效成像面,arctgDe/fo,se,arctg（D/f）,fe,tg,Mtgfo,1mfo,2主动式红外成像系统,2对光学系统的要求

（1）对物镜的要求（a）大口径：

1：

1，12，1：

4像面照度、物镜结构、重量、消像差难易。

有最小渐晕以使光阴极上产生均匀照度。

宽光谱范围校正色差。

对主动式红外系统为0.651.2光谱段。

低频下有好的调制传递特性。

变像管为低通滤波器，30线对/mm，通常要求物镜在10线对/mm时，MTF不低于75%。

2主动式红外成像系统,

（2）对目镜的要求：

合适的焦距。

决定放大率；一般在20mm左右，足够的视场。

通常取在30与90之间。

合适的出瞳距离和出瞳直径。

一般出瞳直径：

人眼夜间7mm。

出瞳距离：

一般观测：

1215mm，炮和车瞄准：

2550mm。

适当的工作距离（目镜前表面和前焦点之间的距离）。

以保证工作时视度调整。

像差矫正：

视场大轴外像差口径大球差和彗差荧光屏和人眼低光度下的光谱特性色差。

2主动式红外成像系统,（3）对角放大率的选择,（a）放大率M：

：

最小能分辨目标对仪器的张角；m：

变像管观察灵敏阈对应的最小视角。

（b）放大率与视场,若在目镜选定情况下增加倍率就要牺牲一定的物方视场。

（c）放大率与仪器外形尺寸增大放大率意味着加大物镜焦距。

一般主动红外夜视系统的放大率为48X之间。

Mm,fe,tg,Mtgfo,2主动式红外成像系统,（4）对分辨力的选择,从人眼观测得：

仪器分辨角：

M:

仪器的放大率；e:

人眼极限分辨角：

0.1060.00174（rad）,（rad）,从光阴极得：

仪器分辨角：

结论：

物镜焦距、仪器放大率、光阴极面的分辨率之间满足：

m-变像管光阴极面的分辨率,经验公式：

e/M,11.25,6,1,mfe,34381.25,e,1mfo,fo573M/m,2主动式红外成像系统,三、红外变像管系统的核心，完成从近红外图像到可见光图像的转换与图像增强。

1红外变像管的工作过程,红外光阴极银氧铯（Ag-O-Cs）光敏层。

峰值灵敏度：

0.8m，长波上限为1.2m，光灵敏度为3040A/lm,电子光学系统静电聚焦系统荧光屏,荧光物质:

硫硒化锌铜Zn（S，Se）Cu、硫化锌镉银（ZnCd）SAg、硫化锌铜（ZnSCu）,光学纤维,阴极外筒,光学纤维,红外光阴极,电子轨迹,荧光屏,阳极锥电极,2主动式红外成像系统,2.直流高压电源变像管和像增强器需要很高能量由高压电源提供。

变像管：

1.2万2.9万伏微光像增强器：

几千几万伏主动式红外成像系统对高压电源的要求：

为光电成像器件提供所需的稳定直流高压，使变像管在实际工作情况下保持合适的输出亮度。

性能稳定，在高低温环境下保证系统正常工作。

防潮、防震、体积小、重量轻且耗电省。

2主动式红外成像系统,四、选通技术大气后向散射:

照射目标的光束被大气后向辐射进入系统。

引入背景噪声，降低了图像对比度和清晰度。

选通技术的基本原理:

发出短脉冲光，在相应时间选通型变像管,1脉冲光源照明输出；2接收到的后向散射辐射，3由目标返回的反射辐射4接收器的选通脉冲。

脉冲在1220m上渡越时间：

8m选通工作时间周期：

延迟8m,m,t/s,0,1,2,3,4,4,8121620图5-7l=1220米时的选通时序图,24,28,图5-8选通成像系统框图,延时计数器,延时调节器,高压供电,脉冲长度调节器,延时器,临控脉冲,激光器,选通像管,信号输出,成像光学,准直光学,目标,大气,2主动式红外成像系统激光脉冲宽度：

100200ns对应物方传输空间：

3060m,2主动式红外成像系统,五、红外探照灯1.对红外探照灯有下列要求光谱有效匹配，有高的辐射效率。

光束散射角与视场角基本吻合。

红光暴露距离要短。

（4）易调焦，滤光片和光源更换方便。

（5）体积小、重量轻、寿命长、工作可靠。

2.红外光源电热光源（如白炽灯）；气体放电光源（如高压氙灯）；半导体光源（如砷化镓发光二极管）；激光光源（如砷化镓激光二极管）,相对辐射、透过、接受率,0.4,1,2,3,0.60.81.01.2/m2-光源、3-滤光片和1-光电阴极光谱匹配曲线,3红外热成像系统,总视场,热图像：

再现了景物各部分温度和辐射发射率差异；显示出景物的特征。

光机扫描型红外热成像系统：

光学系统瞬时视场,水平扫描,垂直扫描,探测器,放大器,显示器,3红外热成像系统,图5-11热成像系统工作框图,目标辐射,物镜系统,光谱滤波,光机扫描,探测器,探前测置器放偏大置器,视频处理,视频监视,制冷器,同步扫描,视频记录,电源,电源的调节与分配,3红外热成像系统,红外热成像的种类：

光机扫描型：

探测器把接收的辐射信号转换成电信号，扫描视场。

对比度良好，结构复杂，成本高，但仍然受到重视，是发展较为完善的一种热成像系统。

非扫描凝视型：

利用多元探测器面阵，使探测器中的每个单元与景物的一个微面元对应。

近几年来得到了发展。

热释电摄像：

非光机扫描，采用热释电材料作靶面制成热释电摄像管，可直接利用电子束扫描技术，制成电视摄像型热像仪。

3红外热成像系统,：

热成像系统的基本技术参数:

1瞬时视场（IFOV）是探测器线性尺寸对系统物空间的两维张角若探测器为矩形，尺寸为ab2.总视场（TFOV）指光学系统所能观察到的物空间二维视场角,总视场在垂直方向和水平方向的分量为,图像中像元素总数m为：

3帧周期和帧频,系统扫过一幅画面所需的时间称为帧周期，记为系统一秒钟扫过画面的帧数称为帧频，记为，,两者之间的关系为：

a,bff,mWW,W,W,Tf,fp,f,p,T,f,1,3红外热成像系统,4扫描效率,空载时间,：

同步扫描、回扫、直流恢复所需时间。

有效扫描时间,帧周期与空载时间之差。

：

扫描效率：

有效扫描时间与帧周期之比：

5驻留时间,：

扫过一个探测器张角所需的时间：

若探测器为n元并联线列探测器时：

考虑空载时间：

乘以扫描效率，,注意探测器驻留时间应大于探测器的时间常数,sc,Tf,TfTf,f,sc,T,TfTf,d,mWW,d,TfTf,WW,d,d,n,Tf,n,Tf,3红外热成像系统,一、光学系统光机扫描型系统：

以瞬时视场为单位，用光机扫描的方法来覆盖总视场。

光学系统包括：

聚光光学系统、扫描光学系统。

特点：

大相对孔径：

以收集更多的红外辐射，工作波段宽：

与可见光系统相比，像差校正困难。

反射损失较大：

锗和硅的折射率都比较高，镀增透膜同时考虑聚光系统和扫描系统：

会聚光束中扫描时，会导致扫描散焦，要在设计聚光系统时适当加以校正。

3红外热成像系统,1.红外物镜系统

（1）反射式物镜系统优点：

大口径，焦距长；对材料要求不高，光能损失小，不产生色差。

缺点：

视场小、体积大和次镜遮挡（a）牛顿系统,由抛物面主镜和平面次镜组成。

对轴上无穷远物点没有像差；轴外点像差较大。

用于像质要求高、小视场系统中。

镜筒长、重量大。

F,F,（a）牛顿系统,3红外热成像系统,（b）卡塞格伦系统：

由抛物面主镜和双曲面次镜组成，次镜位于主镜焦点之内。

一个焦点重合，另一个焦点：

系统的焦点。

镜筒短而焦距长，结构紧凑，焦面上便于放置接收器件，目前被广泛应用。

（c）格里高利系统：

由抛物面主镜和椭球面次镜组成，次镜位于主焦点之外，一个焦点重合，另一个焦点：

系统的焦点。

F,F,（b）卡塞格伦系统,F,（c）格里高利系统,3红外热成像系统,

（2）折射式物镜系统优点：

大视场、小体积结构简单，装校方便；缺点：

对材料要求高，锗、硅等大孔径加工难；材料：

Ge-Ge-Ge；As2S3-Ca