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。四个区域15~103m极远红外区6~15m远红外区1.5~6m中红外区0.76~1.5m近红外区三个窗口8~12m长波红外窗口3~5m中波红外窗口0.8~2m短波红外窗口红外成像一、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21511CTCMe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。40MMdT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。,,,TTFETA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。2215151sacTCTUfTRdfTTe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、