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1、红外成像阵列与系统 非制冷红外热像仪简述2013年11月8日非制冷红外热像仪简述摘 要：非制冷红外热像仪是目前主流的夜视观察仪器之一,因其较高的可靠性在军事领域的低端应用、民用等方面有广阔的前景。它通过被测物体向外界发出的辐射能量来得到物体对应的温度。本文主要就非制冷红外热像仪的测温原理、发展状况、系统设计及其性能参数做简单的分析及介绍。比较了两种不同情况下的测温公式的优劣并且做出了相关推导，简单介绍了基于FPGA的非制冷红外热像仪的电路系统和通用型非制冷红外热像仪的性能参数及其一般测定方法。对以后的红外热成像系统的学习起到了一定帮助。关键字：非制冷红外热像仪；测温原理；发展状况；系统设计；性
2、能参数The brief description of uncooled infrared thermal imagerYu Chun-kai, Wang Hui-ting, Qi Xiao-yun, Xu JianAbstract: Currently, uncooled infrared thermal imager is one kind of mainstream devices on night vision. Because of its high reliability, uncooled infrared thermal imager has a broad prospect
3、of application in military and civil field. It gains temperature of the detected object by the infrared radiation the object emits. This paper simply analyses and introduces temperature measuring principle, development status, system design and performance parameter on uncooled infrared thermal imag
4、er. We compared two different temperature measuring formulae in their respective situations and did the relevant derivation. We also introduced the circuit system which based on FPGA in uncooled infrared thermal imager and the performance parameter of general uncooled infrared thermal imager. This p
5、aper provides us much promotion about the future study of infrared thermal imaging system.Key words: uncooled infrared thermal imager; temperature measuring principle; development status; system design; performance parameter0 前言红外热像仪是一种可探测目标的红外辐射，并通过光电转换、电信号处理等手段将目标物理的温度分布图像转换为视频图像的设备1。而由于焦平面阵列探测器材料
6、及相关工艺的限制，早期的红外热像仪必须经过制冷处理来尽可能地减小误差，因此早期的红外探测器件往往会有相应的制冷剂伴随着一起工作，这样在成本和使用率方面就比较落后。但是随着红外技术的不断革新，特别是热电材料及其相关技术的日臻成熟，人们将一些热电、铁电材料逐渐代替了需要制冷方能正常工作的探测器阵列材料，如碲镉贡HgCdTe等，于是在1978年非制冷热成像技术首次研究成功。相应地，许多不同材料、不同类型的非制冷红外热像仪也相继问世。到目前为止，非制冷红外热像仪的基本工作原理，理论基础已经得到广泛地验证，在各个方面的应用也取得了比较好的效果，但是就材料、噪声、系统、性能等方面仍存在需要进行大量研究的必
7、要性。非制冷红外热像仪有着突出的优点。相比于普通的制冷型红外热像仪而言，非制冷红外热像仪在使用率、价格、可靠性、体积、功耗等方面都有制冷红外成像系统无可比拟的优势。非制冷热成像系统在各个领域有着广阔的应用前景。 在军事领域，与第一代成像系统相比较，非制冷红外成像系统的结构大大简化，提高了可靠性、分辨率和探测灵敏度，并降低了造价。采用红外焦平面阵列的红外侦察系统能在远距离和恶劣气候条件下有效地探测和跟踪目标；非制冷热成像系统特别适合陆军的轻武器使用，作为单兵侦查、夜间驾驶、轻武器瞄具等。ANVAS5型驾驶员影像增强器(D)是战斗和战术轮式车辆驾驶员使用的一种被动非制冷热成像系统。能使车辆在昼夜和
8、存在人工遮蔽物(如烟、雾或尘)情况下连续工作。 在商业和民用方面，可以用于工业、医学、交通、公安、消防、海关等，这是制冷型热成像系统因为其高昂的价格目前无法打入的市场。尤其在2003年春的防非典过程中，用于红外测温仪的非制冷热成像系统发挥了巨大作用。非制冷热成像系统的在商业和民用方面的需求量也在逐年增加。同时，非制冷热成像系统也存在一定的缺点。在测试性能方面，非制冷红外热像仪的精度明显不如制冷型红外热像仪，而误差方面也不如制冷型红外热像仪，特别是非制冷红外焦平面阵列的非均匀性对测量误差的影响较大。1 非制冷红外热像仪的发展状况红外热像仪是一种可探测目标的红外辐射，并通过光电转换、电信号处理等手
9、段，将目标物体的温度分布图像转换成视频图像的设备，是集光、机、电等尖端技术于一体的高新技术产品。在军事领域，它可以突破黑夜的障碍，实施夜间行动和作战，大幅度提高武器系统的作战能力；在民用领域，红外热成像系统可以进行无损检测等，同时非制冷焦平面探测器使整个红外热成像系统省去了复杂的制冷系统，成本大大降低，使得红外热成像技术得到飞速发展。非制冷红外热成像系统的核心是非制冷焦平面，其发展水平直接决定了非制冷热成像系统的发展。从1978年非制冷式热成像技术首次研究成功，到目前非制冷热成像仪装备到部队，已经有20多年的发展历史。世界各国都在竞相开展非制冷焦平面的研究，其中美国、英国、法国等国家处于领先地
10、位。探测器像素已由原来的单元结构发展到目前的大规模面阵，并逐步向超大规模阵列发展，像素尺寸也在明显减小。1.1非制冷红外热成像技术发展现状非制冷红外探测器主要有电阻型热探测器、铁电型和热释电型探测器。电阻型热探测器的敏感元是热敏电阻，使用的材料主要为氧化钒（VOx）和非晶硅（-Si）。铁电型焦平面探测器的主要材料有锆钛酸铅（PZT），钛酸锶钡（BST）为热释电探测器的主要材料。性价比最高的非制冷系统使用的是混合式铁电探测阵列。1.1.1国外非制冷热成像技术发展现状非制冷红外探测器的研究居世界领先水平的国家主要有美国、法国、英国、和日本。英国从事非制冷红外探测器研究的公司主要是BAE公司，发展成
11、熟的探测器为PST和PZT混合结构的热释电陶瓷探测器，PST与PZT单片式结构探测器正处在研制中。日本从事非制冷红外探测器研制的公司主要有三菱公司和日本电气公司。三菱公司的非制冷红外探测器正处于研发过程，主要有Si P/N结型和YbaCuO电阻型热探测器两种。探测器的规格为320X240，像素尺寸均为40，在f/1条件下，Si P/N结型焦平面探测器的NETD优于120mK，YbaCuO电阻型焦平面的NETD优于80mK。日本电气公司主要从事以VOx为材料的电阻型探测器的研究，其第一个原理型探测器的NETD为150mK(256X256,50像素尺寸)。最新报道的320X240焦平面阵列像素尺寸
12、为37。热响应时间为12ms，填充因子为72%。装备热成像系统后的NETD为100mK（f/1.60Hz）。据国际光学学会（SPIE）预测，目前红外热成像产品的世界市场规模每年合计40亿美元，美国产品占50%以上。由此看出，在红外热成像技术上，美国处于世界领先地位。图1 所示为美国非制冷红外探测器的发展过程。图1美国非制冷红外探测器发展过程世界上第一个非制冷红外热成像系统就是由美国的Texas Instruments研制成功的，主要红外材料为-Si与BST。1983年美国Honeywell开始研制室温下的热探测器，使用了硅微型机械加工技术。应为这样可以提供较好的热隔离，并且可以降低生产成本。1
13、990-1994年，美国很多公司从Honeywell公司得到技术转让，使以VOX为探测材料的非制冷探测器得到了快速、广泛的发展。VOX材料具有较高的热电阻系数，目前世界上性能最好的探测器就是采用VOX材料制备的。（1）BST铁电型探测器混合结构的BST热探测器发展已经比较成熟，其中像素尺寸为50的320X240焦平面的NETD为47mK。生产的W1000系列为典型产品，其质量为1.7kg，探测距离可达550m，可用于轻型武器热瞄具（LTWS）、驾驶员视力增强器（DVE）、手持式热像仪和车载式驾驶仪。截止到2003年9月，Raytheon已经向美国陆军交付10000只武器热瞄具，包括轻、中和重型
14、武器热瞄具，其中以轻型武器热瞄具装备的SpecterIR就是采用320X240阵列的BST探测器制备的，装备的武器有M16、M4、M203、和M136等，可以探测并识别200m以外的行人。薄膜铁电型探测器（TFFE）正处于研发阶段2，设计规格为320X240，像素大小为48.5,2002年Raytheon在TFFE上取得新的突破，NETD在90-170mK之间，填充因子为55%。（2）VOx电阻型探测器由于VOx材料具有较高的热电阻系数，因此用此材料制备的非制冷探测器是目前性能最好的探测器，已经投入市场的焦平面阵列探测器的规格为320X240,像素尺寸为50，NETD为20mK，热响应时间为2
15、0ms。该型号的探测器在Raytheon vision system，BAE、Indigo、DRS等公司都有生产。DRS公司生产的U3000/U4000已经作为武器热瞄具装备于美国陆军，焦平面像素尺寸为51，响应波段为8-12，NETD（U3000）为64-75mK，质量为1.36kg。同时，BAE公司也在陆续为部队提供MicroIRTM系列的轻型武器热瞄具，配备的武器系统有A4、A16系列和M136系列、AF4。可用在空降师、机械化步兵师等作战部队。非制冷红外热像仪在部队轻型武器中的应用是美军用非制冷红外热像仪取代第二代FLIR迈出的第一步。小像素尺寸的640X480焦平面阵列探测器是多家公
16、司研制的新型产品，也是重点研究产品，它可以用来提高图像的分辨率。1999年BAE第一个报道了以640X480焦平面为核心的热像仪LTC650TM，像素尺寸为28，NETD0.1，质量为2.4kg。DRS公司在2001年报道了第一个研制的以640X480焦平面为核心的热像仪U6000，像素尺寸为25.4，2002年5月对该热像仪进行了演示。Raytheon的25像素的640X480焦平面性能最高：热响应时间10ms，NETD平均只有35mk填充因子大于70%，代表了目前电阻型微测辐射热计发展的最高水平，但距其NETD为5mk的目标还有一定的差距4,5。以640X480焦平面为组件的热成像系统在LTWS和DVE等轻武器上的应用目前还未见报道。（3）-Si电阻型探测器 -Si电阻型探测器的主要在商业和民用上，Raytheon公司生产的160X12
