红外成像及应用...ppt

主要内容 前言红外成像的发展红外成像原理红外焦平面和红外热像仪分类红外热像仪的应用红外焦平面阵列和红外成像仪的未来发展方向市场分析 一 前言 自然界中一切物体 只要温度高于绝对零度 273 就总是在不断地发射辐射能 红外线 因此 从原理上讲 只要能收集并探测出这些辐射能 就可以通过重新排列来自探测器的 与景物辐射分布相对应的信号 形成热图像 这种热图像再现了景物各部分的辐射起伏 因而能显示出景物的各部分的特征 利用这种原理制成的成像器件就是红外热像仪 一 前言 1 1红外成像的由来 1800年 英国天文学家W Herschel发现红外射线 十九世纪 认识红外辐射的本质 建立基本的辐射定理 二十世纪七十年代 红外电荷耦合器件 IRCCD 阵列探测器 ArrayDetectors 和扫积型器件 SPRITE 等先进探测器研制成功 红外技术和红外成像进入并发展到了一个新的发展阶段 一 前言 红外射线及大气窗口红外焦平面阵列探测器 IRFPA infraredfocalplanearray 表征辐射性质的基本物理量几个基本的辐射定理 1 2要了解的几个概念 一 前言 红外射线红外射线是一种与物体的表面温度密切相关的一种辐射 它是一种看不见 摸不着的一种电磁波 1 2 1红外射线及窗口 红外窗口红外辐射 从0 76 m 1000 m的光辐射范围 习惯上 红外波段被划分为 近 中 远 和 极远 四个区域 根据红外波在大气中的传输特性 又分为三个窗口 红外成像 一 前言 IRFPA 把大量探测器单元 按照一定规则 用先进的微电子工艺 高密度地集成到一块对红外透明的材料芯片上 同时将其它必要的信号读出及处理电路 如 前放 集成到同一芯片或另一其他材料的芯片上 构成一个既能接收光辐射 又能将光电信号转变为可用数据输出的整体 1 2 2红外焦平面阵列探测器 IRFPA infraredfocalplanearray 一 前言 辐射通量辐射通量的空间密度F辐射出射度M辐射照度E辐射通量的谱密度M 黑体和灰体 1 2 3表征辐射性质的基本物理量 辐射通量 RadiationFlux 单位 W 单位时间内通过某一表面的辐射能量Q 单位 J 辐射通量的空间密度F 单位 W m 2 单位时间内 通过单位面积的辐射能量 当只考虑辐射的发射和入照时 可分别使用辐射出射度M和辐射照度E 辐射出射度M 单位 W m 2 单位时间内 从单位面积上辐射出的辐射能量 物理意义 单位波长间隔 m 内在单位面积 m2 上的辐射功率 辐射照度E 单位 W m 2 单位时间内 单位面积上接收的辐射能量 辐射通量谱密度M 设一个物体的辐射出射度为M 则 M dM d M 是单位波长间隔中的辐射出射度 是波长的函数 称为分光辐射出射度 或辐射通量谱密度 黑体和灰体绝对黑体 对任何波长的辐射 都能全部吸收的物体 黑体 只能吸收某一波长辐射的物体 灰体 物体的吸收率不随波长而变 且小于1 一 前言 红外成像原理中要涉及到的几个辐射定理 普朗克定律斯蒂芬 玻尔兹曼定律维恩位移定律基尔霍夫定律 1 2 4基本的辐射定理 普朗克定律 Planck sLaw 以波长表示的普朗克公式为 式中 M 表示绝对黑体的光谱辐射出射度 SpectralRadiantExitance 单位 W cm 2 m 1 表示波长 m T表示绝对温度 K C1 C2分别表示第一 第二辐射常数 1 2 4基本的辐射定理 普朗克定律给出了绝对黑体辐射的光谱分布规律 光谱辐射出射度随温度的增加而增加 温度越高 所有波长上的光谱辐射出射度也就越大 且光谱辐射出射度的峰值波长随温度的增加而向短波方向移动 斯蒂芬 玻尔兹曼定律在全部波长范围内对普朗克公式积分 得到从黑体单位面积辐射到半球空间的总辐射功率 即总辐射出射度的表达式 通常称为斯蒂芬 玻尔兹曼定律 M表示黑体的总辐射出射度 单位W cm 2 5 6696 10 8 W m 2 k 4 为斯蒂芬 玻尔兹曼常数 由斯蒂芬 玻尔兹曼定律可以看出 黑体的总辐射出射度与绝对温度的四次方成正比 因此即使温度变化相当小 都会引起辐射出射度很大的变化 斯蒂芬 玻尔兹曼定律表明了黑体辐射功率和绝对温度之间的关系 它是通过物体辐射功率测量物体温度的主要理论依据 1 2 4基本的辐射定理 维恩位移定律 Wein sDisplancementLaw 1893年 维恩从热力学理论导出黑体辐射光谱的极大值对应的波长 max b T式中 b 2897 8 m K 从维恩位移定律可知 光谱辐射出射度的峰值波长与绝对温度成反比 温度愈高 峰值波长越短 根据维恩位移定律 300K室温目标光谱出射度的峰值约为9 6 m 所以8 14 m的长波红外成像特别受到重视 1 2 4基本的辐射定理 基尔霍夫定律 Kirchoff sLaw 一定温度下 任何物体的辐射出射度与其吸收率的比值是一个普适函数 只是温度 波长的函数 与物体的性质无关 基尔霍夫定律表明 任何物体的辐射出射度和其吸收率之比 等于同一温度下黑体的辐射出射度 1 2 4基本的辐射定理 二 红外成像的发展 根据目前红外热成像系统的发展情况及对今后的预测 红外热成像系统大致可分为三代 第一代指六十年代采用的致冷型单元或线列红外探测器 以数目有限的探测单元为特征 借助光机扫描实现图像探测 同时还需要低温制冷器协同工作 如 HgCdTe InSb PbS等红外探测器 其产品成本高 第一代红外技术分辨率和速度都受到限制 而且价格十分昂贵 应用范围仅局限于军事 2 1红外成像系统的分类 二 红外成像的发展 第二代80年代 探测器由单元或线列走向了面阵 红外热成像系统发展成为红外焦平面阵列 将红外焦平面阵列器件应用到红外成像中 出现了致冷型固体红外摄象机 它不需要光机扫描 通常称该技术为第二代红外技术 与第一代相比 它改善了分辨率和速度 大大提高了红外成象技术的水平 扩大了应用领域 2 1红外成像系统的分类 二 红外成像的发展 第二代存在两个缺点 制冷 需要工作在液氮温度 77K 即 196 价格昂贵 致冷型长波红外焦平面热像仪每台在10万美元以上 民用应用仍受到限制 以二维N M元焦平面阵列 FPA 探测器为特征 自带信号读出电路 仍需要制冷 价格在万元以上 2 1红外成像系统的分类 二 红外成像的发展 第三代九十年代中期 美国发明了可在室温环境下工作的固体红外焦平面阵列 它完全克服了前两种红外技术的缺点 可以工作在室温 无需致冷 所以无任何机械运动部件 如 斯特林致冷机和斩波调制等 这种器件应用到红外成像中 出现了非致冷型红外摄象仪 这种热像仪不仅在军事上得到了广泛的应用 而且还广泛应用到很多民用行业中 2 1红外成像系统的分类 二 红外成像的发展 美国德克萨斯仪器公司的红外前视系统 FLIR 二战后 首先由美国德克萨斯仪器公司 TI 研制成功第一台用于军事领域的红外热成像装置 FLIR 它利用光学机械系统对被测目标的红外辐射扫描 由单元光子探测器接收二维红外辐射 经过光电转换及一系列信号处理 形成视频图像信号 该系统的原始形式是非实时的自动温度分布记录仪 随着锑化铟和锗化汞光子探测器的发展 才成为高速扫描和实时显示目标热图像的系统 2 2红外成像系统的发展 二 红外成像的发展 瑞典AGA公司的红外热像仪六十年代初 瑞典AGA公司研制成功第二代红外成像系统 它在红外前视系统的基础上增加了测温功能 被称为红外热像仪 投入应用的热成像系统可在黑夜或浓雾中探测对方的目标 开始由于保密的原因 在发达国家也仅限于军用 因为是应用于军事领域 热成像系统的研制开发费用很大 仪器成本很高 后来考虑到工业生产中的实用性 开始降低造价 以适应民用市场要求 2 2红外成像系统的发展 二 红外成像的发展 AGA公司的工业用实时热成像系统 THV 六十年代中期 AGA公司研制出第一套工业用实时热成像系统 THV 该系统用液氮致冷 110V电源电压供电 重达35公斤 使用中便携性能很差 1988年推出的全功能热像仪 将温度测量 图像采集 存储集为一体 仪器的功能 精度和可靠性得到了显著的提高 1986年 经过改进的红外热像仪已不需要液氮或高压气 而以热电方式致冷 可用电池供电 2 2红外成像系统的发展 二 红外成像的发展 非致冷红外焦平面成像传感器八十年代 美国霍尼威尔 Honeywell 公司 开发出非致冷红外焦平面成像传感器 九十年代中期 该公司已制成320 240室温工作的硅微测辐射热传感器以及相应的电路与系统 现已装配成各类军用热像仪 包括中波红外窗口 3 5 m 和长波红外窗口 8 12 m 热像仪 2 2红外成像系统的发展 二 红外成像的发展 非致冷红外焦平面成像传感器非致冷红外焦平面阵列技术的出现 实现了热像仪系统的小型化和低成本 使热像仪大量进入广阔的民用市场 进一步扩大了它的使用范围 近两年典型的代表产品有 美国FLIR系统公司的ThermaCam系列 Raytheon系统公司的PalmIR系列以及ReportIR系列等 它们都采用了320 240的微测辐射热计探测器 2 2红外成像系统的发展 二 红外成像的发展 能在室温下工作 无需致冷 与大规模集成电路工艺兼容 成品率高 均匀性好 图像清晰 体积小 重量轻 功耗低 工作可靠 使用寿命为10年 可做成便携式产品 操作与维护简便 响应波段宽 能在3 5 m和8 12 m波段使用 温度分辨率高 噪声等效温差可达100mK 0 1 空间分辨率 1 mrad 毫弧度 空间分辨率高 可制成高密度像元阵列 2 3非致冷红外焦平面热像仪的优点 二 红外成像的发展 采用PAL和NTSC标准视频输出 可与电视显示兼容 性能 价格比高 目前的价格是致冷固体红外焦平面摄像机价格的1 3到1 5 预计以后可达1 10到1 100 2 3非致冷红外焦平面热像仪的优点 目标表面发射的红外辐射 经大气的红外窗口 一般是中波和长波红外窗口 传输到物镜 即红外光学系统 三 红外成像的原理 非制冷红外成像框图 红外光学系统 目标物体发出红外辐射 非致冷焦平面阵列 A D转换器 数字信号处理器 温度参考信号 逻辑时序控制 红外辐射经过物镜聚焦 被聚焦后的红外辐射传输到红外焦平面上 准确的说是在光敏区上 光敏区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有关的局部电荷 扫描焦平面阵列的不同部位 或按顺序将电荷传送到读出器件中 读出这些电荷 当信号以视频信号输出时 每一个局部称做一个像元 红外焦平面阵列的输出信号经A D转换后进行DSP处理 A D转换一般是12 16位 三 红外成像的原理 数字信号处理器主要是进行的是非线性校正等 a 校正前 b 校正后实际图像校正前后对比 三 红外成像的原理 非制冷红外成像框图 红外光学系统 目标物体发出红外辐射 非致冷焦平面阵列 A D转换器 数字信号处理器 温度参考信号 USB接口数字输出 Video视频模拟输出 逻辑时序控制 红外辐射到视频信号的形成原理 红外热像仪成像时 目标物体的某个单位面积与图像的某一像素相对应 像素的灰度值就是热像仪输出的视频信号幅度US经过放大 量化后得到的电压 根据辐射定理 理想情况下 考虑目标物体的任意成像点 某个单位面积 US与波长 温度等参数满足以下关系 式中 1 2是红外热像仪工作波长范围 是热像仪的瞬时视场角 是玻耳兹曼常数 T为被测目标温度 是被测目标的光谱发射率 a 是大气透过率 R 是热像仪的总光谱响应 三 红外成像的原理 非制冷红外成像框图 红外光学系统 目标物体发出红外辐射 非致冷焦平面阵列 A D转换器 数字信号处理器 温度参考信号 USB接口数字输出 Video视频模拟输出 逻辑时序控制 温控器 用户界面 高精度的温度控制器可以成功抑制由于温度微小变化而引起的工作波动 四 红外焦平面和红外热像仪分类 根据焦平面阵列结构分类单片式 在同一芯片上同时含有探测器和信号处理电路准单片式 将探测器和读出线路分别制备 然后装在同一个衬底上 通过引线焊接将两部分连在一起平面混合式 采用铟柱将探测器阵列正面的每个探测器与多路传输器一对一地对准配接起来Z型混合式 将许多集成电路芯片一个一个的层叠起来 形成一个三维的电路层叠结构 4 1红外焦平面分类 四 红外焦平面和红外热像仪分类 根据焦平面阵列是否需要制冷分类制冷型IRFPA基于光子探测原理 较高工作温度下 探测器材料固有的热激发迅速增强 暗电流和噪声的增大将严重降低探测器的性能 甚至无法正常工作 这类探测器通常工作在200K温度下 一般用液氮制冷 非制冷型UFPA 4 1红外焦平面分类 四 红外焦平面和红外热像仪分类 根据焦平面阵列是否需要制冷分类非制冷型UFPA按传感器材料 目前的UFPA分为热释电和微测辐射热计两种 工作时不需要制冷器 目前 UFPA的灵敏度比制冷型的要低2 3个数量级 但对许多应用 特别是监视与夜视已经足够 在相同的阵列单元数和观察条件下 UFPA摄像机的像质与制冷型的所得像质基本一致 4 1红外焦平面分类 四 红外焦平面和红外热像仪分类 光机扫描型采用单元或多元的光电导或光伏红外探测器 借助光机扫描器使单一探测器依次扫过景物的各部分 形成景物的二维图像 探测器把接收到的辐射信号转换成电信号 通过隔直电路把背景辐射从目标信号中消除 从而获得对比度良好的热图象 这种类型的热成像系统存着结构复杂 成本高等缺点 是早期产品 主要应用在军事领域中 4 2红外热像仪分类 四 红外焦平面和红外热像仪分类 非光机扫描型性能上优于光机扫描型 有逐步取代它的趋势 探测器由单片集成电路组成 是包含多个探测单元的面阵 每个单元与景物的一个微面元对应 因此可取消光机扫描 高密度 低成本 高可靠性和高使用寿命的非致冷凝视焦平面阵列技术是红外热像技术发展经历的第三次变革 不仅甩掉了机械扫描机构 而且无需致冷 使红外热像系统进一步小型化 精细化 系统成本降低差不多一个数量级 4 2红外热像仪分类 五 红外热像仪的应用 应用领域 公安执法安全防犯车辆 飞行器和船只夜视停车场和飞机场的夜间监视 公安消防环境污染监测发电厂和输电线的检测医学方面对早期癌肿瘤诊断 五 红外热像仪的应用 公安执法现代毒品交易已遍及全球 执法人员获取现场毒品交易实况的难度愈来愈大 瞬时成像和非致冷红外焦平面阵列摄像机使执法人员的这种能力大为提高 美国前视红外系统 FLIR 公司生产的Seek IR摄像机即为其中典范 五 红外热像仪的应用 车辆 飞行器和船只夜视致冷型前视红外 FLIR 系统 由于成本高仅限于军用飞行器 舰船 装甲车和坦克等应用 目前 非致冷红外凝视焦平面阵列技术正在转向民用 民用汽车 飞机和船只的夜视市场 是这一技术新进步的结果 五 红外热像仪的应用 美国能源部OakRjdge国家实验室正在发展三种低成本的汽车夜视技术 这种夜视装置能使驾驶员看清楚迎面而来的汽车前灯强光后面的情况 德克萨斯仪器公司的汽车夜间驾驶员迎头显示器把实时红外热图像投影在车辆挡风玻璃上 便于随时观看 汽车驾驶员夜间视频增强系统的夜间观察距离达1500英尺 正前方灯光距离30英尺以上 公路上的障碍 停车斜面与进出车辆均可识别出来 日本和法国也都在发展这种用于汽车 飞机 船只和火车的交通运输安全技术 五 红外热像仪的应用 安全防范金融机构和公共设施的安全防犯日益引起全社会的严重关注 罪犯袭击的目标往往是金融机构 红外热像仪几乎在任意条件下 含白天 黑夜 都可使用 对潜伏在光照区域外的入侵罪犯 也能判明其位置 记录下犯罪的实况 因此安全防范是非致冷红外热成像焦平面技术的又一个大型应用市场 五 红外热像仪的应用 环境污染监测石油勘探生产和工厂排污必须受到严格的监控 墨西哥湾海底是美国石油和天然气的主要来源 有3800多口油井在日夜运行 政府严格规定 禁止把含油量超过百分之几的废水排入海湾 这一禁令由光电子系统负责执行 废水含油量用红外光谱仪测定 红外光谱仪还可用于分析汽油添加剂 监测纺织品成品 测量铝板上涂层厚度 监测土壤中的污染物和分析润滑油的质量等 其应用范围正在不断扩大 五 红外热像仪的应用 公安消防消防工作中 常遇到浓烟雾 特别在夜间消防现场环境下 消防人员的能见度受到限制 容易造成人员伤亡和装备损失 非致冷红外焦平面阵列在消防头盔上的应用 大大提高了消防队员在浓烟密雾和夜间现场的观察和机动能力 五 红外热像仪的应用 公安消防通用电气公司的DRA公司已发展了这种技术的几种应用系统 如第一个采用非致冷红外焦平面成像技术的商用消防头盔红外成像系统 IRIS 通过烟雾可见到一切 现场工作测试温度达1200 与普通器具相比缩短了50 以上的搜索和救援时间 日本的川崎重工业公司也开发了利用红外摄像机自动探测周围3km左右范围内的夜间早期火灾监视系统 它将探测到的火灾发生位置标示在地图上 利用与指挥部相连的线路可探测监视更为广阔的范围 早期发现火情 五 红外热像仪的应用 发电厂和输电线的检测发电厂和输电线故障的非接触式故障诊断检测与维护是红外焦平面阵列技术商业应用的又一个引人注目的领域 美国肯尼迪空间中心目前用4台热像仪监测数千台电机和其它设备 用红外摄像机进行先期预测性检测取得了极好的效果 五 红外热像仪的应用 电力系统使用情况监测 变电站观察三相输电线接头 亮处显示接触不良 五 红外热像仪的应用 高压绝缘子中部 明亮部分 有严重缺陷 五 红外热像仪的应用 医学方面对早期癌肿瘤诊断恶性肿瘤区的体温 比正常人体的体温区高0 5 以上 用非致冷红外热像仪可实现无接触诊断 六 未来发展方向 芯片上的模 数转换光子记数背景抑制光学读出灵巧焦平面 6 1红外焦平面阵列未来发展方向 六 未来发展方向 芯片上的A D转换过去几年 A D转换电路技术发展很快 特别是与红外焦平面阵列读出带宽相似的声频带宽A D转换用的低功率电路技术已经按常规达到16位的水平 一种在50kHz时 分辨率为18位的4阶增量A D转换器已被推荐应用于空间技术 6 1红外焦平面阵列未来发展方向 六 未来发展方向 光子记数红外焦平面阵列中的光子记数可通过两种方法实现 在读出之前将光电子放大 用晶胞电子部件中的高增益计算单个的光电子 虽然目前已经为一些专门的低背景 长波长应用部件研制了固态光电倍增管器件 但是类似的放大在一个较宽的波长范围内还是有用的 6 1红外焦平面阵列未来发展方向 六 未来发展方向 光学读出典型的杜瓦瓶连接线伴随有电容和热负载 为此人们已开始探索焦平面阵列的光学读出 加利福尼亚阿祖萨的Aerojet公司已提出用光学信号为低温焦平面阵列提供计时和功率 喷气推进实验室已开始调查焦平面上的光学调制器在焦平面阵列模拟光学读出方面的使用情况 6 1红外焦平面阵列未来发展方向 六 未来发展方向 灵巧焦平面原理上 增加焦平面上的处理量可以降低空间载科学遥感器的数据传输要求 然而 科学界一般对这种方法持不赞赏态度 但是 未来的一些光谱绘图飞行任务可能会有降低深空间通讯带宽的要求 神经网络电路在焦平面上或许能得到有效使用 它可以用于识别某些光谱特征 对具体数据进行分类或加标记 以减小传输带宽或启用其它更高级的功能 这种用于成像光谱仪的光谱神经处理技术是喷气推进实验室最近提出的 六 未来发展方向 灵巧焦平面原理上 增加焦平面上的处理量可以降低空间载科学遥感器的数据传输要求 然而 科学界一般对这种方法持不赞赏态度 但是 未来的一些光谱绘图飞行任务可能会有降低深空间通讯带宽的要求 6 1红外焦平面阵列未来发展方向 六 未来发展方向 灵巧焦平面神经网络电路在焦平面上或许能得到有效使用 它可以用于识别某些光谱特征 对具体数据进行分类或加标记 以减小传输带宽或启用其它更高级的功能 这种用于成像光谱仪的光谱神经处理技术是喷气推进实验室最近提出的 6 1红外焦平面阵列未来发展方向 六 未来发展方向 小型化多功能化数字化空间