红外成像原理

红外成像原理27.1.1 红外线的历史红外线的历史n 1800年，赫胥耳利用太阳光谱色散实验发现了红外光。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通常取可见光谱中红光末端为780nm，比它长的光就是红外，比它长的光就是红外光，或称为热射线。光，或称为热射线。n 1870年，兰利制成了面积只有针孔那样大小的探测器，并年，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，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这为红外应用的重要方面航空摄影奠定了基础。航空摄影奠定了基础。n 1904年，开始采用近红外进行摄影。年，开始采用近红外进行摄影。n 1929年，苛勒发明了银氧铯（年，苛勒发明了银氧铯（Ag-o-Cs）光阴极，开创了红）光阴极，开创了红外成像器件的先河。外成像器件的先河。n 1888年，麦洛尼用比较灵敏的热电堆改进了赫胥耳的探测年，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。和测量方法，为红外技术奠定了基础。3天天文文观观测测温度感应温度感应数数据据传传输输医学成像医学成像n 二十世纪二十世纪30年代中期，荷兰、德国、美国各自独立研制成年代中期，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。红外变像管，红外夜视系统应用于实战。n 1952年，美国陆军制成第一台热像记录仪。年，美国陆军制成第一台热像记录仪。47. 2.1 红外辐射红外辐射 红外辐射是一种电磁波：近红外（0.783.0m），中红外（3.020m），远红外（20100m）。 红外辐射普遍存在于自然界：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。 红外辐射的倍频程比可见光宽。可见光：0.380.78m，一个倍频程；红外线：0.781000m，商为1282210，10个倍频程。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。5 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。n 黑体黑体 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。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。 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：bII（7-1）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。人体为0.98。6不同材料的比辐射率77.2.2 红外辐射的三个规律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。n 基尔霍夫定律基尔霍夫定律推论：性能好的反射体或透明体，必然是性能差的辐射体。基尔霍夫 1824188784WT 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：n 斯蒂芬玻耳兹曼定律斯蒂芬玻耳兹曼定律（7-2） 可见，物体的温度越高，红外辐射能量越多。正常人体的红外辐射功率大致为1kW。12245.6697 10/W cm K玻耳兹曼常数9 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峰值波长和物体热力学温度之间的关系：max2897/T（7-3）n 维恩位移定律维恩位移定律max的单位是m，T是物体的绝对温度，单位是K。10红外辐射能量密度曲线温度波长max/ m常见物体的峰值波长11n 红外辐射的大气窗口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。能够透过大气的红外辐射主要有三个波长范围：12.5um，35um，814um，通常称为大气窗口。12.53581412n 红外辐射的介质传输特性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。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。几种红外光学材料的透过率单晶锗：1.820m，最常见；最常见；单晶硅：11m以内；多晶硫化锌：114m；多晶氟化镁：35m，高温性能稳定13红外成像系统红外成像系统被动式红外成像系统被动式红外成像系统（红外热像仪）（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主动式红外成像系统（红外夜视仪）（红外夜视仪）利用不同物体对红外辐射的不同反射核心问题：如何将红外图像转变为可见光图像？核心问题：如何将红外图像转变为可见光图像？14 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。7.3.1 主动式红外成像系统主动式红外成像系统缺点：易暴露，不利于军事应用。装有红外夜视仪的步枪红外夜视图像15n 主动式红外成像系统的系统结构主动式红外成像系统的系统结构主动式红外成像系统主动式红外成像系统红外探照灯红外探照灯红外辐射光源红外辐射光源红外变像管红外变像管光谱转换光谱转换电子成像电子成像亮度增强亮度增强高压电源高压电源变像管电源变像管电源光学系统光学系统 物镜组物镜组 目镜组目镜组16主动式红外成像系统结构示意图17n 光学系统光学系统物镜组：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！渐晕系数越大越好，像面照度均匀。18 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。n 红外变像管红外变像管 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。19红外变像管结构红外变像管结构光学纤维光学纤维阴极阴极外筒外筒电子轨迹电子轨迹阳极锥电极阳极锥电极红外光阴极电子光学系统荧光屏 工作波长范围取决于红外变像管的光阴极响应谱区，一般为0.761.2m的近红外光。20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（0.81.2m）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21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。l 如何减小大气后向散射影响？选通技术：利用发出短脉冲光的探照灯和在相应时间工作的选通型变像管，以时间的先后分开不同距离上的散射光和目标的反射光，使由被观察目标反射回来的辐射脉冲刚好在变像管选通时到达并成像，由辐射脉冲在投向目标的后向散射辐射到达接收器时，变像管恰好处于非工作状态而不参与成像，从而减小后向散射对成像的影响。22优点2：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优点1：减少大气后向散射对红外图像对比度和清晰度的影响选通脉冲的时序要与目标反射辐射时序一致！23探照灯：短脉冲红外激光红外变像管：加选通电极24n 红外探照灯红外探照灯结构包括光源、灯座、红外滤光片、抛物面反射镜电热光源（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）技术要求： 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。 探照灯的照射范围与仪器的视场角基本吻合。 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。 体积要小，重量轻，寿命长，工作可靠。25n 直流高压电源直流高压电源 高压电源提供红外变像管进行图像增强的能量，一般为1.22.9万伏。技术要求： 输出稳定直流高压； 在高、低温环境下能保证系统正常工作； 防潮、防震、体积小、重量轻、耗电省。主动式红外成像系统的特点： 能够区分军事目标和自然景物，识别伪装； 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）； 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。26 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。ThermoVision A20-V高品质红外热像仪树林中人的热图像小图是可见光图像大图是热图像27红外热成像系统红外热成像系统光机扫描型：图像质量好、结构复杂、成本高。非扫描型：结构简单、图像质量逐渐提高。光机扫描型红外热成像系统结构框图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28汇聚光束光谱滤波光电转换电视光栅29n 光学系统 l 聚光光学系统l 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。接收目标或景物辐射，聚焦于探测器。红外光学系统的特点：通光孔径和相对孔径大，工作波段宽，像差校正困难。30l 物镜系统 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。 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；通过透镜的组合平衡系统的球差和色差。 折反式：主镜与次镜均采用球面镜，加入补偿透镜校正像差非球面镜的加工难度。l 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。31l 扫描系统 平行光束扫描（物方扫描）：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。扫描方案可以采用不同的场扫描和行扫描组合方案，比如摆镜场扫描加旋转反射镜鼓行扫描，折射棱镜场扫描加反射镜鼓行扫描。32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，不适合高速扫描扫描效率高，像差校正有难度33n 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 并联扫描摄像方式 串联扫描摄像方式34优点：系统灵敏优点：系统灵敏度高，对探测器度高，对探测器速度要求不高；速度要求不高；缺点：探测器数缺点：探测器数量多，电路和材量多，电路和材料工艺复杂。料工艺复杂。并联扫描摄像方式并联扫描摄像方式35串联扫描摄像方式串联扫描摄像方式优点：探测器性能均优点：探测器性能均匀，图像缺陷少，信匀，图像缺陷少，信噪比提高噪比提高 倍，信倍，信号处理容易，不需要号处理容易，不需要扫描变换就可以得到扫描变换就可以得到标准视频信号；标准视频信号；缺点：对探测器速度缺点：对探测器速度要求高。要求高。 n36n 红外探测器（核心器件） 红外探测器是红外辐射能的接收器，通过光电变换，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。l 热探测器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。l 光子探测器光子探测器 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。光子探测器在响应灵敏度和响应速度方面均优于热探测器，应用广泛。分光导型和光伏型。37 探测器致冷要求不宜太高（小型化）。l 对红外探测器的基本要求对红外探测器的基本要求 探测率要高，提高系统的热灵敏度。 工作波段与检测目标的辐射光谱要适应，以便接收尽可能多的红外辐射。 用于并扫的多元探测器，各单元探测器的特性要均匀。 探测器响应速度要快，以适应快速扫描。38n 致冷器 致冷器的作用是降低红外探测器的噪声，使其在低温状态工作。B. 焦耳汤姆逊效应致冷：高压气体节流循环致冷。C. 辐射热交换致冷：高温物体辐射能量降温。D. 温差电致冷：利用直流电通过半导体电偶对的珀尔帖效应致冷。A. 变相致冷：由致冷剂变相吸收热量而致冷。39显示可以采用发光二极管和CRT。n 信号处理与显示 信号处理与显示的基本任务是形成与景物温度分布相对应的视频信号，然后根据景物各单元对应的视频信号标出景物各部分的温度，并显示出景物的热图像。信号处理部分包括：前置放大、主放、自动增益控制、限制带宽、检波、鉴幅、多路传输和线性变换。40 微光成像系统是一种利用光增强技术的光电成像系统，可以在极低照度（10-5lx）下工作，应用领域涉及军事、天文、公安执法、生物医疗等。 微光成像系统包括直视系统（微光夜视仪）和间视系统（微光电视系统）l 微光夜视仪微光夜视仪 夜空自然微光照射目标，经目标反射的微光辐射进入光学系统物镜，物镜把目标成像于焦平面的像增强器光阴极面上，像增强器对目标像进行光电转换光电转换、电子成像电子成像和亮度增强亮度增强，显示于荧光屏。 由于工作时只靠夜天光照明而受自然照度和大气透明度影响大，图像平淡而层次不够分明。41直视微光夜视系统直视微光夜视系统目标目标目镜目镜系统系统人眼人眼像增强器像增强器高压电源高压电源物镜系统物镜系统核心器件：把微核心器件：把微弱的光图像增强弱的光图像增强到足够的亮度，到足够的亮度，以便人眼进行观以便人眼进行观察察不用人工照明是其最主要的优点42u 微光像增强器微光像增强器 一种电真空成像器件，主要由光阴极、电子光学系统和荧光屏组成。图像增强包括三个环节：外光电效应、加速聚焦、可见光（荧光）成像。技术要求： 足够的亮度增益； 低背景噪声； 高响应度； 好的调制传递特性； 图像传递信噪比高； 响应速度快。微光像增强器经历了三代微光器件的发展过程： 级联式像增强器：体积大，防强光能力差。 带微通道板的像增强器：信噪比低，探测距离有限。 半导体光阴极像增强器：体积小，灵敏度高，成本高。43l 微光电视系统微光电视系统 微光摄像机将目标及其背景在夜天光辐照下的反射光亮度分布，通过电视扫描方法变成按时序分布的视频信号，再通过控制器进行处理后，输入监视器进行显示。组成部分：微光电视摄像机、传输通道、接收显示装置。微光电视系统的特点： 入瞳直径大，光子数可达人眼1000倍以上； 光阴极面面积比人眼视网膜大很多； 光阴极量子效率高； 利用数字图像处理技术提高图像质量； 可在一帧时间内积累信息，提高信噪比。44微光电视系统框图微光电视系统框图微光物镜微光摄像管扫 描同 步放大电路发 射接收放大电路电视显示扫 描同 步电光转换光电转换光缆电缆45微光电视系统与微光夜视系统相比：微光电视系统与微光夜视系统相比： 可以实现图像远距离传输； 可以多人、多地点同时观察； 便于录像和遥控摄像； 可与光电自动控制系统结合构成电视跟 踪系统。