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紅外熱成像儀

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紅外熱成像儀

一、紅外熱像儀的基本原理

所有溫度高于絕對零度(-273℃)的物質都不斷地輻射著紅外線即熱輻射,而熱輻射能量的大小,直接和物體表面的溫度和材料特性相關。

紅外熱像儀通過探測目標物體的紅外熱輻射,并通過光電轉換、電信號處理等手段,將目標物體的溫度分布圖像轉換成視頻圖像,其核心器件和技術主要為焦平面探測器、后續電路、圖像處理軟件等三部分:

焦平面探測器用于感知目標物體的溫度分布,并轉換為微弱的電信號;

后續電路將微弱的電信號進行電子學放大和邏輯處理,從而能夠清晰地采集到目標物體溫度分布情況;

圖像處理軟件則對上述放大后的輸出電信號進行處理,呈現為目標物體溫度分布的可見光像。

紅外焦平面陣列:

焦平面探測器的焦平面上排列著感光元件陣列,從無限遠處發射的紅外線經過光學系統成像在系統焦平面的這些感光元件上,探測器將接受到光信號轉換為電信號并進行積分放大、采樣保持,通過輸出緩沖和多路傳輸系統,最終送達監視系統形成圖像。

 

2、紅外焦平面陣列分類

1)根據制冷方式劃分

根據制冷方式,紅外焦平面陣列可分為制冷型和非制冷型。

制冷型紅外焦平面目前主要采用杜瓦瓶/快速起動節流致冷器集成體和杜瓦瓶/斯特林循環致冷器集成體[5]。由于背景溫度與探測溫度之間的對比度將決定探測器的理想分辨率,所以為了提高探測儀的精度就必須大幅度的降低背景溫度。當前制冷型的探測器其探測率達到~1011cmHz1/2W-1,而非制冷型的探測器為~109cmHz1/2W-1,相差為兩個數量級。不僅如此,它們的其他性能也有很大的差別,前者的響應速度是微秒級而后者是毫秒級。

2)依照光輻射與物質相互作用原理劃分

依此條件,紅外探測器可分為光子探測器與熱探測器兩大類。

光子探測器是基于光子與物質相互作用所引起的光電效應為原理的一類探測器,包括光電子發射探測器和半導體光電探測器,其特點是探測靈敏度高、響應速度快、對波長的探測選擇性敏感,但光子探測器一般工作在較低的環境溫度下,需要致冷器件。

熱探測器是基于光輻射作用的熱效應原理的一類探測器,包括利用溫差電效應制成的測輻射熱電偶或熱電堆,利用物體體電阻對溫度的敏感性制成的測輻射熱敏電阻探測器和以熱電晶體的熱釋電效應為根據的熱釋電探測器。這類探測器的共同特點是:無選擇性探測(對所有波長光輻射有大致相同的探測靈敏度),但它們多數工作在室溫條件下[6]。

3)按照結構形式劃分

紅外焦平面陣列器件由紅外探測器陣列部分和讀出電路部分組成。因此,按照結構形式分類,紅外焦平面陣列可分為單片式和混成式兩種[7]。

其中,單片式集成在一個硅襯底上,即讀出電路和探測器都使用相同的材料,如圖1所示?;斐墒绞侵讣t外探測器和讀出電路分別選用兩種材料,如紅外探測器使用HgCdTe,讀出電路使用Si?;斐墒街饕譃榈寡b式(圖2(a))和Z平面式(圖2(b))兩種。

4)按成像方式劃分

紅外焦平面陣列分為掃描型和凝視型兩種,

其區別在于掃描型一般采用時間延遲積分(TDI)技術,采用串行方式對電信號進行讀??;凝視型式則利用了二維形成一張圖像,無需延遲積分,采用并行方式對電信號進行讀取。凝視型成像速度比掃描型成像速度快,但是其需要的成本高,電路也很復雜。

5)根據波長劃分

由于運用衛星及其它空間工具,通過大氣層對地球表面目標進行探測,只有穿過大氣層的紅外線才會被探測到。人們發現了三個重要的大氣窗口:1mm3mm的短波紅外、3mm5mm的中波紅外、8mm14mm的長波紅外,由此產生三種不同波長的探測器。

 

3、讀出電路

讀出電路是紅外焦平面陣列當中的十分重要的環節。對于周圍物體的黑體輻射,被測物體的輻射信號相當微小,電流大小為納安或者是皮安級,要把這么小的信號讀出可不是一件容易的事,尤其這種小信號很易受到其它噪聲的干擾,因此,選擇和設計電路就成為特別重要的方面。

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