第三章基于红外线象的制导系统

1、第三章 基于红外线象的制导系统 §1 引言 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年才制成第一台热象记录仪。随着探测器性能不断改进创新，扫描技术CCD软件、光学设计、信息处理技术等方面不断发展，尤其是近一些年来微处理机的开发应用飞速跃进，使热成象系统的应用研究十分广阔。热象仪的应用研究工作在整个红外应用研究方面目前几乎处于主导地位，它在工业、地资勘探、环境保护、交通管理、医疗、公安、军事等方面获得了广泛的应用。 红外成象在摄像机上的应用一、热象仪的组成 热象仪景物经热象仪的光学系统成象在接

2、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。热象仪的组成如图31所示。 探测器在某一瞬时实际上只接受一个景物空间单元的信息。扫描机构依次使接受系统对景物空间进行二维扫描，于是接受系统将按时间先后依次接受到二维空间的各景物单元的信息。这个信息经放大处理后成为一维时序视频信号。接受系统将景物的视频信号送到显示器。这个一维时序视频信号与由同步机构送来的同步信号合成后显示出完整的景物图象。对景物空间的分割有三种方式，即光机扫描、电子束

3、扫描和固体自扫描。 图3-1采用光机扫描方式的热象仪原理结构如图32所示。单元探测器与物空间单元相对应，当光学系统作方位偏转及俯仰偏转时，单元探测器所对应的物空间单元也在方位方向上及俯仰方向作相应移动，光学系统偏转角的大小决定了扫描的空间范围(即观察的空间范围)。这 种使光学系统偏转而探测器仅有很少接受范围的扫描方式称为光机扫描。 图3-2采用电子束扫描方式的热象仪主要是指热释电摄象仪，其原理结构如图33所示。景物空间的整个观察区域一起全都成象在热释电摄象管的靶面上，图象信号是通过电子束检出的，只有电子束所触及的那一小单元区域才能有信号输出。摄象管的偏转线圈控制电子束沿靶面扫描，这样便能依次拾

4、取整个观察区域的图象信号。接受系统对整个景物进行观察，然后再通过电子束扫描去分割景物的扫描方式称为电子束扫描。 图3-3固体自扫描系统是通过面阵探测器来实现的如图34所示。面阵中的每一个探测器单元对应于景物空间的一个相应单元，整个探测器面阵对应一整个观察区域空间。通过采样换接技术，使各探测器单元所感受到的景物信号依次送出。这种利用面阵探测器大面积摄象，通过采样而对图象进行分割的方法称为固体自扫描，也称作凝视式系统。若面阵探测器是CCD形式的，则采样换接方式变成了CCD的信号电荷转移的方式，探测器上各单元的信号电荷在转移脉冲的作用下迅速依次转移，直至输出至器件外部。图3-4从目前情况来看，光机扫

5、描热象仪由于工艺条件较成熟，性能较好，在应用中占优势地位；热释电摄象仪结构简便，具有中等水平的性能指标也相当普通地适用某些民用部门；红外CCD摄象仪结构更加 的简便，性能指标也好，随着红外CCD制造工艺的不断完善，最终将成为热象仪中占主导地位的品类。 可见光图象主要是霉景物反射本领的差别而形成的。而热象仪对景物成象则是基于景物各部分温度的差异及发射率的差异。目前可以区辨的景物温差(温度分辨率)，约为0.005，可区辨的最小景物单元(空间分辨率)，约为0.06mrad。热成象系统与可见光电视摄象系统从原理上看实质上是相同的，只是工作波段不一样(热成象系统工作在红外波段，而电视摄象系统工作在可见光

6、波段)，所以热成象系统亦或称作红外电视。 二、热成象系统的特点 一般的红外搜索跟踪系统要获取目标的方位信息，并对目标进行跟踪，通常情况下是将目标当作点源进行处理的。热成象系统则要求对景物成象，根据热象的特征进而确定景物的某些特性，因此热成象系统所观察的景物为面辐射源。这是两者的基本区别。从这个基本考虑出发，可进一步分析热成象系统的一些特点。 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(及反射率)的差异，而不是单纯的目标辐射强度的强弱。 2成象 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为高。对电子束扫描和固体自

7、扫描的热成象系统来说，系统视场即为所观察的空间范围；对光机扫描热成象系统来说，瞬时视场较小(如1mrad 或更小)，但所需观察的空间范围却较大，因此光学系统需要对空间进行扫描。扫描的光学系统亦应保证足够好的象质。 3探测器 为了提高热成象系统的性能，探测器常采用多元器件，用作多元并扫或多元串扫。单元探测器的热象仪常用于对灵敏度要求不太高的民用部门。 4信息处理 除了低噪声放大以外，还有很多关于景物视频信号处理的特殊问题(如延时叠加、多路传输及作各种模式的显示等)。由于成象系统的景物信息量较非成象系统的景物信息量丰富得多，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，成

8、象跟踪便是应用的一个例子。 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。 6热像仪的基本技术参数 在叙述红外信息检测的多元检测及扫描搜索跟踪系统时曾陆续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： 1光学系统通光口径和焦距它们是决定热像仪性能和体积的关键因素。 2瞬时视场瞬时视场由单元探测器尺寸a,b及光学系统焦距决定，它的大小通常表示热象仪的空 间分辨率的高低。 (3-1) 通常以mrad为单位。

9、3观察视场A,B 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帧时和帧速F 图3-5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。图35为隔行扫描情况。扫过完整的一帧所需的时间称为帧时，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： (1/s) (3-2) 在隔行扫描时，扫过一帧画面的时间为场时的两倍，这时帧速则为场速的一半。 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。扫过完整的景物所张空间范围一次所需的时间与扫描机构实际扫描一周所需的时间之比称为扫描效率。通常空间扫描都是由方位

10、扫描和俯仰扫描两者合成的，所以扫描效率也分成方位扫描效率和俯仰扫描效率两种 ，即 (3-3)6滞留时间物空间一点扫过探测器所需时间称为滞留时间。若扫描机构扫过的景物空间为A×B， 单元探测器的张角为，则与景物空间相应的探测器单元数n应为 (3-4)扫过一帧的时间为，或帧速为F，则当扫描效率时，滞留时间为 (3-5)当扫描效率<1时，滞留时间应为 (3-6)热象仪的综合性能参数则是在以上各基本参数的基础上作进一步综合分析得出的。 §2 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

11、扫描机构两大部分组成。关于红外光学系统的一般结构这里不作专门叙述，可参见诸有关书籍。这里主要叙述扫描机构结构类型及其性能。 图3-6图3-7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。图3-6是一种最简单的平行光束扫描器。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。图3-7为最简单的会聚光束扫描器。入射光束光经光学系统会聚，在会聚光路中插入可摆动的平面反射镜，使其对会聚光束扫描。这种扫描机构是对象方光线进行扫描的，所以又称作象扫描系统。图3-8也属于平行光束扫描器的类型，它将物方光束经望远镜

12、头压缩头光束宽度后再由扫描机构扫描，然后再经探测器光学系统会聚成象，这各种扫描机构也称作伪物扫描系统。 图3-8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； 最常用的为前面三种。摆动平面镜既可以用作平行光束扫描，也可以用作会聚光束扫描(见图3-9)。旋转多面镜和摆动平面镜具有相同的基本特性，因此它也可以作平行光束扫描或会聚光束扫描。旋转折射棱镜只能使光线平移而不改变其前进方向，所以它只用作会聚光束扫描。 图3-9现仅将其主要工作特性扼要叙述于后。对扫描机构来说，其主要的工作特性为 1摆动机构转角与物空间转

13、角的关系； 2扫描机构扫描时对系统象差的影响； 3扫描效率； 4扫描部件尺寸。 一、摆动平面反射镜 对平面反射镜来说，若入射光线保持不动，当镜面转角为时，出射光线方向的转角将为镜面转角的一倍，即 (3-7)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即由(37)决定，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。反射镜面所需的最大尺寸与入射光束的宽度及镜面转角有关。 (3-8)图3-10平面反射镜用作会聚光束扫描时，其光路图如图310。在镜面初始位置M上，入射光线自c点沿a+b光程至D，当镜面转动角至M位置后，为要保持象点位置

14、D不变，则入射光线应转动角，这时光程为。显然 (3-9)可以推得与的关系为 当和都较小时，近似地有 (3-10) 因为平面镜转动后光程有了变化，所以会因散焦而增大系统象差。 对平面反射镜而言，扫描效率由所需观察的空间角度与镜面摆动角度之比决定。镜面摆动角度可根据所需观察空间角度设计，使空程尽量小。摆动平面镜一般不作正程使用，回程不用，所以平面反射镜的扫描效率一般均小于50(通常因往复运动的惯性，扫描效率只能达到40)。也有特意将回程扫描速度提高以提高扫描效率的。在某些场合也可用回程扫描以提高扫描效率，这时需对系统的视频信号进行回程相位补偿以使正程、回程图象协调一致。 摆动平面镜是周期性往复运动

15、的，因为机构有一定惯量，所以摆动速度不能太大，因而在热象仪中摆动平面镜通常用作帧扫描。 在行扫描器中有将平面反射镜倾斜45安置而绕水平轴旋转的扫描装置(见图311)常用于机载或星载多光谱扫描仪中。这种扫描机构属于平行光束物扫描系统，旋转一周往往只有是有效扫描角，其余轮空，因此扫描效率很低。 图3-11二、旋转反射镜鼓旋转多面镜)图3-12反射镜鼓是由n个矩形面镜组成的棱柱，它绕棱柱轴转动，如图312所示。矩形镜面宽为，矩形面对中心张角为，棱柱外接圆半径为，显然有 (3-11) (3-12)若镜鼓面数n增大，遇镜面夹角就减小；当镜鼓动半径为定值时，镜面宽度就减小，因而允许的入射光束宽度也就减小。

16、旋转反射转鼓的扫描效率与镜面夹角直接相关。若观察视场为2W，则扫描效率为 (3-13)由上式可知，为了提高扫描效率，应增大转鼓面数n，这时为了保证入射光束宽度为定值，必然要增大转鼓半径，所以转鼓的扫描效率与入射光束的允许宽度以及转鼓尺寸三者相互制约。 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。在平行光束扫描情况下，为保证不发生渐晕现象，当入射光束宽度为定值时，反射镜鼓半径应满足下述关系式： (3-14)上式中为入射光束相对于镜面的平均入射角。为镜面的有效转角(2

17、=2W)。 从(3-14)式中可知，反射镜的有效转角不能取得过份接近，否则-的值小而的值将相当大。扫描效率 (3-15) 从扫描效率角度考虑当和差得较多时，扫描效率又将受较大影响。 旋转反射镜鼓与摆动平面镜的工作状况基本是一致的，因此转角关系和象差情况也基本相同。 旋转反射镜鼓一般用于平行光束扫描作行扫描器用；在作会聚光束扫描器用时，应注意象差校准。 三、旋转折射棱镜 图3-13旋转折射棱镜为正n面棱柱，绕棱柱中心轴转动，如图313所示。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。当棱柱转动时，出射光束方向随之平移，但成象位置不

18、变，因而旋转折射棱镜不能作平行光束扫描；在会聚光路中，棱镜将焦点沿轴向后移，移动距离为Z；随着棱镜转动，焦点位置同时作横向移动，移动距离为Y。 图3-14图314是图313的简化情况，只画了一条主光线。棱镜厚度为t，折射率为n，棱镜的转角为，入射光线对棱镜镜面的入射角为，折射角为。可以推得焦点位置的横向移动量Y为 (3-16) 当()及值均较小时，(3-16)式近似为 (3-17)由上式可见，在小角度范围内，棱镜转动产生近似的线性扫描。 对于旁轴光线，因此(3-16)式所表示的Y值为 (3-18)所以 (3-19)由此可见，在棱镜转角为一般值时焦点位置横向偏移量Y与呈较复杂的非线性关系。 会聚

19、光束通过折射棱镜后，焦点位置的纵向位移Z也可推算出，在近轴光线()情况下为 (3-20) 入射光线通过折射棱镜后，导致象点的纵向及横向位移，所以了必然相应地引起附加的球差、慧差、象散和色差。因此在选用折射镜作扫描部件时，对光学系统的消象差问题应特别注意。 旋转折射棱镜的扫描效率与棱镜面数n及棱镜的有效转角有关： (3-21)计算棱镜的有效转角时，可由有效视场2W、系统焦距、棱镜厚度t，用光路追迹算出象点横向偏移量Y，然后再根据(3-16)、(3-17)或(3-18)式算出。对旋转折射棱镜来说，可以有较高的效率。旋转折射棱镜只用于聚光束扫描，所以尺寸可以做得较小，棱镜厚度又与扫描效率及系统焦距有

20、关，且棱镜的面数n越多则棱镜厚度值t应越大。 §3 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)。用红外电荷耦合器件做成的红外摄象头结构如图315所示。图3-15IRCCD为多元阵列，有线阵的和面阵的两类。IRCCD摄象头的扫描方式主要有串联扫描、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 以及凝视。IRCCD摄象头中的串联扫描、并联扫描或串并联扫描还是要由

21、光机扫描机构来完成，这和一般的多元探测器系统没有任何不同。IRCCD摄象头的主要特色 是在多元信号处理方面。一般的多元探测器输出的信号必须要经过信号延迟积分或者多路信号采样等环节才能够得到视频景物信号，这样结构繁复，可靠性也就差。IRCCD可根据使用要求选择适当的结构形式并由驱动电路的时钟脉冲驱动，信号可直接输出而得到视频景物信号，省去了延迟积分电路或 者多路信号采样等环节，既简化了结构，又提高了工作性能和可靠性，因此它特别受到人们的重视。 CCD芯片 在本节中，首先叙述CCD的一般工作原理及其主要特性。 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

22、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。如图316所示。 图3-16现在从电荷的贮存，电耦合(转移)、信号电荷的输入和输出这几个方向来叙述电荷耦合器件的工作原理。 1电荷贮存 (a) (b) (c)图3-17图317(a)是一个MOS结构单元，在金属电极上加上一定极性的电压(对P型半导体>0，对N型半导体<0)后，半导体内部的载流子分布即会发生变化。以P型半导体为例，电极上所加的电压把空穴推离装置半导体与氧化层之间的界面。因而在半导体表面形成了耗尽区，表面能带呈现弯

23、曲。在0<<的情况下见图317(b)，表面势还较小，本征费米能级始终大于费米能级，这时只呈现出一般耗尽状态，耗尽区厚度正比于外加电场；当>后，表面势增大(见图317(c)，这时本征费米能级与费米能级相交，MOS器件处于深耗尽状态，在相交点与界面之间逐渐形成一个反型层。在反型层内，半导体内的热生少数载淀子(电子)被吸引到这个区域内(半导体由P型变为N型，为强反型开始的门限电压值)。这时若有信号电荷(电子)注入，则可贮存在深耗尽区域内，信号电荷与半导体内热生载流子共同形成反型层(当CCD正常工作时，的变化频率足够高，以致于热生载流子与信号电荷相比完全可以忽略)。这种能贮存少数载流

24、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。 2电荷耦合 图3-18若在电荷耦合器件中两个相邻MOS单元上分别加上大小不同的值，则形成两个相邻的深浅各异的势阱。若在势阱MOS单元中贮存有电荷包，则它会自动向深势阱MOS单元转移耦合。在CCD中各MOS单元上加上按一定规律变化的周期性时钟脉冲，则输入的信号电荷便会在CCD中传输。图318(a)为三个相邻排列的MOS单元，在电极上各加上三相时钟脉冲，其波形如图318(b)所示。当时，电极1下面有很深的势阱，电极2、3下面的势阱都比较浅，因此电荷包贮存在单元1中；当时，单元1中的

25、势阱变浅了，单元2的势阱变得很深，因此单元1势阱中贮存的电荷包向单元2的势阱流动；当时，单元1和单元3的势阱一样浅，而单元2的势阱很深，因此电荷包全部存入其中。当时，将重复的过程，电荷包将由单元2的势阱向单元3的势阱流动。时钟脉冲变化为一个周期，电荷包将移位3个MOS单元。在时钟脉冲的不断驱动下，电荷包将作持续的定向移动。电荷的传输机理有三种： 自感生漂移 势阱中贮存的少数载流子浓度的差异会在势阱之间生成表面电场，由于自感生电场的作用，促位少数载流子向势阱较深的势阱中漂移。这种传输过程在电荷开始转移时起主要作用。 热扩散 热扩散的作用是使少数载流子从浓度高的区域向浓度低的区域扩散，使少数载流子

26、分布趋于平衡。在电荷传输的初始阶段，电荷密度相当大，这时主要是靠自感生电场传输电荷；在电荷传输中的后期，电荷密度较小，电荷的传输逐渐靠热扩散进行；如果最初存贮的电荷量就很少，那么自感生电场也很小，于是热扩散就成为主要的传输机构。 边缘场漂移 两电极之间由于静电场强的差异形成了另一种表面电场边缘场，方向与自感生电场相同，因而也促使电荷转移。即使在少数载流子浓度极低的情况下，少数载流子也会在边缘场的作用下不断转移。电荷传输中的最后一部分信号电荷是在边缘场作用下转移的。 3信号电荷的输入和输出 电荷输入方式 在这里讨论的是电注入方法，光生电荷的注入方法将在以后叙述。电荷输入方法有表面电势平衡法，表面

27、电势设定法和电流积分法等多种方式，其中性能较好、应用较为普遍的是表面电势平衡法。表面电势平稳法的原理如下：如图319是这种输入法的原理图。输入机构包括输入二极管、输入栅、以及控制、偏置电路。图中只绘出一个转移栅，其余的转移栅，省去未绘。输入栅上加固定偏置电压以便在该电极下的半导体表面形成导电沟道(n沟道)。输入信号电压加在输入栅上。输入二极管在一般输入情况下为反向偏置，当控制脉冲(负脉冲)作用时转为正偏。图319(b)为加在，各级上的信号波形。当时，各级下，面的势阱如图319(a)中的所示。 图3-19这时处于正向偏置，下面的势阱变浅，源区的电荷将通过下面的导电沟道注入下面的势阱，直到、下面的

28、表面势与下面n区的表面势相等为止。当时，控制脉冲消失，输入二极管回到反偏状态，n区形成深势阱，下面的过量电荷向n区倒流，直到电极下面不再有电荷为止，见图319(a)中。当时，转移栅上的电压值较大，下面形成深势阱，因此下面深势阱的信号电荷向下的势阱中转移。由于信号电荷量与、电极下面的势阱深度成正比，是固定偏置的，下面的势阱深度随外加信号电压变化，所以注入的电荷量与输入信号大小成线性关系。 电荷输出方法 图3-20电荷输出方法包括电流输出法、浮置扩散输出法、浮置栅输出法等很多种，其中以浮置扩散输出法应用最为广泛。浮置扩散输出法的原理如图320所示。输出机构包括输出栅、浮置扩散区FD、复位栅、复位漏

29、区D，以及输出场效应管电路和偏置电路。浮置扩散区、复位栅和复位漏区构成 了一个场效应管。设是CCD的最后一个转移栅。输出栅上加直流偏置以便在该电极下形成导电沟道(n沟道)。复位漏区反偏，以便形成收集电荷的深势阱；复位栅上加上周期性的正脉冲。当正脉冲到达时，复位栅下面形成导电沟道(n沟道)，信号电荷可从浮置扩散区向复位漏区转移；在复位脉冲消失后，浮置扩散区和复位漏区之间被复位栅下面的势垒所隔断。浮置扩散区无直流偏置，其电位处于浮置状态，它的大小取决于复位漏区和复位栅表面势以及浮置扩散区自身所有的电荷量。在复位脉冲消失期间，转移栅上的时钟脉冲由大变小时，转移栅势阱变浅，其中贮存的信号电荷Q将通过下

30、面的导电沟道转移到浮置扩散区，这时浮置扩散区的电位变化量为 (3-22)式中为与浮置扩散区有关的总电容。 这个电压变量经源极跟随器后成为输出信号。二、CCD的结构 前面在叙述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。结构形势的发展是从CCD的性能要求、工艺繁简程度、简化驱动电路等几方面综合考虑的。图3-21图3-22前面所述的单层分离电极结构固然简单，但有一个严重的缺点，就是在电极之间的间隙处要形成很高的势垒而阻碍电荷的转移。为了降低电极

31、间的势垒而发展起来的电极有多种交叠栅结构，常用的有三层硅栅结构(图321)硅-铝交迭结构(图322)等。采用这些结构形式的电极能较好地控制沟道区的表面势，因而电极之间的间隙可以做得稍宽些，并且由于电极间隙不裸露在外面，所以器件的稳定性也比较好。图3-23图3-24为了简化驱动电路而发展起来的结构有阶梯氧化层电极(图323)和离子注入两相CCD结构(图324)等结构形成。对这类结构的CCD而言，虽然所加的矩形脉冲是对称的，但是电势分布却是不对称的(见图)，因此可实现电荷包的定向位移。 此外，还有为减少界面态损失而采用的埋沟结构CCD(BCCD)，这里不予叙述。 三、CCD的主要特性 1电荷负载能

32、力 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 了CCD的动态范围。的值为 (3-23)式中 绝缘层电容； 有效的外加电压值； 半导体的介电常数和真空中的电容率； 电子电荷； 衬底掺杂浓度； 贮满电荷时表面势(或稳态时的表面势)。 通常>>，所以有 (3-24)因此，为加大电荷负载能力，绝缘层电容及外加电压都要较大，对一些类型的CCD来说，其电荷负载能力的典型数据是：硅CC

33、D为；InSbCCD为；HgCdTeCCD为。 下一页 §4 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。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

34、象信号加以进一步处理的，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。 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。 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，如光机扫描的单元探测器系统及热释电摄象管；有些则是在摄象器件中内部经过预处理以后再输出的，如光机扫描的Sprite探测器的输出信号、CCD的输出信号等，这类信号也是景物图象的视频信号；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

35、信号，如一般的光机扫描多元探测器系统，它须经过延迟积分或者取样后才能成为单一的视频信号。 多元探测器串联扫描系统输出的信号须要 经过延迟积分，然后变成增强了的视频信号。 多元探测器并联扫描系统输出的信号须要经过取样处理才能成为单一的视频信号。一种取样方法是用专门的取样电路对多元并联输出信号进行取样，如图331(a)所示。另一种取样方法是用CCD进行取样，如图331(b)所示。这种CCD取样方法和混合式IRCCD实质是完全相同的。 图3-31取样电路中的主要问题是取样频率问题。根据取样定理，取样频率应大于2倍信号频谱限，则取样后的信号有可能还能还原成原信号。也就是说，在每一瞬时视场内要对所有各元

36、件至少取样两次。设探测器为n元，则要在滞留时间内至少取2n次样。因此取样的时间为 (3-28)取样频率为 (3-29)若，n=50,则 由此可见取样频率较高，成了并联扫描的关键问题。 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。放大器的通频带由高端频率及低端频率决定。 .高端频率由信号脉冲宽度即滞留时间决定，即 (3-30)如=5，=。 低端频率的确定要从两个因素考虑。一方面要使信号失真不太大；另一

37、方面又不要使过低，因频率越低则噪声越大。 若选用RC滤波器，出脉冲信号经RC滤波器后总会有平顶下跌(直流下落)的。平顶下 跌量即反映信号失真量的大小。图332中为输入脉冲信号的幅值，V为经RC滤波器后的输出值，则平顶下跌量即为 (3-31) 式中为脉冲宽度。 上式可近似为 (3-32)若一个大目标充满着整个观察视场，则所得信号脉冲宽度为最宽的了，这时的信号脉冲宽度即为扫描一行的时间。设平顶下跌按3考虑，则从(3-32)式中可得 RC滤波器的特征频率即为低端频率，即 因此可得 若，则=8Hz 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

38、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。 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下面三种图象缺陷。 对中等温度差异的大目标来说，耦合前的信号和矩形波，耦合后信号失真，产生直流下跌和负尖峰，因此目标图象亦发生畸变(如图333)。在某些情况下，这种图象畸变会掩盖掉其它目标。 图3-33对高温小目标来说，由于线路输出的平均值为零，所以输出信号在正信号响应之后，将伴随一个振幅较低但持续时间较长的负信号响应。

39、从图象来看会发生严重的黑色拖尾现象(见334)。 图3-34多元扫描时，每个通道中在开始扫描前(t< 0)所积存的电荷量不一定都是相同的，这个积存的电荷量将影响开始扫描后的信号大小。如图335(a)，通道1是从冷背景到温目标的探测，通道2是从热背景到同一温目标的探测；显然通道1对温目标的响应大于通道2对同一温目标的响应，见图335(b)；因此最终的目标图象成了图335(c)的样子，原来为同一温度的温目标，结果通道1显示的图象较亮，通道2显示的图象较暗。 图3-35为了测量出温度的绝对值及减少图象缺陷，要对交流耦合电路进行直流恢复。图336为一种直流恢复方案。探测器对空间扫描时，在有效视场

40、内扫过有效的空间区域；当扫出有效视场后，听扫过的空间区域便为无用空间区域，在这无用空间区域内设置一个参考黑体，并使这个参考黑体的温度与环境温度相当。这样当探测器扫描到参考黑体时，便输出与环境温度相当的恒定信号。因此不管在有效空间区域内所扫过的景物温度为何值，当扫到无用空间区域时，探测器信号一律箝位到与参考黑体温度相应的电压信号值上。见图337。也可以在扫到参考黑体时，首先将原来探测器的信号一律箝位到零电平，然后再将与环境温度相应的一个直流电平叠加在经过箝位的探测器信号上以进行环境温度补偿。这样经过箝位(或箝位补偿)后的信号便具有绝对值的意义了。最简单的实施办法是将参考黑体做成无源的。参考黑体用

41、紫铜板 制成，板面涂上黑色无光漆。黑体本身不加热，在热平衡状态，黑体温度便等于环境温度。环境温度信号通过一只放在参考黑体内的热敏电阻测出。 图3-36图3-374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。因此要将探测器测出的电压信号进行线性化变换和校正，使其与温度成线性关系。通常线性变换和校正是在箝位和温度补偿之后进行的。 环境温度的补偿是用热敏元件测出的，它的信号电平与温度近

42、似的成线性关系，但是将它 送去进行温度补偿时，被补偿的温度信号与温度的关系却是非线性性的。因此要将这个线性的环境温度信号进行非线性化处理，使其与原温度信号的非线性化规律一致，然后再进行补偿。另外显象管的辉度与控制电压之间存在着非线性关系，因此也需要进行校正，以便使控制电平线性地显示出相应的灰度。 线性化电路可以用非线性电位计制做，也可由二级管、电阻网络构成。 5显示中心温度及显示温度范围的选择 热图象的中心温度及整个热图象的温度变化范围因观察对象不同而有所不同，因此要求显示的中心温度及显示的温度范围也是可调节的。显示中心温度应连续可调，其调节范围应该是整机的测量范围。显示温度范围即为仪器的灵敏

43、度。如仪器具有1、2、3、5、7、10、15、20、30、50十挡灵敏度。如对最灵敏的一挡灵敏度1而言，因测量范围为1，显示器具有十级灰度，所以每级灰度相当0.1的温差，即仪器可显示精度为0.1。 中心温度的调节及显示温度范围的选择可用改变电子通道内某一放大器放大倍数的方法来实观。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。对热图象显示的基本要求是图象清晰及能按要求进行判读。因此，对热图象显示来说要讨论

44、的基本问题是热图象的形成、图象的清晰度和图象的显示模式。 1发光二极管显示 图3-39图339为发光二极管显示的原理图。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。图339中所示的光学扫描器为二维摆动的平面反射镜，镜子两面都涂有反射膜，正面作入射辐射扫描镜，反面作为复扫描镜。至于其它类型的光学扫描器也可作相应处理以同时作入射辐射扫描及复扫描用。由于复扫描和原扫描合用一

45、套扫描机构，所以就很自然地解决了同步问题。对复扫描成象有两个问题应予以注意： 复扫描机构的类型和原扫描机构的类型应相同，即同为平行光束扫描或同为会聚光束扫描，这样在结构设计上便于统一安排，图552所示即同为平行光扫描的情况。 若只是由目镜观察热图象，则毋需直流恢复及线性变换、校正等装置；若须读出温度值，则可以在摄象机的线路中加入直流恢复以及线性变换、校正等信号。至于其它显示模式的控制信号也都在摄象机加入。 发光二极管的亮度应能根据视频信号电压的大小而变化。也可采用控制发光管工作电流的方法去改变发光管的亮度。 图339上所示的探测器及其放大电路、发光二极管及其激励电路都是单元的，这是为了说明发光

46、二极管显示的基本原理。 应用更普遍的是多元探测器阵列和多元发光二极管阵列的情况。如多元并扫情况(见图340)，发光二极管阵列与探测器阵列一一对应，每个探测器的输出信号大小直接控制相应发光二极管亮度的强弱。因为是并扫，所以光学扫描器只须作一维行扫。这种方法的特点在于对多路信号的处理是采取光电多路直接显示的方法，而不是象小节所说的那样对多路信号用采样方法变成单一的视频信号。这种光电多路显示的方法结构简单，适用于简单的热成象系统。多路信号采样在频率很高时(如10MHz以上)，实现就很困难，而光电多路显示则不受此限。 图3-402.图象显示中的同步和消隐 同步 采用阴极射线管显示时，输入的视频信号用来

47、控制电子束的强弱，进而控制荧光屏上的光点亮度。电子束的偏转则是一种复扫描过程。电子束的偏转方式应和原扫描方式完全相同。无论原扫描采用的方式是光机扫描式或电子束扫描式或固体自扫描式，都应如此。这样在显示器上便可显示和景物相应的热象。 扫描机构有行扫描和帧扫描两部分，所以同步机构也应有行同步机构和帧同步机构两部分。 同步机构有光敏触发、磁敏触发和机械触发等类型，由原扫描机构触发产生的信号经过放大整形后成为符合一定要求的脉冲信号，然后控制显象管的电子束与原扫描机构作同步偏转。每扫完一行及每扫完一帧后，传送一个行同步信号和一个帧同步信号，使显示器和扫描机构协调地工作。 消隐 显象管的电子束在有效扫描时

48、间内发关送图象信号，而在回扫及其他非有效扫描时间内，为了不影响画面的清晰度，要停止发送图象信号，因此须加入一个脉冲信号来关掉电子束，这种脉冲信号就叫消隐信号。它也有行消隐和帧消隐两种。消隐信号也有光敏触发、磁敏触发和机械触发等类型的。触发后的信号同样要经过放大整形成为符合一定要求的脉冲信号后才能使用。将消隐信号加以各种变换可以配合作各种模式显示。 §5 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。当其中的某些景物(目标)相对于摄象头作某种运动时，摄象头若能对作

49、相对运动的景物(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。 成象跟踪器的组成方框图如图341所示。 图3-41成象跟踪器对目标的跟踪原理和前面第二章所述的跟踪原理完全相同。对成象跟踪器而言，首先应测出面目标在视场中的位置。图342中观察视场为A×B，视场中心为O，目标图象在视场中的位置如图所示。测量目标图象位置的方法有测量目标图象的边缘、测量目标图象的矩心以及测量目标图象的相关度等几种。用这些不同的测量方法构成的跟踪器分别为边缘跟踪器、矩心跟踪器及相关跟踪器。由摄象头输出的目标视频信号送到图象信号处理器，目标视频信号经过处理后检出与目标位置相应的误差信号。误差信号控

50、制伺服机构使摄象头跟随目标。对成象跟踪器而言，主要的问题是当观察目标作相对运动时将目标视频信号处理成误差信号的设计问题，也就是图象信号处理器的设计问题。对边缘跟踪及矩心跟踪来说，都要设置一个波门。波门的尺寸略大于目标图象，波门紧紧套住目标图象(如图342所示)。波门是随目标图象视频信号而产生的。在波门以内的信号当作感兴趣的信号予以检出而摒除波门以外的其它信号；也可以针对视场中出现的苦干个目标面同时设置几个波门，分别检出各个波门中的信号。从整个视场中检出波门内的信号的方法属于选通技术的范畴。利用选通技术可以对目标进行有选择的跟踪，同时也可以非常有效地排除背景干扰。相关跟踪是用测量两幅图象之间的相

51、关度的方法去计算目标的位置变化的。用预存的目标图象去和实时摄取的目标图象求取相关值称为图象匹配技术；有先后相邻的两帧实时摄取的图象求取相关值则称为动目标跟踪技术。在相关跟踪的误差信号处理中对相关度的取值有一定要求(在乘积相关算法中取最大值，在MAD算法中取最小值)，所以相关跟踪器对与选定的跟踪目标图象不相似的其他一切景物都不敏感，因此相关跟踪器具有极好的选通跟踪能力的抗背景干扰能力。图3-42从上面的叙述可知，由于成象跟踪器利用了目标图象的形状及其亮度分布状况等作为跟踪信息，所以信息量比较丰富。非成象跟踪系统只是利用目标的辐射强度作为跟踪信息。因此象跟踪器比非成象跟踪器要优越得多，可对各种目标和背景进行鉴别而实行选择跟踪，跟踪精度也较高。 对成象跟踪系统来说，其基本性能要求应从成象和跟踪两个方面同时考虑，如成象性能为温度分辨率、空间分辨率及扫描速率(或速高比)；跟踪性能为跟踪角速度、跟