（光学工程专业论文）半视场目标测温方法研究.pdf

摘要 本文夜充分讨论了国肉井甄井辐豸重测溢系统发麓获援及应焉鑫搴蒸础上，结会红舛 热像纹的爨俸斑甭，奁蒸像仪筏场、测涅鼷离及各秘影翡嚣索等方嚣震湃7 涎论，对 实猃结果遴行分辑，拟合出函数关系式，逶过关系式可以缛到耳标豹准确涅发。 综述国痰辨辐射测涅技术、发嶷动肉，提擞了传统辐射测漫存农的闽题，阐述了 本文研究黪主要内容积方向； 根据级外辐射测温的基本理论，结合红外热像仪的成像原理和工作原理，分析了 红外热像仪的主要性能参数及使用时应该注意的事项； 编译计算机程序，计算出被测物体所占测濑仪总视场的比例，并加以分析。 通过实验对目标温度与测量距离、测温仪视场的关系进行分析。 蠼后，对全文进行了总结。 关键溪：视场湿发测爨级夕 热缳仪馆用距离测滠方法 a b s t r a c t b a s e do nt h ed u ed i s c u s s i o i la b o u tt h ed e v e l o p m e n ta n dt h ea p p l i c a t i o no ft h ei n f r a r e d r a d i a t i o nt h e r m o m e t r yi no u rc o u n t r ya n da b r o a d ，t h ep a p e rg i v ead u ed i s c u s s i o no nt h e d i s t a n c eo fm e a s u r et e m p e r a t u r ea n dt h ev i s i o nf i e l do ft h e r m o m e t r i ca n da l ls o r t so f i n f l u e n c ef a c t o r t h r o n 曲a n a l y s i st h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，w ef i t t i n go u taf u n c t i o n a l r e l a t i o ne x p r e s s i o n 纛ed e v e l o p m e n to fr a d i a t i o nt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n th a sb e e nr e v i e w e da n dt h e p r o b l e m sw e r ea n a l y z e df r o mt e c h n i q u ed e g r e e a n di ti n t r o d u c e dt h em a i no b j e c t sa n d s t u d ys i t u a t i o n b a s e do nt h et h e o r yo fi n f r a r e dr a d i a t i o na n dt h ep r i n c i p l e so ft e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t , c o n t a c t i n gw i t ht h ew o r k i n gp r i n c i p l e o ft h e r m a li m a g e r ，t h ea u t h o ra n a l y s i si t sm a i n p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r sa n dt h ep r e c a u t i o n s p r o g r a mt h ec o m p u t e r , c a l c u l a t et h er a t i o no ft h em e a s u r e dt a r g e to nt h ew h o l ef i e l do f v i e w , a n da n a l y s i st h er e s u l t a n a l y s i st h er e l a t i o no ft a r g e tt e m p e r a t u r ea n dm e a s u r e dd i s t a n c ea n dv i s i o nf i e l do f t a r g e tt h r o u g ht h ee x p e r i m e n t i ti st h es u m m a r yt ot h ew h o l ep a p e ra tt h el a s tp a r t k e yw o r d s ：f i e l do fv i e w , t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t , t h e r m a li m a g e r , d e t e c t i o n d i s t a n c e ，t h e r m o m e t r y 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：袋楚交的硕士学位论文，半视场疆掭测瀑方法磅究是本 人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用 翡内容接，本论义不惫念经露荬经令入竣集髂已经发表镄撰写：l 篷鹁箨茹戏票；辩 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已猩文中以明确方式标明。本人完象 意识孤本声明的法律缩莱由本入承担。 作者签翘率啦钍月埘 长春理工大学学位论文版权使弄l 授权豢 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权馒瘸援定”，疑意长誊理工大学保蜜并岛国家有关郝门或枧孛句送交学位论文豹 复印件和电子版，允许论文被旋阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位 论文豹全都或秘分内容缓久有荚数据黪进行检索，也霹采瘸影零、续翻或摆攒等 复制手段保存和汇编学位论文。 律者签名蹙蜂煎链月盈秘 撇：粤遮_ 谩月幽 第一章绪论 t 1 红外辐射浏漩的发袋状况 1 8 0 0 年，焚嚣魏瑷学家f 鬻赫嚣叁发现了红势辍慰，箕去据的波段为0 。7 6 1 0 0 0 删，反映了一定滠度物体的热特性，从此歼辟了人类应用红外技术的广阔道路。 复棼辐射溅渥搜零糖发震囊要从秀方覆来蘩：一方嚣进行红势辐射测涅 更器约发 展：另方面是红外辐射测温技术的发媵“1 。 铡瘸红终鹱糖豹原理进行激度测量戆仪器是从筏单剡复杂邂濒发展骶成的。早期 的红外测温仪仪限于检测物体的某一点的温度，而后可以测量条线的温度，而不熊 基示物体熬形状翘表面上豹温发分布。直到了三十世纪五、六十年代，由于红孙探测 器的改进和快速灵敏的光子探测器的问世，才释致了实验往、原理性热成像系统的诞 生。发爆到目前的热成像系统，它已是譬禁带半导体技术、精密光学、精密机械、微 电子学、特殊红外工艺、新型级外光学材孝辜与系统工程学的产秘。 根攒红外测温的方式，红外测温仪器可以分为全场分析探测系统和逐点分析探测 系统两种。全场分析是糟红外成像镜头把物体的温度分布蚕像成像在传感器酶翔上， 从而获得物体空间温度场的全场分布，全场分布探测系统称为红外热像仪。逐点分析 是把物体一个筠部区域的燕辐射聚焦到革个探溯器土，并逶遥毯籍铙髂懿发射率，将 辐射功率转化为温度，邂点分析系统常称为红外测温仪。红外测温仪包括红外点温仪、 红努燕魄视、数鲆行扫仪“1 。 红外点温仪，用于测量物体一个点，即相对非常小的面积的温度，是一种非成像 懿红麓赣菇溺滋铰器。缓设诗溅逢不嗣，荭癸豢渥敌露分为全辐瓣溅涎役、攀色溅滠 仪( 又称亮度测温仪) 和比色测温仪三大炎。由予红外点濑仪测鬣范围有限，当需要检测 耪髂大溪积豹滋度露，必须送行入王 薯攘，嚣羧一定熬方囱秘路线在坡捡溺区域内选 择多点，实施多次测量才能完成。但由于红外点温仪的价格低廉、结构重量轻巧便携、 坚霆藩耀、使瘸分方笈，因嚣成为设备巡察秘维护入员魏每力工具。 红外行扫仪，它是检测物体的一条线上的温度，往往是通过与被检测目标本身的 烧嫠运动，或透过飞规爨载的方式合穆完成对被检测题标豹全瑟扫描捻测。嬲姥，鲤 外行扫仪应用的场合不够普遍。 红强热电裰，是对被检测题标进行二维滠发场捡测的设备，它的捡测率要大大超 过红外点温仪，虽然它的技术指标没能达到高性能热像仪的水平，但它不需要制冷， 特别是随着器件的发展，其性能指标已得到不断提高。 红外热像彼是一种利用红外探测器将看不觅的红外辐射转换成可觅图像的被动成 像仪器。是星魏发展较快、性能最高的现代化多层次多方面应用中不可缺少的重要的 红外辐射测温系统，也是一个因家军事力量的个重簧技术捺标。尉秘前为使，红外 热像仪还在不断发展中，并且不断地从军用转向民用”。 目前红外测淤仪响应时间最快可达微秒数量级，测濑范围从- 5 0 。c 至u + 6 5 0 0 c ，2 1 2 作波段从可见光别远红矫区4 0 m n ，壤小目标可溺0 2 8 平方毫米面积甚至瑟，j 、，其有 发射率设是、最大僮、簸，j 、蓬、平均僮、蟪蠖选取、蜂馕保持、数字驻示、输出打印 和测温精度高于1 。 二卡擞纪六卡年我我鬓骚滔成餮第一套经羚测溢纹。我藿最旱秀发痤瘸豹是红终 光电测温仪，它相当于个自动光学离温计，响_ | 蹙时间不快，测温精度不高，已经被 淘汰。 进入九十年代，我蹋的红外测温仪采用当今国际上通用的工作原理，由发射式、 折射式或干涉式光学系统收集被测物发出的红外辐射，经滤光许选取定波长范围的 辐射，射入红癸探测器，探测器输爨豹电傣号经过放大，线性他处理嚣送入数字电压 表显示被测物体的温度。并且陆续生产了小目标、远距离、适台电业生产特点的测温 纹嚣，魏舔先i r t - 1 2 0 0 d 墼、量薹c w 嚣l 型、h c w - v 型；y h c w - 9 4 0 0 型；w 珏d 1 5 嫠 ( 双瞄准，目标礅径为4 0 h i m 时，测距可达1 5m ) 、w f h x 3 3 0 型( 光学瞄准，目标直 径为5 0 i n m ，溺距可达3 0 n 1 ) 。 九十年代末期，我潮也产艇了用光纤柬作为光学系统的测澡仪，用单板机或单片 机体信号处理和线性化及数字驻示的测温仪。“1 我国不仅有革色测滋坟也有双色溯湿仪。单色测湿仪是根据一个波段内辐射能量 的大小来测定温度，而双色测温仪是根据二个波段辐射能量的比值大小来测定温度， 螽者有要强的菝繇境手魏帮被测嚣标覆积大，j 、豹邋应能力。 在红外辐射测温技术上，为实现目标表面真实温度的测量，国际上自2 0 年代就开 始研究( 眈色) 裔温计，在两个选定波长下溅定瓣标静鞴秀重亮溲跎，葳磊滔滁零葶糕发 射率的影响两得到其真实温度。此法对灰体材料照较有效的，但对一般材料会造成较 大的误差”。 1 9 5 4 颦p y a t t 建议锼舄3 令波长黔比色涅度计，以德到发射奉与波长的关系。 到7 0 年代束8 0 年代初兴起了多光谱辐射测温技术的热潮。 1 9 静笮c a s h d o l l a r 耢裁袋动73 波长荔涅 ，在l 。8 、1 9 及l 。0 n n - - 耱波长下测 量火焰及爆炸粉尘的温度，测慧上限可至2 0 0 0 k , 同时可换用滤光片方法形成4 波长及 6 波长高滋计。阍年s v e t 等研翻成4 波长高温计稀菝瓣慧物体袋西真实温度，测溢藏匿 为3 0 0 3 0 0 0 k 。l y z e n g a 和a h r l ：n s 予同年推出了6 波长的温度测量装置，采用硅光电 二极管作为o 4 8 - 0 8 p m 波长范围内的检测元件，用以测激冲击波后的物体的真实温度， 测滋范困为；4 0 0 0 8 0 0 0 k ，耱度可至2 。 1 9 8 1 年，g a r d n e r 及j o n e s 等研制成了6 波长高温计，工作波长为0 7 5 2 1 6 5 为 1 0 0 1 3 1 6 0 0 k ，鞲凄为l 。 1 9 8 2 年欧共体b a b e l o t 及荧国h o c h 等人继续研究多波长高温计，并研制成6 波长 高添计，采用光撵纤维荣分光，硅光电二辍管，爝于材料热物往的快速动奄测量，在 5 0 0 0 k 时分辨率为5 k ，并拟向1 0 0 0 0 k 方向继续发展。同年c a s h d o l l a r 在3 色高温计 基础t 推融了6 波长高潞计，用予涮萤粉尘爆炸过程中粉尘粒予及气体酶瀣废，傻粥 p b s e 探测器，6 令王传波长分弱隽：l 。5 7 、2 3 0 、3 。8 4 、4 。4 2 、4 。5 7 、5 z , n 。 1 9 8 6 年欧共髂及美鼠暌台课题组的h i g r n a u t 等人研制成功了亚毫秒级6 波长高温 计，用于2 0 0 0 5 0 0 0 k 温区内真温和光谱发射率的同时测量，温度测蹩精度为o 5 ， 发射率测蹙精度为1 5 。 1 9 9 2 年l e v e n d i s 等久研翻藏了3 色辐射溢凌诗，工作波教分别为0 6 5 、0 8 秘 0 。9 5 狮，势曩于燃烧粒子瞬态响应测量，在数据处理上，采用比色思想，3 个比色结 果在2 5 0 0 k 时相差小于1 0 0 k 。1 9 9 2 年c e z a i d i y a n 等人亦报导了亚毫秒级6 波长高温 计的研制情况，采用光导纤维束分光方法，6 个工作波长分别为0 5 、0 6 、0 6 5 、0 7 、 0 8 和0 9 o n ，在脉冲加热下溺量了铌金属试样静亮度温度。 1 9 8 4 年毡寨武泼光学技拳繇究濒磋涮残凌3 波长h d w - 1 型红步 测涅仪。1 9 8 8 年 j e 京联大提出了多光谱滠度自动检测法。1 9 8 9 年王瑞才研制成功4 波长高温计并应用 于电弧加热下烧蚀材料的温度测量。但都没有应用多波长测温理论中的数据拟合法， 而还只是停留在眈色、革色高温计处理思想上，多个道道数据只楚为了相嚣校验。 1 9 9 1 年戴景民奄罗麓大学g r u f f i n o 教授舍份谤铡成功嚣琢彗剖熬棱镜分必式3 5 波长嵩涅计，并成功地用于烧蚀材料真滠及发射率测量。1 9 9 9 年他又研制成功6 目标 8 波长高温计并应用于圆体火箭发动机羽焰溆度和发射率的同时测量。2 0 0 1 年又成功 地研究红外多波长辐射温度计用予导弹发射车的隐身测量。近年来，多波长辐射测溢 理论夯有了裙旋豹发展。抟 1 2 红外辐射测温的优点 温度是确定物质状态的重要参数之一，它不仅反映了物体的冷热程度，而且它的 测量与控弗4 在圈防、军事、科学实验及工农娩生产中其有十分熏要的作用。 溢度静测遂系绕分为两类，帮接魅测滏系统耪j 接魅投l 湿系统。 接皴妓测瀑系绞测瀑射，湿度敏摩元终与被测对象接触，缀过换热盛两者涅度楣 等。这种测量方法比较或观、可靠，测量仪器也比较简单。但是，由于敏感元件必须 与被测对藩接触，在接触过稷中就可能破坏被测对象的温度场分布，从而造成测量误 差。有的涮温元俘不能帮被铡对象充分按魅，达翔充分静热平褥，嫠溪潘元俸弱被测 对象湿度不一致，媳会繁寒误差。在接触过程孛，有豹分艨有强烈的瘸蚀性，特别在 高温时对测温冗件的影响更大，从而不能保诋测温元件的可靠性和工作寿命。 j e 接触测温是利用来自物体的辐射能、辐射亮度、颜色等进行测温的，温度敏感 元件不与被测对象接触。红矫测湓属予非接舷测湓，它是透过溅量被测瀑凄的耱毽参 数来袋霉被溅瀵度靛，不存褒热接皴秘热乎鸳豢寒豹缺点靼应用范弱的黢铡，特别是 可以测量二维温度场的热像仪，由于它可以代替成千上万支温度计和热电偶的同时工 作，使其他的测温方法疑加相形见绌。邋年来，微机图像处理技术与红外技术的结合， 健红外热像纹的应用在墩秀各黧、各个领域获得飞速发展。综仑起来，红外辐射测温 其有以下优点： 1 ) 对被测物体无影响； 2 )可检测物体表黼温度； 3 ) 反应速度快，可测运动中的物体和瞬态温度； 4 ) 测温范围宽； 5 ) 测温精度高，分辨0 。o l 或熨小； 6 ) 可对，j 、面移 灏濂，壹径可这数微米； 一7 ) 可同时对点、线、面测温； 8 ) 可溺绝对温度，也霹测相对溢发； 9 )要求精度高时，测温骚求严格； 1 0 ) 翔莱滠度测量不仅隈予莱一点，嚣是一令嚣域，戴罨以呈瑷滋度场分露豹图 像。 基予红签辐射溅溢懿大量绕煮，霞褥红燕疆嚣灏潺技术在攀爰黟聚爱嚣方嚣筠鸯 广泛而蘸要的应用“1 。 1 3 纽外测溢的技术动向 1 , 3 1 离精度窄波段辐掰澄度诗 虽然红外测温的精度受被测对象的发射率和传输介质的影响，仍有一些场合要求 蔫耩度溺量，魏嚣责金震熬熔滚及菜骜耪辩热处理遥鬟，戈其楚在漫橡传递上，嚣要 高精度、窄波段的辐射计。目前世界上已研制出精度为百分之几度、波段宽度为1 0 n m 豹辐嚣溢度诗。这穆遗发幸 有不少是缳器在谤爨部门秘大型企她孛。我国也曩磷潮成 功。 1 3 2 窝稳定发豹红终瀑度诗 对大量的工业用红外温度计来说，鼹关键的指标是潞度计妖时间的稳定度。在大规 模重复燃生产过翟中，拔测对象约发射攀移疆射传递通路中分质豹变化都不是太大。 温度计随时间的稳定性是该仪表能否付诸实用的最重要的指标。国外纽夕 温度计连续 无故璋工 乍时闯可达几年，国内产品的这项指标普遍还较落后。 1 3 3 注重波段选择 特定波段的红外温度计是级外测激技术发展的一个重要方濒。它的内容涉及被测 对象的光谱发射特性和辐射传递通路中介质的光谱特饶研究和特定波段的温度计的稍 作。有不少被测对象的发射光谱偏离黑体很远，甚至感不连续的。这就需要合理地选 择温度计的工佟波段，以适应稳定的测溢对象。大多数玻璃在可觅光静波段内建透窝 的，其发射率避于0 ，而在4 5 “晰以上棚当宽的波段内，其发射率2 0 + 9 ，几乎是黑体。 因此，用来测黛玻璃温度的温度计工作波段，般都是在4 5 州以上。大多数塑料薄 膜豹发射光谱在3 。4 群掰附近裔缀毫懿发射率，困丽测量塑料的湿度计工作波段都在 3 4 ，l 附近的个相当窄的范围内。我国在7 0 年代聪期开始了红外玻璃温度计的研 究，莠取褥可繇藏累，毽至今寒形成系列产品，工业皮建仅在近几年才开始。 辐射传递通路中介质的光谱特性悬确定测温仪表工作波段的另一因素。经常在工 池现场巾遇到的是水和水蒸气充斥豹辐射传递邋路中，改变了入射到濑度计的辐射功 率，造成测量谈差。如轧钢过程中，钢板表面经常有徽厚的水斑，而周围环境则弥漫 着水蒸气。水褒短波和可见波段内是透明的，嚣水蒸气则有许多吸收蜂。平常所说的 大气窗口8 1 4 肛小和3 5 埘蹙对围绕地球的犬气层两言，对具体的工业对象不一定 适用。对特定的工业对象来说，应采用特定工作波段的专用温度计。对辐射传递通路 中介质的光谱发射和吸收特性不太清楚的大多数情况，往往采粥短波濑度计。 波段选择对红夕 温度计的麓要性照而易见，这些年来，国外在设计和应用红外温 度计方面有越采越重视波段选择的趋势。这也是红矫濑度诗品肇争繁多瀚原因之一。稷 多厂商的产品说明书上都标明了温度计的湿度作波段，无论是单波段温度计或双波段 温度诗，诧黔述标明滠度诗的旋焉场合”1 。 1 3 。4 复合用途的红外仪器 除测量温度瑷矫，遴遥辐掰懿铡爨萃羹转挨还胃溺爨箕筵物建量。掰蠢，蘩胃测霎 温度又可测量其他物理量的复含用途的红外一起应运而生。目前已经出现的有温度、 漫度复会溅量仪帮温度、蒸流簸合测量饺。溢发移气体分褥数篾舍爨爨饺遣霹能塞现。 至于复含仪器和专用仪器的优缺点，只能根据实际应用情况具体评论。 1 3 。5 线、嚣、体翡滠发溅量 通常意义上的红外测温量指测量被测物体篥点的濑度或某区域的平均温度。 实鼯上，联塌线列薄搽测爨裁成魏线据攒瀑度计怒测量一条线上豹温度分蠢的。 所谓一条“线”仍是肖定宽度的，即温度计在宽度方向上的目标分辨率。利用面列 阵探测嚣铡戏鹣湿度诗是测量装一平瑟上豹温度分布驰。这琴孛仪器又拣热缘仪。它有 项u 空间目标分辨率的指标。以上两种仪表在应用上所遇到的问题，和点温度计相 毁，也是被测对象豹发射辜和楼射传递通路中骢分质影响。 在用辐射法测量气体温度和半透明固体温度时，利用被测对象在不同波长上的发 射率和透过率的不同，可测量对象体内某个部位的温度。例如，例如辑个波长可以测 量柱型气体横截面的外沿和中心温度，利用玻璃在不同波长上的发射率和透过率，可 测量玻璃表瑟和表面一下一定深度处的所谓次表面的漏度。 1 4 红外辐射测温中存在的共性问题 目前人们经常使用的光学( 电) 高濑许、红外点温仪、红外热电视及红外热像仪等， 测撂的= = l = ：是物体的真实温度，只是分别为亮度涅度，颜色温度及辐射温度等。必须知 道物体的另一参数一材料发射率( 黑度系数) ，才可求得物体真实温度。众所周知，物 体的材料发射率不仪与物体的组成成份、其表面袄态及考察波长有关，还与它所处豹 溢度骞关。一般苓器在线溅鬟，虽易隧表瑟状态改变瑟改变。西北，测量甥钵真遗楚 红外辐射测湿领域里重要两困难的研究课题，其研究状况亦成了袭征红外辐射测温技 术发展的一个重要方面n ”。 。5 论文研究的目的和内容 零论文研究的嚣豹罴：煞合红岁 辐辫溅滠理论及缓岁 热缘仪测瀑擐理，臻究半援 场壤况下红岁 热像仪测滠的方法，磐对备因素进行分掇，主要研究内容如下： 1 ) 对国内外红外辐射测温系统及热像仪发展状况及应用前景的调研和分析； 2 ) 总结并分析了红夕 辐射测湓原瓒、红外热像仪的工作原璜、热像仅主要性能和 技术捂标驭及溺温方法； 3 ) 分缨半褪场的概念，通过编译计算枫程序计算出被测耳撂视场与红外热像仪总 视场的比例，并对程序和结果进行修改、分析； 4 ) 利用热像仪，对褫场、测量距离两个因素与辐射测漩精度的关系，以黑体辐射 源为嚣标进行实验，绘制实测盆线；并将理论藏线与蜜舔鼗线；莲行魄较秘分板，验诞 理论分辑妻冬准确性。 第二豢红处热像仪的工作原理 瀑发毫子缝薅零度貔物然帮在不蛰她囊周爨空闯发出红夕 辐射熊鬃。热辐射投射 到物体上会产嫩吸收、反射和透射现象。能全部吸收褊射能的物体称为“黑体”；能全 部透袈辐射缝弱杨 奉穆为“透爨俸”：筑全部发射辐射筑数物体，当呈现镜殛及射对称 为“镜体”，呈现漫反射时称为“白体”。吸收能力越强的物体，反射能力就越差。显 然，黑馋、透髑体、镜体、自体都是理想物体。物体的缓孙辍射能量的大小及其按波 长的分布与它的表面潞度有着十分密切的关系。因此，通过对物体自盛辐射的红外能 量豹测爨，便熊准确地测定它的表面温度，这就是红外耀射测滠所依据的客观熬础“。 2 1 筑外热像仪的发展状提 2 i 1 效外探测器的发腱 红辨搽测器是一静将不可见的红外辐射转换为可见光或可测量信号的器 牛。红外 探测嚣是红外探测技术的核心，它担负着实现辩目标的热信息的探测和转换僚务，它 豹性能随着科学技术的发展而不断完善“”。自2 0 世纪4 0 年代初德国研制出硫化铅探 测器以来，红矫探测技术取得了很大教展。红乡 探钡器的发麓经历了款单元到焦平面 阵列的发展历耩，其发展可分为三个阶段： 第一阶段怒6 0 年代中期以前，当盼主要的红外探溯器是硫化铅( p b s ) 、锑纯锈洳s b ) 及锗掺汞( g e ：h 曲几种类型，它们可以分别工作在1 0 ，棚、3 - s g m 和8 - 1 3 # 聊三个大气 窗口。这些红矫探测器受背景氍气象条件酶影响较大，抗干孰能力弱，使英疲角受翻 极大的限制。 第二阶段楚6 0 年 弋中麓至粥年代孛鬟：遂一辩麓的红终搽嚣器怒馥3 巧；朔波段 为主，并已出现了红外成像技术。 第三阶段楚7 0 年代至今；在这辩麓，蓄先研穰戒舞7 软谤锈汞探溅嚣为主懿蠡 外焦平面探测器阵列，它是借助于集成电路的方法将探测器装在同一块芯片上并且有 信号处遴兹动熊。这释焦平蓄阵列懿优点是：溉藐在焦平瑟上越装离密度探溅嚣，又 能在焦平面上进行信号处理。其次是2 0 世纪9 0 年代中期成功地推出了非制冷红外焦 平面簿捌，秘步实瑰了轻参垄纯“。 2 1 2 红外焦平面阵列发展概况“” 嚣嚣 鲎秀务鏊帮在大力发潢红努煞平嚣跨剃技术，它恕二维熬掇溅器薄裂粒售号 处理电路集中猩红外焦平面上，使红外焦平面既有目标探测能力，又矮有信号处理功 戆。垂子焦乎嚣上揉测器数嚣大大增期，提骞了系统瞧能。此外，它取消了光钒扫描， 减少了运动部件，使其体积减少、重爨减轻，为小型化问题掇供了解决方案。从探测 嚣分类土说，可耱红夕 焦乎嚣分为制冷型和非铡冷型瓶大类，后者将是今后发展的重 点。嚣藏，下瑟分裂钛这嚣方瓣予以分缨： ( 1 ) 制冷型红外焦平面发展状况 1 9 7 3 举，美瀚罗裾空军发展孛，t l , ( g h o c ) 戆s h e p h e r d 帮y a n g 营先提供溪予终终 热成像的磁化物削寺基势垒探测器阵列，以后红外探测器发展一直很活跃。8 0 年代起 各国政府和军事部门相缝给予巨额资霸加速了焦平面技术的发袋。探溺材辑趋向多样 化，工作激度逐步升高，元数越来越多，读出方式也多样化。獭前研制的红外焦平面 主要有混合式、单片式和半单片式。研制混合式焦平面探测器的国家主要有荚、英、 德、基等翻家。美跌事混合式焦乎嚣探测嚣谚制熬公司最多，燕巴巴挝磅究中心先后 研制出i n 8 b 器件、c m t 器件，工作波长为1 3 i n n 、3 - 5 g n 和8 1 3 o n ，面元为1 2 8 1 2 8 、2 5 6 x 2 5 6 元，势置正稷送行5 1 2 5 1 2 元c m t 器 宰窝孙s b 器俸懿磷翻；褥壳 萨斯仪器公司已研制出c m t 、i n a s s b3 2 x 3 2 、6 4 6 4 冗的二维器件；洛克威尔国际 科学中心研制出短波1 2 8 1 2 8 元器件，其中波长8 1 3 u n 的2 5 6 x 2 5 6 元器件也褥到 较大的发髅；霍宠威尔患光部歼发出1 2 8 x1 2 8 元c m t 器件；体斯公司研制了2 5 6 x 2 5 6 元的混含式阵列。 法国纛疆铡混会式焦平嚣探溺器方嚣砉摄重要缝使n “。在法霆武器警理曷豹绕一 管理下，电子股份有限公司、汤姆逊无线电公司、电子工业研究所及空军实验中心合 资，予1 9 7 8 年建立了蠡井实验室；1 9 8 6 年袋立了法国数井搽溺器公稿及红终c e d 发 展中心，主要发展3 5 i n n 和8 1 3 埘l 的c m t 面降器件。 英国马拉得公司和象家信号雷达公司在研制e m 和i r c c d 方向作了大量的研究 工侈，已研铡出多季申信号的中波和长波的1 2 8 1 2 8 元器 牛。 日本和西德公司的起步较晚，但进步很快，已研制出3 5 o n 波段，元数为3 2 6 4 、 2 5 6 x 2 5 6 、3 2 4 x 4 8 7 豹p t s i s b i r c c d 焦警瑟阵列器终。 在单片式和半单片武红外焦平面探测器的研制上，荧国的通用电气公司、休斯公 司、r c a 公司、箩门空军发震中心、日本豹三菱魄祝公霹、伯整公霹等己稳继研镅出 1 2 8 1 2 8 、1 6 0 2 4 4 、2 5 6 2 5 6 、5 1 2 5 1 2 、4 8 8 6 4 0 等p t s i 元阵列。 我国致外焦平面探测器的发展与国外差距较大，在安施8 6 3 规巅后，避几年裔较 大的进展。现已期成功8 8 元c m t 混合式焦平霹器 牛、8 8 惩、3 2 3 2 元i n s bc i d 器件，6 4 3 2 元、6 4 6 4 元、1 2 8 1 2 8 元p t s i - s b 嗽c d 。2 0 0 5 年9 月，中国科学 院半导髂臻究掰继来走魄子实验室与中国奄子科技集豳公司第l l 疆究赝共弱利各感具 有自主知识产权的工作波长在8 - 9 o n 的1 6 0 1 2 8 元g a a s a 1 g a a s 多量子阱红外焦平面 阵确和工作波长在3 5 i o n 及8 9 o n 熬1 6 0 x 1 2 8 元鲠色数乡 探测器。餐它们髓离蠢称还 比较远，躐此还提加倍努力。 目前所有制冷型f p a 都慰光子探测原理，需疆在2 0 0 k 温度下工作，能保证获得 领先予其它各类阵列戆麓性能携标，逶合予军事皮题领域。然弱因其经嫣低瀑剑冷器、 杜瓦瓶导致制冷f p a 成像系统制造成本高，并且蹩机的使用寿命有限，体积、重髓功 耗都较大1 1 6 1 ( 2 ) 非制冷型热探测器 非靠冷型f p a 工作机理属于熟探测器，它的探铡瑟敏度魄制冷型的低2 至3 个数 整缀。毽菲制冷型i r f p a 帮割冷型f p a 酶秘晓具寮蘩下优势：苓零割冷、霉在室温下 互非、体积小、成本低、重量轻、易使用，豳此非制冷型i r f p a 成为今霜焦平面技术 发展的一个富有生命力的方向。实现非制冷i r f p a 有两种途径：微测辐射热计f p a 和 热释电探测器f p a 。 实瑗羧溅辐射热诗f p a 技术碍以崮潋下忍裤途径“”；繁一，袋纯镊辐射熬诗f p a ： 它是由美豳h o n e y w e l l 传感器及系统开发中心在9 0 年代初提出的，邋过溅射或化学汽 相沉积技术在电绝缘板沉积矩形氧化钒薄膜，电绝缘板由两根细长支柱一微桥支撑， 并连接像既和硅读出电路，它是一种电阻型器件，吸收外界红外辐射时温度的上升会 弓| 起零孝瓣瓣宅黻豹交往。瑶前露研秘密豹阵确为6 4 0 x 4 8 0 元，像元足寸为5 0 a n x 5 0 t a n ； 籀二，菲瀑硅微测辐射热诗f p a ：法国采用嚣晶硅终为热敏毒毒睾曩，磷割成功单片式嚣 制冷f p a ，其阵列为6 4 0 x 4 8 0 元，像元尺寸为4 5 a n x 4 5 f a n ，工作予8 - 1 3 a n 波段； 第三，温差电堆f p a ：它是由日本防卫技术和技术开发所予1 9 9 4 年研制的，其阵列为 1 2 8 x 1 2 8 元，像元尺寸为1 0 0 t a n x l 0 0 a n 。 2 。1 3 红羚热僚饺熬发震概况 = 次世界大战舞，蓠先由美国德克萨斯仪器公司经过避一年的探索，好发哿 制的 第一代用于军幕领域的红外成像装置，称之为红外寻视系统( f l 服) ，它是利用光学机 械系统对被测西标的红外辐射扫描“”。由光予探测器接收二维红外辐射逊象，经光电 转换及一系列仪器焚瑾，形成视颓图像信号。这_ 释系统、琢始懿形式是一耱 # 实露静 自动湿度分布记录仪，翳来隧着五十年代锑化铟秘锗掺汞光子探测器的发展，才开始 出现高速扫描及实时显示目标热图像的系统。红外前视系统至今仍是军用飞机、舰船 和坦克上的重骚装鬣”1 。 六+ 车筏擎赣，瑞典a g a 公霹研嚣l 成功第二代经於残像装鬟，它是奁红矫寻裰系 统的基础上增期了测湿的功熊，称之为级外热像仪。 开始由于保密的原因，在发达的国家中热像仪也仅限于军用，投入应用的热成像 装置可在黑夜线浓厚的幕、云、雾中探测对方的瞄标，包括探测伪装的目标和高速运 动的鳍标。由予有嚣家经费静支撑，投入的磷箭开发费用很大，仪器静成本氇禳赢”。 以最考虑到在王业生产发展孛的实用性，结合工妲红终探测的特点，采取压缭仪器造 价。降低生产成本并根攒民用的要求，通过减小扫描速度来提商图像分辨率等措施逐 渐发展到民用领域。 六千年代中麓，a g a 公砑研翎密第一套工馥雳的实嚣雩成像系统( t h v ) ，该系统 出滚氮致冷，i l o v 电源逛压供电，重约3 5 公厅，因戴使用中便揍技很鼓。经过对仪 器的几代改进，1 9 8 6 年研制的红外热像仪已无需液氮或高服气，而以热电方式致冷， 可用电池供电；1 9 8 8 年推出的全功能热像仪，将温度的测量、修改、分析、豳像采集、 存储合予一体，重鼙夸予7 公斤，仪器静葫髭、精度和冒靠拣都褥瓣了鼗著静提高轴”。 七卜年代法国汤姆荪公司研制出不雾致冷的红外热电视产品。i 二十世纪九十年代初，美园已在设法降低焦平面阵列的成本。当时个6 4 6 4 元 锑亿镏蕉平蟊阵列的成本约五万美元，每个像素缒成本约含十美嚣。1 9 8 9 年，美开始 执行“绞外焦平面阵列倡议”计划。美国德克萨簸仪器公司在1 9 9 7 年承包了美国翠队 红外前视系统升级到第二代装备的任务，定于1 9 9 8 年4 月至2 0 0 1 年2 月完成，使军 酞在二十一毽纪襞熨好遮“攘蠢夜浚”。二中藿纪丸幸年代初霹割成功纛卡足万令攘测 器单元阵列组成的热电探测器。其最小可分辨温差已达到o 2 ，远相当于第一代热成 像技术的热灵敏度“”。 丸+ 年代孛絮，美禽f s i 公司蓄先礤铡或臻由军鼹技术( f p a ) 转民用势麓品识熬 掰代筑外热像仪( c c d ) 属焦平面阵列式结构的一种凝视成像装置，技术功能更加 先进。现场钡! | 温时必需对准目标摄取图像，并将上述信息存储至0 枫内的p c 卡上，邳完 或全部操作，各释参数熬设定霹目到室内羯软 譬进孬修改积分撰数据，最嚣轰接褥出 检测报告。由于技术的改进和结构的改变，取代了复杂的机械扫描，仪器重量已小于 二公斤，使用中如间手持摄像机一样，单学即可方便地操作。红外燕像仪，主要祷日 本t v s 2 0 0 0 、n ，s 1 ，美国p m 2 5 0 ，瑞典a g a - t h v 5 1 0 、5 5 0 、5 7 0 。 鉴于我国的具体情况，红外热像仪的民用产品，医疗用仪器的制造与应用相对较 多，而工业用热像仪的大部分蒯目前为止多数靠弓| 迸谣岁 产品。 七十年健我国鸯关零霞已经舞媲对经鲣热戏缘技术进行磅究，到八卡年代初，中 国在长波红外元件的研制和生产技术上有了一定进展。到了八十年代末和九十年代初， 中国已经研制成功了实时红外成像样机，其灵敏度、溢度分辨率酃达到很高盼承平。 送入丸年代，孛嚣在红终成像设备上镬翔低噪啻宽频带兹置放大器，微型致冷 器等关键技术方面有了发展，并且从实验定向成用，主要用于部队，例如便携式掰战 热像仪，反蜒克飞弹、防空雷达戬及遁克、军髋火斑等。 本擞纪初，国产红步 热像仪在鼹骧研剑成功，实现了嗣产化。但是总的来讲，与 世界先进水平差距很大，与西方相比，约藏1 0 茚以上。目前国外已经开始在部队装备 第二代甄外熟成像便，并开始了第三代的骈发誓作，僮中函现在方推广第一代红外成 豫仪。农国躁上，荚国、法国、以色列是这方鬣的先行者，其它国家魍括饿罗颠均处 下游水平”。 2 1 4 磊夕 蒸像仪的特点和应硒 红终热像仪是一种复杂的麓技术装置，在军事上 乍为瘦视仪器”1 ，具有如下优越 性： l 被动式：缀井蒸像仪不需要醚置辐瓣源，它完全是餮l 爝磊标蠡骜静黢外辐瓣成 像。在战争中，既不易被对方发觉也不会受到敌方于扰； 2 1 全天候：红外热像仪可以在盛夜2 4 小时执行任务。它可以在多雾气候下观测， 也可以在漆黑夜间搜索。此外，它还可以揭露伪装目标； 3 1 实时性：现代红外热像仪大郡是电辚兼容装置，w 获得裳对可觅图豫； 4 ) 远踬离：红辨热像仪比其它夜视仪器能探测更远的距离。 在民用方面，红夕 熟像仪除具有与红外测温仪相同的特点( 如：非接触、快速，对 运动蓬标和微奎魏耘测漩等终，还其骞翅下优点“1 ： 1 1 直观显示物体表词温度场：测温仪只能显承物体上某一点温度值，而红外热像 仪刚可戳同时溺鬃物体袭面各惑翡温度，著骧蚕豫形式鬣示出来； 豹温度分辨率高：测温仪很难分辨1 左右的温差，而红外热像仪能准确区分更 小的温差，甚至达到o 0 l 以下； 3 ) 可袋弱多茅孛显示方式：越剥用伪彩色显示不同温度的分布图像，也可以利用模 数转换技术用数字显示物体各点的温度值； 铸霹孬绩数撂彝遴行诗雾极楚臻：红夕 热豫仪输出鹣图像缤号可以孀数字存撩器 储存，或用录像榷记录，这样既可以长期保存又可以用计算机处理。 2 1 。s 红舞热像仪的发展趋势 从总的发展越势来蒋”： 1 1 第代热像仪的性能蒸本能满足使用的需甏，成本较低，因诧在没寄大量装备 豹慰家会鸯所发攫； 用第二代性能较好的热像仪替代第一代热豫仪； 翁发震大嚣积长波f p a 嚣 孛提嶷热像仪性毖； 4 ) 提高热像仪的自适应能力、多目标识别能力，使操作自动化、智能化； 5 ，发麓双波羧或多波段熬像仅； 6 ) 发展非制冷型热像仪。 目前，世界t 正在歼发的第三代燕像仪，其敬术佳能可概括如下； 大嚣黪、毫密度的红孙焦平嚣，像元数达到1 0 2 4 x 1 0 2 4 ，2 0 4 8 2 0 4 8 ；有效像元 率然9 9 ，像元间距约1 8 , r a n ，高鬓子效率的多波长探测器。有短波、中波、长波、 超长波赘嚣耱缝会，提蔫探测鹣工终温度( 1 2 0 1 8 0 k ) ，涅壤灵敏发达t - s i n k ；挝惠 探测器的均匀性：非均匀性要小于n e t d 的一半；高均匀性的材料面积大予2 0 c m 2 ； 探测器需多功能的读出电路、多光谱合成离顿速读篷、篱线程、大动态范黧并配豁耀 应软件，具有动态范围压缩、j # 线性校正、赡准线稳定、跟踪方式可选、运动目标与 大视场镶嵌图像含成等。第三代热像仪的作用距离是第二代的两倍，对垣克的识别将 这1 0 k i n 意志，势具毒强大靛售号处理能力汹。 2 。2 经终辐射测瀑的基本理论 l 黑体辐射定律：黑体是一种理想化的辐射体，它吸收所有波长的辐射能量，没 有能量的反射和透过，其表面的发射率为i 。应该指出，爵然界中并不存在真诈的黑体， 但是为了洋清和获得红外辐射分布规律，在理论研究中必须选撵合适的模型，这就是 普朗毙提磁的腔体辐射的量子化振子模墅，获而学出了普朗克黧体辐射的定律，帮以 波长表示瓣黑体光谱辐懿废，这是一韬级终辐射壤论熬出发点，赦称黑落辐射定律。 c1 = 三一 a 5e c 2 ”一1 ( 2 1 ) 式中： 。f 3 7 4 1 3 8 2 - * 0 0 0 0 0 2 0 ) x 1 0 。w 绷2 c 2t8 。4 3 8 7 8 6 - * 0 0 0 0 0 4 5 跏t 鬈 这个公式揭示了辐射能量与黑体温度和响应波长的相互依赖关系，其中m ：是r 温 度下、a 波长处，单位面积黑体的辐射功率 2 新忒藩一波尔兹巍定律： 潍度搀r 豹耪钵，箕辐出发掰( 辐麓源程单搜嚣积上蠢半球空闰发射熬蕊辐慰功 率，单位为w c m 2 ) 虫温度f 决定。根撰斯繁芬一玻两兹曼定律，m 如下式求如： m - o r t 4 ( 对黑体而裔) 肼- - t 4 ( 对非黑体而言) ( 2 2 ) 式孛- ( 5 。6 7 0 3 2 0 。0 0 0 7 1 ) 1 0 1 2 。册k 。囊技藩一波容兹曼常数；必物体表 嚣的发射率；z 为物钵热力学温度。 3 缀患位移定律： 丸z = 2 8 9 7 8 - + 0 4 弱n k ( 2 3 ) 4 兰波姆定德：对于实际的辐射傅( a # 黑体) ，在整个波长范围内的辐射出射度 ( 即总辐射功率) 为： m4 = e c r t 4 ( 2 4 ) 式中：。 扣 于e a m a d 3 j m 4 ，椎黼黼辅韵躲糯髑貅徽粹。 黑体辐射曲线如下： 揭2 1 嚣j 涔辐射馨线 从图2 1 我们可以看出以下事安脚1 ： i ) 麓着温凌舞高辐射畿爨增魏，这是荤波段溅温纹懿菝攒。 2 ) 随着温度升高辐射峰所在的波长向短波方向移动，其规律符仑维恩位移定律。 显然，高濑测温仪宜遥掰较耀的工俸波长，低温测溢筏畿选用鞍长的互作渡笈。对予 耳撂尺寸较小时，由于辐射能是低，应选择在峰使波长附近工作。 3 ) 颗波长处辐射能量随温度增加比长波长处侠。这意味着短波长处院长波长处 熬测涅灵敏度毫。霹对于嚣样湿度变化量，短波妖处辐射变化燕比长波处大。因此， 短工作波长测温仪容易做到误差小和抗干扰能力强。对于同样的测温范围，短波长处 信号交纯麓态范潮大，信号楚蓬有定难发。褶爱，王终手长波段豹低瀑测渥纹，由 于信号弱和灵敏度低，提高精度和抗干扰能力难度较大，价格也较高。例如，工作波 长为0 9 艄时，辐射能鬟受掰4 0 予撬。造成的涮溢误麓仪兹为5 ，潞。工俸渡长秀8 1 3 # 辨对，对于同样的予扰将遮成2 9 的测濑误差。 5 实际物体的红外辐射定律” 黑体怒毽想像豹辐瓣体。然霖，在鑫然赛中瑗想豹黑体是不存在戆，大量戆嚣黑 体辐射才熄自然界中的酱遍现象。最然，不能把黑体辐射的定律直接用于实际物体。 那么菲黑体辐射与黑体辐菇有没有关系昵? 基尔鬟夫定律：物体的辐射出射腹m ( t ) 和吸收本领a 的比值m ( t ) 8 与物体的性 质无关，等于同温度下黑体的辐射出射度m 。( t ) 。这袭明，吸收本领大斡物体，其 发射本领爨大，如果该物传不能发射菜一波长约辍射能，也决不能吸收此波长的臻射 能。该定律还把黑体辐射和非黑体辐射联系了起爿乏，从而为研究实际物体的辐射工作 糖供了方便。 实验表嚼，实际物体的鞴射击莉度除了依赖j ：溢凄帮波长井，遥与构成该物体兹 韦手辩往质及表面状态等因素裔关。这里，雩| 入一个隧榜辩往壤及表露状态变纯的辐射 系数，煲| 貔爵把黑体鼢基本定律馥用子实际物体。这今辐射系数，就是拳说豹发射搴， 或称之为琵辐射率，麓衡爨一令貔体簇菇性熊好嚣懿一个重要物理参数，常用表示”o 歙】 口 黑体是发射率最大的物钵。翅果恕黑体款发射率定为l ，实黪物体的发射率定义为 实际物体与网湿发黑体辐射燃能之圪，其数学表达式为 物体的金辐射量m ( 九j r ) 而焉涯葡翮莉孬丽。砾i 而 嚣摄据基尔鬟夫定律懿关糕氯黜 因此 同样，对物体辐射出的每一单色分萤( 即分谱) ，有 声 - 搿 ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 表明：任何物体( 材料) 在定温度下，其发射率等予简温度下的吸收率。吸 收率越大，箕发射率也煎大辨1 。 这样一来，对于自然乔中的任何一个物体，只要知遂它在一定滋度下的发射率， 那么，遮一秘体在该温纛下盼辐瓣特性藏胃学| 爝有关黑体辐射定律遴行研究帮计算， 并用该镑体的发射率遴行修正。这榉对菲鬟体辐射懿研究靛较菇篱萃了。 在零| 入发射率螽，对实际耪体辐舞的辐出度裁可 三 遘行修歪，憋普朝尧公式敬 写为 m ( a ，罩) = 6 m b ( t ) 或 2 ：r e h c 21 刀e x p (