第六课_红外成像原理

第六章红外成像原理2内容导航一、引言二、红外辐射的基本概念三、主动式红外成像系统四、红外热成像系统五、微光成像系统六、小结与作业3一、引言地面10米望远镜用7种波长观测的彗木碰撞后的红外图像SL-9彗核C碰撞前后的木星红外图像天文观测1.1红外线的应用4一、引言红外望远镜红外摄像机（英军押解伊战俘）军事观察5一、引言红外云图气象预测6一、引言InvisibleradiationphotographyisoftenappliedtothestudyofworksofartashereinthepaintingLaMadonnadell'ImpannatabyRaphael.InvisibleradiationimagingrevealsamuchyoungerSaintJohntheBaptistsittingonJoseph'slapfoundbeneaththesurfaceofthevisiblepainting(right).Images©Editech.艺术鉴定7一、引言红外感应开关红外测温仪温度感应8一、引言数据传输9一、引言医学成像10一、引言红外线这么有用啊！天文军事气象数据传输文物鉴定医学11一、引言1.2红外线的历史1835年，安培宣告了光和热射线的同一性。1800年，赫胥耳利用太阳光谱色散实验发现了红外光。通常取可见光谱中红光末端为780nm，比它长的光就是红外光，或称为热射线。12一、引言1870年，兰利制成了面积只有针孔那样大小的探测器，并用凹面反射光栅、岩盐及氟化物棱镜来提高测量色散的能力，这为红外应用的重要方面——航空摄影奠定了基础。1880年，“红外”一词出现在阿贝尼的文章中（最早）。1888年，麦洛尼用比较灵敏的热电堆改进了赫胥耳的探测和测量方法，为红外技术奠定了基础。13一、引言1904年，开始采用近红外进行摄影。1929年，苛勒发明了银氧铯（Ag-o-Cs）光阴极，开创了红外成像器件的先河。二十世纪30年代中期，荷兰、德国、美国各自独立研制成红外变像管，红外夜视系统应用于实战。1952年，美国陆军制成第一台热像记录仪。14二、红外辐射的基本概念2.1红外辐射红外辐射是一种电磁波：近红外（0.78～3.0um）中红外（3.0～20um）远红外（20～100um）15二、红外辐射的基本概念红外辐射普遍存在于自然界：红外辐射的倍频程比可见光宽:任何温度高于绝对零度的物体（人体、冰、雪等）都在不停地发射红外辐射。倍频程：若使每一频带的上限频率比下限频率高一倍，即频率之比为2，这样划分的每一个频程称为1倍频程，简称倍频程。可见光：0.38～0.78um，一个倍频程红外线：0.78～1000um，商为1282＝210，10个倍频程16二、红外辐射的基本概念一般物体的红外辐射率和吸收率都小于1，并且其辐射和吸收能力都与表面温度和波长有关。黑体的红外辐射率和吸收率为1（客观世界不存在），其意义体现在为衡量自然物体的红外辐射和吸收能力建立一个标准。黑体假想的全部吸收和辐射红外电磁波的理想体，其红外吸收和辐射能力与温度无关。17二、红外辐射的基本概念在理论和工程实践中，常用物体的比辐射率定量描述物体辐射和吸收红外电磁波的能力；（6－1）即物体的实际红外辐射与同温度下黑体红外辐射之比值，显然，物体的比辐射率都小于1。bII18二、红外辐射的基本概念19二、红外辐射的基本概念2.2红外辐射的三个规律同温度物体的红外发射能力正比于其红外吸收能力；红外平衡状态时，物体吸收的红外能量恒等于它所发射的红外能量。基尔霍夫定律推论：性能好的反射体或透明体，必然是性能差的辐射体。20二、红外辐射的基本概念4WT物体辐射的红外能量密度W与其自身的热力学温度T的4次方成正比，并与它表面的比辐射率成正比：斯蒂芬－玻耳兹曼定律（1879，1884）（6-2）可见，物体的温度越高，红外辐射能量越多。12245.669710/WcmK玻耳兹曼常数21二、红外辐射的基本概念物体的红外辐射能量密度大小，随波长（频率）不同而变化。与辐射能量密度最大峰值相对应的波长为峰值波长，维恩通过大量实验得出了峰值波长和物体热力学温度之间的关系：max2897/T（6-3）维恩位移定律max的单位是um，T是物体的绝对温度，单位是K。22二、红外辐射的基本概念红外辐射能量密度曲线温度波长物体名称温度/K太阳110000.26融化的铁18031.61融化的铜11732.47融化的蜡3368.62人体3059.50地球大气3009.66冰27310.6液态氮77.237.53max/m常见物体的峰值波长23二、红外辐射的基本概念红外辐射的大气窗口红外辐射在大气中传输时，不同波长的红外辐射，有着不同的吸收和衰减；1～2.53～58～1424二、红外辐射的基本概念红外光学材料可以分为晶体材料、玻璃材料和塑性材料三种，每种材料都对某些波长范围的红外有较高的透过率。红外辐射的介质传输特性许多对可见光透明的介质，对红外辐射却是不透明的。通常把可以透过红外辐射的介质称为红外光学材料。25二、红外辐射的基本概念几种红外光学材料的透过率高温性能稳定最常见26三、主动式红外成像系统红外成像系统被动式红外成像系统（红外热像仪）利用物体自然发射的红外辐射主动式红外成像系统（红外夜视仪）利用不同物体对红外辐射的不同反射核心：如何将红外图像转变为可见光图像？27三、主动式红外成像系统装有红外夜视仪的步枪红外夜视图像28三、主动式红外成像系统主动式红外成像系统自身带有红外光源，是根据被成像物体对红外光源的不同反射率，以红外变像管作为光电成像器件的红外成像系统。优点：成像清晰、对比度高、不受环境光源影响；3.1主动式红外成像系统缺点：易暴露，不利于军事应用。29三、主动式红外成像系统3.1.1主动式红外成像系统的系统结构主动式红外成像系统红外探照灯红外辐射光源红外变像管光谱转换电子成像亮度增强高压电源变像管电源光学系统物镜组目镜组30主动式红外成像系统结构31三、主动式红外成像系统3.1.2光学系统物镜组：把目标成像于变像管的光阴极面上；目镜组：把变像管荧光屏上的像放大，便于人眼观察；与常规光学仪器不同，变像管将物镜组和目镜组隔开，使得光学系统的入瞳和出瞳不存在物象共轭关系！32三、主动式红外成像系统红外变像管是主动式红外成像系统的核心，是一种高真空图像转换器件，完成从近红外图像到可见光图像的转换并增强图像。3.1.3红外变像管从结构材料上分，红外变像管可以分为金属结构型和玻璃结构型；从工作方法上分，可以分为连续工作方式和选通工作方式。33三、主动式红外成像系统红外变像管结构光学纤维阴极外筒电子轨迹阳极锥电极红外光阴极电子光学系统荧光屏34三、主动式红外成像系统红外变像管的工作过程近红外辐射光阴极面通常变像管的光阴极采用对近红外敏感（0.8～1.2um）的银氧铯光敏层，电子光学部分相当于一个静电聚焦系统。电子流图像电子光学系统荧光屏可见光图像高能电子35三、主动式红外成像系统大气后向散射现象：红外探照灯向目标发出的红外光束通过大气时，其中一部分散射后向辐射进入观察系统。引入了图像的背景噪声，降低了图像对比度和清晰度。如何减小大气后向散射影响？选通技术通过发射脉冲时序配合，使变像管在接收观察目标反射回来的红外辐射时工作。36三、主动式红外成像系统探照灯：短脉冲红外激光红外变像管：加选通电极＋37精确测量目标与观察者之间的距离探测距离为1220米时的选通时序图脉冲光源照明输出后向散射辐射目标反射辐射选通脉冲8微秒减少大气后向散射对红外图像对比度和清晰度的影响38三、主动式红外成像系统3.1.4红外探照灯光源抛物面反射镜红外滤光片灯座红外光源可以是电热光源（白炽灯）；气体放电光源（高压氙灯）；半导体光源（砷化镓发光二极管）；激光光源（砷化镓发光二极管）39三、主动式红外成像系统④体积要小，重量轻，寿命长，工作可靠。对红外探照灯的技术要求：①红外探照灯的辐射光谱要与变像管光阴极的光谱响应有效匹配，在匹配的光谱范围内有高的辐射效率；②探照灯的照射范围与仪器的视场角基本吻合；③红光暴露距离要短，结构上要容易调焦，滤光片和光源更换方便；40三、主动式红外成像系统3.1.5直流高压电源高压电源提供红外变像管进行图像增强的能量，一般为1.2～2.9万伏。对高压电源的技术要求：①输出稳定直流高压；②在高、低温环境下能保证系统正常工作；③防潮、防震、体积小、重量轻、耗电省。41三、主动式红外成像系统主动式红外成像系统的特点：①能够区分军事目标和自然景物，识别伪装；典型目标的反射曲线可见光谱区近红外光谱区42三、主动式红外成像系统③由于系统“主动照明”，工作时不受环境照明影响，可以在“全黑”条件下工作。②近红外辐射比可见光受大气散射影响小，较易通过大气层（恶劣天气除外）；43四、红外热成像系统热图像再现了景物各部分温度和辐射发射率的差异，能够显示出景物的特征。红外热成像系统是被动式成像系统。自然界中，温度高于绝对零度的一切物体，总是在不断地发射红外辐射。收集并探测这些辐射能，就可以形成与景物温度分布相对应的热图像。44四、红外热成像系统ThermoVision™A20-V高品质红外热像仪45四、红外热成像系统树林中人的热图像小图是可见光图像大图是热图像46四、红外热成像系统红外热成像系统光机扫描型非扫描型图像质量好结构复杂成本高结构简单图像质量逐渐提高47四、红外热成像系统4.1光机扫描型红外热成像系统光学系统部分红外探测与致冷部分电子信号处理系统部分显示系统部分48四、红外热成像系统汇聚光束光谱滤波光电转换电视光栅49四、红外热成像系统4.1.1光学系统聚光光学系统接收目标或景物辐射，聚焦于探测器扫描光学系统产生扫描光栅，使分立探测元件能够获取大范围景物图像光机扫描型热成像系统以瞬时视场为单位，用光机扫描方法来覆盖总视场。50四、红外热成像系统通光孔径和相对孔径大，工作波段宽，像差校正困难。③折反式：主镜与次镜均采用球面镜，加入补偿透镜校正像差红外光学系统的特点物镜系统①反射式：光能损失小、不产生色差，但是视场小、体积大，有次镜遮挡；②折射式：结构简单，装校方便，可以满足大视场和大孔径成像的要求；51四、红外热成像系统辅助光学系统场镜指加在像平面或像平面附近的透镜，用来扩大视场，使探测器接收的辐照均匀；光锥利用圆锥的高反射率聚光，缩小探测器尺寸；中继光学系统便于探测器件的结构安排；前置望远系统减小光学扫描器件的尺寸。52四、红外热成像系统扫描系统平行光束扫描（物方扫描）扫描器在聚光系统之前，扫描镜尺寸大，扫描速度慢，像差校正简单，对聚光光学系统要求不高；会聚光束扫描（像方扫描）扫描器安置在聚光光学系统和探测器之间，对像方光束进行扫描。尺寸小，扫描速度高。对聚光光学系统有较高要求。53扫描方案反射镜鼓行扫描、摆镜场扫描反射镜鼓行扫描、折射镜场扫描适于小视场单元器件扫描用，不适合高速扫描用扫描效率高，像差校正有难度54四、红外热成像系统4.1.2多元探测器热成像系统将多元探测器按不同方式排列起来分解景物，可以改进每帧、每分辨单元的信噪比，提高系统的性能。基本摄像方式①并联扫描摄像方式②串联扫描摄像方式55四、红外热成像系统优点：系统灵敏度高，对探测器速度要求不高；缺点：探测器数量多，电路和材料工艺复杂。并联扫描摄像方式56四、红外热成像系统串联扫描摄像方式优点：探测器性能均匀，图像缺陷少，信噪比提高倍，信号处理容易，不需要扫描变换就可以得到标准视频信号；缺点：对探测器速度要求高。n57四、红外热成像系统4.1.3红外探测器（核心器件）红外探测器是红外辐射能的接收器，它通过光电变换作用，将接收的红外辐射能量变为电信号，经过放大、处理，形成图像。热探测器如热敏电阻、热电偶、热释电探测器等，是吸收红外辐射，使敏感元件温度上升，由此引起物理参数改变的探测器。58四、红外热成像系统光子探测器光子探测器是通过光子与物质内部电子相互作用，产生电子能态变化而完成光电转换的探测器。光子探测器