基于长波红外成像的

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线是电磁波谱的一个部分。根据普朗克辐射定理，凡是绝对温度大于零度的物体都能辐射电磁能，物体的辐射强度与温度及表面的辐射能力有关，辐射的光谱分布则与物体温度密切相关。在电磁波谱中，我们把人眼可直接感知的0.4～0.75微米波段称为可见光波段，而把波长从0.75至1000微米的电磁波称为红外波段，红外波段的短波端与可见光红光相邻，长波端与微波相接。红外线可分为三部分，即近红外线，波长为0.75～1.50μm之间；中红外线，波长为1.50～6.0μm之间；远红外线，波长为6.0～l000μm之间。与可见光成像类似，利用红外波段的光线进行成像的技术为红外成像技术。红外技术的起源威廉姆·赫胥尔是一位天文学家，他于1800年发现了红外线。他制作了自己的望远镜，因而他对于各种镜头和镜面非常熟悉。由于太阳光是由各种颜色的光谱组成，并且是一种热量来源，赫胥尔想了解哪一种颜色的光是产生热量的原因。他设计了一个巧妙的实验。他将直射的太阳光穿过一个玻璃棱镜，生成光谱，然后用温度计测量每种颜色的温度。赫胥尔发现从紫色到红色的光谱波段，温度会逐渐升高，而且在红色光谱以上的区域竟然是所有光谱中温度最高的一部分。这部分区域由于其热量辐射，是无法被人类肉眼探测到的，属于不可见光区域。赫胥尔将这种不可见辐射命名为“发热的射线”。现在我们将其称之为红外辐射。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InSbIRFPA、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）的大小来表示。mrad的值越小，表明其分辨率越高。弧度值乘以半径约等于弦长，即目标的直径。5．温度分辨率：可以简单定义为仪器或使观察者能从背景中精确地分辨出目标辐射的最小温度ΔT。民用热成像产品通常使用NETD来表述该性能指标。6．最小可分辨：温差分辨灵敏度和系统空间分辨率的参数，而且是以与观察者本身有关的主观评价参数，它的定义为：在使用标准的周期性测试卡（即高宽比为7：1的4带条图情况下，观察人员可以分辨的最小目标，背景温差，上述观察过程中，观察时间、系统增益、信号电平值等可以不受限制时调整在最佳状态。7．帧频：帧频是热像仪（热成像仪或红外热成像仪）每秒种产生完整图像的画面数，单位为Hz。一般电视帧频为25Hz。根据热像仪（热成像仪或红外热成像仪）的帧频可分为快扫描和慢扫描两大类。电力系统所用的设备一般采用快扫描热像仪（热成像仪或红外热成像仪）（帧频20Hz以上），否则就会带来一些工作不便。8．探测识别和辨认距离探测、识别和辨认距离；这些是使用者很关心的性能指标。为每个使用者自身素质和仪器给出的图像质量的差异以及严格定义的困难（探测性能是一个多种因素的复杂函数）这里只给出大致形象的定义：探测距离是能将目标与背景及一些引起注意的目标清晰分别开来的最大临界；识别距离是将探测的目标能大致分出种类的距离，如果车辆还是舰船；辨认距离是在分别出种类的基础上的细分，如车辆是坦克还是汽车。9．显示记录方式：显示记录方式是指视监控器或液晶显示或发光二极管显示；显示记录方磁带录像启示、软驱存盘或PC卡记录，电子存储器记录；输出接口、打印类型或照料像等。目前较为先进的是PC卡存储和电子存储。红外成像的特点1．大气、烟云等吸收可见光和近红外线，但是对3～5微米和8～14微米的热红外线却是透明的。因此，这两个波段被称为热红外线的“大气窗口”。利用这两个窗口，可以使人们在完全无光的夜晚，或是在烟云密布的战场，清晰地观察到前方的情况。正是由于这个特点，热红外成像技术军事上提供了先进的夜视装备并为飞机、舰艇和坦克装上了全天候前视系统。这些系统在海湾战争中发挥了非常重要的作用。2．物体的热辐射能量的大小，直接和物体表面的温度相关。热辐射的这个特点使人们可以利用它来对物体进行无接触温度测量和热状态分析，从而为工业生产，节约能源，保护环境等等方面提供了一个重要的检测手段和诊断工具。红外成像技术的应用——军事红外夜视50年代前期所用的红外夜视设备，都是主动式红外夜视仪，一般采用红外变像管作接收器，工作波段在1微米左右,在夜间可看见100米处的人，1公里内的坦克、车辆和10公里远的舰船。现代红外夜视设备主要有红外热像仪（亦称红外前视系统）、红外电视和改进的主动红外夜视仪等。其中红外热像仪是具有代表性的红外夜视装置。美国于60年代后期研制的一种光机扫描式红外成像系统，为飞机夜航和在恶劣气象条件下的飞行提供观察手段,工作在8～12微米波段，一般采用碲镉汞光子探测器接收，液氮致冷。它的战术技术性能，比主动式红外夜视仪提高了一个数量级，夜间可观察到1公里处的人，5～10公里远的坦克和车辆，视距内的舰船。这种红外热像仪几经改进，到80年代初，许多国家已出现标准化、组件化系统，设计者可按要求选用不同的组件，组装所需的红外热像仪，为军队提供了一种简便、经济、互换性好的夜视装备。红外夜视设备已广泛应用于陆、海、空三军。如用作坦克、车辆、飞机、舰船等的夜间驾驶用观察设备，轻武器的夜瞄仪，战术导弹和火炮的火控系统，战场前沿的监视和观察设备，以及单兵侦察设备等。今后将发展用凝视型焦面阵列组成的热成像系统，它的战术技术性能将进一步提高。红外制导50年代中期，美、英、法等国相继研制成功“响尾蛇”、“火光”和“马特拉”等第一代红外制导的空空战术导弹。导弹的红外导引头采用非致冷硫化铅探测器，工作波段1～3微米。它只能对敌机作尾追攻击，易受阳光干扰。随着红外技术的发展，红外制导系统日益完善。60年代以后，在三个大气窗口都相继有了可供实用的红外系统，攻击方式从尾追发展到全向攻击，制导方式也有了全红外制导(点源制导和成像制导)和复合制导（红外/电视、红外/无线电指令、红外/雷达）。红外点源制导系统已广泛应用于空空、地空、岸舰和舰舰导弹等数十种战术导弹上。预计到90年代初，点源制导系统仍将是上述战术导弹的主要制导方式之一。红外成像制导系统的研制工作始于70年代中期，它比红外点源制导系统提供的信息丰富，具有更强的识别能力和更高的制导精度。80年代初，已在“小牛”空地导弹上使用。随着焦面阵列器件的研制成功，红外成像制导系统将进一步提高识别能力，并使导弹具有自主攻击能力。红外侦察用于地（水）面、空中和空间的红外侦察设备，有红外照相机、红外扫描仪、红外望远镜、红外热像仪和主动式红外成像系统等。地面红外侦察设备主要是红外热像仪和主动式红外夜视仪。潜艇使用的红外潜望镜，已具有伸出水面迅速扫描一周，收回后再显示观察的功能。水面舰船可借助红外探测跟踪系统，监视敌方飞机和舰船的入侵。80年代初多数采用点源探测系统，迎头探测飞机的距离为20公里，尾追约100公里；观测主动段战略导弹的距离大于1000公里。红外跟踪头与电影经纬仪和激光雷达配合，还可用于靶场测量。第二次世界大战中，军用侦察机采用红外假彩色照相取得了明显的侦察效果。但红外胶片仅能敏感0.9微米以下的红外辐射,且保存困难。60年代以来,机载红外侦察设备主要采用红外扫描照相机，以后又采用热像仪。红外扫描照相机是一种将目标和背景的图像通过光机扫描－光电-电光转换后,使其照在可见光胶片上成像的设备。60年代,这类设备的角分辨率仅为0.5毫弧度（即在1000米高空可区分开0.5米的间距)。现代红外扫描照相机的分辨率已提高一个数量级。红外对抗应用红外对抗技术可使对方红外探测和识别系统的功能大大下降，甚至不起作用。对抗措施可归结为规避和欺骗两类。规避是利用伪装器材，将军事设施、武器装备等隐蔽起来，使对方探测不到己方的红外辐射源。伪装器材主要有红外伪装网和防红外涂料，80年代初期，它们仅能在1～3微米波段起作用，可对付某些红外照相机和扫描仪，但对红外热像仪却无能为力。欺骗是用与自身