（光学工程专业论文）320×240非致冷红外焦平面信号处理电路及热电稳定器（tec）研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 、f 高密度、低成本的非致冷凝视焦平面阵列的出现使红外热成像技术发生了第三次 、弋 变革。由于其无需机械扫描机构，室温工作( 不需致冷) ，从而使非致冷红外热像仪 实现了小型化、便携化，并具有可靠性高和使用寿命长的特点，系统成本比致冷型热 像仪降低近一个数量级。由于非致冷红外焦平面技术的突破性进展使得以前被认为是 军用所独占的红外热成像技术开始进入民用市场。在工业( 建筑、电力、石化冶金、 消防、公共安全等) 、医药、科学研究等诸多领域都有广泛应用。目前我国对非致冷 红外热像仪的研究仍处在起步阶段，因此研制具有自主知识产权的非致冷红外焦平面 n 热像仪，将产生巨大的经济和社会效益。) 本文介绍了非致冷红外焦平面热像仪的国内外发展现状，阐述了微测辐射热计红 外焦平面阵列基本结构和工作原理，以及非致冷焦平面热像仪的工作原理、关键技术， 并对红外焦平面的非均匀校正算法进行了详细的分析，提出了两种适合硬件实现的非 均匀性校正方法，完成了一套热像仪整机的设计方案。 本文实现了对s o f r a d i r 公司的3 2 0 2 4 0 非致冷红外焦平面偏压电路和基于f p g a 的时序驱动电路设计及信号处理，开发出一种高精度热电稳定器温度控制电路，其温 度稳定效果达到0 0 0 5 1 2 ，比国外同类产品精度提高一倍，并且使用范围广泛。 关键讯非警尸焦平面热成像现场可编制僻列黼靛器 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h et e c h n o l o g yo fh i g h d e n s i t ya n dl o w - c o s t s t a r i n gu n c o o l e df o c a lp l a n ea r r a y s ( u f p a ) i st h et h i r dt r a n s f o r mi nt h ed e v e l o p i n go fi n f r a r e di m a g i n gt e c h n o l o g y t h e i n f r a r e dt h e r m a l i m a g i n gs y s t e m c o u l db em a d em o r e s m a l l ，m o r ef l e x i b l e ，h i g h e r r e l i a b i l i t y , a n dl o n g e rl i f et i m e ，b e c a u s ei td o e sn o tu s et h em e c h a n i s ms c a np a r ta n dd o n t r e q u i r ec r y o g e n i cc o o l e r s a n d t h ec o s ti so n l yt h et e n t ho f t h ec o o l e dt h e r m a li m a g e r w i t h t h eg r e a tp r o g r e s so ft h ei n f r a r e du f p a ，t h ei n f r a r e dt h e r m a li m a g i n gt e c h n o l o g y , w h i c h w a su s e do n l yi nm i l i t a r yb e f o r e ，h a sb e e na p p l i e di nt h ec i v i lm a r k e t i ti sa p p l i e dw i d e l y i nt h ei n d u s t r y ( a r c h i t e c t u r e ，e l e c t r i c p o w e r , p e t r i f a c t i o n ，m e t a l l u r g y , f i r ep r o t e c t i o n ， c i v i l i a ns e c u r i t y ) ，m e d i c a t i o n , s c i e n c es t u d ye t c n o wt h er e s e a r c ho fu f p at h e r m a li m a g e r i ss t i l la b e g i n n i n gi no u rc o u n t r y , s ot h a ti tc a l lb r i n gm u c h e c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i tt o d e v e l o p t h eu f p at h e r m a li m a g e rw i t l lo w n k n o w l e d g ep r o p e r t yr i g h t t h et h e s i si n t r o d u c e dt h ep r e s e n ts i t u a t i o no f t h eu f p at h e r m a li m a g e ri nd o m e s t i ca n d a b r o a d ，a n dd e s c r i b e dt h eb a s i c s t r u c t u r ea n dt h ew o r km e c h a n i s mo ft h eu n c o o l e d m i c r o b o l o m e t e rf o c a lp l a n ea r r a y s ，a n de x p a t i a t e dt h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n dt h ek e y t e c h n o l o g y o ft h eu n c o o l e dt h e r m a l i m a g e r i n t h e m e a n w h i l e ，t h ea l g o r i t h mo ft h e n o n u n i f o r m i t yc o r r e c t i o ni nu f p a w a sa n a l y z e di nd e t a i l ，a n daf u l ls o l u t i o nf o rd e s i g n i n g t h ec o o l e du f p a i m a g e r w a s p r e s e n t e d t h eb i a sv o l t a g eo ft h e3 2 0x2 4 0u n c o o l e du f p a ，p r o v i d e db ys o f r a d i rc o m p a n y , a n d t h et i m es e q u e n c ed r i v i n gc i r c u i tb a s e do nf p g aw e r ed e s i g n e ds u c c e s s f u l l y m e a n w h i l e t h es i g n a lp r o c e s s i n gc i r c u i tw a sf u l f i l l e d an e wt e m p e r a t u r ec o n t r o lc i r c u i t ，i t l lh i 曲 p r e c i s i o nf o rt h e r m o e l e c t r i cc o o l e r ( t e c ) w a sp r e s e n t e di n t h i sp a p e r t h el o n gt e r m t e m p e r a t u r es t a b i l i t y i sl e s st h a n0 0 0 5 t h ep r e c i s i o ni sd o u b l et h a nt h ee q u i v a l e n t p r o v i d e db ya b r o a dc o m p a n y t h e c i r c u i tc a nb ea p p l i e dw i d e l yi no t h e rf i e l ds u c ha s 1 a s e rd i o d ed d v e r k e y w o r d s ：u n c o o l e di n f r a r e df o c a lp l a n ea r r a y st h e r m a li m a g i n g f p g at e c i i 华中科技大学硕士学位论文 l _ 1 引言 l 绪论 自然界中的一切物体，只要它的温度高于绝对零度，就总是在不断地发射辐射能。 因此，从原理上讲，只要能收集并探测这些辐射能，就可以通过重新排列来自探测器 的信号形成与景物辐射分布相对应的热图像。这种热图像再现了景物各部分的辐射起 伏，因而能显示出景物的特征l l j 。 红外热像仪是由红外探测器、光学系统和光机扫描机构( 目前先进的红外焦平面 技术则省去了光机扫描) 和信号处理电路等构成。光学系统将景物发射的红外辐射收 集起来，经过光谱滤波之后，将景物的辐射通量分布汇聚成像到光学系统的焦面上， 即探测器的光敏面上。探测器接收景物的辐射并逐点依次把景物各部分的红外辐射转 换成电信号，经过放大处理，转换成标准的视频信号，最后在电视屏或监视器上显示 出被测物体的红外热图。 红外技术经历了三个发展时期，六十年代采用致冷型单元或线列红外探测器，如 h g c d t e 、i n s b 、p b s 等红外探测器，其产品成本高，需要致冷和光机扫描，称为第一 代红外技术，分辨率和速度都受到限制，应用范围局限在军事上。8 0 年代进入致冷型 红外焦平面阵列发展时期，探测器由单元或线列走向面阵，发展成为红外焦平面阵列， 出现了致冷型固体红外摄象机，无需光机扫描，称为第二代红外技术，改善了分辨率 和速度，大大提高了红外成像技术的水平和扩大了应用领域。但有两个缺点：一是要 致冷，工作在液氮温度( 7 7 k ，即1 9 6 c ) ：二是价格昂贵，致冷型长波红外焦平面凝 视热像仪每台在1 0 万美元以上，民用上应用受到限制。九十年代中期美国发明了室 温工作的固体红外焦平面阵列，完全克服了前两种红外技术的缺点：第一，它工作在 室温，无需致冷，所以无任何机械运动部件( 如斯特林致冷机和斩波调制等) ，这样 不仅减小了体积、降低了功耗，而且可靠性也大大地提高；第二，降低了成本，由于 制造工艺与硅大规模集成电路兼容，成本仅为致冷型( h g c d t e 、i n s b ) 的1 3 1 5 ， 以后将下降到1 1 0 到1 1 0 0 ，被称为第三代红外技术 2 1 0 1 1 4 1 。 自从2 0 世纪5 0 年代以来，红外成像技术广泛应用于各行各业： ( 1 ) 军事方面 光电防空火控系统、舰船近程防空武器系统、新型坦克夜间驾驶及夜视热成像瞄 准系统、红外成像导弹制导系统、战场监控系统、直升机飞行员夜间飞行、着陆及红 华中科技大学硕士学位论文 外预警、边海防哨所夜间观察和士兵手携式头盔式热像仪等。如在武器中普遍采用热 瞄准器，将大大提高军队的夜战能力。 ( 2 ) 设备先期性故障诊断与维护【5 1 发电厂和输电线路的检测、化工厂生产流程的检测、行进中火车的刹车或车辆过 热故障的确定等等都可以通过红外热像仪来完成。美国的一个资产管理公司推行了一 个包括所有电动机控制设备、照明、动力盘和开关装置的完整维修项目( 不包括断路 器跳闸试验) ，其收费标准根据工作量而定，一个典型的办公大楼( 2 5 0 ，0 0 0 平方英尺， 1 0 层) 平均维修费用为6 ，5 0 0 美元。而同样的大楼利用红外热像仪产品检查，只要一 天便可以完成对所有电动机控制、配电盘和开关装置的检查( 并包括各种机械设备) ， 利用红外热像仪的检查服务费大约为6 0 0 美元到8 0 0 美元。可见使用红外热成像产品 检查的费用仅是传统方法费用的1 1 0 。 ( 3 ) 公安消防 以前，消防员在火场中常常因烟熏火烤、视线不清，难以有效地灭火、救人：红 外热像仪能帮助消防员克服在烟雾中的视力障碍，迅速找到着火点或被困人员，从而 实施有效的灭火救助行动。不仅如此，红外热像仪还能够使消防员分辨出烟幕或水幕 后面的火源，提高火情侦察的准确性。红外热像仪，大大提高了消防人员在浓烟密雾、 夜间观察和机动能力。1 9 9 9 年1 月1 日起我国施行的城市消防站建设标准中，已 将红外热像仪列为消防队抢险救援的必备器材之。可以预计，在不久的将来红外热 成像设备将在消防部队灭火救援行动中发挥极其重要的作用。 ( 4 ) 安全防范 在白天和黑夜都可使用热像仪监控，即使潜伏在无光照条件下的入侵罪犯，热像 仪也能判明其位置，记录下犯罪的实况。可用于车辆、飞机和船只夜视，停车场、飞 机场的夜间监视等。 ( 5 ) 医疗监测与疾病诊断 红外热像仪可用于例如乳腺癌、皮肤病等病情诊断，药物效果研究、心脏手术操 作监视以及其他病情的诊断。 此外红外热像仪还能用于环境污染监测，可以实时记录空气中有害物质的含量。 随着c m o s 超大规模集成技术与红外焦平面技术( 心p ：a ) 在探测器材料、探头 构造、光学仪器、热电稳定器、读出电路、图像改善、以及智能芯片的不断结合，一 个全新的红外成像时代已经来临。 2 华中科技大学硕士学位论文 1 2 热像仪的市场分析及发展概况 1 2 1 热像仪分类 目前的热像仪可以分成两种类型：光机扫描型和非光机扫描型【6 1 。 光机扫描成像系统采用单元或多元的光电导或光伏红外探测器，借助光机扫描器 使单一探测器依次扫过景物的各部分，形成景物的二维图像，探测器把接收到的辐射 信号转换成电信号，通过隔直流电路把背景辐射从目标信号中消除，从而获得对比度 良好的热图象。但这种类型的热成像系统存着结构复杂、成本高等缺点，是早期产品。 非扫描型热成像系统，如近几年推出的阵列式凝视成像的焦平面热像仪，在性能 上大大优于光机扫描式热像仪，有逐步取代光机扫描型热像仪的趋势。其关键技术是 探测器由单片集成电路组成，探测器是有多个探测单元的面阵，其中每个单元与景物 的一个微面元对应，因此可取消光机扫描。高密度、低成本的非致冷凝视焦平面阵列 技术是红外热像技术发展经历的第三次变革，不仅甩掉了机械扫描机构、而且实现了 无需致冷工作，使红外热像系统进一步小型化、精细化、高可靠性和高使用寿命，系 统成本降低差不多一个数量级。这种廉价的便携式红外热摄像系统在成本、体积、重 量和成像效果方面可与目前可见光c c d 视频摄像系统相媲美。 1 2 2 热像仪的发展 第二次世界大战后，首先由美国德克萨斯仪器公司( t i ) 研制成功第一台用于军 事领域的红外热成像装置( 红外前视系统l i r ) ) 。它是利用光学机械系统对被测目 标的红外辐射扫描，由单元光子探测器接收二维红外辐射，经过光电转换及一系列信 号处理，形成视频图像信号。这种系统原始的形式是一种非实时的自动温度分布记录 仪，后来随着锑化铟和锗化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。 六十年代初，瑞典a g a 公司研制成功第二代红外成像系统，它是在红外前视系 统的基础上增加了测温功能，称之为红外热像仪。开始由于保密的原因，在发达国家 也仅限于军用，投入应用的热成像系统可在黑夜或浓雾中探测对方的目标。因为是用 于军用领域，热成像系统的研制开发费用很大，仪器的成本也很高。后来考虑到在工 业生产中的实用性，开始降低其造价以适应民用市场要求。 华中科技大学硕士学位论文 六十年代中期，a g a 公司研制出第一套工业用的实时热成像系统( t h v ) ，该系 统用液氮致冷，1 1 0 v 电源电压供电，重达3 5 公斤，因此使用中便携性能很差。经过 不断改进，1 9 8 6 年研制的红外热像仪已经不要液氮或高压气，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，将温度测量、图像采集、存储集为一体， 仪器的功能、精度和可靠性得到了显著的提高。 八十年代，美国霍尼威尔( h o n e y w e l l ) 公司，开发出非致冷红外焦平面成像传 感器，九十年代中期，该公司已制成3 2 0 2 4 0 元室温工作的硅微测辐射热传感器 ( u n c o o l e ds i l i c o nm i c r o b o l o m e t e r ) 以及相应的电路与系统，现已装配成各类军用热 像仪，包括中波红外( 3 5 t m ) 和长波红外( 8 1 4 1 a m ) 热像仪。 非致冷红外焦平面阵列技术的出现，实现了热像仪系统的小型化和低成本，从而 使热像仪的使用范围进一步扩大，大量进入广阔的民用市场。近两年典型的代表产品 有美国f l i r 系统公司的t h e r m a c a m 系列、r a y t h e o n 系统公司的p a l mi r 系列，以及 r e p o r t i r 系列等，它们都采用了3 2 0 2 4 0 的微测辐射热计( m i c o b o l o m e t e r ) 探测器。 1 2 3 国内外市场分析 以前批量投产的光子型红外焦平面阵列必须低温致冷工作，方可获得所希望的应 用性能，这种要求带来了系统的可靠性和成本高昂问题，难于实现低成本、小型化、 便携式等要求，其每台成本在1 0 万美元以上，从而使这种先进的技术仅限于军用， 例如坦克、飞机、军舰和导弹等重要的军事武器系统，难以实现民用。 随着技术的突破和应用领域的扩大，红外热像仪应用市场急剧上升。美国f r o s t & s u l l i v a n 公司提供的报告指出，1 9 9 5 2 0 0 1 年间，美国军用和民用红外传感器系统市场 规模从7 亿美元激增到1 5 亿美元，其中民用系统销售额从1 9 9 5 年的2 2 上升到2 0 0 1 年的3 7 7 。民用市场急剧上升主要是由于非致冷红外焦平面阵列的开发成功，拓展 了新的应用领域，如执法监视、天文探测、飞机着陆辅助装置、汽车夜视增强装置和 工业应用等。从1 9 6 4 年美国德克萨斯仪器公司( t i ) 首次研制成功第一代的热红外 成像装置( 红外前视系统饵l m ) ) 至今，红外热成像技术经过了近4 0 年的发展，据 国际光学学会( s p m ) 的估计，红外热成像产品的世界市场规模每年约4 0 亿美元， 美国和瑞典的产品占7 0 以上。美、瑞两国凭借领先世界的技术及强大的综合实力， 在此领域获取了巨额利润。 国内方面，1 9 9 9 年6 月2 4 的科技日报专为我国的红外成像应用前景发表文 章，摘录如下：“我国自改革开发以来也逐渐汇入了红外热成像产品的应用大潮。1 9 8 9 4 华中科技大学硕士学位论文 年，我国依靠自己的力量研制成功了红外热成像设备，但由于这些产品没有达到应用 水平，中国的红外热成像产品市场依然被外国人垄断，以致一些专业人士呼吁：警惕 洋货，以确保自己的民族品牌。仅以我国电力系统为例，红外热成像检测技术已广泛 应用于生产第一线。我国电力系统每年用于购买进口红外热成像检测设备的款项均不 少于1 0 0 0 万美元。石油、化工、冶金、煤炭等行业系统也大体不低于这个水平。国 防及社会治安等领域在这方面的投入是非常巨大的。据中国光学协会预测，在今后五 年，我国红外热成像设备市场需求总数在4 万台左右，然而我国目前的年自产量不足 5 0 0 台。如此巨大的市场似乎只好要洋货来填充了”。可见国内市场需求是极其巨大的。 我国在红外焦平面及热成像产品方砸的研究已有多年的历史，如电子部4 4 所、上 海光机所、昆明物理所、中船7 1 7 所等。但是对非致冷红外热成像的研究还刚启步， 仅有数家国外非致冷焦平面热像仪产品的代理，如广州飒特电力红外技术有限公司， 和武汉高德光电公司。 从今后的发展来看，随着红外探测器技术水平的不断提高，红外热像仪会朝着小 型化、多功能化、数字化方面发展，其空间分辨率更高，可分辨温差更小，在机器人 视觉、医疗诊断等新领域必将有更大的发展【7 】。 1 3 本课题研究的主要内容 本课题的任务是要研制一种非致冷红外焦平面热成像系统。本论文主要讨论非致 冷红外成像系统的性能分析，详细叙述了非致冷红外焦平面驱动电路和热电稳定器温 度控制电路的设计。 本论文研制的非致冷红外焦平面热像仪采用3 2 0 2 4 0 的非致冷红外焦平面，不 需低温致冷，工作在常温状态，从而可以大大降低成本，缩短研制周期。 系统的主要指标如下： ( 1 ) 工作波段：8 1 4 l a m 的长波红外波段； ( 2 ) 成像类型：3 2 0 x 2 4 0 非致冷微测辐射热计阵列焦平面： ( 3 ) 视场角 1 9 。x 1 2 。； ( 4 ) 温度灵敏度( m ) ：0 1 ，在3 0 0 k 时； ( 5 ) 热稳定性：热电稳定器，温度稳定效果达到3 0 c o 0 1 ； ( 6 ) 图像格式：3 2 0 2 4 0 x1 2 b i t ，每秒6 0 帧。 5 华中科技大学硕士学位论文 2 1 红外辐射 2 非致冷红外焦平面热成像技术 光辐射是一种电磁波，在整个电磁波谱中只占- - 4 部分，包括红外辐射，可见光 与紫外辐射。这部分辐射产生于原子和分子的运动，在红外区辐射主要产生于分子的 转动和振动：而在可见光与紫外区辐射主要产生于电子在原子场中的跃迁。这些辐射 在与物质的相互作用中显示出波动和粒子的双重性。 光辐射的波长范围，习惯上规定大约从1 0 2 岬到1 0 3 p a r t 。人眼敏感的波段称为可 见光，是电磁波谱中极窄的波段，一般认为它是由0 3 8 t u n 到0 7 61 t m 之间。紫外辐射 约从o 3 8 1 t m 向短波延伸到l o n m 。红外辐射则从o 7 6 w n 向长波延伸到1 0 3 9 r n 。 - 3 惯 上又把红外波段进一步划分为“近”、“中”、“远”和“极远”四个区域，o 7 6 1 5 岫 为近红外区，1 5 - 6 1 u n 为中红外区，6 15 p a n 为远红外区，而1 5 1 0 3 i j r n 为极远 红外区。在前三个细分区中各自对应一个大气窗口，如图2 1 所示。在极远红外区中， 辐射只在几米的传输路程上就被全部吸收。 w c r c o l e n g t h( 岬) 图2 1 红外传输的大气窗i - 1 红外辐射遵循以下基本定律【8 】： ( 1 ) 普朗克定律( p l a n c k sl a w ) 普朗克定律给出了绝对黑体辐射的光谱分布规律，以波长表示的普朗克公式为： 帆= 争南 ， 6 华中科技大学硕士学位论文 = ；= = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一 式中m 2 表示绝对黑体的光谱辐射出射度( s p e c t r a lr a d i a n t e x i t a n c e ) ，单位：( w c m - 2 p a n “) ， 表示波长( g r n ) ，t 表示绝对温度( k ) ，c l 、c 2 分别表示第一、第二 辐射常数，其中： c l = 3 7 4 1 8 1 0 。1 6w i t i 一； c 2 = 1 4 3 8 8 1 0 也1 1 1 k 。 从普朗克定律可以看出，总辐射出射度随温度的增加而迅速增加，并且光谱辐射 出射度的峰值波长随温度的增加而向短波方向移动。温度越高，所有波长上的光谱辐 射出射度也就越大。 ( 2 ) 斯蒂芬一玻尔兹曼定律 在全部波长范围内对普朗克公式积分，得到从黑体单位面积辐射到半球空间的总 辐射功率，即总辐射出射度的表达式，通常称为斯蒂芬一玻尔兹曼定律： 厨= f f m 。d a = 0 7 4 ( 2 2 ) 式中m 表示黑体的总辐射出射度( t o t a lr a d i a n te x i t a n c e ) 单位w c m 一， 盯= 5 6 6 9 6 1 0 罐w m - 2 k ，称为斯蒂芬一玻尔兹曼常数，斯蒂芬一玻尔兹曼定律 表明了黑体辐射功率和黑体绝对温度之间的关系，是通过物体辐射功率能测量物体温 度的主要理论依据。 由斯蒂芬一玻尔兹曼定律可以看出，黑体的总辐射出射度与绝对温度的四次方成 正比，因此相当小的温度变化都会引起辐射出射度很大的变化。 ( 3 ) 维思位移定律( w e i n s d i s p l a n c e m e n t l a w ) 对普朗克定律微分并求出极大值，就得到维恩位移定律 t = b( 2 3 ) 式中x 。是光谱辐射出射度的峰值波长( 岬) ，b 为常数，其值等于2 8 9 8 - n k 。 从维恩位移定律可知，光谱辐射出射度的峰值波长与绝对温度成正比。温度越高， 光谱辐射出射度的峰值波长越短。 根据维恩位移定律，3 0 0 k 室温目标光谱出射度的峰值约为9 6 p a n ，所以8 - 1 4 p r o 的长波红外成像特别受到重视。 ( 4 ) 基尔霍夫定律( k i r c h o f f sl a w ) 1 8 5 9 年基尔霍夫指出：物体的辐射出射度m 和吸收率口的比值m a 与物体的性 质无关，都等于同一温度下绝对黑体的辐射出射度 而。基尔霍夫定律不但对所有波 长的全辐射是正确的，而且对波长为五的任何单色辐射也是正确的。基尔霍夫定律可 7 华中科技大学硕士学位论文 以表示如下： 丝：丝：m 。2 ( 2 4 ) 口 口i 在同一温度下，物体的辐射出射度和黑体的辐射出射度之比，被定义为该物体的 发射率( e m i s s s i v i t y ) ，记为占。根据定义，可将发射率用公式表示为 m 占= 一。 肘。 陛：地 l d 砸4 ( 2 5 ) 式中的矗被称为光谱发射率，即在波长a 处物体的辐射出射度和黑体的辐射出射 度之比。 可见，辐射体的发射率占是光谱发射率幺的平均效果。对于实际的辐射( 非黑体) ， 在整个波长范围内的辐射出射度( 即总辐射功率) 为 m + = n o t 4( 2 6 ) 由式( 2 4 ) 和式( 2 5 ) 可知： s 2 口，毛2 ( 2 7 ) 其物理意义是：在一定温度下，物体的发射率数值总等于它的吸收率。 发射率占在红外成像和红外测温中是一个非常重要的物理量。根据它的定义，s 实 际上是温度丁的函数。但是在一定的温度范围内，占的变化不大。因此在一般的应用 中，为了便于计算，通常总是将占作为一个常量来处理。 2 2 红外热成像测温原理 凡是温度高于绝对零度的物体都会产生红外辐射。物体的红外辐射特性与它的表 面温度有十分密切的关系。因此，通过对物体自身红外辐射的测量，便能准确地确定 它的表面温度，这就是红外辐射测温。红外辐射测温具有测温范围宽、反应速度快、 精度高以及不必接触被测物体等优点，因而在炼钢工业、交通运输、机械加工、电力 传输以及医疗保障等方面都有广泛的应用【9 j 。 当某物体的辐射出射度与黑体在温度耳时的辐射出射度相同时，则将黑体的温度 华中科技大学硕士学位论文 d 定义为该物体的辐射温度。 对于真实温度为n 发射率为占的物体，测量其总辐射功率，测量仪器输出的电 信号为： v s = c o o t 4 ( 2 8 ) 式中，盯为斯蒂芬一玻尔兹曼常数，c 是属于仪器的系数，包括探测器的响应率， 电子线路的增益等。 用同一仪器测量与被测物体有相同总辐射功率的黑体时，若该黑体的温度为l ， 仪器输出的电信号为： v s = c 胡? ( 2 9 ) 由于该黑体的总辐射功率与被测物体的总辐射功率相同，所以测量仪表的输出也 就相同，即就有k = 聪，于是有 1 卜赤z ( 2 - 1 0 ) 或r ：衍( 2 1 1 ) 用这种方法测出的耳即为物体的辐射温度。它是根据测量波长从零到无穷大的整 个光谱范围物体的总辐射功率，并用黑体定标的仪器所标定的温度。 这种测温法称为全辐射测温，用黑体定标的仪器称为全辐射测温仪。注意到，用 全辐射测温仪测量一个非黑体的温度时，所得到的是其辐射温度必须知道物体的 发射率占才能换算成真实温度r 。由于1 ，所以这样测出的物体的辐射温度l 总是 低于物体的真实温度r 。 红外热像仪一般都工作在一定的波长范围内，随着目标温度的变化，目标辐射出 的总能量也发生变化，反映到热像仪则是其输出的视频信号的幅度发生了变化。利用 这种视频信号幅度的变化。可以得到被测目标的温度。 但是考虑到红外热像仪中的探测器并不是对所有波长的辐射都能响应，一般都工 作在3 - 5 9 r n 和8 - 1 4 1 m a 两个波段，因此不能简单使用公式( 2 - 8 ) 。 在理想情况下，考虑目标物体的任意成像点( 某一单位面积) ，红外热像仪所输 出的视频信号幅度魄有以下关系： 9 华中科技大学硕士学位论文 z 目= = = = = = = = ；= ；= u ；* c o o _ t se 厂q ) 。q 批0 妞 ( 2 1 2 ) 丌帕 其e e f ( 2 t ) 2 导丽南司( 2 - 1 3 ) 如为红外热像仪工作波长范围；r _ o 为热像仪的瞬时视场角；盯为玻耳兹曼常 数：，为被测目标温度；占以) 为被测目标的光谱发射率：l 以) 为大气透过率：月0 ) 为 热像仪的总光谱响应。 式( 2 1 2 ) 中，m ，盯。万均为常数，在近距离测量时，f 。0 ) 近似为i ，而在某 一定温度范围内，对常见材料，占以) 为一个常数，记为唧，因此协可将表示为： u ，= k ，g r t 5 e 沁冰以) m = 岛白f p ) ( 2 - 1 4 ) 式中 f 仃) = r 5e ，q r l r q 协 ( 2 1 5 ) 在一定的波长范围内即) 只与黑体的温度有关；k l 是个只与系统增益有关的常 数。 红外热像仪成像时，目标物体的某个单位面积总是与图像的某一像素相对应，像 素的灰度值实际上就是硌经过放大、量化后得到的电压，记为u ，在一般的线性量 化情况下，它与即) 之间是正比例关系，因此 u = 如白f 仃) ( 2 1 6 ) 式中，k 2 是只与系统增益有关的常数。可见图像灰度值( 电压值) 与物体温度t 之间有确定的函数关系。根据u 和f ，就可以确定物体的温度。对于黑体，占，恒为 1 ，如果黑体温度为r ，通过同一个热像仪成像得到的图像灰度值应为： u = t 2 f p ) ( 2 ，1 7 ) 可见 等= 白 ( 2 1 8 ) 通过实验的方法可以确定u 与r 的具体关系，得到黑体电压温度曲线。对于 华中科技大学硕士学位论文 任何物体所成的热像，设某点的灰度值为u ，物体的发射率为占，那么通过式( 2 - 1 8 ) 可得到相同温度的黑体成像的灰度值u ，再根据黑体温度一电压曲线可得到7 1 值。 2 3 非致冷红外焦平面 2 3 1 红外探测器的分类 在红外热成像系统中，红外探测器作为辐射能接收器，通过光电变换，将接收的 辐射能变为电信号。然后电信号经放大、处理，形成图像。红外探测器是热成像系统 的核心器件。 红外探测器可分为致冷型探测器和非致冷型探测器两大类【1 “。 非致冷型探测器主要是光子探测器，其原理是通过光子与物质内部电子相互作 用，发生电子能态变化，激发出的光生载流子定向生成的光生电荷，产生正比于入射 红外辐射通量的信号。光子探测器又分为光导型和光伏型两类。光导型探测器是利用 半导体的光电导效应工作。光电导效应就是半导体吸收光子能量后，产生非平衡载流 子( 自由电子或空穴) ，这些载流子参与导电，使半导体的电导率增加。由于本征和 非本征半导体都能产生光电导效应，所以光导型探测器又有本征型和非本征型之分。 光伏型探测器是利用半导体的光伏效应而工作的，即在非本征半导体上形成p n 结， 在入射光子作用下产生电子空穴对，结间电场使两类载流子分开而产生电动势。 光子探测器常采用h g c d t e 、i n s b 、p t s i 等材料。在较高的工作温度下，探测器 材料固有的热激发迅速增强，从而暗电流和噪声的增大严重了降低探测器的性能，故 这一类光子探测器通常工作在2 0 0 k 温度以下【“j 【“j 。 在低温致冷情况下工作的光子探测器，其探测性能指标比非致冷型的探测器要 高，见表2 1 。但由于需要低温致冷器( 杜瓦瓶) 的缘故，使得致冷型焦平面成像系 统制造成本高；同时整机的使用寿命有限，且体积、功耗和重量都较大。这些特点 决定了致冷型红外热成像系统主要用于军事领域，尤其试载要求中、长远距离目标探 测和高灵敏度的中、高级武器系统中【i 3 1 。 非致冷型探测器主要是热探测器，如热敏电阻、热偶、热释电探测器等。这类探 测器吸收红外辐射后，使敏感元件温度上升，引起与温度有关的物理参数改变。 相同功率的各单色辐射入射到探测器上，所产生的信号电压与辐射波长的关系， 叫探测器的光谱响应，通常用单色辐射的响应度或光谱比辐射对波长做图来描述探测 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = 2 = = = = = = = = = = = = = = = = = 一： 表2 1 两种焦平面参数比较 性能指标 致冷型f p a ( h g c d t e )非致冷型f p a ( b o l o m e t c r ) 响应波段 8 1 4 t x m8 1 4 p z n 像元尺寸 2 8 p a l a x2 5 p r o5 0 p a n 5 0 1 s r n 探测率d 1 1 0 i l c m h z u 2 w6 1 0 8c m h z l 2 w n e t d0 0 0 5 ko 0 6 k 启动时机3 1 0 分钟3 0 秒 工作温度 7 7 k 室温 器的光谱响应。 由图2 2 可见，两类探测器的光谱响应曲线是很不一样的。对于光子探测器，只 有入射光子能量大于hr 。时，才能产生光电效应是探测器由输出。也就是说，仅仅对 波长小于 。的光子才有响应。在波长小于 。的范围内，光子探测器的响应度随波长 线性增加，到截止波长九。出突然下降为零。 而对于热探测器，其响应度只与吸收的辐射功率有关，与波长无关。 相 对 响 应 光子探测器 热探测器 波长 。 圈2 2 探测器的理想光谱响应形式 非致冷型红外探测器目前主要是德克萨斯仪器公司( t i 公司) 生产的热释电焦 平面阵列( u f p a ) 和霍尼威尔公司( h o n e y w e l l 公司) 生产的微测辐射热计u f p a 【1 4 】 两种。 热释电探测器焦平面阵列所用的热释电材料具有对应外界入射辐射温差的自发 电极化特性，需要以适当的频率交替改变入射的场景温度和参考温度，才能不断地获 得目标探测信号，很明显的一个特征是需要使用调制器：热释电u f p a 另一个特点是 具有很宽的红外响应波段。 t i 公司开发的钛酸锶钡( b s t ) 陶瓷材料，不仅有内在的热释电特性，还具有能 被电场增强的热电特性。即在电场增强的情况下，响应率有很大的提高。所以u f p a 1 2 华中科技大学硕士学位论文 的每一探测单元都工作在一定的偏压下，通过基于硅工艺的读出电路混成在起，而 铟柱将探测器阵列与分离的读出电路( 由传统的c m o s 硅技术制作) 连接起来，其 中探测元间的热绝缘是技术关键之一。 微测辐射热计是利用探测元材料的电阻阻值对应于入射辐射引起的温升，且电阻 值随辐射温升的变化而灵敏地改变，不需要调制器是它的优势。这种热敏材料不少， 当前最好的s i ( 非晶、多品和微晶的s i ) 和二氧化钒。和热释电u f p a 一样，也需要 一个热电稳定器来提供合适的工作温度，以使其性能最佳。由于这种硅集成工艺和微 细机械加工技术的结合，使其以硅读出电路为衬底的单片式u f p a 的制造由标准的硅 集成电路加工设备即可完成，再加上不需要对入射辐射进行调制的调制器，使单片式微 测辐射热计阵列以及整机的成本都降下来。其技术关键之一也是热绝缘【”j 。 2 3 2 微测辐射热计结构 非致冷微测辐射热计的敏感单元，是利用微机械加工技术在硅读出电路上制作 “绝热”结构，并在其上面采用半导体生长技术形成一层热敏感电阻材料( 如氧化钒) ， 以测量热辐射的微小变化。将二氧化钒( v 0 2 ) 薄膜沉积在一块电绝缘板上，电绝缘 板由侧面细长支柱支撑( 所谓微桥技术) ，并连接像元和c m o s 读出集成电路【1 6 1 。其 桥式结构如下： 缸并, t i m v 图2 3 微测辐射热计的桥式结构 微测辐射热计的响应率为： 9 i2 瓦翮d r a ( 2 - - 1 9 ) g ( 1 + m 2 f 2 ) 2 其中响应时间r 可表示为： 1 3 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = ；= = = = = ；= = = = = = = = = = = 一 c g(2-20) 式( 2 - - 1 9 ) 中，各参数为： e 探测元的辐射吸收率： ，一偏置电流； r 探测元电阻； 口电阻温度系数( t c r ) ； e 一热导； u 角频率： 卜热容 将式( 2 1 9 ) 乘以到达探测元的红外辐射功率，就能得到探测元的电压响应。显 然，要达到高响应率，热导g 应尽可能小，而要响应快，比值c g 应尽量小。电阻r 和电阻温度系数a 受探测器材料性能的制约，要提高响应率还应选择高电阻温度系数 ( t c r ) 的热敏材料，v 0 2 室温下有较高的t c r 值( - 2 c 到3 c ) ，热导g 与 探测元的尺寸和设计有密切联系。减少热导g 能增加红外响应率。这是因为在一定辐 射下，热导越小，探测元温度的升高就越大，响应电压也就越大，所以在微测辐射热 计中热绝缘设计是相当重要的。同时，从公式( 2 - 2 0 ) 中可以看出，热导g 的减小会 导致响应时间r 的增大，故还需视具体应用要求，在参数选择上考虑取折衷值【1 7 1 1 1 引。 微测辐射热计的噪声分析： 在微测辐射热计探测器中主要由三种噪声构成： = ( 曝+ 嘭+ 尸 ( 2 _ 2 1 ) 式中v w 表示总噪声； 所f 表示热涨落噪声，热涨落噪声是由于微测辐射热计与周围处于热平衡时，微 测辐射热计与环境热交换而产生的，陆可表示为： = l a e ( 争必 ( 2 _ 2 2 ) 乃表示约翰逊噪声，它是由于探测元电阻由于电子的热运动引起电阻两端的起伏 电压，可表示为： 巧= ( 4 k t r a f ) ( 2 - - 2 3 ) 1 4 华中科技大学硕士学位论文 其中4 广探测器噪声带宽； 足玻耳兹曼常数： _ 半导体材料中的载流子数目： 产一频率。 n ，代表矿噪声，又叫低频噪声，出现这种噪声的原因尚不清楚，实验证明 * 对于任何一种基于热探测机理的红外探测器，都主要是热涨落噪声v r f 限制其性 能。 用噪声等效温差( n e t d ) 来衡量噪声的影响： n e t d ： ! 竺：1 2 竖 ( 2 2 4 ) a d f o 吼( p 瓦) 一屯 式中：爿d 一探测元面积： p 一光学系统的矽知； r o 一光学系统的透过率； ( p a 瓦) 一如黑体辐射温度导数在 l 和 2 ( 如8 14 i t r n ) 波段的积分。 从式( 2 1 9 ) 可看到，热导g 越小，响应率孵越大，同时热涨落噪声哳越小， n e t d 越小，性能越好。从需抑制噪声的目的来看，必须降低偏置电流，但这会导 致响应率吼的降低，故必须在降低噪声和提高响应率之间作取舍。虽然在增大，提高 吼的同时会增大噪声，但如果适当地增大，而不使像元出现过热和产生噪声， 那么巧和乃r 不会超过陆仍然是热涨落噪声v r f 限制着微测辐射热计的性能。如 果探测器的工作温度为3 0 0 k ，热敏材料的t c r 值为2 ，则由于电流偏置而使像 素的温度升高不超过8 就不算过热1 1 9 l 【2 0 】【2 ”。 2 4 红外焦平面非均匀校正及红外图像增强 2 4 1 非均匀陛的来源及数学定义 红外焦平面阵列由许多个探测单元组成，每个探测元对应红外图像中的一个像素 点。由于各种因素的影响，焦平面阵列各探测元会出现对同样的外部输入的响应不一 致的现象，这就是所谓的红外焦平面阵列的非均匀性( n o n u n i f o r m i t y ) 1 2 2 】。 华中科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 非均匀性的来源 总的来说，非均匀性主要来自于以下几个方面： 1 ) 探测器中各探测单元的响应特性不一致。这种不一致是由于制造过程中的随 机性所引起的，如焦平面阵列各探测元有效感应面积的不同以及半导体掺杂的变化等 原因，其表现为信号响应的增益与偏置的变化。当焦平面阵列具有较高的稳定性时， 这种非均匀性在象平面上的模式是固定的。 2 ) 1 f 噪声。虽然目前对其成因尚未完全清楚，但通常认为其是由半导体的表面 电流所引起的。不同的阵列元内部的1 f 噪声可以近似地认为是互不相干的。它是一 种非平稳的随机过程。 3 ) 电荷传输效率。这种非均匀性存在于采用移位读出的焦平面中，表现为图像 平面上的阴影，随像素点与阵列读出节点间的距离作指数变化，距离愈大，亮度愈暗。 通常也表现为固定的乘性噪声。 4 ) 无效探测单元的影响。在焦平面上，有少量的敏感元对红外辐射的感应很弱 或几乎不响应，这些敏感元在图像上一直表现为黑点。 5 ) 红外光学系统的影响。如镜头的加工精度，镜头的孔径