红外成像技术.ppt

课堂报告 红外成像技术 电磁波频谱 红外成像技术 主动红外成像系统被动红外成像系统 系统组成及工作原理 光学系统 红外变像管 红外探照灯 目标 高压电源 工作原理 红外探照灯发出的红外辐射照射前方目标 由光学系统的物镜接受被目标反射回来的红外辐射 并在红外变像管的光阴极面上形成目标辐射的红外图像 变形管对目标的红外图像进行光谱转换和亮度增强 最后在荧光屏上显示出目标的可见光图像 人眼通过目镜观察增强的目标图像 优点 1 能充分利用军事目标和自然界景物之间反射能力的显著差异 在一定程度上识别伪装 目标反射光谱曲线 绿色植物 暗绿色漆 粗糙混凝土 离开树木的绿叶 其红外光谱反射率迅速下降 可以利用这点识别伪装 优点 近红外辐射比可见光受大气散射的影响小而较易通过大气层 由于系统自身携带光源而 主动照明 目标 而使这类系统在工作时不受环境照明的影响 可以在 全黑 条件下工作 如在照相馆的暗室等场合 主动照明还可以利用红外探照灯的狭窄光束照明目标 使目标在视场中突出 造成与背景较大的反差 从而获得较为清晰的图像 缺点 军事上 灯源本身成了对方侦察的目标而易于暴露自己 这是主动红外成像系统最致命的弱点 也是成像系统由主动向被动发展的根本原因 发展与应用 主动红外系统由于易于暴露的致命的弱点使其在军事上的应用受到限制 但它的一系列优点使它在夜视上得到广泛应用 某些场合下主被动结合 即用被动系统捕获目标后 再用主动系统进行更清晰的观察 在公安部门 航空 航海及生物研究等方面仍有相当的生命力 如主动红外夜视仪 1929年 柯勒发明Ag O Cs近红外光电阴极 30年代中期 荷 德 美研制成功红外变像管 40年代研制出主动红外夜视仪 二战后期 德 美军应用于战场 50年代 红外变像管技术成熟 主动红外夜视仪的性能不断改善 形成北约部队系列装备 50年代末 前苏联研制出主动红外机枪瞄准具 并装备部队 主动红外夜技术的发展概况 主动红外夜视仪适用于近距离侦察 搜索 短射程武器的夜间瞄准和各种车辆的夜间驾驶 车辆驾驶仪 50 200米 步枪 轻机枪瞄准镜 400 1000米 坦克火炮瞄准镜 800 1000米 一般情况下 300米左右 被动探测距离约为主动观察距离的3倍 主动红外夜视仪的军事应用 英阿马岛战争1982年5月4日 阿 超级军旗 15m高度掠海飞行 45km处发射4枚AM 39导弹 10km处降至0 5 3m高度飞行 并启动主动雷达制导 英 谢菲尔德 驱逐舰 20万美元击沉2 34亿美元 雷达探测掠海导弹的弱点 海面对雷达波的反射 易产生镜像效应 海面杂波和干扰机干扰 使雷达图像模糊 被动式雷达对探测红外寻的导弹的作用不大 易遭受反辐射导弹的攻击 导弹截面积很小 致使雷达探测距离变近 雷达波长相对较长 难以分辨出群体中的单个目标 包括热成像在内的红外探测技术是光电跟踪的关键技术之一 被动红外搜索 跟踪 告警装置组成的空中防御系统才能有效对空中威胁进行早期告警 即红外热成像系统 是将物体自然发射的红外辐射转变为可见的热图象 从而使人眼的视觉范围扩展到远红外区 被动红外成像系统 1 红外辐射2 红外辐射在大气中的传输3 红外热成像系统4 热成像技术的发展 应用5 红外热成像技术的发展趋势 被动红外成像系统 红外辐射 1800年英国天文学家赫谢耳在研究太阳光谱中各色光的热效应时 发现最强的热效应位于红色光的外面 1848年利用干涉效应测量到红外辐射的波长 才最终确定红外辐射与可见光是同一类东西 即电磁辐射 所不同的只是波长差别 Wien位移定律 m T 2897 8 0 4 m K 黑体光谱辐射度峰值对应的波长 m随黑体的绝对温度T成反比移动 解释热体发光的颜色 太阳 地表 发动机 尾喷管 材质温度样品形貌特征化学特征物理学结构特征样品厚度等等 物体发射率的影响因素 典型目标和背景的热红外辐射 理论上 凡是温度高于绝对零度的物体都可以发射红外热辐射 因而自然界任何实际物体都是红外辐射源 目标和背景的关系 目标 背景 飞机和机场 相互影响 坦克与地面背景 地面的热辐射影响坦克的温度场 地面的热辐射被坦克反射 与坦克的辐射叠加 目标影响背景的热特征 坦克驶过地面 昼夜变化 太阳的加热 昼夜温度的变化 动力目标 静止和工作状态 目标和背景的红外辐射对比度 红外制导武器发现识别的依据 地面目标的热红外辐射 光谱分布和空间分布取决于辐射体的材料 表面面积 温度 外形和表面发射率等 目标 装甲车辆火炮 电站 桥梁 机场 高速公路 导弹 卫星发射厂 背景 土壤 草地 灌木 林冠 农作物 地面设施等 配电间 11时 17时 24时 人体皮肤的发射率很高 在4 m以上的平均值为0 99 且与肤色无关 人体辐射大约32 的能量处在8 13 m波段 仅有1 处在3 2 4 8 m波段 黑色服装的发射率很高 而白色服装很低 地面车辆是一个明显的红外目标 车辆表漆的发射率一般在0 85以上 灰尘和污垢均使发射率增大 由于排气管和消声器的温度高 其辐射能量比车辆其余部位要高好几倍 目标和环境的红外热图像 空中目标的热红外辐射 飞机 导弹 火箭和卫星等是重要的红外辐射源 发动机壳体 尾喷管的辐射 尾焰 排出的燃烧废气 辐射 以及高速飞行时的蒙皮辐射 不同型式的飞机 辐射的强度和分布具有很大差别 发动机外壳温度较低 80 100 发射率低 0 2 0 45 废气 CO2 H2O C颗粒 连续的辐射光谱 排气管温度在接近集气管部分为650 800 接近排气口处250 350 表面发射率0 8 0 9 螺旋桨飞机的红外辐射特征 废气和发动机外壳的辐射约占35 45 其余部分则是排气管的辐射 尾喷管的有效发射率约为0 9 辐射温度等于排出气体温度 400 700 尾焰辐射与排出气体的温度及数量有关 4 4 m的光谱辐亮度约为2 8 m处的3倍 喷气飞机的红外辐射特征 当无加力燃烧时 尾喷管的辐射远大于尾焰辐射 但在有加力燃烧时 尾焰将成为主要辐射源 当飞行速度超过1 5马赫时 因冲压效应使得进入发动机压缩机的空气压力和温度都随飞行速度急剧增加 所以尾焰温度将随排气喷嘴的压力增加而降低 这导致在高速飞行时尾焰温度和辐亮度都下降 例如 在速度达到3 5马赫 即使有加力燃烧的尾焰也小于热尾喷管的辐射 飞行速度大时 飞机蒙皮温度较高 F 104A飞机以2 0马赫的速度飞行时 蒙皮温度达122 X 2飞机以3马赫飞行时 蒙皮温度达333 随着飞行速度的增加 蒙皮辐射在飞机的总辐射中所占的比例不断增加 飞行速度一般都远远超过音速 因而是功率更强的红外辐射源 辐射主要来自发动机排气喷管 相当于1940K温度和 0 9的灰体辐射 另外 发动机放出的炽热羽状烟柱的辐射 以及在大气层中空气动力加热和在宇宙飞行时太阳辐射引起的壳体辐射 也是明显的红外辐射特征 火箭和导弹的红外辐射特征 导弹预警卫星只能探测 发射助推 段 发动机火焰红外特征非常明显 上升 惯性飞行段 不太明显 无火焰 特征不明显 大气层中高速飞行 与大气强烈摩擦 红外特征明显 飞出大气层 无大气摩擦 特征减弱 再入大气层 天空背景的热红外辐射 大气散射的太阳光 波长小于2 3 m 大气层自身的热辐射 波长大于3 4 m 70 100km高空受激氢氧根离子产生的辐射 行星与恒星的辐射 第一项仅存在于白昼 而后三项日夜存在 各项均受气象条件 地面环境温度及观测方向等因素的影响 太阳是个近似于6000K黑体的巨大辐射源 辐射峰值波长为0 48 m 太阳辐照度为1353W m 2 其中红外区为692 6W m 2 占太阳常数的51 2 经大气散射后 构成低于3 m区的重要天空背景辐射 白天 地球表面的辐射是反射和散射太阳光线以及地球本身热辐射的组合 夜间 以地面热辐射为主 地球相当于一个280K的灰体 地面热辐射的峰值波长约为10 m 地面背景的热红外辐射 2 红外辐射在大气中的传输 红外辐射在大气中传输时受到以下因素的影响 大气的吸收和散射大气分子的吸收大气分子的散射霾 雨 雾 雪及云等质点所引起的散射大气的发射 大气和地面目标不同的温度大气的折射 弯曲和密度的不均匀性大气的闪烁 密度 温度等起伏 典型大气透射谱图 大气窗口 地表辐射平均温度290K 720K 发动机 动力设施和燃气等热源 3 红外热成像系统 什么是红外热成像 照相机成像得到照片电视摄像机成像得到电视图像利用探测仪测定目标的本身和背景之间的红外线差并可以得到不同的红外图像 热红外线形成的图像称为热图 目标的热图像和目标的可见光图像不同 它不是人眼所能看到的目标可见光图像 而是目标表面温度分布图像 即红外热成像使人眼不能直接看到目标的表面温度分布 变成人眼可以看到的代表目标表面温度分布的热图像 光线 红外线 火眼星睛 热成像的特点 人类的发展可分为三个阶段 第一阶段 人类通过制造工具 扩展体力活动的能力 第二阶段 通过提高判断能力 寻求更清晰和更广泛的理解与判断事物的标准 第三阶段 人类近年来致力于增强获得输入信息的能力 扩大感觉范围或增添新的感官 使我们的大脑能接受更多的信息 在这个阶段中 红外技术的发展已经把人类的感官由五种增加到六种 热红外线 或称热辐射 是自然界中存在最为广泛的辐射 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 怎样利用大气窗口 完全无光的夜晚 清晰地观察到前方的情况 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 物体的热辐射能量的大小 直接和物体表面的温度相关 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 作用 红外辐射可见光图像信息 视觉范围扩展到中 远红外区域 热像仪的组成与工作原理 原理 图像反映了目标与周围环境之间热辐射 温度 的差异 即利用热对比度成像 军事目标 一般都比周围环境温度高 是热像仪最好的观察对象 与红外夜视仪仪 微光夜视仪的不同 热像仪的类型 光机扫描型红外热像仪焦平面凝视型红外热像仪热释电型红外热像仪 优点 可扣除背景 缺点 结构复杂 成本高 光机扫描型红外热像仪 热探测器 如热敏电阻 电偶 热释电探测器 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 光子探测器是通过光子与物质内部电子相互作用 产生电子能态变化而完成光电转换 分为光导型和光伏型 分别利用半导体的光导效应和光伏效应 目前主要利用光子探测器 其响应灵敏度和响应速度均优于热探测器 红外探测器 红外探测器一般需低温致冷 以降低噪声 提高信噪比 致冷系统 利用变相原理致冷例如 液态空气 液氮 77K 固体甲烷 固体氩和干冰等 利用辐射热交换致冷主要用于太空航天器 利用焦耳 汤姆逊效应致冷当高压气体的温度低于本身的转换温度并通过一个很小的节流孔膨胀时 气体温度将降低 工作介质需高纯气体 单级致冷至77K 双级达30K 体积小 重量轻 无运动部件 机械噪声小 使用方便 温差电致冷如果用两块n型和p型半导体作电偶对时 就会产生非常明显的珀尔贴效应 电偶对的一头发热 另一头变冷 一级致冷可获得大约60K的温差 三级可降至195K的温度 六级到170K 八级至145K 致冷温度不够低 且致冷量小 一般用于致冷温度不太低的硫化铅 硒化铅等探测器 热像仪产生的是灰度 黑白 图像 物体表面温度愈高 或发射率愈大 则像素的灰度愈小 偏白 为便于观察 经伪彩处理后 物体高温区图像呈红 黄 白色 低温区呈蓝 绿 黑色 图像显示 引起图象差异的原因多种 物体之间的温度 真实温度 差物体之间的红外发射率差大气损耗差 军用车辆的可见光和红外图像对比 4热成像技术的发展概况 红外热成像仪发展历史 1930年前后 出现了温度记录仪 40年代 发展了光机扫描和红外摄像管两种技术 1956年 美研制了第一台长波前视红外系统XA 1 1965年 德克萨斯仪表公司和休斯飞机公司分别研制了并行扫描和串行扫描前视红外系统 并大量应用于美空 海军 美研制了多种机载前视红外系统 并用于越南战场 70年代后期 热像仪取得突破性进展 第一代产品大量生产和使用 目前正推行组件化以降低成本 80年代初 研制成功第二代热像仪 技术日趋成熟 我国于70年代初研制成功热电器件 批量生产了热像仪 热像仪的作用距离除了仪器本身性能外 还与目标的类型和性质有关 4 1红外热成像仪技术发展水平 对空观察 可跟踪20 30千米距离的飞机 水面侦察 可发现15 20千米远处的舰艇 地面观察时 一般识别距离为 1000米 人 2000米 车 空中侦察时 在1500米高度上可以发现地面的单兵活动 在20千米可侦察到地面上的人群和行驶的车辆 并能通过水面航迹与周围海水的温并探测到水下40米深处的运动潜艇 在200千米的卫星高度可探测到地面大部队的集结与调动 以及查明伪装的导弹地下发射井和战略导弹的发射动向 在几百千米高空的卫星上 可以发现地面上一支点燃的烟头 4 2热像仪的特点 能实现 全被动 观察 能实现 全天候 观察 能揭露伪装 能获得目标的状态信息 59坦克热红外图像 2001年6月14日 晴 08 17 19 47 23 11 11 30 机场上飞机的红外图像 美军70年代拍摄的胡志明小道夜间行车情况 前苏联Uda级补给船为Kanin级驱逐舰加油的情景 红外热图像 可见光照片 巴格达地图 伊拉克策划 火海 战术 切尔诺贝利一号反应堆 热像仪隐蔽性良好 既不易被敌方发现 又不易受敌方干扰 虽然热像仪的探测距离不及雷达 但雷达的空间分辨较低 一般适合于探测点目标 不易分辨出物体的外形特征 由于目标发出的热辐射能量比夜天光强得多 因而与微光夜视仪相比 红外热像仪作用距离远 分辨率高 观测效果不依赖于环境光照条件 红外热