红外成像原理综述

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1、第七章 红外成像原理 7.1 引言 7.1.1 红外线的历史 n 1800年，赫胥耳利用太阳光谱色散实验发现了红外光。 通常取可见光谱中红光末端为780nm，比它长的光就是红外 光，或称为热射线。 n 1870年，兰利制成了面积只有针孔那样大小的探测器，并 用凹面反射光栅、岩盐及氟化物棱镜来提高测量色散的能力 ，这为红外应用的重要方面航空摄影奠定了基础。 n 1904年，开始采用近红外进行摄影。 n 1929年，苛勒发明了银氧铯（Ag-o-Cs）光阴极，开创了红 外成像器件的先河。 n 1888年，麦洛尼用比较灵敏的热电堆改进了赫胥耳的探测 和测量方法，为红外技术奠定了基础。 2 7.1 引言

2、 天 文 观 测 温度感应 数 据 传 输 医学成像 n 二十世纪30年代中期，荷兰、德国、美国各自独立研制成 红外变像管，红外夜视系统应用于实战。 n 1952年，美国陆军制成第一台热像记录仪。 3 7.2 红外辐射的基本概念 7. 2.1 红外辐射 红外辐射是一种电磁波：近红外（0.783.0m），中红外（ 3.020m），远红外（20100m）。 红外辐射普遍存在于自然界：任何温度高于绝对零度的物体 （人体、冰、雪等）都在不停地发射红外辐射。 红外辐射的倍频程比可见光宽。可见光：0.380.78m，一 个倍频程；红外线：0.781000m，商为1282210，10个倍频 程。 倍频程：若

3、使每一频带的上限频率比下限频率高一倍，即频率 之比为2，这样划分的每一个频程称为1倍频程，简称倍频程。 4 7.2 红外辐射的基本概念 黑体的红外辐射率和吸收率为1（客观世界不存在），其意义 体现在为衡量自然物体的红外辐射和吸收能力建立一个标准。 n 黑体 假想的全部吸收和辐射红外电磁波的理想体，其红外吸收和 辐射能力与温度无关。一般物体的红外辐射率和吸收率都小 于1，并且其辐射和吸收能力都与表面温度和波长有关。 在理论和工程实践中，常用物体的比辐射率定量描述物体辐 射和吸收红外电磁波的能力： （7-1） 即物体的实际红外辐射与同温度下黑体红外辐射之比值，显然 ，物体的比辐射率都小于1。人体为

4、0.98。 5 7.2 红外辐射的基本概念 不同材料的比辐射率 6 7.2 红外辐射的基本概念 7.2.2 红外辐射的三个规律 同温度物体的红外发射能力正比于其红 外吸收能力；红外平衡状态时，物体吸收 的红外能量恒等于它所发射的红外能量。 n 基尔霍夫定律 推论：性能好的反射体或透明体，必然是性能差的辐射体。 基尔霍夫 18241887 7 7.2 红外辐射的基本概念 物体辐射的红外能量密度W与其自身的热力学温度T的4 次方成正比，并与它表面的比辐射率成正比： n 斯蒂芬玻耳兹曼定律 （7-2） 可见，物体的温度越高，红外辐射能量越多。正常人体 的红外辐射功率大致为1kW。 8 7.2 红外辐

5、射的基本概念 物体的红外辐射能量密度大小，随波长（频率）不同而变 化。与辐射能量密度最大峰值相对应的波长为峰值波长，维 恩通过大量实验得出峰值波长和物体热力学温度之间的关系 ： （7-3） n 维恩位移定律 的单位是m，T是物体的绝对温度，单位是K。 9 7.2 红外辐射的基本概念 红外辐射能量密度曲线 温度 波长 物体名称温度/K 太阳110000.26 融化的铁18031.61 融化的铜11732.47 融化的蜡3368.62 人体3059.50 地球大气3009.66 冰27310.6 液态氮77.237.53 常见物体的峰值波长 10 7.2 红外辐射的基本概念 n 红外辐射的大气窗口

6、 红外辐射在大气中传输时，不同波长的红外辐射，有着不 同的吸收和衰减。能够透过大气的红外辐射主要有三个波长 范围：12.5um，35um，814um，通常称为大气窗口。 12.5 35814 11 7.2 红外辐射的基本概念 n 红外辐射的介质传输特性 许多对可见光透明的介质，对红外辐射却是不透明的。通 常把可以透过红外辐射的介质称为红外光学材料。红外光学 材料可以分为晶体材料、玻璃材料和塑性材料三种，每种材 料都对某些波长范围的红外有较高的透过率。 几种红外光学材料的透过率 单晶锗：1.820m ，最常见；单晶硅 ：11m以内；多晶 硫化锌：114m ；多晶氟化镁：3 5m，高温性能稳 定

7、12 7.3 主动式红外成像系统 红外成像系统 被动式红外成像系统（ 红外热像仪） 利用物体自 然发射的红 外辐射 主动式红外成像系统（ 红外夜视仪） 利用不同物体 对红外辐射的 不同反射 核心问题：如何将红外图像转变为可见光图像？ 13 7.3 主动式红外成像系统 主动式红外成像系统自身带有红外光源，是根据被成像 物体对红外光源的不同反射率，以红外变像管作为光电成像 器件的红外成像系统。 优点：成像清晰、对比度高、不受环境光源影响。 7.3.1 主动式红外成像系统 缺点：易暴露，不利于军事应用。 装有红外夜视仪的步枪红外夜视图像 14 7.3 主动式红外成像系统 n 主动式红外成像系统的系统

8、结构 主动式红外成像系统 红外探照灯 红外辐射光源 红外变像管 光谱转换 电子成像 亮度增强 高压电源 变像管电源 光学系统 物镜组 目镜组 15 主动式红外成像系统结构示意图 7.3 主动式红外成像系统 16 7.3 主动式红外成像系统 n 光学系统 物镜组：把目标成像于变像管的光阴极面上 目镜组：把变像管荧光屏上的像放大，便于人眼观察 与常规光学仪器不同，变像管将物镜组和目镜组 隔开，使得光学系统的入瞳和出瞳不存在物象共轭 关系！渐晕系数越大越好，像面照度均匀。 17 7.3 主动式红外成像系统 红外变像管是主动式红外成像系统的核心，是一 种高真空图像转换器件，完成从近红外图像到可见 光图

9、像的转换并增强图像。 n 红外变像管 从结构材料上分，红外变像管可以分为金属结构 型和玻璃结构型； 从工作方法上分，可以分为连续工作方式和选通工 作方式。 18 7.3 主动式红外成像系统 红外变像管结构 光学纤维 阴极 外筒 电子轨迹 阳极锥电极 红外光阴极 电子光学系统 荧光屏 工作波长范围取决于红外变像管的光阴极响应谱区，一般为 0.761.2m的近红外光。 19 7.3 主动式红外成像系统 红外变像管的工作过程 近红外辐射光阴极面 通常变像管的光阴极采用对近红外敏感（0.8 1.2m）的银氧铯光敏层，电子光学部分相当于一 个静电聚焦系统。 电子流图像 电子光学系统 荧光屏可见光图像 高

10、能电子 20 7.3 主动式红外成像系统 大气后向散射现象：红外探照灯向目标发出的红外光束通过大 气时，其中一部分散射后向辐射进入观察系统。引入了图像的 背景噪声，降低了图像对比度和清晰度。 l 如何减小大气后向散射影响？ 选通技术：利用发出短脉冲光的探照灯和在相应时间工作的 选通型变像管，以时间的先后分开不同距离上的散射光和目 标的反射光，使由被观察目标反射回来的辐射脉冲刚好在变 像管选通时到达并成像，由辐射脉冲在投向目标的后向散射 辐射到达接收器时，变像管恰好处于非工作状态而不参与成 像，从而减小后向散射对成像的影响。 21 优点2：精确测量 目标与观察者之 间的距离 探测距离为1220米

11、时的选通时序图 脉冲光源照明输出 后向散射辐射 目标反射辐射 选通脉冲 优点1：减少大气 后向散射对红外图 像对比度和清晰度 的影响 7.3 主动式红外成像系统 选通脉冲的时序要与目标反射辐射时序一致！ 22 7.3 主动式红外成像系统 探照灯：短脉冲红外激光红外变像管：加选通电极 23 7.3 主动式红外成像系统 n 红外探照灯 结构包括光源、灯座、红 外滤光片、抛物面反射镜 电热光源（白炽灯）；气体放电光源（高压氙灯）；半导体光源（砷化镓发 光二极管）；激光光源（砷化镓发光二极管） 技术要求： 红外探照灯的辐射光谱要与变像 管光阴极的光谱响应有效匹配，在 匹配的光谱范围内有高的辐射效率 。

12、 探照灯的照射范围与仪器的视场 角基本吻合。 红光暴露距离要短，结构上要容 易调焦，滤光片和光源更换方便。 体积要小，重量轻，寿命长， 工作可靠。 24 7.3 主动式红外成像系统 n 直流高压电源 高压电源提供红外变像管进行图像增强的能量，一般为1.2 2.9万伏。 技术要求： 输出稳定直流高压； 在高、低温环境下能保证系统正常 工作； 防潮、防震、体积小、重量轻、耗电省。 主动式红外成像系统的特点： 能够区分军事目标和自然景物，识别伪装； 近红外辐射 比可见光受大气散射影响小，较易通过大气层（恶劣天气除 外）； 由于系统“主动照明”，工作时不受环境照明影响， 可以在“全黑”条件下工作。 2

13、5 7.4 红外热成像系统 热图像再现了景物各部分温度和辐射发射率的差异，能够 显示出景物的特征。 红外热成像系统是被动式成像系统。 自然界中，温度高于绝对零度的一切物体，总是在不断地 发射红外辐射。收集并探测这些辐射能，就可以形成与景物 温度分布相对应的热图像。 ThermoVision A20- V高品质红外热像仪 树林中人的热图像小图是可见光图像 大图是热图像 26 7.4 红外热成像系统 红外热成像系统 光机扫描型：图像质量好、结构复杂、成本高。 非扫描型：结构简单、图像质量逐渐提高。 光机扫描型红外热成像系统结构框图 光学系统部分 红外探测与致冷部分 电子信号处理系统部分 显示系统部

14、分 27 7.4 红外热成像系统 汇聚光束 光谱滤波 光电转换 电视光栅 28 7.4 红外热成像系统 n 光学系统 l 聚光光学系统 l 扫描光学系统 产生扫描光栅，使分立探测元件能够获取大范围景物图像 。 光机扫描型热成像系统以瞬时视场为单位，用光机扫描方 法来覆盖总视场。 接收目标或景物辐射，聚焦于探测器。 红外光学系统的特点：通光孔径和相对孔径大，工作波段 宽，像差校正困难。 29 7.4 红外热成像系统 l 物镜系统 反射式：光能损失小、不产生色差，但是视场小、体积大 ，有次镜遮挡。 折射式：结构简单，装校方便，可以满足 大视场和大孔径成像的要求；通过透镜的组合平衡系统的球 差和色差

15、。 折反式：主镜与次镜均采用球面镜，加入补偿 透镜校正像差非球面镜的加工难度。 l 辅助光学系统 场镜：指加在像平面或像平面附近的透镜，用来扩大视场， 使探测器接收的辐照均匀。 光锥：利用圆锥的高反射率聚光，缩小探测器尺寸。 中继光学系统：便于探测器件的结构安排。 前置望远系统 ：减小光学扫描器件的尺寸。 30 7.4 红外热成像系统 l 扫描系统 平行光束扫描（物方扫描）：扫描器在聚光系统之前，扫描 镜尺寸大，扫描速度慢，像差校正简单，对聚光光学系统要 求不高。 会聚光束扫描（像方扫描）：扫描器安置在聚光光学系统和 探测器之间，对像方光束进行扫描。尺寸小，扫描速度高。 对聚光光学系统有较高要

16、求。 扫描方案可以采用不同的场扫描和行扫描组合方案，比如摆 镜场扫描加旋转反射镜鼓行扫描，折射棱镜场扫描加反射镜 鼓行扫描。 31 反射镜鼓行扫描 摆镜场扫描 反射镜鼓行扫描 折射镜场扫描 适于小视场单元器件扫 描用，不适合高速扫描 扫描效率高，像差校正有难度 7.4 红外热成像系统 32 7.4 红外热成像系统 n 多元探测器热成像系统 将多元探测器按不同方式排列起来分解景物，可 以改进每帧、每分辨单元的信噪比，提高系统的性 能。 基本摄像方式 并联扫描摄像方式 串联扫描摄像方式 33 7.4 红外热成像系统 优点：系统灵敏 度高，对探测器 速度要求不高； 缺点：探测器数 量多，电路和材 料工艺复杂。 并联扫描摄像方式 34 7.4 红外热成像系统 串联扫描摄像方式 优点：探测器性能均 匀，图像缺陷少，信 噪比提高 倍，信 号处理容易，不需要 扫描变换就可以得到 标准视频信号； 缺点：对探测器速度 要求高。 35 7.4 红外热成像系统 n 红外探测器（