热成像技术原理及其应用

1热成像技术原理及其应用(参考)第一章导言1热成像系统技术基础热成像系统能把物体发射的红外辐射(红外光)转变成可见光，从而将人类的视觉由可见光扩大到不可见红外光。人的眼睛不能响应0.4～0.7µm以外的光，要使人眼在夜间看东西象白天一样，使红外转换为可见景物的视觉判读成为可能，需目标相对背景有显著的发射率、温差和与大气窗口相一致的红外辐射传输通道；还需要一种光电器件能响应物体发射出的红外光子。人眼是接受可见光辐射的最好敏感元件：眼睛的光谱响应范围0.4～0.7µm，正好符合太阳光源的输出峰值，这个波段集中了38%的太阳辐射能量，且地球上的物体具有良好的反射度；眼睛是一种理想的可见光波段量子噪声限探测器(量子能级的低噪声)；人眼对非可见红外光有很好的滤波功能。自然可见图像主要是由反射和反射度差产生。相反热像仪对红外光响应所形成的热图像主要是由发射率差产生。目前热像仪工作的三个红外辐射传输的窗口是1μm~3μm，3μm~5μm，8μm~14μm。2热成像系统技术发展简述最初的热成像系统是circa温度记录仪(1930)；21952年美国陆军制成第一台自动温度记录仪(采用双轴扫描和测辐射热探测器，照相胶卷记录图像)，以后10年主要是民用；1956年美国空军研制了第一台实时FLIR航扫仪(AN/A-AS-3)，后发展改进研制了第一台二维图像的热像仪XA-1(单元扫描)；1960年Perkin-Elmer公司为陆军研制了地面FLIR(锑化铟、双折射棱镜扫描，5°视场、瞬时视场1mrad、帧频0.2)；1960～1974由空军和德克萨斯仪器公司及海军和休斯飞机公司分别制定扫描FLIR研制计划，研制完成60多种FLIR，产品几百件（试用于对北越轰炸）；到90年代初扫描型热像仪发展至顶盛，美国发展了采用64元、120元、180元制冷MTC探测器的热成像通用组件(以色列120元，英国32元和8条SPRITE探测器)同期世界上生产了约10万台热像仪(1代)；80-90年代美国的标准组件计划是第一代红外热像仪（扫描型）发展的标志性事件。九十年代末美国、法国（SOFRADIR）、英国、以色列相继研制并批量生产了非制冷焦平面探测器、制冷焦平面探测器，至此引发了一场热成像技术的革命，进入了2代热成像技术发展阶段。2000年，美国和法国的焦平面红外探测器产业化，这是第二代红外热像仪（凝视型）发展的标志性事件。2015年，低成本非制冷红外探测器产业化。3热成像系统工作原理基本内容辐射理论和目标识别目标辐射的大气传输热像仪指标体系高效的红外光学系统探测器及其工作条件(制冷、真空)3电信号处理视频显示人的搜索过程和视觉感觉(人眼对热图的判读)第二章目标与目标信号的大气传输1目标辐射理论1.1斯蒂芬-玻尔兹曼辐射定律目标总的辐射密度W(T)=εσT4Wm-2(ε=1黑体目标全波长总的辐射密度)斯蒂芬-玻尔兹曼常数σ=5.6697×10-8对面积1m2的300K黑体，相应的总功率460W。物体的温度变化率在300K时相应为6Wm-2K-1。如果用热像仪观测草地、树丛和道路等场景的红外辐射，会发现由于温度和发射率的变化，各点的测量值不同。正是这个辐射率的差别对成像至关重要。用8～14μm热像仪测得的值约为实际温度变化率的三分之一(2Wm-2K-1)。目标辐射强度J=WDC2/4。DC：目标等效辐射面积对热像仪而言，目标辐射强度与以下因素关系最为密切，按相关度顺序排列为T目标温度、DC目标等效辐射面积、ε辐射率1.2基尔霍夫定律1.2.1在平衡条件下，物体的吸收率准确地等于其发射率。1.2.2物体的反射率1.3维恩及普朗克定律（附图：目标温度与辐射波长间的关系）目标温度与辐射波长间的关系(维恩位移定律)λT=2897.756µm.K谱辐射出射度与波长的关系(普朗克定律)：4根据普朗克定律计算在常温下8～14μm较3～5μm波段谱辐射出射度强46倍1.4光谱辐射对比度3～5μm光谱辐射对比度(ΔT=10K)17.2%/K；ΔT=100K时3～5μm光谱辐射对比度是8～14μm的6倍。8～14μm光谱辐射对比度(ΔT=10K)7.4%/K。1.5目标温度目标真实温度(温度)T目标辐射温度(等效温度)εT与目标等效温度有关的两个因素是目标温度和目标辐射率。目标视在温度εTe-(0.3～0.7)Rcos(θ)(θ：视轴与目标表面法线角)2目标辐射的大气传输目标与背景温差是热像仪识别目标的重要参数，热像仪接收到的目标与背景温差还与背景温度和大气传输率这两个因素有关。2.1大气传输模型Lowtran大气传输模型大气传输对红外辐射的主要影响：水汽、二氧化碳、臭氧、氮气、分子散射、气溶胶等。3.7～4.8μm主要影响是雾霾影响相对较大8～10.6μm主要影响是水汽2.2大气传输的简易计算红外辐射的大气传输率(近距离水平距)：e-(0.3～0.7)R2.3大气对3～5μm波段与8～12μm波段红外辐射影响的对比2.3.1中纬度夏季气候条件中纬度夏季海平面10公里水平透过率(水平能见度23公里)：8～12μm0.08max0.1(9μm)53～5μm0.4max0.6(4μm)；50公里0.01。2.3.2热带大气候条件热带大气海平面10公里水平透过率(水平能见度23公里)8～10.6μm8(0.06)9(0.024)9.5(0.015)10(0.011)10.6(0.068)平均透过率0.0363.7～4.8μm3.7(0.45)3.8(0.5)4(0.58)4.16(0.2)4.5(0.7)4.8(0.16)。平均透过率0.38。2.3.3大气条件2.3.2.1标准大气条件海平面0Km气压1.013×103毫巴温度288.1K水气5.9克/米32Km275K4.210Km223K1.8×10-220Km216K4.4×10-42.3.2.2特殊大气条件(LOWTRAN7)良好大气条件：等效能见距离23km、相对湿度50%、空气温度15℃US标准春夏大气条件恶劣大气条件：等效能见距离5km、相对湿度75%、空气温度27℃第三章热像仪系统性能1系统性能标准1.1主要的系统性能指标1.1.1最小可分辨温差(MRTD)系统空间分辨率和热灵敏度的噪声限阈值探测，综合反映红外系统对目标的分辨能力(对均匀背景与7:1条纹4杆靶间温差观察(主观：人眼观察；客观：计算机判读))。MRTD和空间频率有关。61.1.2最小可探测温差(MDTD)包含人的作用的热成像系统热灵敏度测量(直接涉及系统的噪声限探测性能)。1.1.3噪声等效温差(NETD)的近似简化[(f#)2Δf1/2]/[Adσ(300K)3ζ0D*(300)]温度为TB的均匀背景，目标温差ΔT产生的峰值信号与均方根噪声之比为1(测量源为黑体、大气传输系数为1条件定义下的实测值；目标尺寸相对系统分辨率足够大(10倍)，以保证系统频率响应度不会明显减小信号幅值)。背景限噪声等效温差NETDBLIP与光学孔径D0成反比。主要反映探测器和红外系统的热灵敏度性能。NETD和空间频率无关。1.1.4噪声等效通量密度NEFD(与噪声等效辐射照度NEI有关)探测器输出单位SNR的光学入瞳孔径平面上的幅照度，主要用作点源探测系统的品质因素。1.1.5动态范围峰-峰信号幅度与均方根噪声之比(动态范围1000：系统输出的均方根噪声值0.1K，目标温差范围100K)1.1.6信号传递函数信号传递函数(SiTF)是响应度函数曲线线性段的斜率，规定SiTF为线性亮度控制和对比度控制下，系统线性输出的目标背景温差函数。热成像系统光电转换的功率增益用对比度描述，而亮度控制用叠加直流电平实现。1.1.7系统调制传递函数(MTF系统)系统脉冲响应函数的傅里叶变换。好的系统，衍射和探测器调制传递函数起支配作用(光学系统在f0处典型的衍射值0.7，探测器调制传递函数0.64，设计弥散0.9，处理器1，显示器0.6；系统在f0时的调制传递函数典型值0.25～0.4)。71.2作用距离1.2.1约翰逊判据标准大气条件，判别概率50%；对目标分辨8对线，对目标识别4对线，对目标探测1对线；坦克目标尺寸：2.3×2.3m。目标与背景温差：ΔT=4K(背景温度300K)1.2.2北约判据标准大气条件，判别概率50%；对目标分辨6对线，对目标识别3对线，对目标探测1对线；北约坦克目标尺寸：2.3×2.3m。目标与背景温差：ΔT=2K(背景温度288K)1.2.3作用距离计算计算必须的条件：作用距离判据目标等效尺寸d目标与背景温差ΔT大气传输率e-(0.3～0.7)R(根据温度、湿度、等效能见度等计算)最小可分辨温差MRTD(对标准热像仪)噪声等效通量密度NEFD(对IRST搜索跟踪系统)1.2.4系统性能预计典型的扩展源目标静态性能模型：高阶鉴别及Johnson判据(美军夜视试验室NVEOD模型4杆靶测量，系统不能分辨高于0.8θ-1的频率；主要针对Ⅰ代FLIR计算MRTD、MDTD、NETD得出识别、分辨和探测距离)；点源目标探测静态性能模型：8目标辐射能量和探测SNR阈值判据（根据探测概率、虚警率及相应的目标探测SNR阈值计算NEFD得出探测距离R）；二代静态性能模型：空间采样、非均匀性，电荷传输器件（主要针对Ⅱ代FLIR计算MRTD、MDTD、NETD得出识别、分辨和探测距离)。1.2.5采样图像构造时，系统的脉冲响应是时间或空间变量，成像采样过程就会发生。图像分解在分立位置完成时，固定阵列点沿扫描线，采样发生在空间域；以分立间隔对像进行采样，采样发生在时间域(如对288×4探测器成像扫描：沿扫描方向采样发生在空间域，垂直方向采样发生在时间域)。2热像仪典型性能指标2.1非制冷热像仪2.1.1观察与瞄准用途整机系统主要技术指标要求：探测器组件：采用法国ULIS384×288产品工作波段：7.7μm～14μm；作用距离：在常温、相对湿度低于60%、能见度大于8Km条件下按约翰逊判据。车辆识别≥2500m，车辆探测≥4000m对人识别≥1500m，对人探测≥2000m；系统俯仰视场：俯仰-10°～+60°，方位±120°；热像仪视场：宽视场10°×7.6°窄视场5°×3.8°电子变倍2.5°×1.9°；9瞬时视场：0.24mrad（25μmf100mm、17μmf70mm）；瞄准线稳定精度：0.36mrad调焦范围：40m～∝MRTD(f0)：0.4K(0.3K～0.5K)。连续工作时间：≥8小时；帧频：25Hz；通讯口：RS422显示器：1.5″CRT＋大目镜；功耗：≤10W(不含俯仰机构电调)；重量：≤5KgMTBF：2500小时；MTTF：30分钟；工作温度：-30℃～+50℃；振动：加速度2.5g、振动频率5Hz～200Hz～5Hz扫频、时间30min；冲击：半正弦波、6ms、60g；淋雨：按国军标GJB150要求。附：相应的光学系统设计要求物镜性能设计要求：探测器光敏元中心间距35μm(火灾识别10Km瞬时视场0.16mradf220mm；17μmf107)系统工作波长7.8～13μm；中心波长10μm系统焦距：长焦f=150短焦f=75系统F#：≤1.1物镜光学结构设计要求：物镜组片数：≤610第一物镜最大口径：≤ø142物镜在无穷远调焦状态下的后截距长度≥15第一物镜至探测器窗口的轴向长度≤2002.1.2测温热像仪特殊指标要求：测温精度：±2℃，±2%示值温度。对测温精度的影响主要有以下几方面：目标发射率大气传输影响光学系统的照度均匀性镜筒和壳体热噪声影响的校正；特殊光学指标要求：照度均匀性：2.2制冷热像仪系统性能2.2.1整机系统主要技术指标探测器组件：法国320×256中波MCT探测器(MM067)工作波段：3.7μm～4.8μm；作用距离：在常温、相对湿度低于60%、能见度大于8Km条件下按约翰逊判据。车辆识别≥5000m，车辆探测≥7000m对人识别≥2500m，对人探测≥4000m；视场：宽视场6°×4.8°窄视场2°×1.6°1°×0.8°(电子