（光学工程专业论文）红外图像非均匀性的测试分析与研究.pdf

a b s t r a c t 飞毛6 i nt h ef i e l do fi n f r a r e di m a g i n g t e c h n o l o g y ，i np a r t i c u l a r ，f o ri n f r a r e di m a g i n g s y s t e mo ft h e2 n dg e n e r a t i o nc h a r a c t e r i z e db yi f p a ，t h ek e y st os e r i o u s l yl i m i ti t s w o r k i n gp e r f o r m a n c ea r em o s t l yd e t e r m i n e db yn o n u n i f o r m i t yo fi n f r a r e di m a g e t h ei t e mw i l lh a v ed o n es o m e t e s t i n g ，r e s e a r c h i n ga n da n a l y z i n go nt h ea s p e c to f n o n a n i f o r m i t yo fi n f r a r e di m a g e ，i no r d e rt op r o v i d ea nu s e f u lw a yt oi m p r o v e i m a g eq u a l i t yo f i n f r a r e di m a g i n gs y s t e m f i r s t l y ，t h i sa r t i c l es t a r t sw i t ht h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n di m a g i n gp r o c e s so f n o n u n i f o r m i t yo f i n f r a r e di m a g et or e v i e w r u n n i n g m o d eo fe a c hc o m p o n e n t t h e n ， o nt h eb a s i so fd i s c u s s i o ni ng e n e r a t i n gm e c h a n i s mo f n o n u n i f o r m i t yo fi n f r a r e d i m a g e ，ap o i n to fv i e wi sp r o p o s e dt h a tf u n c t i o n so f i n f r a r e dd e t e c t o r sa n dr a d i a n t t r a i t so fo b j e c t i v e sa n db a c k g r o u n ds h o u l db ee m p h a s i z e di no u rr e s e a r c hw o r k ， s o m er e l e v a n tr e s e a r c ha n d e x p e r i m e n t sa r ec a r r i e do u tw i t hr e s p e c tt oa n a l y s i so n r u l e so fe v a l u a t i o na n dt e s t st oi n f r a r e dd e t e c t o r s lp e r f o r m a n c e s ，a n da m e a s u r i n g m e t h o dt on o n u n i f o r m i t yo fi n f r a r e di m a g ei sa l s op r o v i d e d f i n a l l y ，b ya n a l y z i n g i n f l u e n c eo i l n o n u n i f o r m i t y o fi n f r a r e d i m a g e f r o md i f f e r e n t p a r a m e t e r s o f d i f f e r e n td e t e c t o r sa n di t s a p p e a r a n c e ，s o m ev i e w s a r e b r o u g h tf o r w a r da b o u t g e n e r a t i n gm e c h a n i s mo fn o n u n i f o r m i t yo fi n f r a r e di m a g ea n dc e r t i f i e db yv a l u e c a l c u l a t i o n ，w h i c hw i l lp r o v i d eu s e f u le v i d e n c ea n ds u g g e s t i o nf o rr e s e a r c h i n gt h e c o r r e c t i o na n dr e c o g n i t i o nt e c h n i q u e so fn o n u n i f o n n i t yo fi n f r a r e di m a g ei nt h e f u t t 】r e k e y w o r d s ：i n f r a r e di m a g en o n u n i f o r m i 够m e a s u r e m e n t g e n e r a t i n g m e c h a n i s m 硕士论文 前言 前言 m 红外图象非均匀性研究的必要性 在红外热成像系统中，尤其是以红外焦平面和多元器件为探测器的成 像系统中，图象非均匀性是制约成像系统极限工作性能的关键因素之一。由 于它的影响，导致在图象中产生对观察者视觉的强烈干扰，以第一代热成像 系统为例，输出的红外图象上会出现明显的水平纹路，视觉效果较差。进入 九十年代以来，以凝视型为代表的红外焦平面器件的研制对高性能的热成像 系统产生了重大的影响。尽管其优越性很多，但是红外图象的非均匀性却始 终是一个问题，尤其是对于高量子效率的器件如：h d c d t e 和i n s b ，当然对 于量子效率较低的p t s i 器件也存在类似问题，只不过影响程度小些。 1 1 探究红外图象非均匀性的产生原因，可以说纷繁众多。例如：红外系统 本身的不稳定性、1 f 噪声、单元象素的非线性特点、红外探测器像元响应 率或光谱响应率的不一致( 非均匀性) 、读出电路自身及其与探测器的耦合 凶素、探测器温度与尺寸分布等。在这些非均匀性因素中有些仅与探测器性 能相关，它们比较容易校正：而另一些则可能还与目标和背景的红外辐射特性 有关，测量和处理起来比较困难。正是由于红外图象非均匀性的复杂特点使 得它的校正难度大大增加，常规图象处理特别是建立在统计噪声基础上的可 见光图象处理技术很难适应这类红外热成像系统；也正是由于红外图象非均 匀性的产生因素众多，使得成像器件非均匀性的常规测量结果也很难直接应 用到红外成像系统的研制和成像质量的分析过程中。 j 生些苎 塑童 2 国内外相关! z # l - 技术的发展概况 近几年来，随着高技术、新材料的不断涌现，特别是以大规模集成电 路为代表的半导体技术的飞速发展，使得各种材料的红外探测器件的工艺水 平不断提高。七十年代，国外开始大批量生产采用线阵的第一代传感器系统， 红外技术的应用迅速扩大。第一代热成像系统采用与室温前置放大器相耦合 的单元或多元线阵探测器，每个探测器上都有一一根独立的传导信号引线和相 应的个前置放大器来进行信号的传输和处理，由于噪声、信号处理、热负 载的复杂程度和空间尺寸等因素的限制，其像元数一般在1 0 0 元左右。 z t c c d 的出现使得带有焦平面上电子模拟信号读出电路的第二代探测器阵列成为可 能。现阶段集成电路技术的进步使焦平面上的红外探测器的数量提高了几个 数量级，从而改善了热成像系统的灵敏度和空间分辨率。而红外焦平面探测 器本身又具有功耗低、可靠性高和成本低等优点。 1 5 m e 3 目前，对红外图象非均匀性的研究就国内而言，由于受国内红外探测 器研制进程的制约，红外图象非均匀性校正的研究主要集中在第一代热像 仪。在多元探测器热像仪中主要以调整各单元探测器的放大倍率为主，因探 测器数目不多这种方法效果明显。在s p r i t e 探测器热像仪中，探测器响应 非均匀性的保证主要依赖于其固有的扫积特性。还有少量的红外图象非均匀 性校正的研究主要在红外目标识别、跟踪、制导等研究课题中开展。在发展 第二代热像仪技术的过程中，如果进行以n n 型焦平面为探测器的凝视型 红外成像技术研究，其非均匀性影响将不可避免，从而使本课题的研究工作 将具有实际意义。 就国外而言，在八十年代后期和九十年代初期，探测器阵列的均匀性 问题有所改善，但是受材料和处理工艺发展水平的限制，红外焦平面热像 仪的性能仍然严重地制约着红外探测器响应的非均匀性。从国内外对红外图 象非均匀性的产生机理、校正方法的理论研究来看，国外已经能够对红外图 硕士论文 象非均匀性的产生与发展过程有一个完整的认识。为了使红外成像的效果不 受到来自予红外探测器非均匀性造成的影响，国外进行了系统地研究，其中 包括对红外热像仪图象的数值校正，如：瞬态高通滤波、神经网络等，对红 外热像仪工作参数的调整以及现在仍在发展的z 技术，这些研究工作在应用 方面取得了明显的效果。砖1 3 本课题需要开展的研究工作 本课题的研究范畴属于红外图象处理技术，涉及的知识范围较广：包 括以红外探测器为核心的红外热成像技术、电子信号处理与显示技术、计算 机图象处理技术等多学科的交叉应用；同时针对性又较强，是对于影响图象 质量的某一方面问题进行研究。 无论就国内还是国外而言，红外图象的非均匀性校正处理都是一个比 较宽广并且有深度的课题，由于其所涉及因素的复杂性，使得研究工作必须 要有深入的理论研究基础和切实的实验条件保证。 在具体的非均匀性的校正处理方面，必须考虑造成红外图象非均匀性 的众多因素的不同特点。尤其在热成像系统实际应用过程中，有些因素与目 标与背景的红外辐射特性有关，它们不易被认识和直接测量。对于红外热成 像这种高通量低对比的成像条件，如果使热像仪能够根据目标与背景条件“实 时”地调节热像仪的工作参数或图象处理程序，将使用者关心的那部分图象 范围的像质问题作为非均匀性校正的中心，将成为红外图象非均匀性识别与 处理的一个新思路。所以，可以考虑把描述背景与目标的修正参数引入到热 像仪的图象处理或驱动程序，通过调节修正参数使热像仪具有一定的“智 能”。为此，在课题研究中必须对热像系统尤其是红外探测器的性能有一个 全面而深入的了解，并有必要对红外系统和探测器的测量作一些改进。所有 硕士论文 这些设想的实现就需要有许多实际工作来保证。 t 。7 r 。 受实验条件的限制，l 本课题采用以3 2 元m c t 探测器为代表的i 类热成 像系统作为研究工作的基础。我们准备首先从热堕监薹筑的工作原理和成像 过程入手，分析红外图象非均匀性的产生机理，然后针对红外图象非均匀性 的测试原理，研究其塑达方法，对测试结果进行分析。通过分析不同器件的 不同特性对图象非均匀性的贡献特点和图象非均匀性表观特征，获得对图象 非均匀性的准确认识。从而为调整红外热像仪的工作参数，以及红外图像非 均匀性校正和判别技术提出指导性的方法。 硕十论文 第一章红外热成像系统概要 红外图象的形成依赖于热成像系统各个部分工作性能的有机结合，要研 究红外图象非均匀性的产生机理就必需考察系统的成像过程和工作原理。 众所周知，任何物体只要其本身的温度高于绝对零度，就会不断地辐射 能量。热成像系统可以收集并探测物体自然发射的红外辐射能量，对探测器 的信号进行重新的处理和排列，转化为与景物辐射分布相对应的可见的热图 象。 1 1 热成像系统的工作原理 图11 1 给出了典型热成像系统的工作原理 电 謦针 子 田 信 叫不l 号 i 器i 处 理 图l1l热成像系统工作原理图 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 的辐射通量分布会聚成像到光学系统焦面上( 即探测器的光敏面上) 。当扫描 硕士论文 第一章红外热成像系统概要 器工作时，从景物到达探测器的光束随之移动，在物空间扫出如电视信号一 样的光栅。当扫描器以电视光栅形式将探测器扫过景物时，探测器逐点接收 强弱不等的景物辐射信号并转换成相应的电信号，经过放大和视频处理后， 在同步扫描的显示器上显示出景物的热图象。 热成像系统按扫描器的类型来分，包括光机扫描型和非扫描型两种。光 机扫描型热成像系统借助光机扫描器使单元探测器依次扫过景物的各个部 分，形成景物的二维图象；非扫描型热成像系统利用多元探测器面阵，使探 测器中的每个单元与景物的一个微面元对应，从而达到光机扫描的效果，但 是要获得高均匀响应度、高密度的探测器面阵，需要严格的半导体工艺保证。 i 2 热成像系统的组成与功能 1 2 i 红外接收系统 红外接收系统的作用是光学系统和光机扫描装置相互结合，由机械传动 控制光学扫描部件来完成对视场中出现的景物热图象的二维光机扫描。 在非扫描型的热成像系统中，由于采用多元探测器面阵，使得探测器中 的每个单元与景物的一个微面元相对应，利用电子扫描取代了光机扫描环 节。 i 2 i 1 光学系统 光学系统由各种光学透镜组构成，实现对瞬时视场的调焦功能。实际应 用中，随着目标温度分布和方位的不同，辐射能量的分布也有差别，例如： 常温( 3 0 0 k ) 目标的辐射能量主要集中在8 1 4 1 1m 。因此，需要配备红外 滤光片，保证热成像系统工作在最佳波段范围。 6 硕上论文 第一章红外热成像系统概要 1 2 1 2 光机扫描装置 光机扫描装置的扫描方式有两种：可以放在光学接收系统的前面( 即物 方扫描) ，也可以放在光学接收系统和探测器之间的光路中( 即像方扫描) ： 在扫描的过程中要求扫描器的转角与光束转角保持线性关系，扫描器的尺寸 尽可能小、扫描效率高，扫描器对光学接收系统的像差要尽量小。常用的光 机扫描器有：摆动反光镜、旋转反光镜、旋转折射棱镜、旋转折射光楔等。 图1 2 ，l 为个光机扫描的装置。 = ：兰羚0 2 - - - 矛一n n 鼓 挚孝j = 二9 蔼3 图1 2 ，i 光机扫描 1 2 2 红外探测器及致冷器 在红外热成像系统中，红外探测器作为辐射能接收器，通过其光电变换 作用，将接收的辐射能量变为电信号。电信号经过视频处理形成图象。为了 降低红外探测器的噪声，以获得较高的信噪比，常需要将红外探测器致冷， 使其处于低温状态下工作。 1 2 2 1 红外探测器 红外探测器包括热探测器和光子探测器两大类。而光子探测器又分为光 导型和光伏型两种。热探测器利用其吸收红外辐射后，使敏感元件温度上升， 硕士论文第章红外热成像系统概要 引起与温度有关的物理参数改变。光子探测器是通过光子与物质内部电子的 相互作用，产生电子能态变化而完成光电转换的探测器。相比较而言，光子 探测器在响应的灵敏度或者响应速度方面都优于热探测器。 红外探测器是构成热成像系统的核心器件，其工作方式和特性参数对成 像的质量起到关键性的作用。为此，在下一章我们将做具体地讨论。 1 2 2 2 致冷器 在热成像系统中，致冷器的作用就是保证探测器性能的发挥。因此，应 用中要求致冷器的体积较小、致冷效率高、可靠性好；同时为了检测其致冷 温度的稳定性，还必须在探测器的衬底上安装温敏二极管，也利用它作为致 冷不足的报警传感器。常用的致冷设备有：杜瓦瓶、斯特林循环致冷器、气 体节流式致冷器和半导体致冷器。 1 2 3 电子信号处理与显示 从探测器出来的电信号带有景物的空间辐射分布信息，需要经过信号处 理和多路传输形成与景物温度相应的视频信号，最后转换成不同制式的时序 视频信号形式输出到显示器，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象。 1 2 3 1 电子信号处理 探测器输出的电信号是带有温度信息的微弱信号，对它必须进行某种加 工或变换。一般它包括前置放大、主放、自动增益控制、带宽限制、检波、 滤波、鉴幅、线性变换和多路传输等部分。 图1 2 2 以多元探测器系统为例说明一个电子信号处理系统的原理图。 倾士论文第一章红外热成像系统概要 图i 2 2 电子信号处理原理图 红外探测器输出的信号十分微弱，可低至微伏或纳伏数量级，放大器的 设计必须是高增益和低噪声。 十 集成电路放大器 厂_ 、金属氧化物效应管 l 厂l l 、结型场效应管 1 变压器耦合；厂、 i 厂双极晶体管 f 厂、一弋 i 图1 2 3 第一级器件的选择原则 前置放大器要保证低的噪声和适配耦合参数，应当遵循一些原则： ( 1 ) 依照噪声匹配原则选择前置放大器第一级的管种，如图l _ 2 3 所示； ( 2 ) 按最小噪声系数准则，尽量提高首级的放大倍数；( 3 ) 设计应保证总的噪 声系数近似等于第一级的噪声系数；( 4 ) 第一级放大倍数不应低于1 0 ；( 5 ) 每一级或级间加入反馈，提高稳定性，保证阻抗和带宽。各级主放单元的设 9 硕j 论文第一章红外热成像系统概要 计主要是滤波和完成大信号的控制、传输、抑制噪声和保证带宽。 鉴于探测器信号微弱，并且输出信号有直流漂移的问题，所以前置放大 器通常设计为交流放大方式，这种交流放大方式可以排除探测器与电路的直 流漂移干扰，可以达到抑制背景和消弱l f 噪声的目的。但是它同时也滤去 了所探测的景物直流信息，使探测器信号失去了绝对的意义。为此常需要在 前置放大器的交流放大之后补偿探测景物的直流信号。通常的做法是进行直 流恢复和环境补偿。 探测器输出信号 前置放大器输出 直流恢复输出 环境温度补偿 l - - 1 一u 一 7 1 u 7 图1 2 4 图象信号的直流恢复与环境补偿 如图1 2 ，4 给出了一种直流恢复电路。它实际是一个筘位电路，利用来 坝十论文第一章红外热成像系统概要 自参考热源产生的温度信号作为筘位信号，保持信号的波形不变，使前放出 来的温度信号筘位在零电平上。环境补偿单元是一个加法器，它把与环境温 度相应的一个直流电平叠加在经过籀位的温度信号上，使得输入信号的零电 平基准调整到真实的环境电平基准上，从而输出信号就具有了绝对的温度意 义。 多路传输的意义在于刈多元探测器，通过转换装置( 如：电子开关、c c d 器件、高密度的专用厚膜电路等) 可以把多个通道的多元探测器输出信号转 化为单个通道的的一组时序视频信号。 1 2 3 2 视频显示 经过处理和加工后的时序视频信号，必须进行同步复扫转换成景物的二 维图象，最后显示出来。由于采用的显示方式不同，有的还要加入一部分制 式转换电路，将采集的数据在时问上伸缩和在空间上重新排列，使图象数据 达到显示要求。热成像系统中采用的显示方式有：c r t 显示、电视兼容制式 显示和发光二极管显示等。 1 3 热成像系统的发展现状 热成像系统的发展经历了由第一代的多元探测器阵列向第二代的红外焦 平面阵列的转化。尤其是由红外探测器和具有扫描功能的信号读出器组合而 成的红外焦平面阵列出现，以电子扫描取代了光机扫描，从而显著改善了系 统的响应特性，提高了系统的可靠性。红外焦平面阵列由光敏元件和信号处 理部分组成，一块焦平面阵列芯片上所有探测器的输出信号，只用一根信号 线就可以依序传输至后续的信号处理模块。工作时，当红外探测器接收到入 射的红外辐射后，在红外辐射的入射位置上产生一个与入射红外辐射性能相 硕士论文第一章红外热成像系统概要 关的局部电荷，通过扫描焦平面阵列不同的部位，顺序地将电荷传送到读出 器件中来读出这些电荷。每一局部就是一个像元。最常见的焦平面有p c 、p v 、 m i s 和肖特基势垒器件。 红外焦平面阵列的优点主要体现在：( 1 ) 能够有效地、高密度地把红 外探测器封装在焦平面上，提高系统的空间分辨率。( 2 ) 采用多路传输技 术，可以大幅度地减少杜瓦瓶的信号阴线数目和信号预处理电路的数目，从 而简化系统结构，提高系统设计的灵活性和工作可靠性。( 3 ) 如果采用凝 视工作方式，可以去掉光机扫描装置，减小系统体积和重量，降低功耗。 红外焦平面阵列是采用集成电路的方法制作的大规模红外探测器阵列， 制造工艺水平的高低就会制约红外探测器响应的非均匀性，从而影响图象的 质量。就现阶段而言，在工艺方面的一个发展方向就是z 平面技术。所谓z 平面，实际上是一块立体的焦平面阵列，它将信号读出及处理功能的芯片( 包 括低噪声前放、滤波器和多路传输等) 采用叠层的方式组装起来，形成信号 处理模块，再把模块与探测器和输入、输出线等连接在一起。由于它的数据 预处理能力，对于抑制噪声，提高灵敏度及缩小系统体积具有较好的性能。 从应用领域来看，热成像系统的发展前景广阔，除了军事领域外还遍及 国民经济的各个领域，从工业方面的冶金、石油化工行业的各种检测到医学 方面的疾病诊断，从科学研究的热分析到森林防火、空海救援、环境污染的 监测和资源勘探等等，不胜枚举。 硕士论文 第二章红外图象非均匀性产生帆理的分析 2 红外图象非均匀性产生机理的分析 红外图象的非均匀性是指：当红外热成像系统工作在均匀景物辐射条件 下，其输出图象亮度所表现的空间分布特征。对于把人眼作为输出图象接受 体的热成像系统，其系统输出图象亮度的空间分布可用该系统输出图象荧光 屏的光亮度空间分布来表示；对于具有自动识别能力的热成像系统，其系 统输出图象亮度的空间分布则应该直接采集该系统输出图象的电信号，通过 电信号的转换获得输出图象的空间分布特征。 红外图象的非均匀性涉及的因素众多而复杂，它的研究工作大多是与热 成像系统的实际成像过程相联系的，需要分析成像过程中的各个环节对红外 图象非均匀性的影响。 2 1 成像过程对红外图象非均匀性的影响 以i 类热成像系统为例，它的成像过程可以归纳为：红外辐射的空间传 输变换、红外辐射的光电转换、电信号的处理和电信号的电光转换等主要过 程。 红外辐射的空问传输变换由光学系统和光机扫描装置实现。光学系统收 集景物发射的红外辐射，经过光谱滤波后，将景物的辐射通量分布会聚成像 到探测器的光敏面上。这部分对系统工作的影响主要是光学成像系统的像 差。一般情况下，光学像差表现为圆对称形式，它对图象的非均匀性影响较 小；而光机扫描装置对红外图象非均匀性的影响主要表现在各扫描面的扫描 效率变化上。扫描效率的变化可以在图象上产生周期性的亮暗变化，但就困 硕士论文 第二章红外图象非均匀性产生机理的分析 内现阶段i 类热成像系统的研制现状看，扫描效率的一致性可以得到保证。 通常来讲，与红外探测器驱动和放大率有关的那部分电路可以归并到红 外辐射的光电转换环节一并考虑。这样电信号处理和电光转换环节的主要任 务就是电子信号的多路传输、视频时序形式的转换和显示方式等。它对系统 成像产生的影响一般来自于处理电路内部的电子噪声，对各个红外探测器单 元的输出信号的作用具有一一致性，因而从整个i 类热成像系统红外图象非均 匀性的角度来考虑，这部分影响应当比较小；但是对于红外焦平面热成像系 统来讲，焦平面阵列本身包括了光敏元件和信号处理两部分，所以从成像机 理来看，光子探测器、信号电荷读出器以及多路传输对于成像非均匀性的影 响是必须作为整体统一考察。 红外辐射的光电转换是热成像系统中的关键环节。红外探测器作为光电 转换部件，实现了景物各部分的红外辐射到电子信号的转化过程。实验证明 它对整个系统的工作性能起到决定性作用，可以说探测器性能的好坏直接影 响到红外成像的质量。因此本文将着重考察红外探测器的工作性能对系统成 像的非均匀性的影响。 2 2 红外探测器在热成像系统中的作用 第一代热成像系统的红外探测器件主要是多元探测器和s p r i t e 探测器 组件，除了探测器组件工艺本身对均匀性的作用外，热成像系统所采取的成 像方式与单元探测器的排列方式是相关联的，会对各个探测器单元输出电信 号的信噪比产生直接影响。第二代热成像系统的红外探测器件主要是以焦平 面阵列技术为代表的多元探测器面阵。由于采用硅超大规模集成电路的工艺 技术，从而可以获得高均匀响应度和高密度的探测器面阵，大大改善了系统 的热灵敏度，最大限度地发挥探测器快速响应的特性。但是其本身的工作方 硕士论文第二章红外图象非均匀性产生机理的分析 式要求有大数量的探测器单元，所以探测器响应的非均匀性问题就成为制约 其工作性能的一个重要因素。 2 2 1 热成像系统的成像方式 按照多元探测器的不同排列方式来分，热成像系统的成像方式主要有三 种：( a ) 串联扫描方式、( b ) 并联扫描方式和( c ) 串并扫描方式，其探测 器的排列与扫描如图2 2 1 所示。 ( a )( b )( c ) 图2 2 1探测器的排列与扫描方式 2 2 1 1 串联扫描方式 串联扫描时各探测器单元扫描的为同一行，在二维扫描的过程中每个探 测器都扫过系统的总视场，然后探测器信号经相应的延迟叠加形成单一通道 的视频信号输入显示器。串联扫描需要快速的行扫描和慢速的帧扫描，并且 要求探测器响应速度快。在串联扫描中，等效于用一个探测器分解景物，所 以可以消除探测器性能不均匀造成的图象缺陷。 单元探测器的输出信噪比为： ( si n 卜器 ( 2 2 - ” 硕士论文第二章红外图象非均匀性产生机理的分析 式中：尸为入射到探测器上的辐射功率 蹦单元探测器的比探测率； a d 为单元探测器的敏感面积； f 为系统的噪声等效带宽； ，：三 r 。为探测器的驻留时间。 如果各个探测器单元都具有相同的性能，则输出信噪比为 ( 2 2 2 ) 2 静。击新2 2 ，” 2 2 1 2 并联扫描方式 并联扫描时列阵中的各个探测器单元平行扫过景物像，每个探测器扫描 一行，然后探测器的输出信号经多路传输和扫描转换后输入到显示器。并联 扫描提高了系统的灵敏度，降低了对探测器响应速度快的要求。但是并联扫 描等效于每个探测器单元只扫过一个电视线，所以势必要增加较多的探测器 数目，并且对探测器阵列中各单元性能的均匀性要求较高。 如果列阵中每个探测器性能是均匀的，则每一路的输出信噪比为： s ：善 ( 2 2 4 ) q ad j 式中：f 为多路传输中每一路的带宽。 如果单元探测器热像仪和n 元并扫热像仪的扫描效率相同，则 r 。= 门fd 单 ( 2 2 5 ) 硕士论文 第二章红外图象非均匀性产生机理的分析 于是 v j ：v 盯 将( 2 2 6 ) 式代入( 2 2 4 ) 式可得 ( 2 2 6 ) ( s ) 并= 万石n n p 万d = 打( s ) 单 ( 2 2 7 ) 2 2 1 3 串并扫描方式 串并扫描方式综合了串联扫描方式和并联扫描方式各自的优点，用二维 多元探测器面阵代替了线阵探测器，其示意图如图2 2 2 所示。 由 间 存 储 图2 2 2 串并扫描方式 2 2 1 4 三种成像方式的比较 - - , e e 成像方式各有特点，表2 2 1 给出它们之间的比较。 显示 硕士论文第二章红外图象非均匀性产生机理的分析 串联扫描方式并联扫描方式串并扫描方式 i 探测器列阵方向与扫描方向列阵方向与扫描两维面阵 l列阵一致方向垂直 探测器对探测器特性均匀性对探测器性能的对探测器特性要 特性要求不高，但要求响均匀性要求高求一般比并扫容 应速度快易提高图象质量 探测器较少较多较多 元数 系统频带频带宽，低频端可取频带窄，低频端介于二者中阳 i ， 及频带范高些，以避免1 f 噪不能取得太高，比串扫带宽窄 围声往往避免不开1 f 噪声区 信号处理延迟后叠加，不需扫探测器信号并行电路复杂，需延 描转换就可以形成单输出，需经过多迟叠加和多路传 通道视频信号路传输和扫描转输，中间存储器 换形成视频信号 信噪比通过信号叠加来增强通过降低系统带兼有两种提高信 信号，从而提高信噪宽，从而降低噪噪比的功能， 比，理论上提高4n声来提高信噪信噪比提高大于 倍比，理论上提高4 n 倍 4 n 倍 扫描扫描机构转速高，实速度相对较低，扫描速度较低 速度现起来较困难易实现 表2 2 1 三种成像方式的比较 2 2 2 红外探测器的性能评价 表征红外探测器性能的基本参数有：响应率( r ) 、噪声等效功率( n e p ) 、 探测率( d ) 、比探测率( d + ) 、时间常数( t ) 及光谱响应等。 2 2 2 1 响应率( r ) 探测器的响应率r 定义为：探测器的输出电压v s 或i s 与入射到探测器光敏 1 8 硕上论文第二章红外图象非均匀性产生机理的分析 面一z 的辐射通量中之比。它表征探测器对辐射敏感程度和探测器将入射的红 外辐射转变为电信号的能力，可以表示为： ：2 三 ( 2 2 8 ) 【r = ，。中 、 对于响应率r ，光导型探测器的单位为v w ；光伏型探测器的单位为 a w 。 2 2 2 2 噪声等效功率( n e p ) 探测器在接收入射辐射信号的同时也存在着噪声，从而限制了探测器对 微弱辐射信号的探测能力。探测器的噪声等效功率定义为：探测器的输出信 号功率与噪声功率相等时，入射到探测器上的辐射功率，可以表示为： n e p ：生( w )( 2 2 9 ) v ，v 。 式中：占为入射到探测器上的辐照度： 屹为探测器输出信号电压的均方根值： a 。为单元探测器的敏感面积； k 为探测器输出的噪声信号电压的均方根值： 这一参数表征了探测器所能探测的最小辐射功率的能力，所以n e p 值越 小，则探测器的性能越好。 2 2 2 3 探测率( d ) 探测率定义为噪声等效功率的倒数。即 d = = 形( ) 它表征了探测器在它的噪声电平之上产生一个可测量的电信号的能力 硕士论文第二章红外图象非均匀陛产生帆理的分析 也就是探测器能响应的入射功率越小， 件的光敏面积和测量电路的频带宽度 善。所以9 1 入了比探测率的概念。 则探测率越高。但是由于没有考虑器 该参数对探测器性能的表征不够完 2 2 2 4 比探测率( d ) 比探测率的引入是把探测率d 归一化到测量电路带宽1 h z ，探测器的光 敏面积为l c m 2 ，以比较不同测量带宽，不同光敏面积的探测器的探测率值。 由于理论和实际测量分析得出探测器的噪声电压v n 与光敏面积a 。的平方根 成正比，与测量带宽f 的平方根成正比，所以定义比探测率旷为： d + = d 爿d 厂( c m h z “2 w “)( 2 2 1 1 ) 这一参数与测试条件有关，所以在给出矿时应当说明测试条件( 即多少 度的黑体，调制频率为多少，放大器的带宽为多少) 。 2 2 2 5 时间常数( t ) 一定功率的辐射入射到探测器的敏感面上时，其输出电压要经过一一定时 间才能上升到与该辐射功率相对应的定值，而当辐射突然清除时，输出电压 也要经过定时间才能降到辐射照射前的值。大多数情况下信号按( 1 一e 1 九) 的规律上升或下降，所以t 就定义为探测器的时间常数( 或者响应时间) 。 2 2 2 6 光谱响应( r 。或d ) 探测器的光谱响应定义为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。通常用单色辐射的响应率r 。或者光谱比探 测率d 4x 对波长作图来描述探测器的光谱响应。 理想条件下，对于热探测器而言，其响应率只与吸收的辐射功率有关， 而与波长无关，所以可认为 2 0 硕士论文 第二章红外图象非均匀性产生机理的分析 d ：= d +( 2 2 1 2 ) 对于光子探测器而言，只有入射光子能量大于时，刁会产生光电效应 使探测器有输出，所以可认为 卟 “0 以q 。：羞 式中凡。称为截止波长。 图2 2 3 给出了光子探测器和热探测器的理想光谱曲线。 j | | 莎翌 图2 2 3 探测器的理想光谱响应形式 2 2 3 表征探测器非均匀性的特性参数 2 2 3 1 响应率参数 ( 1 ) 黑体响应率 黑体响应率是指探测器输出的电信号的基频电压的均方根值( 开路) 或 基频电流的均方根值( 短路) 与入射辐射功率的基频分量的均方根值之比。 符号用r 。表示。它的单位对光导型探测器而言为v w ；对光伏型探测器而 2 1 硕士论文 第二章红外图象非均匀性产生机理的分析 言为a w 。黑体响应率r 。的表达式为： r = 等 式中：尸为入射到探测器上的辐射功率，w 屹为信号电压，v ； 入射到探测器上的辐射功率p 为： p = a 。e 式中：f 为黑体辐照度，w c m 2 ； 以为探测器的标称面积，c m 2 ； 黑体辐照度e 为： e ：d 翌! ! ：二三! ：2 生 万上2 式中：e 为黑体辐射源的有效发射率； a 为调制因子； o 为斯蒂藩一波尔兹曼常数； t 为黑体温度，k ： t n 为环境温度，k ； a 为黑体辐射源的光栏面积，c m 2 ； l 为黑体辐射源的光栏至被测探测器之间的距离，c m ( 2 ) 光谱响应率r 。 光谱响应率由均方根信号电压( 或电流) 与单色入射信号功率的均方根 值之比确定。用r 、表示，其单位与r b 。相同。 黑体响应率r 。的表达式为： 硕士论文第二章红外图象非均匀性产生帆理的分析 月 = s k r6 6 ( 5 0 0 ) 式中：r 。( 5 0 0 ) 为5 0 0 k 黑体响应率； s 。为相对光谱响应率； k 为转换因子。 而 k = w s 。w 。d a w = w 。d a = g ( t 。4 一t ：、 式中：w 。为黑体光谱发射； w 为黑体发射； o 为斯蒂藩一波尔兹曼常数； t b b 为黑体温度； t a 为背景温度。 2 2 。3 2 探测率参数 探测率是响应率除以均方根噪声折算到放大器的单位带宽，并按平方根 面积关系折算到探测器的单位面积的值。用黑体辐射源测得的探测率称为黑 体探测率，以d 。+ 表示；用单色辐刺源测的探测率称为光谱探测率，以d + 表 刁io ( 1 ) 黑体探测率d 。 黑体探测率根据所测量的噪声等效功率算出。它是考虑了探测器面积和 电带宽的黑体噪声等效功率( 某一黑体温度条件下) 倒数的归一化。所以它 的表达式可以被推导为： 硕十论文 第二章红外图象非均匀性产生机理的分析 。厶= 等厨 式中：a d 为探测器的标称面积，c m 2 ； a f 为电带宽，h z 。 ( 2 ) 光谱探测率d 。 光谱探测率可以认为是黑体探测率与相对光谱响应率的乘积。实际测量 中，可以用下列推导公式表示： “= 是心 ：z ， 式中：f 、为黑体光谱能量因子； r 。为探测器的相对光谱响应。 2 3 景物目标的辐射特性对红外图象非均匀性的影响 在现实的环境条件下，景物的辐射温度是经常发生变化的；并且，不同 的目标和背景，其辐射特性也是有区别的。对于热成像系统而言，景物的辐 射输入与系统的电信号输出存在着一定的关系。 以i 类热成像系统为例，第i 元探测器的电信号输出为 v s ( 丁) o cif ( 兄) 只，( 五) m ( 2 ，t ) d ( 2 3 ，1 ) 式中t ( 九) ：光学系统透过率； r ( ) ：第i 元探铡器单元的光谱响应； m ( ，t ) ：辐射温度为t 的目标的光谱辐出度。 从( 2 3 1 ) 式可以看出，第i 元的输出信号是景物辐射与探测器响应积分 - 2 4 硕士论文 第二章红外图象非均匀性产生机理的分析 的函数。由于各探测器单元的光谱响应以及景物的光谱辐出度各不相同，因 此，积分后各探测器单元所获得的结果也就将有显著不同，举例说明： 例1 如果r ( ) r ( ) 即第i ，j 元探测器的光谱响应率不同， 则并不一定有v s l ( t ) v s ( t ) ， 即对于任意的辐射温度t ，探测器单元之间不同的光谱响应并不 一定对应不同的探测器输出。反之，各探测器单元的输出信号相同并 不一定对应相同的探测器光谱响应。 例2 如果v s ，( t d ) = v s ，( t 0 ) ， 即对于某一辐射景物t o ，探测器两元的输出信号相同，但不一定 有 v s ( t 】) = v g ( t 1 ) 即在另一辐射景物t 1 下，探测器两元的输出信号褶同。 例3 如果r l = r j ， 即探测器两元的响应率相同，但不一定有 v s ，( t ) = v s ( t ) 即对于任一辐射景物t ，探测器两元的输出信号相同 例4 如果d = d j ， 即探测器两元的比探测率相同，但不一定有 v s ( t ) = v s ( t ) 即对于任一辐射景物t ，探测器两元的输出信号相同。 2 5 硕上论文第三章红外图象非均匀性的测试 3 红外图象非均匀性的测试 如前所述，红外探测器的工作性能以及不同温度的目标与背景的辐射特 性在红外图象的非均匀性方面发挥着重要的作用。为了深入研究这些方面的 影响，必须在热成像系统实际应用的基础上，通过针对性的实验对红外图象 的非均匀性进行测试和分析。下面的实验将考察探测器工作性能对非均匀性 影响以及红外热成像系统输出图象的非均匀性。 全部实验中应用的红外探测器均为3 2 元并扫的碲铬汞( m c t ) 探测器。 3 1 红外探测器性能的非均匀性测试 测试工作的主要方向是一些表征红外探测器非均匀性的评价参数，如：黑 体响应率、比探测率和光谱响应率等。探测器的响应率反映了探测器对于红 外辐射的敏感程度，它描述了探测器将入射的红外辐射转变为电信号的能 力。比探测率反映了在一定测量电路带宽和探测器光敏面积条件下探测器的 噪声电平之上产生一个可测量电信号的能力。探测器的光谱响应率描述了在 相同功率的各单色辐射入射到探测器的上，所产生的信号电压于辐射波长的 关系。这些参数也是国际上评价探测器单元性能非均匀性的惯用指标。 在实际情况下目标和背景的辐射特性也会影响红外图象的非均匀性， 对于不同辐射温度的目标，红外探测器各单元的信号输出应该会有不同 的表现。因此，这将作为对红外探测器性能的非均匀性进行研究的一个新的 出发点。 2 6 硕士论文第三章红外图象非均匀性的测试 3 1 1 黑体响应率r b b 的测试 3 1 1 1 同一温度的黑体目标 实验目的是观察对于同一温度的黑体目标( 本实验应用5 0 0 k 黑体辐射 源) ，不同的红外探测器件所表现的工作性能的差异，以及对于同一红外探测 器件的各个单元的响应率r b b ( 及黑体探测率d b b + ) 进行比较。通过对各性能 参数的测量和计算研究红外探测器件的质量因素对其自身工作性能的均匀 性的影响。 ( 1 ) 测试原理 按照黑体响应率的定义和各参数之间的关系( 如前章所述) ，可以得到 r b b 的测试公式： r b b 2 尚 式中：v 。为信号电压，v ； e 为黑体辐照度，w c m 2 ； a 。为探测器标称面积，c m 2。 除了v 。和a 。可以直接测量外，黑体辐照度e 必须通过( 2 2 1 6 ) 式间接测 量获得。 另外，黑体探测率d b b + 也可以由间接测量计算出来，由黑体探测率d 。+ 与响应率r b b 之间的关系公式，以及r b b 测试表达式( 3 1 1 ) ，可以推导出d b b 的r b b 测试表达式： d = 式中：s 为信噪比，v 。v 。 e 为黑体辐照度； 筹 s e 珂! j j 论文第三章红外幽豫非均匀性的测试 f 为电带宽： a 。为探测器的标称面积。 测试时首先进行准直调整，将被测探测器置于黑体辐射源的光轴卜，并 渊节黑体辐射孔径与被测探测器之间的距离，使被测探测器输出足够大的信 号。然后调节偏置电源，确定出被测探测器的偏置范围。最后调节频谱分析 仪的中心频率与调制频率f 相同，输出调零；调节标准衰减器的哀减量，再 从输出信号电压中扣除衰减量，就得出了设测探测器的信号电压v ；。 图3 1 】给出了如b 的测试框图： 图3 1 1 黑体探测率r b b 的测试 ( 2 ) 测试设备及要求 i 5 0 0 k 黑体辐射源的温度的稳定度优于0 5 k ，有效发射率优于 0 。9 9 ，带有调制盘并给出调制转换因子； 2 前置放大器与被测探测器实现最佳源阻抗匹配，其噪声系数小于 2 8 f 1 6 士论义第三章红辨图象非均匀性妁测试 1 d b ，并工作存线性范围。带宽和增益满足测试要求，增益的稳定度优丁 01 ： 标准信号发生器的精度优于1 ； 标准衰减器的频率范同满足测试要求， 偏置电源采用电池： 探测器电路； 频谱分析仪的频率范围满足测试要求， 精度优于1 精度优于1 ( 3 ) 浏试数据分析 在室温2 1 5 。c ，相对湿度6 5 的电磁屏蔽环境下，采用5 0 0 k 的均匀黑 体辐射源，探测器偏置电流i = 3 m a ，品质因子q - 1 0 0 ，探测器到黑体辐射源 的距离l = 3 0 c m ，黑体辐射源的孔径d = 0 5 0 8 c m ，探测器的面积a = 5 0 5 0p i l l 2 ，前置放大器的倍率k = 1 0 。在此测试条件下，对两个3 2 元红外探测器样 品进行了测量，分别编号为# l 号和# 2 号。测量数据经过计算后，如表3 1 1 和表3 1 2 所示。 山此，我们可以分析看出： # l 号器件各元的v s 明显大于# 2