光电检测技术-其他典型光电检测技术

1,第十一章 其他典型光电检测系统,红外制导系统,2,1.红外技术在军事方面的应用,热成象红外制导导弹,短程红外制导空空导弹,(1)红外制导,3,(2)军事侦察 二次大战以来，就对被动红外侦察进行着持续不断的研究。 早期美国在U2飞机上安装了红外照相机六十年代末，出现了前视红外(热象仪)，使实时侦察能力大为增强。,U2-2飞机,4,2.红外技术在国民经济方面的应用,红外测温仪,红外遥感仪,5,2.红外线的基本性质,6,目标辐射和背景辐射,背景辐射,航空目标辐射,目标和背景都有一定的温度，都能辐射红外线，它们又都有着本身的特殊点。 我们分别来介绍目标和背景辐射的一些情形，从中了解它们的特殊点。,7,1.航空目标辐射 我们以喷气式发动机的飞机辐射特性及飞机气动加热的辐射特性为例，来介绍航空目标辐射。,4架米格29战斗机,某喷气式飞机,8,(1)航空目标辐射 我们以喷气式发动机的飞机辐射特性及飞机气动加热的辐射特性为例，来介绍航空目标辐射。,喷气式飞机辐射,飞机因气动加热而产生的辐射,废气辐射,尾喷管加热部分的辐射,9,（2）背景辐射,太阳及月亮辐射：太阳是距我们最近的一颗恒星，它本身是一个巨大的炽热气体球，通常可以把太阳看作是温度为6000K的绝对黑体。月亮主要靠反射太阳辐射而产生辐射。,太阳辐射,夜天辐射,10,（3)大气辐射 大气所含气体分子、水蒸汽、二氧化碳等微粒都对太阳及月亮辐射产生散射及吸收等现象，因而产生大气的散射辐射及本射的热辐射。,一年的大气辐射图,11,黑体： 很多物体在加热时产生的光谱辐射具有特定的分布，这种光谱辐射特性只取决于温度，我们就称它们为黑体。黑体可以把入射到它上面的所有辐射全部吸收。当加热到足够高的温度时，诸如电炉元件以及灯泡灯丝等物体能够产生足够多的可见光以使得它们能够被看见或者甚至照亮整个房间。图显示了黑体在几种温度下的归一化的光谱密度曲线。,12,基于点目标跟踪的红外导引系统原理,13,.1 导弹自动导引系统的组成及工作原理,一、导弹自动导引的分类 自动导引方法精度比较高，因此在空空导弹和地空导弹的控制中得到广泛采用。 自动导引的导弹有三种方法。,14,自动导引的导弹的三种方法,1、跟踪法2、平行接近法3、比例导引法,15,二、自动导系统的组成 1、导引头,X-59导引头,雷达导引头,16,2、 舵机,俄R-73空空导弹,前卫-3激光导引头与舵机,17,3、导弹外形及工作原理（1）导弹外行图,导引头,舵机,发动机,尾翼,18,（2）红外导引头工作原理,测角系统,跟踪系统,u,q,q,qt,19,一、导引头结构组成方块图,.2 红外导引头光学系统基本原理,导引头,方位探测系统,跟踪系统,光学系统,调制盘,探测器,信号处理电路,1、组成图,20,2、导引头工作原理,导引头的各部分相互协调工作，其关系如下图所示；,（1）结构组成,21,（2）工作原理,22,二、红外光学系统 红外光学系统是红外导引的一个重要组成部分。红外导引通过光学系统来收集目标辐射的红外线。红外光学系统是根据光的基本传播规律进行成象的。,右图：采用红外光学系统的 天文望远镜,23,1、基本组成元件： 光学系统的基本组成元件是反射镜、棱镜、 及光栏。,尼科耳棱镜,24,2、红外成象技术的基本原理,25,3、光学系统的功能,（1）聚集光能以探测目标,（2）利用象点的位置反映目标偏离光轴的 大小和方位,光学系统等效的 凸透镜,26,4、光学系统几个主要的外形结构参数,（1）有效接收口径D 有效接收口径D决定了光学系统有效接收面积的大小。 （2） 焦距 光学系统的焦距是决定系统成象位置及大小的基本参量，焦距还影响系统视角的大小。,27,（3）视角 视角的大小决定了系统所能观察到的有效空间的大小。为了消除背景的干扰，系统的视角不能太大。（4）相对孔径、f数 有效接收口径与焦距的比值称为光学系统的相对孔径。,28,5、影响象质的因素,一个物点成象并不是一个几何点，而是一个亮的扩散圆斑，通常称为弥散圆。弥散圆的大小对信号有相当大的影响。,弥散圆,29,由于弥散圆的大小对信号有相当大的影响，因此需要了解影响弥散圆大小的影响因素。影响弥散圆大小的因素有两种，一是衍射，二是象差。,左图：衍射及其强度分布,30,（1）、衍射对象质的影响 衍射是由光的波动性而引起的。即使是位于光轴上的几何点源，通过有光栏的光学系统后成的象也不是一个几何点，而是一个明亮的中心圆斑，中心圆斑一般称为艾利(Airy)圆。,艾利(Airy)圆,31,(2)、象差对象质的影响 象差是影响弥散圆大小的主要因素。象差可分为色差和单色象差两类。色差是主于透镜的折射系数随波长而变化引起的，单色象差指光学系统对单色光产生的象差。,右图：测量象差的原理图,32,3 红外探测器及其制冷,红外探测器实际上是一种红外线辐射能的转换器。它把辐射能转换成另一种便于测量的能量形式，多数情况下转换成电能，因为从近代的测量技术看，电量的测量最方便最精确。,33,热探测器和光子探测器优缺点的比较,34,在导弹的红外制导系统中，由于要求灵敏，反应快。一般采用光子探测器。,PL-9C红外空空导弹,挂装在武装直升机上的TY90导弹,35,三、红外探测器的致冷,1致冷的必要性 目前性能较好的探测器均需要冷却，致冷可以降低热激发产生的载流子，从而降低探测器的噪声；致冷在一定程度上也可减少禁带宽度，从而加大载止波长 。,36,2致冷的方法 目前对红外探测器的致冷有多种方法，按照换 热方式，可大体分为: (1)利用低温液体或气体进行对流换热而致冷探测器。 (2)利用固体传导换热而致冷探测器的固体致冷器。 (3)利用辐射散热而致冷的辐射致冷器。 (4)利用珀尔贴效应而致冷的半导体致冷器。 (5)其他。,37,4 光学调制与调制盘,一、对辐射能进行调制的意义,来自目标的红外辐射能，一般是不能直接利用的因此就需要对光能进行某种形式的调制，这种调制的类型要适合信号处理的有利型式。,38,连续激光束需要斩光才能变成脉冲激光束，高温物体的红外辐射也需要调制成脉冲光才便于测量。为此，设计出了如图3所示的调制盘，该调制盘的旋转速度为2400转/分，同时具有激光束斩光、红外辐射调制这两种功能。,调制盘结简图构,39,二、调制盘基本功用,1使恒稳的光能转变成交变的光能2产生目标所在空间位置的信号编码3空间滤波抑制背景的干扰,光的调制,40,调制盘按调制方式来分类，可以分为调幅、调频和脉冲编码式调制盘。前两种与电学上的调幅和调频是一致的，即它们分别用调制信号幅度、频率的变化来反映目标的位置。脉冲编码式调制盘是用一组组脉冲的频率和相位来反映目标的方位。,三、调幅调制盘的工作原理及特性分析,41,由于调幅式调制盘的信号处理系统较简单、可靠，其性能可以满足导引系统的要求，因此在一些小型空空弹和地空弹上都采用了调幅式调制盘。,42,5 误差信号处理电路框图,红外探测器输出的电信号包含了目标的位置信息，通常称之为误差信号。此误差信号极其微弱，且为调制信号，因此必须经过误差信号处理电路进行放大、解调等处理以后，方可形成控制陀螺跟踪目标的进动电流及输给自动驾驶仪的控制信号以操纵导弹飞行。,43,红外传感器工作原理,红外线光电传感器,44,1对目标误差信号进行电压放大和电流放大； 2对误差信号作解调变换； 3使导引头跟踪系统的工作不受导弹与目标间 距离变 化的影响； 4. 导引头捕获目标时，给射手或载机飞行员提供音响信号； 5. 使导弹在未发射前陀螺转子轴与弹轴相重合。,一、误差值号处理电路的功用,45,某型地空导弹红外导引头，调制盘为调幅式调制盘，其图案如图231所示，调制盘 随陀螺转子以100转/秒的转速转动，因此调幅信号载波频率为： f=12fT=1200Hz 式中为调制盘转动频率fT，即为调制信号包络频率。,二、误差信号处理电路工作原理,46,6 红外目标跟踪系统,一、跟踪系统的功用,跟踪系统用来对运动目标进行跟踪。 当目标运动时，便出现了目标相对于系统测量基准的偏离量，系统测量元件测量出目标的 相对偏离量，并输出相应的误差信号送入跟踪机构，跟踪机构便驱动系统的测量元件向目标方 向运动，消除其相对偏离量，使测量基准对准目标，从而实现对目标的跟踪。,47,红外跟踪系统可以对点源目标和扩展源目标进行跟踪。红外跟踪系统与测角机构组合在 一起，便组成红外方位仪。红外跟踪系统在导弹的制导系统中应用越来越广泛。 红外跟踪系统在导弹的制导系统中应用越来越广泛。红外制导最早应用于空空导弹，近三十年来在技术上不断改进.,48,美国的AIM-9,萨姆-7,目前已出现了以美国的AIML,法国的R550等为代表的典型格斗导弹,红外地空导弹，如苏联的萨姆-7、美国的针刺型.,49,美国导弹预警卫星,红外跟踪还可用于预警探测装置中，如七十年代后开始出现的预警卫星。预警装置中的红外跟踪系统，可对入侵的飞机和弹道导弹进行捕获和跟踪，对其他测量系统和测距系统实施引导，从而测量飞行目标的相对位置和飞行轨迹。,50,“幼畜”(Maverick)AGM-65空地导弹,以美国幼畜型为代表的空地导弹采用了红外成象制导，它可在一定恶劣气候下昼夜使用。,51,二、跟踪系统的组成及工作原理,1跟踪系统的组成,红外跟踪系统包括方位探测系统和跟踪机构两大部分。方位探测系统由光学系统、调制盘、探测器和信号处理电路四部分组成.,52,2、跟踪系统工作原理,当目标位于光轴上时，方位探测系统无误差信号输出。由于目标的运动，使目标偏离光轴，系统便输出与失调角相对应的方位误差信号。该误差信号送入跟踪机构，跟踪机构便驱动位标器向着减小失调角的方向运动.,53,三、对跟踪系统的基本要求,对跟踪系统的主要要求有以下四点：,1跟踪角速度及角加速度,跟踪角速度及角加速度是指跟踪机构能够输出的最大角速度及角加速度。它表明了系统 的跟踪能力。,54,2跟踪范围,3跟踪精度,跟踪范围是指在跟踪过程中，位标器光轴相对跟踪系统纵轴的最大可能偏转范围。它由 系统使用要求提出，由系统本身结构进行限制。一般可达+30，有些竟达+65左右。,系统的跟踪精度即指系统稳定跟踪目标时，系统光轴与目标视线之间的角度误差。,55,红外自动跟踪系统同其他自动跟踪系统一样，是一个闭环负反馈控制系统。为使整个系统稳定，动态性能好及稳态误差小，同时为了满足前述跟踪角速度及精度要求，则对方位探测系统的输出误差特性曲线应有一定要求。这些要求是 对盲区、线性区、捕获区的要求,4对系统误差特性的要求,调制盘特性曲线,56,四、调制盘跟踪装置结构,调制盘跟踪装置的测量元件为采用调制盘的方位探测系统。由跟踪机构驱动位标器跟踪 目标。下面介绍几种结构型式。,1电机跟踪 这种型式的跟踪装置用电动机或力矩电机作跟踪机构。光学系统、调制盘、探测器、次镜旋轨电机一起组成镜筒组合件。,57,2陀螺跟踪,采用三自由度陀螺作为跟踪机构，光学系统装于陀螺转子上，光轴与转子轴重合。转子高速旋转，通过转子的进动运动跟踪目标。,陀螺,58,转子可绕自身轴转动，又可与内框架一起绕水平轴转过一个角度，也可以与外框架一起绕垂直轴转过一个角度，这样转子就有三个自由度，可向空间任意方向运动。,59,二、陀螺跟踪系统工作原理,陀螺跟踪原理即为它的进动原理，关键是进动力矩是如何产生的，以及进动力矩的大小和方向是怎样确定的。根据陀螺仪的结构，现就下面几个问题讨论其工作原理。,陀螺仪结构,60,1进动电流的形式2在进行电流作用下，陀螺转子的受力分析,反馈式速率陀螺仪工作原理示意图,61,5陀螺转子在电磁力矩作用下的运动分析,陀螺仪原理图,62,3求转子转动一个周期内转子受到的平均电磁力矩4在平均力矩作用下转子的运动,陀螺的进动,63,7 十字叉及L型系统,十字叉及L型系统，是指探测器排列成十字叉型或L型的方位探测系统。而十字叉系统与L型系统工作原理基本相同。因此以下着重叙述十字叉系统的基本工作原理，对L型系统只指出其与十字叉系统的不同特点。,十字叉跟踪目标图,64,一、结构组成情况,十字叉系统由光学系统，探测器及信号处理电路三大部分组成。光学系统可为反射式、折射式或折反式，其工作方式为圆锥扫描式，在象平面上产生象点扫描圆。象平面上放置十字型探测器阵列，目标象点以圆的轨迹扫过十字形探测器列阵。,65,二、目标位置信号的形式,当目标位于光轴上时，扫描圆中心与十字叉探测器阵列中心重合，各通道信号脉冲等间隔。当目标不在光轴上，产生的信号脉冲不等间隔出现。随着目标偏离光轴的大小和方向不同，信号脉冲出现的时间先后及脉冲间隔都不相同。显然十字叉探测系统的位置信号为脉冲位置调制信号，简称脉位调制信号。,66,三、基准信号形式,次反射镜转动电机驱动次镜旋转的同时，带动基准信号发生器转动，基准信号发生器为两个 旋转变压器，分别产生相位相差的两个基准电压。,主镜,基准信号产生器,探测器,驱动电机,次镜,67,四、影响测角精度的因素,1光学系统的影响 光学系统的分辨率，即弥散圆的大小，直接影响信号脉冲的宽度和形状，它将直接影响采样输出波形相对于基准信号的位置，因而也就影响最后输出的直流误差电压的大小。为保证一定的测角精度，通常取元件的宽度为光学系统弥散圆直径的13倍。,弥散圆,68,2扫描电机稳定性的影响 次镜旋转电机转速的稳定性以及它本身的晃动，都影响测角误差。因此对电机的转速稳定性有一定要求，对轴向串动、径向跳动误差都有一定的限制。,轴承对称安装行扫描电机示意图,多面体棱； 定子；轴；4. 轴承。,69,3红外探测器制做误差的影响 红外探测器阵列每一臂窄边(即长边)互相不平行或每一窄边呈锯齿状，以及同一通道两探测器不在一条直线上或两通道探测器互相不垂直等，也都直接影响测量精度。,4基准信号的影响 基准信号本身波形失真，两通道基准信号相位差偏离的误差也影响测角精度。,70,五、L型系统的特点,L型方位探测系统，是指探测器阵列排列成L型，L型系统的目标信号形式、基准信号形式以及方位误差信号提取的原理都与十字叉系统 相同，区别仅在于，光点转动一周一个通道内只产生一个脉位调制脉冲，因此对基准信号一个周期内只采样一次。,71,基于红外线象的制导系统,红外线象又称热成象。热成象系统摄取目标和物景发射出的红外辐射，并将其转换成图象。早在四十年代就已开始了热成象的研究工作，但直到1952的才制成第一台热象记录仪。,红外成象在摄像机上的应用,热像仪,72,红外成像制导导弹,“贾斯姆”(JASSM)联合防区外空对地导弹,“响尾蛇”AIM-9系列空空导弹,73,红外成象在医学上的应用,疼痛诊断,疾病的诊断,74,一、热象仪的组成,景物经热象仪的光学系统成象在接受面上：热象仪能显示出景物热图的关键是要先将景 物按一定规律进行分割：即将所观察的整个景物空间按水平及垂直两方向分割成若干个小的 空间单元；接受系统依次扫过各空间单元并将各空间单元的信号再组合而成为整个景物空间的图象。,热象仪,75,景物辐射,光学系统探测器,放大处理电路,显示,扫描机构,同步机构,热象仪的组成框图,76,二、热成象系统的特点,1目标,热成象系统所敏感的是景物各部分的温差及发射率、反射率的差异，而不是单纯的目标辐射强度的强弱 。,美国AN/PVS-5A微光夜视眼镜,镜中目标,77,医用热成象诊断器,热成象系统要求在较宽的视场范围内成象，象质清晰，否则热图会模糊不清，因此热成象系统的光学系统象质要求较一般的探测系统高。,2、成象,78,4信息处理,除了低噪声放大以外，还有很多关于悬物视频信号处理的特殊问题。由于成象系统的景物信息量较非成象系统的景物信息量主富得多，所以可以利用信号处理电路尽可能的检出景物的固有信息，以完成多种跟踪任务。,3、探测器,79,热象仪的工作,80,5、显示,显示器应与人眼的视觉特性相适应，且能方便地显示景物的各种特征。近年来又将显示与观代图象识别技术相结合进一步提高了热象仪的效能与应用范围。,81,在叙述红外信息检测的多元检测及扫描搜索跟踪系统时提到过有关的技术参数。这些技术参数完全适用于成象系统。现在为了便于了解热象仪的各部分具体结构及设计原则，将热象仪的基本技术参数重新分述于下：,6、热象仪的基本技术参数,82,(2)、瞬时视场,(1)、光学系统通光口径Do和焦距f,瞬时视场由单元探测器尺寸a、b及光学系统焦距f决定，它的大小通常表示热象仪的空间分辨率的高低。,83,（3）观察视场,观察视场由所需观察的景物空间的大小和光学系统焦距决定。,（4）帧时Tf和帧速F,在扫描速度受到限制的情况下，为了提高扫过每一场画面的时间，有时将画面分成两场或若干场。,84,下图为隔行扫描的情况,第一场,第二场,全帧,85,扫过完整的一帧所需的时间称为帧时Tf，以秒为单位。完成一帧图象的速度称为帧速F。显然下面关系式成立 ：,86,5扫描效率 扫描机构对景物扫描时，扫描机构实际扫过的空间范围往往比景物所张的空间角要大。,电子束扫描过程示意图,6滞留时间,87,光机扫描摄象头,目前正在使用及正在研制中的热象仪绝大多数均属于光机扫描类型。光机扫描摄象头是光机扫描热象仪的关键部分，它由光学接受系统和扫描机构两大部分组成。,采用光机扫描“幼畜-65D“空对空导弹,88,光机扫描原理图,高精度制冷式热像光机扫描仪,89,扫描机构有两种扫描方式，即平行光束扫描器和会聚光束扫描器 。,90,入射的平行光束直接经可摆动的平面反射镜扫描后再进入探测器聚焦系统。这种扫描机构是直接对由物方来的光线进行扫描的，所以又称作物扫描系统。,光机扫描机构中的扫描部件有下面几种： 1摆动平面镜； 2旋转多面镜； 3旋转折射棱镜； 4旋转光楔； 5摆动透镜， 6旋转V型反射镜；,91,多级棱镜扫描器,楔形棱镜扫描器,目前，扫描系统已广泛应用在很多方面，其中扫描器是光学扫描仪的关键部分。下面就列举了一些常见的扫描器。,92,摆动平面镜光轴扫描轨迹,一、摆动平面反射镜,当平面反射镜用作平行光束扫描时，扫描机构转角与物空间转角的关系，显然为线性关系。在这种情况下，平面反射镜只将入射的平行光束转折一个方向，对系统象差没有任何影响。,93,二、旋转多面镜,反射镜鼓是由n个矩形面镜组成的棱柱，它绕棱柱轴转动 。摆镜摆动时镜面只能转动不发生位移；转鼓转时，镜面除转动外还有位移。若入射光束宽度为定值，则当镜鼓转动时因镜面唯一可能会使扫描区边缘部分的入射光束不能全部进入视场而产生渐晕现象。,94,三、旋转折射棱镜,旋转折射棱镜为正n面棱柱，绕棱柱中心轴转动。入射光线透过棱柱后出射。棱柱为正n面体，若入射光束为平行光束，则出射光束仍为平行光束且方向与入射光束方向相同。,六面棱柱,95,红外CCD摄象头,电荷耦合器件CCD是同MOS电容器集戒的移位寄存器。将红外探测器阵列和电荷藕合器件组成在一起，可以用来接收景物红外辐射，并将所得的多路信号依次传输出去，这种器件称为红外电荷耦合器件(IRCCD)。,CCD芯片,96,IRCCD为多元阵列，有线阵的和面阵的两类。IRCCD摄象头的扫描方式有串联扫描、并联扫描、串并联扫描及凝视等几种，线阵的IRCCD用于串联扫描及并联扫描，面阵的IRCCD则用于串并扫描及凝视。,线阵的CCD,97,一、CCD的工作原理,CCD是由若干个MOS电容器阵列组成的集成器件。它是N型或P型硅衬底上生长成一层很薄的二氧化硅层，然后再在二氧化硅层上蒸发多个间距很小的并排铝电极，这样便形成了 由金属电极、氧化层和半导体衬底组成的多个MOS电容器阵列结构。,98,CCD结构及工作原理图,一面阵型CCD,99,1电荷贮存,能贮存少数载流子的区域称为势阱。外加电压越高，势阱深度也越大，因而贮存电荷的容量也越大。势阱内存入少数载流子后，表面势要有所下降。,100,2电荷耦合,3信号电荷的输入和输出,电荷贮存和电荷耦合,101,二、CCD的结构,面在叙述CCD的工作原理时都是以三相分离电极为例来说明的。实际上使用的CCD结构有三相、二相和四相多种结构形式，电极式样也发展有多种式样；驱动时钟脉冲波形除上面所述的不对称结构式样外，也有直接采用方波形式的。,102,CCD（Charge Coupled Device，电荷耦合组件）的应用 可拍照手机,三、CCD的应用,103,资源一号卫星的红外相机和CCD相机,于1999年10月14日首次发射并成功入轨的、中国和巴西联合研制的资源一号卫星携带了3台遥感器：中国研制的可见光-红外线多光谱扫描仪（简称“红外相机”）和CCD（电荷耦合器件）相机及巴西研制的宽视场成像仪。本文简要介绍红外相机和CCD相机的具体组成和主要性能。,104,四、CCD的主要特性,当CCD电极上加上电压后便建立起一定深度的势阱，电荷可以贮存于势阱中，电荷存于势阱后，该势阱单元表面势变低。当电荷存入量达到使得该势阱单元的表面势和相邻势阱单元的表面势相等时，便不能再存入电荷了。势阱从空阱到填满电荷的总存入电荷量称为电荷负载能力，它决定CCD的动态范围。,1电荷负载能力,105,如图所示为势阱的电荷存储和转移的过程。即当电荷存入量达到使得该势阱单元的表面势和相邻势阱单元的表面势相等时，便不能再存入电荷了。势阱从空阱到填满电荷的总存入电荷量称为电荷负载能力。,106,2存贮时间与暗电流,设最初CCD势阱为空阱，在没有外界电荷注入的情况下，暗电流也将慢慢地将势阱填满。由暗电流贡献少数载流子使MOS器件达到稳态所需的时间称为贮存时间。,107,信号电荷包从一个势阱转移到另一个势阱时，由于界面态的俘获以及转移速度的限制致使部分信号电荷不能全部转移。设势阱中的信号电荷为Q，转移到下一势阱的信号电荷为Q，则转移效率:,3转移效率,108,五、红外电荷藕合器件(IRCCD),电荷耦合器件可用于信号处理，数据贮存及摄象等方面。 CCD用于信号处理、数据贮存时，输入信号电荷是电注入的；用于摄象时，输入信号电荷则是用光载流子注入的。对红外敏感的常用材料有PbS、InSb、HgCdTe等光敏材料以及TGS等热电材料。,109,红外探测器有单元、线列、面阵等种类。对于扫描成像系统，整帧图象的获取可以用单元探测器二维扫描。如用线列器件，只需一维扫描即可获取二维图像，帧频较单元扫描高。面阵器件主要用于凝视成像系统。 线列或面阵都是通过透明衬底背面光照的，其焦平面结构有：,110,（a）图直接混成,（b）图间接混成,（c）图单片结构,（d）图Z技术,（e）图环孔技术,111,信息处理与显示,摄象头对景物摄象时，首先将景物进行空间分割，然后依次将这个单元空间的景物温度转换成相应的电信号，最后输出的是与整个空间景物温度分布相应的连续的时序视频信号。无论是光机扫描类型的摄象头，热释电类型的摄象头或者是固体自扫描类型的摄象头所得出的视频信号都具有相同的性质，只是因空间分割的方法不同，时序视频信号也有不同的形式。,112,下图为一摄象头的工作原理图,113,视频信号所反应的是景物的空间温度分布信息，所以信息的处理与显示的基本任务就是要根据景物的视频信号标示出景物各部分的温度，并显示出景物的热图象，这属于图象信号的读出与显示问题。在实际应用中还有将图象信号加以进一步处理的。,景物,摄象头,温度信号,电信号,视频信号,114,如图象增强、图象修复、图象相关、运动景物的示迹等则属于图象处理范畴，我们不再加以介绍。本节主要叙述温度标示和热图象显示两个基本问题。,信息处理在红外成象中的作用,115,一、温度信号的处理,从摄象头输出的信号往往须要经过预处理、放大和线性化后才能读出与景物温度相应的温度值。现将这些方面的问题分述于下。,红外夜视仪,116,1信号的预处理,从摄象头输出的信号有些是单一的景物图象视频信号，有些从摄象器件中输出的信号却须要经过再处理才能成为景物的视频信号。,117,2.通频带,从摄象器件输出的信号往往是相当微弱的，因此需要放大。关于放大倍数的要求涉及成象系统的动态范围，留待系统设计中去讨论。这里只叙述放大器的通频带问题。摄象器输出的信号是一系列脉冲。放大器的通频带应使输入的脉冲信号经放大后基本上不失真。,118,3信号的耦合方式,在探测器与前放之间若采用直流藕合方式，信号固然可以不失真，但基于下列三方面考虑，通常都采用交流耦合方式。这三个方面是： 抑制大面积的背景干扰； 消除探测器上直流偏置电位的影响； 削弱噪声的影响。,119,采用交流耦合时也存在两个较大的问题，即一方面信号直流分量被滤去了，因而通过的信号便不再具有温度绝对值的意义；另一方面由RC组成的高通交流耦合电路在对目标进行扫描时会产生一些图象缺陷。,120,4温度信号的线性化,由探测器输出的信号电平是目标温度的函数。这个函数由目标辐射特性、热象仪的光谱透过特性、敏感元件的光谱响应特性等决定。显然，这个函数是非线性的。但是为了热图象显示判读方便以及直接进行温度的数值显示，要求将送到显示端的温度信号与目标温度成线性关系。,121,二、热图象显示,经过放大、处理及线性化后的视频信号可以线性地反应景物各部分的温度值，但视频信号 是个时序信号。要将时序视频信号转换成二维空间的景物图象还要经过同步复扫描过程。同步复扫描有两种方式，即光学复扫描方式和阴极射线管(CRT)方式。,惠普桌面级专业照片扫描仪Scanjet4890采用扫描元件：CCD,122,CRT显示器简易结构图,电视摄像管的组成,阴极射线管(CRT)方式在电视摄像管中的应用,123,1发光二极管显示,彩色发光二极,入射辐射经光学扫描器和聚焦系统成象在探测器上，探测器产生的景物视频信号送到发光二极管处。发光二极管由探测器送来的视频信号激励而发光。发光二极管发出的光束经过原光学扫描器进行复扫描后传到目镜处。在目镜处所观察到的发光二极管的图象便是一幅扫描图象，是一幅与景物完全相当的图象。,124,成象跟踪原理,一、引言,对扩展源来说，应该用成象装置对其进行检测。所谓扩展源泛指所观察空间的一切景物。 成象装置的摄象头摄取景物空间的图象，并测量出各个景物在视场中的位置。当其中的目标相对于摄象头作某种运动时，摄象头若能对作相对运动的 目标进行跟踪，则这种具有跟踪能力的成象装置称为成象跟踪器 。,125,成象跟踪器的组成方框图,此方框图说明了摄象头对作相对运动的目标进行跟踪原理。,126,Su-27SKM 的红外成象跟踪传感器,成象跟踪器和红外夜视轻型反坦克导弹,成象跟踪器在军事上的应用,127,二、波门跟踪,当有目标信号出现时，处理电路输出相应的触发信号到波门形成电路而产生波门。,伺服机构受误差信号控制，使摄象头的视场中心跟踪目标中心。,128,波门的产生还应和扫描机构同步，所以它还 受同步机构控制。波门的大小可以是固定不 变的，这种波门称为固定波门；波门的大小还 可以是随目标图象的大小而自动变化的，这 种波门称为自适应波门。,129,主战坦克WZ123,跟踪目标自动跟踪器的核心是图像跟踪。在目标图像的跟踪技术中，波门跟踪与相关跟踪是最常见的跟踪技术。从目前国外的研究和试验情况来看，自动跟踪装置可以采用闭路电视和热成像仪，我国最新主战坦克WZ123车已经装备了热成像仪 。,130,边缘跟踪器是一种简便的波门跟踪器。对边缘跟踪来说，就是要根据目标图象与背景图角亮度的差异，抽取目标图象边缘的信息，用这人边缘信息去控制波门的产生并同时目标位置误差信号。,1边缘跟踪器,131,三、相关跟踪,1图象相关的概念,设成象系统在观察区域R的范围内摄取景物的实时图象，其亮度为r(u,v)；对同一景物在这之前已经预摄了它的图象，其观察区域为S，预摄而存储起来的图象亮度为S(u，v)。,132,2.相关跟踪的基本算法,相关跟踪系统和其它形式的跟踪系统一样，首先要能检测到目标信息，然后再将目标视频 信号经过相关处理以得到目标位置误差信息。关于图象相关的算法有下列几点原则考虑 。,应能有效地利用视频信号数,噪声抑制,算法简便,三原则,133,（）应能有效地利用视频信号数据如目标图象灰度的量化方法、图象特征的选取、图象灰度的均匀性处理等等在建立相关算法方程时都应予以妥善处理以尽可能地利用目标信息量；,（）噪声抑制 由于噪声干扰的影响，可能使在相关取最大值处不一定是配准点。在严重干扰下也可能使求取的相关值毫无意义。当云层等暂时遮住了目标时，又无法求取相关值。凡此种种在