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目前工业红外热成像系统的技术进展,都泰短波热像仪红外线工业测温仪

发表时间: 2019-01-17 17:26:14

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目前,热成像传感器在军用装备中随处可见,在大多数战斗机、无人机、卫星,军舰和地面车辆上都有它的身影。热成像传感器能够帮助作战人员在没有日光的条件下观察目标或地形,便于24小时连续不间断地遂行作战行动。并在空中战斗中使己方占有明显优势。热成像传感器无论现在还是将来都是使部队保持情报。监视和侦察能力的有效手段。   热成像技术通过探测物体发射的与其温度和特性相关的红外热辐射来实现对观察场景的成像。红


  热成像技术通过探测物体发射的与其温度和特性相关的红外热辐射来实现对观察场景的成像。红外热辐射在电磁波谱上占有很宽的范围,其波长范围为0.76~1000微米,但是,仅有三个波段的红外线在大气传播的过程中不会被快速吸收或散射,这三个红外波段又被称为红外大气窗口:短波红外波段1―3微米,中波红外波段3~5微米和长波红外波段8~14微米。这三个波段就是军事应用关注的红外辐射波段。利用短波红外波段可以探测喷气式发动机的尾烟,炮管尾烟,弹药爆炸物和其他热目标。利用中波红外波段可探测运行中的涡轮发动机和活塞式发动机以及其他类似温度的目标。利用长波红外波段可以探测人体热量、建筑物结构和其他具有类似温度的目标。 
   
  热成像传感器 
  红外探测器 
  热成像技术的核心是红外探测器。红外探测器可分为热探测器和光电探测器两大类。 
  热探测器在接收入射辐射时,材料温度发生变化,造成器件某一项物理参数也发生变化,进而产生可度量的输出。热探测器通常在常温下工作,用这类探测器制造的热成像系统通常不需要使用致冷器。 
  主要的热探测器有热释电探测器和测辐射热计等。20世纪80年代后期,美国等***采用氧化矾做热敏电阻材料,配合大规模集成电路技术,形成微测辐射热计焦平面探测器,面阵可达到320×240和640×480像素。热释电探测器采用具有优异热释电性能的铁电体晶体材料,如钽酸锂(LiTi03)和铌酸锶钡(SBN)等,以及后来开发出的性能更优越、制备和控制更容易的铁电氧化物陶瓷材料,如钛酸锶钡(BST)等。 
  光电探测器用半导体材料制造,利用入射光子流与探测材料相互作用产生的光电效应,即由于入射光子数变化引起的探测器材料中自由载流子(电子和,或空穴)数目的变化。典型的光电探测器有光导型探测器,光伏型探测器和量子阱探测器等等。用这类探测器制造的热成像系统需要使用致冷器,否则探测器的性能会受到影响。 
  早期的致冷型热成像系统所采用的主要探测器材料是能够探测长波红外的碲镉汞(MCT或HgCdTe),目前它仍在长波红外波段得到使用,尤其是用在红外搜索跟踪(IRST)系统中。然而,MCT很难制造,难以实现焦平面阵列的集成。近期红外探测器产品主要使用的材料是锑化铟(InSb),它比MCT容易制造得多,但这种材料仅限于中波红外用途。锑化铟已在焦平面阵列热像仪中得到广泛使用,大量的经济型设备都采用了这种材料的探测器。此外还有一种面向短波红外应用的探测器材料――硅化铂(PtSj)。传统热像仪和***型的致冷型热像仪都采用这三种探测器材料。 
  量子阱红外光电探测器(QWlP)的工作原理使其具备相当的性能优势。在量子阱探测器中,半导体材料(典型材料是砷化镓合金)生成阱形微孔。电子被束缚在量子阱中,当足够能量的光子落入阱中时,电子就会发生迁移。光子的能量,也就是红外波长取决于阱的深度。这是一项意义深远的技术进展,因为量子阱红外光电探测器的颜色灵敏度取决于探测器材料的蚀刻几何结构,而不是材料的基本特性。而且,人们一般采用砷化镓系列材料制造量子阱红外光电探测器。目前我们在市场上看到的是基于***代量子阱红外光电探测器的热像仪。 
   
  致冷器 
  热探测器型热成像系统能在室温下工作,光电红外探测器型热成像系统则必须致冷。因为要使场景成像获得理想的灵敏度,探测器就必须冷却到低温,对于工作在中波和长波红外波段的探测器尤其如此。如果不冷却探测器,探测器材料晶格的热运动就会使电噪声淹没探测器的响应,使图像埋没在“雪花”中。目前致冷器采用的致冷方式有三种,***种是最简单的方式,即在杜瓦瓶中注入液氮,可以冷却到77K;第二种是采用焦耳一汤姆逊致冷器;第三种是采用斯特林致冷器。致冷型热成像系统的成本主要集中在低温致冷器和探测器绝热封装上。 
   
  扫描 
  早期的成像仪利用反射镜进行机械扫描。最简单的机械扫描设计是采用单个探测器像素和反射镜从左到右、从上到下进行机械扫描,生成场景图像。这与电视图像的扫描方式完全相同。使用最广泛的扫描系统是20世纪70年代推出的,目前仍用于一些设备中。这种扫描系统采用线性探测器阵列和反射镜,反射镜通过上下点头运动或旋转实现扫描。这种线性扫描技术使成像仪每次捕获一行电视图像,利用反射镜的运动决定外部场景成像到哪一行图像上。 
  凝视型焦平面阵列探测器可以像CCD一样成像,无需扫描运动部分,是现代热像仪广泛选用的一项技术。这种器件集成了上百万个探测元(像素),并与集成电路芯片连接以便读取图像。在效果上,这些焦平面阵列类似CCD,可构成单片型热像仪。 
   
 
   
  不断使用非致冷型热像仪 
  应用需要性能稳定,不受环境温度变化影响和制约的装备。以氧化矾或非晶硅等探测器材料制造的便携式热像仪以其体积小,成本低和能够在常温下工作等特点越来越多地用于军用装备中。虽然非致冷型红外探测器与致冷型光电探测器相比,前者的灵敏度较低,但能满足中,低端的性能要求。而在价格上,两之间的差距就特别明显:一般的小型非致冷热像仪的价格在20多万、30多万元不等,与之相比,二代低端致冷型热像仪的成本要达到100万元左右,而高端致冷型热像仪的成本可达200~-元左右(人民币)。因此,将低成本的非致冷红外热像仪用于中、低端和民用系统中应该是目前***的选择。 
   
  探测器阵列分辨率不断提高 
  探测器阵列的分辨率关系到红外系统一系列性能参数的优劣,因此它是军用系统优先考虑的重要因素之一。目前,采用MCT的焦平面阵列大部分是128×128到640×512像素的格式,但有一些中波MCT阵列可以达到2048×2048像素。工作在中波红外波段的锑化铟焦平面阵列探测器普遍是640×512像素的分辨率,但市场上也有分辨率高达2048×2048像素的器件出售。同时,分辨率为320×240、640×480像素的非致冷红外焦平面阵列探测器业已投产或准备投产1024×1024像素的非致冷探测器阵列已在开发中。 
   
  发展双波段和多波段探测器阵列   量子阱红外光电探测器可以在单个探测器阵列上实现多波段成像。实际上,采用量子阱红外光电探测器的热像仪能够在短波、中波和长波红外成像模式之间切换,甚至可以利用单个器件在多个红外波段上同时成像,并获得多波段上经几何配准的图像。德国的AlM公司是***生产双波段QWIP的公司,这种QWIP在中波和长波红外都可以成像。最近还有报道称,美国的研究人员正利用一种波纹QWlP制造技术研制四波段QWlP。 
   
  使用亚像素微扫描技术改进凝视红外热像仪 
  目前虽然可以做出大规模的红外焦平面阵列探测器,但成本很高,而且探测器的结构决定了它的填充因子小于100%,也就是在探测器光敏面上存在盲区,不能捕捉到视场内的所有信息。为此,可以在凝视型红外焦平面阵列探测器中引入微扫描技术,即利用压电陶瓷的电致伸缩特性驱动光学元件运动,从而通过改变光学元件的空间位置来改变它们所生成图像的空间位置,得到微扫描图像,这样就可以在不增加红外焦平面阵列探测器探测像素总数的情况下,提高红外成像系统的分辨率,扩大热成像系统的作用距离,消除探测器因填充因子带来的探测盲区,同时这种系统还使探测器具有一定的稳像功能,而且由于微扫描器件的开发成本远低于高分辨率探测器的制造成本,所以其性价比较高。美国前视红外系统公司(FLIR)的AN/AAQ-22 Star SAFIRE系统就是利用压电陶瓷驱动的微扫描技术,提高了系统分辨率和稳定性。 
   

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