（信号与信息处理专业论文）热释电成像及其图像后处理的设计和研究.pdf

中文摘要 随着应用电视在工业各个领域的深入和发展，红外电视的应用越来越广泛，因 而迫切需求有着自己独立技术的热释电成像系统的出现。 本设计研究的目的就是完成对目标物体的红外热辐射分布的摄取，并且将其转 化为视频信号经图像后处理后馈送给显示设备进行实时显示。本文在大量研究热释 电管成像特性和红外特性的基础上，构造出系统的整体框架，它包括液晶阀调制器、 红外镜头、热释电摄像管、预放器、时基电路、辅助电源电路、视频编码电路、本 底电流驱动电路、图像后处理模块等部分，在实验进程中，逐步对各个模块进行了 完善和改进，设计出了两套实现方案，都能生成与目标物体红外辐射相对应的全电 视信号，能长期稳定地工作。并且液晶阀对红外线的斩波调制方式可以取代传统的 机械斩波式的调制方式，可通过热释电管生成热图象。 在对各个子模块设计和调试的基础上，为实现对红外图像的增强显示，设计出 了一套完善的图像后处理系统：通过采用灰度分割算法，建立颜色查找表，根据不 同灰度闽值来配置其次度对应的颜色，编写v h d l 程序，设计实现了一套包括视频 解码芯片s a a 7 1 1 l ，复杂可编程逻辑器件e p m 7 0 6 4 ，视频编码芯片s a a 7 1 8 5 及其单片机 2 0 5 1 构造的伪彩色处理系统。实验表明采用灰度分割算法，并且结合本设计的硬件 电路，可以成功地完成适用于各种场合的伪彩色处理。 【关键词】热释电斩波调制液晶阀 伪彩色灰度分割 w i t ht h ed e v e l o p m e n to fa p p l i c a t i o nt e l e v i s i o ni nv a r i o u si n d u s t r i a l f i e l d s ，i n f r a r e dt e l e v i s i o ni sb e i n gm o r ew i d e l yu s e dt h a nb e f o r e t h e r e f o r e as e to fp y r o e l e c e t r i c i m a g i n gs y s t e mw i t hi n d i s p e n s a b l et e c h n o l o g i e sa r e r e q u i r e dt oc o m ef o r t h t h eo b j e c t i v eo ft h i s d e s i g n i st o i n c e p t a n dc o n v e r tt h e o b j e c t s i n f r a r e dr a d i a t i o nd i s t r i b u t i o ni n t ov i d e os i g n a lt ob ed i s p l a y e di nr e a l t i m ea f t e rb e i n gp o s t p r o c e s s e d b a s e do nt h ep l e n t i f u lr e s e a r c ho nt h e c h a r a c t e r i s t i c so fp y r o e l e c t r i cv i d i c o n i m a g i n ga n di n f r a r e dr a y s ，as y s t e m f r a m e w o r ki sc o n s t r u c t e d t h ef r a m e w o r kc o n s i s t so f1 i q u i dc r y s t a lv a l v e m o d u l a t o r ，i n f r a r e d1 e n s ，p y r o e l e c t r i cv i d i c o n ，p r e a m p l i f i e r ，t i m i n gc i r c u i t a u x i l i a r yp o w e rs u p p l yc i r c u i t ，v i d e oe n c o d e r ，p e d e s t a lc u r r e n tg e n e r a t o r a n d i m a g ep o s t p r o c e s s i n gm o d u l e e t c i nt h ee x p e r i m e n tp r o c e s s ，i n d i v i d u a l m o d u l e sa r ei m p r o v e da n de n h a n c e d a n dt w o s e t so fs c h a m e s ，w h i c hl e a dt o g e n e r a t e c v b sc o r r e s p o n d i n gt ot h eo b j e c t si n f r a r e dr a d i a t i o na n dt ow o r k s t a b l ya n dp e r m a n e n t l y ，c o m ei n t ob e i n g m o r e v e r ，t h el i q u i dc r y s t a l v a l v e c h o p m o d u l a r i o nc a nr e p l a c et h et r a d i t i o n a lm e c h a n i cc h o pm o d u l a t i o n ，a n d t h ep y r o e l e c t r i ci m a g ec a nb ec r e a t e db yt h ep y r o e l e c t r i cv i d i c o n b a s e do nd e s i g n i n ga n dd e b u g g i n gt h ei n d i v i d u a ls u b m o d u l e s ，i no r d e r t or e a li z et h ei n f r a r e di m a g e se n h a n c e m e n td i s p l a y ，ai n t e g r a t e di m a g e p o s t p r o c e s ss y s t e mi sc o n s t r u c t e d w i t ht h eg r a y s l i c i n ga l g o r i t h ma n dt h e v h d lp r o c e d u r e se m p l o y e d ，t h ec o l o rl o o k u pt a b l ec o r r e s p o n d i n gt od i f f e r e n t g r a yt h r e s h o l d si sc o n f i g u r e d h e r e b yap s e u d o c o l o rp r o c e s s i n gs y s t e mi s i m p l e m e n t e dc o n t a i n i n gt h e v i d e od e c o d e rs a a t i l i ，c p l de p m 7 0 6 4 ，v i d e oe n c o d e r s a a 7 1 8 5a n dm c u2 0 5 1 e x p e r i m e n tp r o v e st h a tc o m b i n i n gt h ei n t e n s i t ys li c i n g a l g o r i t h i n a n dt h eh a r d w a r ec i r c u i tp r e s e n t e dh e r e ，t h ep s e u d o c o l o r p r o c e s s i n g 。w h i c h i s a d a p t a b l e t ov a r l e t i e so fc i r c u m s t a n c e s ，c a nb e s u c c e s s f u l l yr e a l i z e d 【k e y w o r d s 】p y r o e l e c t r i c ，c h o p - m o d u l a t i o n ，l i q u i d c r y s t a lv a l v e ， p s e u d o - c o l o r , g r a y s l i c i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨壅苤堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：荔，知屯签字日期：厶”尹 年2 月日 l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘壅盎茔有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁注盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数掘库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者妊菘，碱 签字曰期：歹砷年z 月纱同 f 导师签名 签字日期 攀 笆乞卅年 孑吖 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 应用电视及红外电视概述 电视分为广播电视和应用电视两大类。用于广播的电视称为广播电视，它的 主要用途就是作为大众传播媒介，向大众提供电视节目，丰富人们的精神文化生 活，另一类电视应用电视则是广播电视之外的所有电视的统称。应用电视是具 有明显应用特点的一类电视，它主要用于工业、交通、商业、医疗卫生、军事及 安全保卫等领域。应用电视能实时、形象、真实地反映被监视对象，人们利用这 一特点，及时获取大量的信息，极大地提高了管理效率和自动化水平。同时，在 某些场合，利用应用电视解决人类不可能直接观察的困难，使其成为一种有效的 观测工具，发挥了不可替代的独特作用。因此应用电视越来越受到人们的重视， 在现代社会的各个方面得到越来越广泛的应用。 实际的应用电视都是一个系统，一般由三个最基本的部分构成：( 1 ) 产生图 像的摄像机和成像装置。( 2 ) 图像的传输与控制设备。( 3 ) 图像的处理与显示设 备。其中摄像机是系统的核心部分。 应用电视包含的内容多，应用范围广，因此种类繁多。通常根据技术原理、 使用的目的、环境条件、要求的功能等因素，把应用电视分为四大类：通用型应 用电视、特种成像方式的应用电视、特种环境下使用的应用电视以及具有特种功 能的应用电视。其中特种成像方式的的应用电视特点在于其成像的原理，特种成 像一般是指摄像机用非可见光成像、微弱光成像，或者成像装置的扫描为非常规 方式，或者兼丽有之。例如，用x 射线成像的医学检查和工业探伤的x 光电视； 用环境温照明温度为1 0 1 0 - 1 0 1 x 的微弱光成像的微光电视；用紫外线成像的紫 外电视等等。本文研究的是用中红外和远红外成像的热释电电视，这几种电视摄 像机的扫描原理基本是采用常规的电视扫描制式。 应用电视几乎是与广播电视同时出现和发展的，已由初期主要用于工业和教 育逐步扩展到其他方面，目前在发达国家应用电视的应用已经很普遍，在研究开 发并商品化方面，同本和美国处于领先地位。美国是固体摄像器件的发源地，在 高技术应用方面遥遥领先于其他国家，如极高清晰度、极低照度、极大光照动态 范围的摄像，在军事和航天方面的应用等。美国也是世界上最大的摄像机和摄录 一体化的市场，普及率最高。日本在民用产品的开发和生产堪称第一，尤其是固 体摄像机、摄录一体机的更新换代的速度、产量和质量都占世界首位。 天津大学硕上学位论文 第一章绪论 我国应用电视的开发研究始9 5 0 年代末，真j 下较多的实用是在7 0 年代中期。 进入8 0 年代有了很大的发展，逐步形成了独立开发的力量和小规模生产能力。 今后我国应用电视的发展趋势主要表现在如下几个方面：( 1 ) 计算机技术在系统 和设备中将普遍应用。( 2 ) 图像、声音、数据和控制信息的传输趋向综合化、标 准化和系列化。( 3 ) 高清晰度电视( h d t v ) 将首先在应用电视上实用化。( 4 ) 电视技术与现代的其他高新技术的互相渗透和结合将导致新功能和新技术的产 品不断涌现。 随着光电子技术的迅速发展，许多特种摄像器件得到不断开发，如p b o p b s 复合近红外视像管、热释电摄像管、x 射线图像增强器等器件的研制开发，使得 用于非可见光波段以及可见光波段但人眼看不见的微弱光的特殊成像电视得到 了极大的发展，成为应用电视的重要组成部分。其中，红外电视是应用最广泛的 应用电视之一。 红外电视是利用被摄物体对红外线的反射和本身的红外辐射来显示目标的 红外像或热像，它具有实时显示目标热像的功能。 由于红外电视能够把红外线分布图转变为可见光电视图像，使得人们原来看 不见的景物的红外辐射变为可以看见的图像，所以它在工业、农业、国防和科学 技术上有广泛的用途，并且这类用途正在目益扩大。因此，研制和开发适用于各 种场合的红外电视具有非常重大的意义。 1 2本设计的意义及任务 本课题的任务是设计和实现热释电成像系统的硬件电路及其软件设计，该硬 件电路由多个模块组成，即时基电路、偏转聚焦及辅助电压产生电路、本底电流 驱动电路、预放电路、液晶阀驱动电路、视频后处理电路等等。在设计调试过程 中我们设计了两套热释电成像系统的实现方案：传统方案和利用c p l d 等技术的 现代设计方案。 本系统的意义在于它适用于将目标的红外线辐射能量分布转换为视频信号 的场合，因而在工业中得到了广泛的应用，如用于电子仪器故障的检测、医疗中 病变位置的判断以及夜间摄物成像等等。 本课题的新颖性在于对入射红外线的调制方式上，由于对红外线成像的热释 电摄像管靶面只对变化的红外辐射敏感，因此必须对入射的红外线调制后才能在 热释电靶面上成像。传统的调制方式具有机械磨损的缺点且带有复杂的伺服装 置，本设计在研究液晶特点的基础上，利用液晶在交变电压下的导通关断特性， 提出了液晶阀红外线调制方式。 本课题的研究任务包括以下几个部分： 天津大学硕士学位论文第一章绪论 ( 1 ) 研究热释电摄像管的成像的基本原理 ( 2 ) 研究传统红外线调制方式，为克服其缺点研究新型的液晶阔调制方式。 ( 3 ) 调试和实现本系统的传统电路 ( 4 ) 调试和实现本系统的现代电路 ( 5 ) 视频后处理的实现，进一步探索和实现其中关键的伪彩色增强显示的算 法。 ( 6 ) 逐步从硬件和软件方面完善本系统，提高其应用的灵活性。 3 天津大学硕士学位论文 第二章系统的整体结构框架 第二章系统的整体结构框架 2 1 系统的整体结构及各部分功能介绍 ：，f 号i薹f 藜孽 争u 、u 1 7 f 氲外键戋礁 介 情量楹 i 蘩箍i i 硎蛆f 介 - = 雌蟠 翳m貉) 一 u i i j _ 诅鼻后处聃块 图z l 热释电成像系统整体结构图 本系统的整体结构如上图2 - 1 所示： 液晶阀：在交变电压控制下，对红外线进行斩波调制，以利于热释电靶面的 连续摄像。 红外镜头：对入射的红外线进行光学聚焦。 热释电摄像管：其靶面在红外线的照射下，形成目标的热图像电荷图，再经 电子束对靶面电荷的扫描后，生成比较微弱的信号极电流，提供给 预放器放大。 预放器：将热释电靶输出的信号极电流进行放大，再输给编码器。 时基电路：用c p l d 产生本系统所有的时基信号，如：复合同步信号、复合 消隐信号，行场推动信号及极化等信号。 视频后处理模块：对预放器放大后的信号处理和编码，包括：温度定标，伪 彩色处理、四画面同屏显示等等。其中伪彩色处理模块是本系统的 个核心设计部分。 偏转、聚焦及辅助电压产生电路：产生场扫描、行扫描、聚焦所需的各种电 _ 天津大学硕士学位论文 第二章系统的整体结构框架 压、电流，并提供给热释电管工作时必需的阳极、阴极、栅极等电 极电压。 本底电流驱动电路：是热释电管所必需的电路，它可以给靶面及时补充正电 荷，使热释电管连续地工作。其驱动信号由c p l d 来提供。 2 2 热释电成像系统的工作机理 如图2 - 1 所示，目标物体发出红外辐射投射到红外镜头的镜面上，经过 红外镜头的光学聚焦，将红外线的能量聚集起来进入液晶阀的液晶层中。在 交变电压的控制下，液晶层内部的分子取向会随着外部电场的变化而发生改 变，而且由于液晶阀的起偏器和检偏器设为相互正交的取向，这样液晶阀就 可以完成对入射红外线的导通和关断效果，也就是完成了对入射红外线的斩 波调制，变成强度变化的红外辐射入射到热释电摄像管的靶面。 只有红外辐射的强度发生变化时，即完成对入射红外的调制的时候，才 能引起热释电摄像管靶面感应出电荷，靶面感应出电荷的多少与入射红外辐 射能量的强度成正比，这样在靶面就形成与目标物体红外辐射分布一致的感 应电荷的图像，再经过电子束的扫描，就在热释电管信号极输出微弱的视频 电流。微弱的视频电流经过预放器的放大，变成足够幅度的视频信号给视频 处理模块进行处理。 在视频处理模块完成对输入模拟视频的全电视信号编码。由于摄像管摄 取的是黑白灰度图像，因而为了增强显示目标物体的各个温度段的分布，需 要在视频处理模块完成对输入视频的伪彩色处理。伪彩色处理属于数字图像 处理的范畴，这样就必须在视频处理模块内部完成对模拟视频的数字化，并 且完成数字化后的视频的格式化，伪彩色处理可通过编写c p l d 的v h d l 语 言处理程序来实现。最后再将伪彩色信号进行全电视信号编码后送给电视进 行增强显示。 整个系统中，同步问题非常重要，同步问题解决好了，系统各功能模块 才能有条不紊地工作。同步机由时基电路来实现，时基电路要提供的信号有： 开机时靶面极化的极化驱动信号、热释电管持续工作必需的本底电流驱动信 号、热释电管正常工作所需的各电极电压的驱动信号、全电视信号编码所需 要的复合同步和复合消隐信号以及行场推动信号等等。时基电路几乎与整个 系统的每一个模块都紧密联系，因而时基电路是整个电路设计的最核心的环 节之，在本论文中我们给出两套时基电路的实现方案：传统设计方案和现 代设计方案。 本设计将对上述的模块从设计思想、电路结构和工作原理机制上进行详 天津大学硕士学位论文第= 章系统的整体结构框架 细阐述，在整个系统的开发过程中，我们设计了两套实现方案：传统的设计 方案和现代设计方案，这两套设计方案都与图2 - 1 的各部分功能模块一致， 但是这两套方案各功能模块内部其选用的芯片和实现结构上都有所不同。现 代设计方案是对传统设计方案的改进，它克服了传统方案许多难以解决的问 题，并且现代设计方案采用了复杂可编程逻辑器件，解决了系统适应性差的 问题，性能上也更加稳定。这两套方案将在以下各章节作详细介绍。 天津大学硕士学位论文 第三章 热释屯成像前端系统的基础知识 第三章热释电成像前端系统的基础知识 3 1 前端系统的构成 热释电成像的前端系统指的是热释电成像系统结构中从目标物体红外线发 出到形成视频信号之间的部分。因而结合图2 - 1 ，热释电前端系统包括红外镜头、 液晶阀和热释电摄像管这三部分。这三者组成了一套特种成像方式的系统。 前端系统是整个系统信号馈入的“门户”，信号馈入的质量影响到后面的视频 处理系统。因而前端系统显得非常重要，必须对每个环节进行深入研究，才能保 证系统后段部分的处理正常进行。 3 2 红外线特性的认识与应用 3 2 1 对红外线的认识 任何一个物体只要它的温度高于绝对零度，就有红外线向周围空间辐射。红 外线是一种人眼看不见的光线，在如图3 - 1 所示的电磁光谱中红外线位于红色光 以外，其波长范围大致在o 7 5 1 0 0 0 , u m 内，它与可见光、紫外线、x 射线、y 射线和无线电波一起，构成了整个连续的电磁波谱，其电磁辐射波谱如图3 - 1 所 刁i ： 可见光谱 = 7 8 0 h m = 3 8 0 n m 图3 一l 电磁辐射波谱 由于不同波眭的红外辐射在地球大气层中传输特性不同，通常按波长大小分 为近红外、中红外、远红外和极远红外四个波段，划分的方法大致是：近红外为 天津大学硕士学位论文 第三章 热释屯成像前端系统的基础知识 0 7 5 3pm ，中红外为3 - 6u m ，远红外为6 1 5um ，极远红外为1 5 1 0 0 0um 。 红外线具有热效应，并且红外线随着波长的增加，它的热效应就会越来越明 显。具有一般温度的物体，它所辐射的红外线主要是中远红外。例如，人体辐射 的红外线主要是波长为1 0 m 左右的中红外。 红外线在大气中传输时，由于空气的吸收和散射作用，使其能量在传输过程 中逐渐衰减。但是，大气对红外线的吸收与衰减有选择性，对不同波长的红外线 的吸收与衰减的程度有很大的差别，即大气对不同波长的红外线具有不同的透过 率。实验表明，波长在2 2 6ui 1 1 ，3 5um 和8 1 4um 的三个红外波段的吸收极 少，即对这三个波长范围内的红外时透明的，常称这三个波段为红外线的“大气 窗口”；它们分别位于近红外、中红外和远红外三个波段内。 3 2 2 红外线的特性在本系统中的应用 基于上述我们对红外线的认识，我们可以得到红外线的三大特性：不可见性、 热效应和在近红外和中远红外波段内的低衰减性。 本设计采用的热释电摄像管所能接收的红外波段是3 5 1 1m 和8 1 4 um ，即 中红外和远红外的两个波段，最主要的是8 1 4 p1 1 1 波段，即远红外波段。而如 上所述，大气对这两个波段的红外线的吸收是很少的。在我们进行的试验中，目 标距离只在几米之内，因而这段距离的红外衰减是很微小的，并且热释电靶面前 装配有红外聚焦的红外镜头，红外能量就可以更为集中的投射到热释电管的靶面 上。这就注定了摄取的红外线图像可以基本如实地反映出目标物体的红外辐射分 布情况。 由于红外线具有不可见性，而且任何物体只要高于绝对零度就可以辐射出红 外线，因而本系统的前景目标包括了利用此特性进行夜间摄物成像。这类应用中 是非常广的，比如军事目标大都在夜间行动，为了追踪军事目标的行迹，可以借 助摄取目标的红外图像来进行判断，再如警方的夜间行动追踪案犯目标等等。 红外线的热效应注定了本系统具有更为广阔的应用前景，例如：在医疗病变 位置的判断中，人体一旦某个部位发生病变，通常伴随有该部位位置的温度发生 变化，因而可以用红外热电视摄取人体的红外图像，并与正常人体的红外图像进 行对照分析，比较其异同而找出病变位置的所在。再如，可应用于电子仪器故障 的检测中，电子仪器出故障时，通常伴有局部电路的短路，从而引起功耗的增大， 因而仪器局部温度会急剧增加，通过摄取电子仪器的红外图像，可以很迅速的找 到故障的位置，将它及时检测出来。再如，在消防中，当有火灾事故发生时应急 于找出火灾的源头，可通过红外电视摄取现场周围环境的热辐射图像，迅速找出 火灾源而及时抑制灾情。 天津大学硕士学位论文第三章热释电成像前端系统的基础知识 3 3 热释电摄像管( p y r o e l e c t r i cv i d i c o n ) 3 3 1 热释电摄像管的结构 热释电摄像管的结构图如图3 - 2 所示： 图3 2热释电摄像管的结构图 本设计的摄像管为广州飒特公司生产的i 1 f 1 4 9 2 3 型热释电摄像管，它的靶 面材料为氘化的硫酸三甘肽( 即d t g s ) ，各部分结构功能如下： 1 热释电管的各个电极，在这里馈入热释电管正常工作所需的各个电压。它 的右侧剖面如图3 3 所示： 8 灯丝 第二 第一刚极( 4 空 制极) 图3 3热释电管侧面电极分而嘲 各个电极的正常工作所需的电压的数值和实现在后面的的电路分析 中将会详细阐述。 2 阴极。如图3 - 2 所示，在阴极馈入负的电压。灯丝灼烧发热释放出带负电 荷的电子束，在阴极负电压的推斥下发射出去。电子束扫描在靶面 上分为正程期和逆程期( 即消隐期) ，在这两个期间阴极所馈入的电 天津大学硕士学位论文第三章 热释电成像前端系统的基础知识 压是不同的。 3 栅极。如图3 2 所示，在调制栅极馈入相对于比阴极低点的电压，所以电 子束在阴极发出到达栅极这一段是减速的。通过改变调制栅极电压 的数值，可对从栅极发出的电子束的速度起一个调节作用。同样， 相应于阴极，在电子束扫描的正程期和逆程期，对栅极也要馈入不 同的电压。 4 一加速阳极。如图3 2 所示，这里包括第一加速阳极和第二加速阳极。在这 两个阳极上馈入很高的正向电压。在高正向电压的吸引下，强烈吸 引从栅极射出的带负电荷的电子束，使电子束获得足够高的速度和 能量最后打到热释电靶面上。 5 偏转线圈。如图3 2 所示，包括行偏转线圈和场偏转线圈。给行偏转线圈 和场偏转线圈通入一定的锯齿波电流，在热释电管的内部形成一定 强度的垂直和水平方向的电场。从而完成电子束在靶面的水平和垂 直方向的扫描。 江聚焦线圈。如图3 2 所示，给聚焦线圈通以一定的直流电流。这是因为电 子束经加速和偏转后，在热释电管的内部会散开，必须对这些散开 的电子束进行聚焦。从而在靶面上得到清晰的电荷分布图。 所以从上可以看出本热释电管的偏转和聚焦线圈都处在管子的 外部，是磁聚焦，磁偏转的。 7网格。也称网电极。如图3 2 所示，给网格馈以很高的电压，而且网格呈 网状结构，这种结构有利于吸引高速发射过来的电子。使之更好地 打在靶面上。 卜电子束。 9靶面。它是直径为2 c m ，厚1 5 2 0 l am 的薄圆片。靶面材料为氘化的硫酸三 甘肽( 即d t g s ) ，红外辐射投射到靶面时，会引起靶面单元温度的 改变，而感应出感应电荷，形成目标红外辐射相对应的靶面电荷图。 经过电子束扫描后，这些电荷通过外部负载电路通过靶面引出的信 号极以视频电流的形式输出。 1 0 信号极。信号极从热释电管的靶面引出，微弱的视频信号从这里输出。 3 3 2 热释电摄像管与光电导摄像管的异同点 光电导摄像管( 即视像管) 是在电视系统中应用最广泛的摄像器件，其具 体内容可参考电视原理第五版( 国防1 ：业出版社，俞斯乐，李文元等编著) 第4 5 ，4 6 页关于视像管的介绍，这里限于篇幅，不再重复。 天津大学硕士学位论文 第三章 热释屯成像前端系统的基础知识 通过对比研究，本文作者将热释电摄像管与光电导的异同点做如下表述： 3 3 2 1 相同点 ( 1 ) 两类管子在结构和形状上大体都是一样的，与图3 2 所示的结构图基本是 一致的。从电子束打出到靶面成像，都历经了灯丝、阴极、调制栅极、加 速阳极、偏转聚焦线圈、网格、靶面等部件，并且视频电流都从靠近靶面 的外层的具有良好导电性能的信号板引出的信号极输出。 ( 2 ) 两类管子都是在靶面形成了分布电荷后，通过电子束扫描而形成视频电 流输出。 ( 3 ) 电子束扫描都是采用常规的电视扫描制式。 3 3 2 2 异同点 尽管粗略从外型结构看来，热释电管和光电导摄像管大体是相似的，尽管 如此，比较两者的不同，现总结如下： ( 1 ) 靶面材料不同：在结构上，这是两者的根本区别。 光电导摄像管的靶面为光电导层，它由蒸镀在信号板上的一层具有那 光电效应的半导体光电材料所构成，最常用的是三硫化锑( s b 2 s 3 ) 。这类材 料具有内光电效应，它在无光照射时具有很高的电阻值( 1 0 1 2o 以上) ，当 受光照射时便发出光电子，并变成参加内部导电的自由电子，从而降低了 材料上的电阻率，其电阻率变化量与光通量呈正比。这种电阻率的变化只 体现在光电靶面的深度方向上，而并不沿横向扩散，所以靶面可以被具有 一定截面积的扫描电子束分解成无数独立的单元像素。每个像素都可等效 成电阻r 和电容c 的并联。当由受外部目标的光线照射的时候，靶上各部 分的电阻率会发生很大的变化( 如图3 4 所示) ，并且随着各部分照射 埽。p 昌岳母一 尸j 上j 石 1 1 1 枉 图3 4 光电导摄像管的靶面视频成像示意图 亮度的不同，其对应的靶像素的电导率的变化程度也不同。与光像较亮的 的部分的靶像素的电导较大：与光像较暗部分对应的靶像素的电导较小， 当电子束在电子束扫描到该像素的瞬间，这一像素就与电源v t 和阴极形成 通路，于是电容就被充电，左极板电位上升到+ e ，而右极板为阴极电位。 充电电流流过负载r l 形成电信号输出。照度较大的像素，其电导值较大， 天津大学硕十学位论文 第三章 热释电成像前端系统的基础知识 放电较快，其输出电流也大，反之就小。当电子束扫描完该像素时，电容 通过电阻放电。 而热释电管靶面专为接收红外辐射而设计，它用锗傲透红外窗口，并 涂有8 1 4 um 波段的抗反射涂层( 其靶面结构如图3 5 所示，为了清晰地 表示，对靶面做了局部放大) 。另外，用热释电材料作敏感层即靶面，在其 靶环 锗 卜_- - - - l i - - 叵 图3 _ 5热释电靶面层次图 靠近面板这一侧，有一层透明导电信号板，它通过靶环与外电路相连。本 设计所用的热释电材料是氘化硫酸三甘肽( d t g s ) ，具有这种材料的靶面 的灵敏度高，但每次使用都必须极化，且靶面温度不能高于材料的居里点 ( 7 0 。c ) 。 ( 2 ) 成像原理不同。 如上所述，光电导摄像管是光电转换的部件，它基于内光电效应的 原理而工作的。 而热释电摄像管是基于热释电靶的热释电效应原理工作的。所谓热 释电效应，是指加热或冷却某种沿其极化轴方向可自发极化的晶体时， 由于极化程度与温度有关。所以在晶体薄片垂直极化轴的表面，就会产 生电荷积累，这种电荷的积累与温度变化而引起的极化改变成正比。 ( 3 ) 对信号输入的要求不同 光电导摄像管是将输入的光学辐射图像变换为电信号，光信号可以 不经过变换装置直接射入靶面而感应出电荷。 而热释电摄像管的电荷积累是由于温度变化而引起的表面晶体的极 化改变引起的。所以只有当入射的红外辐射为变化的热辐射时，i 能引 起靶面的温度变化而感应出电荷。因而如果入射的是恒定的红外辐射的 时候，是无法在靶面感应出电荷的。因而通常要在热释电靶面前装置有 变换装置，即对入射的红外信号进行调制，才能使热释电管正常工作。 ( 4 ) 工作过程不同 光电导摄像管只要给定管子各个电极的正常工作电压，靶面在光信号 的照射下，各像素点的电导就发生变化，经过电予束扫描，信号极就可以 天津人学硕士学位论文 第三章 热释电成像前端系统的摹础知识 有视频电流输出。而且在电子束扫描过像素点后，等效电容就立即放电， 不存在靶面电荷的积累问题。 而热释电管的工作过程与光电导摄像管有很大的不同。 ( a ) 首先，在靶面正常工作前，要对热释电靶面进行极化，这样靶面 材料的偶极子便会处于规则的排列状态，从而使靶面晶体的极化 能正常地感应温度变化，关于热释电靶面的极化的问题，后面会 作详细阐述。 ( b ) 其次，在热释电管正常工作的过程中，要给靶面及时地补充正电 荷。这是因为由靶面晶体极化而产生的电荷是可正可负的，其正 负由入射辐射使靶面升温还是降温决定。而扫描电子束只有带负 电荷的电子，这样对靶面上的负电荷图像就不能进行中和，因而 无法产生读出电荷图像的信号，使得靶面带负电荷而低于阴极电 位。结果将阻止电子束在靶面上继续扫描，而使管子实际上处于 截止状态，为此，在电子束每次离开靶之后，必须给靶充正电， 否则电子束将无法再上靶取出电信号。这种在热释电靶面上产生 的正电荷即称本底电流。这是与光电导管不同的，因为光电导管 每次电子束离开靶面像素后，有像素等效电容对感应电荷进行放 电。不存在热释电靶的电荷积累问题。本底电流的产生是维持热 释电管靶产生的一个很重要的问题。 3 3 3 热释电效应 为了探讨热释电管对入射红外的成像原理，有必要研究热释电靶面材料的热 释电效应。 3 3 3 1 热释电效应概述 热释电效应是少数介电晶体所特有的一种性质。这种效应表述为：晶体在没 有外接电场和应力的情况下，它有自发的或永久的极化强度。而且这种电极化强 度随晶体本身温度的变化而变化。当温度降低时电极化强度升高，当温度升高时 电极化强度降低。使电极化强度降低到零时的温度称为居里温度。 3 3 3 2 热释电效应的机理 热释电效应产生的原因是：在没有外电场作用时，介电晶体的单个晶胞中正 电荷的分布中心与负电荷的分稚重心不重合，即电矩不为零而形成电偶极子。当 相邻的晶胞的电偶极子平行排列时，晶体将表现出宏观的电极化方向。 在交变的外电场作用下还会出现电滞回线。电滞回线规律如图3 - - 6 所示： 天津大学硕士学位论文第三章热释电成像前端系统的基础知识 图中e c 称为矫顽场强即当e = e c 时，极化晶体的电极化强度为零。 e c 称为矫顽场强即当e = e c 时，极化晶 体的电极化强度为零。如图3 - 6 所示， 当晶体极化强度达到p t 时候，即使将所 加电场的强度减少到e c 后，其极化强度 也保持不变。 因而具有热释电效应的晶体在外电 场的作用下，内部电偶极子会受电场作 用而使偶极矩趋于一致。当外电场减弱 时，偶极矩的宏观一致性仍被保持，产 生较强的电极化强度p t 。 。p 极化强度 。 ，、 p t i 广 卜皂塌搬 j 图3 6 热释电材料的电滞回线 根据热效应原理，热释电管在j 下常工作前需要对靶面的晶体进行极化，使内 部电偶极矩趋于一致。撤出外加的极化电场后，电极化强度不变，于是热释电管 进入正常的工作阶段。 3 3 4 热释电管本底电流产生 如前所述，产生本底电流是热释电管持续正常工作的必要条件，产生本底 电流的问题也就是用什么方法在电子束每次离开靶后，给靶面补充正电荷的问 题。按照热释电管内部结构不同，产生本底电流的方法分为两种： 3 3 4 1 摄像管内充气法 预先在热释电摄像管内充入氦或氩等惰性气体( 这时候管子叫做软管) ，电 子束高速通过网格与靶之间的空间使气体分子产生电离。所产生的正离子在网靶 间电场作用下落在靶上，形成本底电荷，其平均本底电荷与惰性气体的压强成正 比。 采用充气法的优点是：产生的本底电荷分布均匀，而且不需外加控制电路， 用普通电子枪即可。缺点是：因受充气压强限制产生的本底电流不大；电子枪阴 极与加速极间产生的正离子将轰击电子枪阴极而减少其寿命；靶面受正离子的轰 击也会影响寿命；扫描电子束与气体分子碰撞产生散焦会降低摄像的分辩力；扫 描电子束受离子流的调制增加了噪声。由于该法的缺点较多，目前很少被采用。 3 3 4 2 二次电子发射法 ( 1 ) 二次电子发射法的概念 这种本底电流产生方法要求把管子内部抽成真空( 这时候管子叫做硬 管) 。它通过在行扫描的逆程期间加大上靶电子束的能量，以高速轰击热释r 乜 天津大学硕士学位论文 第三章热释电成像前端系统的基础知识 靶面，产生二次电子发射，即用少量的能量高的电子把靶面上更多的能量低 的电子打击出去，于是在靶面上形成正电荷，这种方法成为二次发射本底法。 ( 2 ) 二次电子发射期间的选定和实现 电子束扫描分为正程期和逆程期。为实现靶面的二次电子发射，要求不 但满足二次电子发射期间加大发射电子束的能量，而且要求在电子束正程扫 描时候能够正常读取靶面形成的电荷分布图。所以，若补充靶面的正电荷的 期间选在行扫描的正程期间，那么这时由于靶面被打击出来的电子大于打击 在靶面的电子，这使得无法实现通过对靶面的电子束扫描来读取靶面形成的 电荷分布图。因而只有在把二次电子发射时间选择在行扫描的逆程期间( 即 行消隐期) ，这样在行消隐期间产生二次电子发射，补充靶面的正电荷，而在 行正程期间停止二次电子发射变为对靶面电荷的正常扫描，从而使得热释电 管可以长久稳定持久工作。二次电子发射法具有灵敏度高、使用寿命长、噪 声低、图像底色均匀等优点，但摄像机必须增加附加电路。 一般传统的光电管是在行消隐期把栅极电压调整到非常低，即阴极和栅 极的电位差调得非常大，使得电子柬从阴极发出到栅极就被截止，从而栅极 无法发射电子。而热释电管为了实现加大电子束在消隐期间的能量，就必须 控制阴栅极电压差的裕度，适度把栅极电压调低就够了，这样就能保证电子 束从栅极发出去的能量，就可以实现靶面的二次电子发射了。为了保证热释 电能够持续正常地工作，就必须保证足够大的本底电流，即要求阴极电位在 行消隐期间降到足够低，这样就可以高速打击阴极发出的电子。对产生本底 电流时的栅极和阴极脉冲的要求如图3 7 所示： n v阴极味冲 0 2 v 9 0 v 一1 4 6 v 冲 图3 7 产生本底电流的栅极和阴极脉冲波形囤 上图把电子束扫描的正程和逆程期间阴极和栅极的电位关系和占空比关 系形象地描述出来了。从上图可以看出，为了保证逆程期间，电子束能够加 大能量的发出，要求阴极电位迅速降低，而且栅极电位也随之迅速降低，为 天津大学硕士学位论文 第三章热释电成像前端系统的基础知识 了在时间上保证阴栅极存在电位差，从以上波形可以发现，在行扫描的逆程 期栅极脉冲必须把阴极脉冲“包”起来。 另外，在时问上，阴栅极电位下降的持续时间不能过多地超过我国p a l 制式规定的行消隐时问1 2 ps ，行周期要求与我国p a l 制式规定的6 4 ug 基 本一致。实际允许存在如上图所示的误差范围。 上述提出了热释电管的产生本底电流的要求，具体怎样电路实现见后面 的章节。 3 4 热释电靶面的极化问题 3 4 1 极化的定义 由于靶面使用的热释电材料是氘化硫酸三甘肽( d t g s ) ，在每次使用之前， 如果不对热释电靶面进行处理，靶面材料的偶极子便处于不规则的排列状态， 其热释电效应也不明显，所以不能正常工作。如果事先在不同的阶段对热释电 靶面加上不同的直流电场，在电场作用下，使得靶面材料的偶极子排列整齐， 靶面的单元晶体便处于规则的自发电极化的状态，这时电极化的极轴方向垂直 于靶面，从而使热释电管具有正常的工作能力，这个操作即称极化，也称单畴 化。因而为了保证靶面的热效应的灵敏度，必须在每次使用管子前对热释电靶 面进行极化，从而可以保证摄像过程中图像信号形成的效果。 3 4 2 极化的电场实现机理 如上所述，极化操作是通过在热释电管正常工作前的不同阶段施加不同的 电场来完成的。 3 4 2 1 在信号极电压可以改变的条件下的极化过程的实现方案 为了热释电摄像管进行极化处理，其工作过程可分为四个步骤，如图3 7 的( a ) 、( b ) 、( c ) 、( d ) 所示。下面具体说明这四个步骤，图中的v ；是热释电 靶的信号电极电位；v m 是电子枪场网电极的电位；v 是热释电靶电子束扫描电 位。 将靶的信号电极电位v 。升到1 2 0 v ，由电子枪发射电子束扫描靶面。由于 到达靶面的电子具有1 2 0 e v 的能量，靶面将产生二次电子发射。因为此时二次电 子发射系数大于1 ，所以靶面将损失负电荷而使靶面电位升高。当电位升高到与 场网电极电位( 2 2 0 v ) 相等时，便不再升高。这是因为靶面发射的二次电子已不 能为网格收集而被排斥到靶面上所致。此时靶的电子束扫描靶面将稳定在网格电 极的电位( 2 2 0 v ) 上。由于热释电靶是绝缘体，而两个表面的电位又分别为2 2 0 v 和1 2 0 v ，其电压差为1 0 0 v ，所以晶体内将产生电场强度。该电场力将使体内的电 天津大学硕士学位论文 第三章 热释电成像前端系统的基础知识 偶极矩方向趋于一致，形成宏观的自发电极化强度。这一过程大约需要1 分钟。 其结果在靶的电子束扫描面产生束缚的负电荷。如图3 - - 8 的( a ) 所示。 将靶的信号电极电位v 。缓慢升 到2 1 0 v 。同时电子束继续扫描靶面， v c = 2 z o v ，v s = 1 2 0 vv m , = 2 2 0 v ，v s = 2 1o v 保持靶面扫描面电位为2 2 0 v 。这时靶 ：f 习超器 、f 习 的两个表面间电位差下降为1 0 v ，根电子席j | 二+ 4 - i电于束i 。j 二：l 据前面介绍热释电效应时的晶体极p i ：i f j ij 卜彗盖撅 化存在的电滞回线的特性，这时相当 ( 。) il 一( 。) 罔牿ii 二_ 于把外加电场降低( 电子束扫描靶面 。 和信号极的电压差从1 0 0 v 降到l o v ) ， y x = 2 2 0 v h = *v x = z 2 0 v ，v s = o v 即场强降到矫顽场强e c 附近，而根：r + l：r + l 据电滞特性，其晶体极化强度不变， ：l 二l电子柬：| - i i 经过一段时间后，使热释电靶的电极：l 一+ l：i 一+ i 化稳定。如图3 8 的( b ) 所示。：i 一十l ( ：l 一+ l 停止电子束扫描，并将靶面的 图s - s 热释电靶面单畴化过程示意图 信号电极电位v 。迅速降到o v 。这时， 在绝缘的热释电靶的静电平衡作用下，两个表面问电位差仍然保持l o v ，所以靶 的电子束扫描面电位将变为i o v ，如图3 8 的( c ) 所示。 重新由电子束扫描靶面。这时由于靶面的电位只有l o v ，上靶电子的能量 较低，二次电子发射系数小于1 ，所以电子将沉积在靶面上，直至靶的扫描电位 下降到0 v 为止。这样就完成了热释电靶极化的处理。如图3 8 的( d ) 所示。 从上述的过程中可以发现，在极化的四个过程中，要时不时地改变信号极的 电压( 也称靶压) ，在各个步骤中，同时还要改变网格电压，引起所吸收的电子 柬的能量得到不同的加速，使电子束的能量发生变化。 上述是传统的热释电管靶面的极化方法，而我们实际应用的热释电管，信号 极电压( 也称靶压) 是不可以改变的，固定为一1 5 v 。但是热释电管如果不经过 极化是不能工作，因而我们必须研究另一套方案，使之在不改变信号极电压