新型传感器原理报告-红外成像

新型传感器原理报告题目红外成像成员工作摘要—Ⅰ—摘要本文介绍了红外成像技术的由来，并结合几种不同的红外探测器件，仔细分析了红外成像的基本原理；探讨了红外成像技术的国内外发展情况、当今现状和未来发展趋势；论述了红外成像技术在各领域的重要应用。关键词：红外成像；红外探测；发展现状；技术应用目录-Ⅱ-目录摘要........................................................................................................................I第1章引言.........................................................................................................1第2章红外成像原理.....................................................................................-2-2.1红外变像管成像................................................................................-2-2.2红外摄像管........................................................................................-3-2.3集成红外电荷耦合器件....................................................................-3-2.4红外成像仪........................................................................................-4-第3章国内外红外成像技术的发展及现状.................................................-6-3.1国外红外成像技术发展的进展及现状............................................-6-3.1.1初级阶段(20世纪40年代至80年代初，约30年)..............-6-3.1.2中级阶段前半期(20世纪80年代至21世纪初，约20年)..-7-3.1.3国际上红外成像技术的发展现状.............................................-7-3.2国内红外成像技术的进展................................................................-8-3.3红外探测技术的发展趋势................................................................-9-第4章红外成像技术应用...........................................................................-11-4.1红外成像技术在军事上的应用......................................................-11-4.2红外成像技术在工业上的应用......................................................-11-4.2.1钢铁工业中的应用...................................................................-11-4.2.2在电力工业中的应用...............................................................-12-4.2.3在石化工业中的应用...............................................................-12-4.3红外成像技术在医学上的应用......................................................-12-4.4红外成像技术在监控、公安、消防中的应用..............................-13-4.4.1夜间以及恶劣气候条件下目标的监控...................................-13-4.4.2对伪装及隐蔽的目标进行智能视频监控与识别...................-13-4.4.3消防安全的智能监测...............................................................-13-结论.................................................................................................................-15-参考文献.........................................................................................................-16-第1章引言-1-第1章引言1800年，英国物理学家赫歇尔研究单色光的温度时发现：位于红光外，用来对比的温度计的温度要比色光中温度计的温度高，于是称发现一种看不见的“热线”，称为红外线。红外线位于电磁波谱中的可见光谱段的红端以外，介于可见光与微波之间，波长为0.76～1000μm，不能引起人眼的视觉。在实际应用中，常将其分为三个波段：近红外线，波长范围为0.76～1.5μm；中红外线，波长范围为1.5～5.6μm；远红外线，波长范围为5.6～1000μm。它们产生的机理不太一致。我们知道温度高于绝对零度的物体的分子都在不停地做无规则热运动，并产生热辐射，故自然界中的物体都能辐射出不同频率的红外线，如相机、红外线胶片自身等。在常温下，物体辐射出的红外线位于中、远红外线的光谱区，易引起物体分子的共振，有显著的热效应。因此，又称中、远红外线为热红外。当物体温度升高到使原子的外层电子发生跃迁时，将会辐射出近红外线，如太阳、红外灯等高温物体的辐射中就含有大量的近红外线。在许多场合，人们不仅需要知道物体表面的平均温度，更需要了解物体的温度分布情况，以便分析、研究物体的结构，探测物体内部情况。借助不同波段的红外线的不同物理性质，可制成不同功能的红外探测器，将物体的温度分布以图像形式直观的显示出来。新型传感器原理报告-2-第2章红外成像原理红外成像技术是一项前途广阔的高新技术。自然界中，一切物体都可以辐射红外线，因此利用探测仪测量目标本身与背景间的红外线差可以得到不同的热红外线形成的红外图像。红外成像技术是指借助对红外线敏感的探测器，来记录物体对红外线的辐射、反射、散射等信息，通过分析，揭示出物体的特征及其变化的科学技术。红外成像技术中能获得图像信息的仪器有：使用红外线胶片的照相机，具有红外摄影功能的数码相机，热像仪等。虽然它们都利用红外线工作，但成像原理和所成的图像的物理意义有很大的区别。下面根据不同成像器件对成像原理作简要介绍。2.1红外变像管成像红外变像管是直接将物体红外图像变成可见图像的电真空器件，主要由光电阴极、电子光学系统和荧光屏三部分组成，并安装在高空密封玻璃壳内，红外变像管示意图如图2-1所示。图2-1红外变像管结构图当物体的红外辐射通过镜像照射到光电阴极上时，光电阴极表面的红外敏感材料——蒸镀的半透明银氧铯，接受辐射后，便发射光电子。光电阴极表面发射的光电子密度的分布，与表面的辐照度的大小成正比，也就是与物体发射的红外辐射成正比。光电阴极发射的光电子在电场的作用下飞向荧光屏，荧光屏上的荧光物质受到高速电子的轰击便发出可见光。可见光辉度与轰击的电子密度的大小成比例，即与物体红外辐射的分布成比例。这样，物体的红外图像便被转换成为可见光图像。人们通过观察荧光屏上的辉度明暗，便可知道物体各部位的温度分布情况。第2章红外成像原理-3-2.2红外摄像管红外摄像管是将物体的红外辐射转换成电信号，经过电子系统放大处理，在还原为光学像的成像装置。种类有光导摄像管、硅靶摄像管和热释电摄像管等，前两者工作在可见光或近红外区，而后者工作波段较长。热释电摄像管如图2-2所示。图2-2热释电摄像管结构图靶面为一块热释电材料薄片，在接收辐射的一面覆以一层对红外辐射透明的导电膜。当经过调制的红外辐射经过光学系统成像在靶面上时，靶面吸收红外辐射，温度升高到释放出电荷。靶面各点的热释电与靶面各点的温度变化，又与靶面的辐照度成正比。当电子束在外加偏转磁场和纵向聚焦磁场的作用下扫过靶面时，就得到与靶面电荷分布相一致的视频信号。通过导电膜取出视频信号，并送到视频放大器放大，然后再将放大的视频信号送到控制显像系统，在显像系统的屏幕上便可看到与物体红外辐射相对应的热像图。2.3集成红外电荷耦合器件集成红外电荷耦合器件（红外CCD）是最理想、最有发展前途的固态成像器。CCD成像原理图如下图2-3所示。图2-3CCD成像原理图新型传感器原理报告-4-CCD首先是线性光/电器件，可将照射到表面的光的强弱转换成电信号。CCD片由众多的光电器件组成阵列，其成像是一种矩阵扫描过程，当景物光照射到CCD表面时，矩阵高速开关电路逐行逐点地将每点的电信号按顺序输出(将信号读出)，便可完整地将整幅景物电信号扫描出来。同理，液晶显示器也是采用矩阵扫描的方式显示图像。只是CCD通过矩阵输出逐行逐点的电信号，而显示器是通过高速矩阵逐行逐点将电信号还原景物图像。2.4红外成像仪根据成像原理和成像对象的不同，红外成像仪种类很多，其中热像仪工作原理如图2-4所示。热像仪的光学系统为全折射式。物镜材料为单晶硅，通过更换物镜可对不同距离和大小的物体扫描成像。光学系统中垂直扫描和水平扫描均采用具有高折射率的多面平行棱镜，扫描棱镜由电动机带动旋转，扫描速度和相位由扫描触发器、脉冲发生器和有关控制电路控制。前置放大器的工作原理如2-5图所示。图2-4热像仪工作原理第2章红外成像原理-5-图2-5前置放大器的工作原理红外探测器输出的微弱信号送入前置放大器进行放大。温度补偿电路输出信号也同时输入前置放大器，以抵消目标温度随环境温度变化而引起的测量值的误差。前置放大器的增益可以通过调整反馈电阻进行控制。前置放大器的输出信号，经视频放大器放大，再去控制显像管荧屏上射线的强弱。由于红外探测器输出信号大小与其所接收的辐照度成比例，因而显像管荧屏上射线的强弱亦随探测器所接收的辐照度成比例变化。新型传感器原理报告-6-第3章国内外红外成像技术的发展及现状3.1国外红外成像技术发展的进展及现状红外成像探测技术已经有近60年的历史，至今红外成像探测技术也已经走过了50多年的发展历程，先后经历了越南战争、冷战军备竞赛、新军事革命等不同历史因素的促进，并经受了实战的考验，红外成像探测系统的体制、理论、方法、技术和应用都已得到很大的发展。由于在红外成像探测领域的技术进步，在各种不同应用领域的性能也显著提高。进入21世纪后的10多年间，红外成像探测系统所面临的目标、环境、任务使命，以及支持红外成像探测系统研制、试验、生产的相关技术，都发生了深刻的变化。目前，红外成像探测技术仍在高速地发展和演变，并衍生出一些新的概念、体制和技术，以适应以信息化网络化战争和非对称作战为代表的新的战争形态和作战方式，对红外成像探测系统提出了严峻挑战。按照事物发展的普遍规律，将红外探测技术的整个发展划分为初级、中级和高级3个阶段，目前正处于中级阶段的后半期