红外传成像资料.ppt

基于长波红外成像的安防技术研究 红外成像的定义 红外线是电磁波谱的一个部分 根据普朗克辐射定理 凡是绝对温度大于零度的物体都能辐射电磁能 物体的辐射强度与温度及表面的辐射能力有关 辐射的光谱分布则与物体温度密切相关 在电磁波谱中 我们把人眼可直接感知的0 4 0 75微米波段称为可见光波段 而把波长从0 75至1000微米的电磁波称为红外波段 红外波段的短波端与可见光红光相邻 长波端与微波相接 红外线可分为三部分 即近红外线 波长为0 75 1 50 m之间 中红外线 波长为1 50 6 0 m之间 远红外线 波长为6 0 l000 m之间 与可见光成像类似 利用红外波段的光线进行成像的技术为红外成像技术 红外技术的起源 威廉姆 赫胥尔是一位天文学家 他于1800年发现了红外线 他制作了自己的望远镜 因而他对于各种镜头和镜面非常熟悉 由于太阳光是由各种颜色的光谱组成 并且是一种热量来源 赫胥尔想了解哪一种颜色的光是产生热量的原因 他设计了一个巧妙的实验 他将直射的太阳光穿过一个玻璃棱镜 生成光谱 然后用温度计测量每种颜色的温度 赫胥尔发现从紫色到红色的光谱波段 温度会逐渐升高 而且在红色光谱以上的区域竟然是所有光谱中温度最高的一部分 这部分区域由于其热量辐射 是无法被人类肉眼探测到的 属于不可见光区域 赫胥尔将这种不可见辐射命名为 发热的射线 现在我们将其称之为红外辐射 红外成像技术的发展 第一代 热成像技术的发展始于上世纪50年代 起初只能研制出基于单元器件的热像仪 场频较低 只限于小范围应用 直到20世纪70年代中长波碲镉汞 MCT 材料与光导型多元线列器件工艺成熟之后 热像仪才开始大量生产并装备军队 热像仪的种类繁多 可大致分为二类 一类是通用组件化的热像仪 另一类是按特殊要求设计的热像仪 美国发展的是60元 120元与180元光导线列器件并扫的通用组件化热成像体制 它们的帧频与电视兼容 也是隔行扫描制 每场只有60行 120行和180行 并分别由同步扫描的60元 120元和180元发光二极管对应地显示每帧的图像 在欧洲 以英国的热像仪为代表采用了串并扫体制 它以扫积型光导MCT探测器为基础构成了英国的第二类通用组件热像仪 这是一种完全电视兼容 分辨率与普通电视相同的热像仪 不论串扫 并扫或串并扫体制的热像仪都需要光机扫描 因此 此类热像仪统称为第一代热像仪 第二代 不用光机扫描而用红外焦平面阵列 IRFPA 器件成像的热像仪 由于去掉了光机扫描 这种用大规模焦平面成像的传感器被称为凝视传感器 它的体积小 重量轻 可靠性高 在俯仰方向可有数百元以上的探测器阵列 可得到更大张角的视场 还可采用特殊的扫描机构 用比通用热像仪慢得多的扫描速度完成360度全方位扫描以保持高灵敏度 这类器件主要包括InSbIRFPA HgCdTeIRFPA SBDFPA 非制冷IRFPA和多量子阱IRFPA等 此类热像仪被称为第二代热像仪 第三代 第三代红外热像技术采用的红外焦平面探测器单元数已达到320 x240元或更高 即105 106 其性能提高了近3个数量级 目前 3 m 5 m焦平面探测器的单元灵敏度又比8 m 14 m探测器高2 3倍左右 因而 基于320 x240元的中波与长波热像仪的总体性能指标相差不大 所以3 m 5 m焦平面探测器在第三代焦平面热成像技术中格外的重要 从长远看 高量子效率 高灵敏度 覆盖中波和长波的HgCdTe焦平面探测器仍是焦平面器件发展的首选 红外系统的组成及原理 红外系统一般由红外光学系统 红外探测器 信号放大和处理 显示记录系统等组成 红外光学系统把目标的红外辐射集聚到红外探测器上 并以光谱和空间滤波方式抑制背景干扰 红外探测器将集聚的辐射能转换成电信号 微弱的电信号经放大和处理后 输送给控制和跟踪执行机构或送往显示记录装置 红外光学系统的结构 一般可分为反射式 折射式和折反射式三种 后两种结构需采用具有良好红外光学性能的材料 红外探测器一般有光子探测器 热释电探测器 热敏探测器 电荷耦合器件和红外电真空器件等 有些探测器要在低温下工作 需采用致冷器 致冷器有辐射致冷器 热电致冷器和冷冻剂致冷器等 采用何种致冷器 需视系统结构 所用探测器类型和使用环境而定 置于红外探测器前的光学调制器 将目标辐射进行调制编码 以便从背景中提取目标信号或目标的空间位置信息 前置放大器将探测器输出的微弱信号进行初级放大 并给探测器提供合适的偏置条件 它的噪声指数很低 从而使探测器的噪声有可能成为系统的极限噪声 信号处理系统把前置放大器输出的信号进一步放大和处理 从信号中提取控制装置或显示记录设备所需的信息 一般非成像系统视目标为点辐射源 相应的信号处理 显示记录系统比较简单 红外成像系统 通常需将目标红外辐射转换成黑白照片和假彩色照片或电视图像 这种图像不象可见光照相机所得的图像那样直观 它反映的是目标的辐射温度分布 红外成像系统的主要参数 1 f 数 f 数是光学系统相对孔径的倒数 设光学系统的相对孔径为A D f D为通常孔径 f为焦距 1A f D 则数f D是表示系统的集中f为通光孔径的多少倍 2 视场 视场是光学系统视场角的简称 它表示能够在光学系统像平面视场光阑内成像的空间范围 当目标位于以光轴为轴线 顶角为视场角的圆锥内的任一点 在一定距离内 时能被光学系统发现 即成像于光学系统像平面的视场光阑内 即使物体能在热像仪 热成像仪或红外热成像仪 中成像的物空间的最大张角叫做视场 一般是ao o的矩形视场 3 光谱响应 红外探测器对各个波长的入射辐射的响应称为光谱响应 一般的光电探测器均为选择性探测器 4 空间分辨率 应用热像仪 热成像仪或红外热成像仪 观测时 热像仪 热成像仪或红外热成像仪 对目标空间形状的分辨能力 本行业中通常以mrad 毫弧度 的大小来表示 mrad的值越小 表明其分辨率越高 弧度值乘以半径约等于弦长 即目标的直径 5 温度分辨率 可以简单定义为仪器或使观察者能从背景中精确地分辨出目标辐射的最小温度 T 民用热成像产品通常使用NETD来表述该性能指标 6 最小可分辨 温差分辨灵敏度和系统空间分辨率的参数 而且是以与观察者本身有关的主观评价参数 它的定义为 在使用标准的周期性测试卡 即高宽比为7 1的4带条图情况下 观察人员可以分辨的最小目标 背景温差 上述观察过程中 观察时间 系统增益 信号电平值等可以不受限制时调整在最佳状态 7 帧频 帧频是热像仪 热成像仪或红外热成像仪 每秒种产生完整图像的画面数 单位为Hz 一般电视帧频为25Hz 根据热像仪 热成像仪或红外热成像仪 的帧频可分为快扫描和慢扫描两大类 电力系统所用的设备一般采用快扫描热像仪 热成像仪或红外热成像仪 帧频20Hz以上 否则就会带来一些工作不便 8 探测识别和辨认距离探测 识别和辨认距离 这些是使用者很关心的性能指标 为每个使用者自身素质和仪器给出的图像质量的差异以及严格定义的困难 探测性能是一个多种因素的复杂函数 这里只给出大致形象的定义 探测距离是能将目标与背景及一些引起注意的目标清晰分别开来的最大临界 识别距离是将探测的目标能大致分出种类的距离 如果车辆还是舰船 辨认距离是在分别出种类的基础上的细分 如车辆是坦克还是汽车 9 显示记录方式 显示记录方式是指视监控器或液晶显示或发光二极管显示 显示记录方磁带录像启示 软驱存盘或PC卡记录 电子存储器记录 输出接口 打印类型或照料像等 目前较为先进的是PC卡存储和电子存储 红外成像的特点 1 大气 烟云等吸收可见光和近红外线 但是对3 5微米和8 14微米的热红外线却是透明的 因此 这两个波段被称为热红外线的 大气窗口 利用这两个窗口 可以使人们在完全无光的夜晚 或是在烟云密布的战场 清晰地观察到前方的情况 正是由于这个特点 热红外成像技术军事上提供了先进的夜视装备并为飞机 舰艇和坦克装上了全天候前视系统 这些系统在海湾战争中发挥了非常重要的作用 2 物体的热辐射能量的大小 直接和物体表面的温度相关 热辐射的这个特点使人们可以利用它来对物体进行无接触温度测量和热状态分析 从而为工业生产 节约能源 保护环境等等方面提供了一个重要的检测手段和诊断工具 红外成像技术的应用 军事 红外夜视50年代前期所用的红外夜视设备 都是主动式红外夜视仪 一般采用红外变像管作接收器 工作波段在1微米左右 在夜间可看见100米处的人 1公里内的坦克 车辆和10公里远的舰船 现代红外夜视设备主要有红外热像仪 亦称红外前视系统 红外电视和改进的主动红外夜视仪等 其中红外热像仪是具有代表性的红外夜视装置 美国于60年代后期研制的一种光机扫描式红外成像系统 为飞机夜航和在恶劣气象条件下的飞行提供观察手段 工作在8 12微米波段 一般采用碲镉汞光子探测器接收 液氮致冷 它的战术技术性能 比主动式红外夜视仪提高了一个数量级 夜间可观察到1公里处的人 5 10公里远的坦克和车辆 视距内的舰船 这种红外热像仪几经改进 到80年代初 许多国家已出现标准化 组件化系统 设计者可按要求选用不同的组件 组装所需的红外热像仪 为军队提供了一种简便 经济 互换性好的夜视装备 红外夜视设备已广泛应用于陆 海 空三军 如用作坦克 车辆 飞机 舰船等的夜间驾驶用观察设备 轻武器的夜瞄仪 战术导弹和火炮的火控系统 战场前沿的监视和观察设备 以及单兵侦察设备等 今后将发展用凝视型焦面阵列组成的热成像系统 它的战术技术性能将进一步提高 红外制导50年代中期 美 英 法等国相继研制成功 响尾蛇 火光 和 马特拉 等第一代红外制导的空空战术导弹 导弹的红外导引头采用非致冷硫化铅探测器 工作波段1 3微米 它只能对敌机作尾追攻击 易受阳光干扰 随着红外技术的发展 红外制导系统日益完善 60年代以后 在三个大气窗口都相继有了可供实用的红外系统 攻击方式从尾追发展到全向攻击 制导方式也有了全红外制导 点源制导和成像制导 和复合制导 红外 电视 红外 无线电指令 红外 雷达 红外点源制导系统已广泛应用于空空 地空 岸舰和舰舰导弹等数十种战术导弹上 预计到90年代初 点源制导系统仍将是上述战术导弹的主要制导方式之一 红外成像制导系统的研制工作始于70年代中期 它比红外点源制导系统提供的信息丰富 具有更强的识别能力和更高的制导精度 80年代初 已在 小牛 空地导弹上使用 随着焦面阵列器件的研制成功 红外成像制导系统将进一步提高识别能力 并使导弹具有自主攻击能力 红外侦察用于地 水 面 空中和空间的红外侦察设备 有红外照相机 红外扫描仪 红外望远镜 红外热像仪和主动式红外成像系统等 地面红外侦察设备主要是红外热像仪和主动式红外夜视仪 潜艇使用的红外潜望镜 已具有伸出水面迅速扫描一周 收回后再显示观察的功能 水面舰船可借助红外探测跟踪系统 监视敌方飞机和舰船的入侵 80年代初多数采用点源探测系统 迎头探测飞机的距离为20公里 尾追约100公里 观测主动段战略导弹的距离大于1000公里 红外跟踪头与电影经纬仪和激光雷达配合 还可用于靶场测量 第二次世界大战中 军用侦察机采用红外假彩色照相取得了明显的侦察效果 但红外胶片仅能敏感0 9微米以下的红外辐射 且保存困难 60年代以来 机载红外侦察设备主要采用红外扫描照相机 以后又采用热像仪 红外扫描照相机是一种将目标和背景的图像通过光机扫描 光电 电光转换后 使其照在可见光胶片上成像的设备 60年代 这类设备的角分辨率仅为0 5毫弧度 即在1000米高空可区分开0 5米的间距 现代红外扫描照相机的分辨率已提高一个数量级 红外对抗应用红外对抗技术可使对方红外探测和识别系统的功能大大下降 甚至不起作用 对抗措施可归结为规避和欺骗两类 规避是利用伪装器材 将军事设施 武器装备等隐蔽起来 使对方探测不到己方的红外辐射源 伪装器材主要有红外伪装网和防红外涂料 80年代初期 它们仅能在1 3微米波段起作用 可对付某些红外照相机和扫描仪 但对红外热像仪却无能为力 欺骗是用与自身红外辐射波长相似但更强烈的辐射源 诱开对方的红外探测系统 这种主动对抗装置有红外诱饵和干扰机 前者如曳光弹 燃油箱等 后者是一种加调制的强红外源 它们多装在飞机和军舰上 用以引开来袭的红外制导导弹 这种主动对抗装置 直到80年代中期还难以对付在8 12微米波段工作的红外系统 对抵消红外对抗技术的作用 现代红外系统又采取了反对抗措施 如采用双色技术和多模跟踪技术等 此外 红外技术在军事上还可用于通信 报警 毒气监测 弹药引爆和区域警戒等方面 民用 电力行业的应用在隔离开关中的应用在多油断路器中的应用在耦合电容器中的应用在电抗器高压套管中的应用在高压电缆中的应用 公安缉私夜间以及恶劣气候条件下目标的监控伪装及隐蔽目标的识别夜间以及恶劣气候条件下的治安巡逻重点部门 建筑 仓库的保安 防火监控消防灭火现场指挥与人员拯救电气火灾的预防 医学乳腺瘤的早期诊断血管疾病的诊断皮肤损伤病症的诊断各种炎症的诊断针灸原理和经络现象的研究 工业应用对建筑物的检测监测森林火灾粮食火灾的探测蒸气阀的检查 极地动物的识别对轮胎的检测监视液化气体泄漏制冷设备中的应用 在钢铁 石化等重工业有着广泛的应用 红外在安防的应用 外热成像仪因其有的特点功能 已广泛应用于安全防范系统中 成为安全监控系统中的明星 红外热成像仪具有隐蔽式探测功能 它不需要可见光 可以使犯罪份子不知其工作地点和存在 因而产生错误判断 导致犯罪行为被揭 夜间及恶劣气候条件下目标的监控夜晚 由于众所周知的原因 可见光器材已经不能正常工作 如果采用人工照明的手段 则容易暴露目标 若采用微光夜视设备 它同样也工作在可见光波段 依然需要外界光照明 而红外热成像仪是被动接受目标自身的红外热辐射 无论白天黑夜均可以正常工作 并且也不会暴露自己 同样在雨 雾等恶劣的气候条件下 由于可见光的波长短 克服障碍的能力差 因而观测效果差 但红外线的波长较长 特别是工作在8 14um的热成像仪 穿透雨 雾的能力较高 因此仍可以正常观测目标 因此在夜间以及恶劣气候条件 采用红外热成像监控设备可以对各种目标 如人员 车辆等进行监控 防火监控由于红外热成像仪是反映物体表面温度而成像的设备 因此除了夜间可以作为现场监控使用外 还可以作为有效防火报警设备 在大面积的森林中 火灾往往是由不明显的隐火引发的 这是毁灭性火灾的根源 用现有的普通方法 很难发现这种隐性火灾苗头 而应用红外热成像仪可以快速有效地发现这些隐火 并且可以准确判定火灾的地点和范围 透过烟雾发现着火点 做到早知道早预防 早扑灭 伪装及隐蔽目标的识别普通的伪装是以防可见光观测为主 一般犯罪分子作案通常隐蔽在草丛及树林中 由于野外环境的恶劣及人的视觉错觉 容易产生错误判断 红外热成像装置是被动接受目标自身的热辐射 人体和车辆的温度及红外辐射一般都远大于草木的温度及红外辐射 因此不易伪装 也不容易产生错误判断 在一些非常重要的单位 例如 重要的行政中心 银行的金库 机要室 军事要地 监狱等地 特别使用于这种红外热成像仪 它可以24小时处于运行状态 并随时对背景资料进行分析 一旦发生变化 可以及时发出警报 并可以通过智能设备的处理 自动对有关情况进行处理 并随时将情况上报 取得进一步的处理意见 红外热成像仪可以探测到波长较短的红外线 因而可以远距离进行观察 特别适用于风雨天气 据香港 东方日报 报道 香港警方在某一边境地区放置了五套红外热成像仪 在试用过程中 成功地破获了多起非法入境者案件 效率大大高于原来用人工巡查 因而香港警方计划 今年再购进新的系统 以加强防止非法移民案件 在海岸边 用红外热成像仪 可以迅速地跟踪来往地船只 现在海边走私 常常利用 大飞 来进行 这些 大飞 无灯光 马力大 机动性强 往往容易摆脱我方缉私人员和边防人员地追踪 有了红外热成像仪 可以远距离跟踪这些 大飞 就是在雷达地死角 这个系统也可正常运行 特别在黑夜和恶劣的天气下 均可充分发挥其良好的特点 红外热成像仪 可以应用在生活小区的周界防范 重要地区的周界防范 可以达到一般监视系统不易达到的效果 众所周知 小区的防范主要严防罪犯进入 一般的监视系统 安装时容易产生死角 不利于全面控制监控面 再一点就是容易受干扰 比如小动物入侵等 安装红外热成像仪 可以克服以上二种缺点 减少误报 在我国 随着城市交通的扩大 各种高速公路和铁路的延