光電成像原理論文

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1、紅外熱成像系統(tǒng)及其應(yīng)用摘要：由于成本高等原因，紅外成像技術(shù)早期大多應(yīng)用在軍事中，但經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，目前紅外成像技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于夜視、醫(yī)學(xué)診斷、軍事、安全監(jiān)控等眾多領(lǐng)域，紅外成像系統(tǒng)的價(jià)格已經(jīng)大幅降低，這為紅外成像系統(tǒng)向民用和多元化應(yīng)用方向發(fā)展創(chuàng)造了條件并正成為一種趨勢(shì)。目前市場(chǎng)上面的紅外成像產(chǎn)品已經(jīng)十分常見，比如說(shuō)紅外攝像機(jī)、紅外夜視儀等產(chǎn)品。這些產(chǎn)品的一大特點(diǎn)就是功耗低、體積小、重量輕、便于攜帶，有的功能十分強(qiáng)大。因此，作為一個(gè)發(fā)展迅猛的研究方向，了解紅外熱成像技術(shù)十分必要。本文主要介紹了紅外成像系統(tǒng)的發(fā)展、作用

2、及其幾個(gè)具體應(yīng)用。關(guān)鍵詞：紅外成像系統(tǒng)及其應(yīng)用面陣CCD一、紅外成像系統(tǒng)的發(fā)展與各行業(yè)的作用1、紅外成像系統(tǒng)的發(fā)展美國(guó)TI公司在1964年研制成功第一代的紅外熱成像裝置，稱為紅外前視系統(tǒng)，這是紅外成像儀的原型。九十年代中期，美國(guó)FSI公司研制成功新一代紅外熱像儀，屬于焦平面陣列式(FPA)結(jié)構(gòu)的一種凝視成像裝置。第二代熱像儀又分為低溫制冷和非制冷兩種型號(hào)。探測(cè)器分辨率一般在320×240或320×256。其中非制冷型主要有熱釋電（鈦酸鍶鋇(BST)陶瓷材料）和微測(cè)輻射熱計(jì)（多晶硅材料）；制冷型焦平面（HgCdTe材料）則

3、基于光子探測(cè)原理，即入射光子在探測(cè)器中激發(fā)光生載流子，光生電荷正比于入射光通量。其靈敏度比非制冷要高得多。進(jìn)入二十一世紀(jì)，紅外焦平面技術(shù)得到飛速發(fā)展。第三代紅外熱像儀也正在研制中。其主要特點(diǎn)是：高分辨率(800×600、1024×1024、2048×2048等)、多探測(cè)波段、高幀率(高達(dá)200Hz)、高靈敏度(<10mK)等。第三代熱像儀對(duì)未來(lái)的生產(chǎn)工藝技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)，如何平衡提高探測(cè)器性能和降低生產(chǎn)成本是第三代熱像儀能否大規(guī)模應(yīng)用于軍事甚至民用領(lǐng)域的關(guān)鍵問(wèn)題。2、紅外成像系統(tǒng)的作用(1)紅外偵察與夜視目前紅外成像系

4、統(tǒng)廣泛裝備于海、陸、空三軍，大大提高軍隊(duì)夜戰(zhàn)水平，可晝夜偵察和監(jiān)視空中、地面、水面的各種目標(biāo)，并可用于各種作戰(zhàn)飛機(jī)、武裝直升機(jī)、無(wú)人機(jī)、坦克、艦船的導(dǎo)航、瞄準(zhǔn)和火控系統(tǒng)。(2)紅外制導(dǎo)利用圖像識(shí)別和跟蹤技術(shù)，引導(dǎo)導(dǎo)彈跟蹤和接近目標(biāo)，大大提高了導(dǎo)彈的命中率。紅外制導(dǎo)在空空、空地、地空、反坦克導(dǎo)彈中普遍采用。(3)用于探測(cè)隱形目標(biāo)隱身目標(biāo)雖采用了隱身技術(shù)，但其溫度總比背景溫度高，紅外輻射仍然存在，仍有可能被高靈敏度的紅外探測(cè)器探測(cè)到。將紅外成像設(shè)備安裝在空間平臺(tái)上用于探測(cè)隱形目標(biāo)，可精確提供目標(biāo)的位置信息，探測(cè)距離可達(dá)數(shù)百千

5、米。紅外探測(cè)技術(shù)是和雷達(dá)互為補(bǔ)充的偵察設(shè)備，用于探測(cè)近距離目標(biāo)，并提高了自身的隱身能力。軍用紅外技術(shù)的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，表明紅外技術(shù)的地位已從以往的戰(zhàn)術(shù)地位向戰(zhàn)略地位發(fā)展，對(duì)未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)將有重大的影響。任何技術(shù)都不是十全十美的，紅外技術(shù)也有其局限性。主要缺點(diǎn)是在大氣層內(nèi)的探測(cè)能力不如雷達(dá)，受陰雨霧等天氣條件的影響比較大。(4)工業(yè)主要應(yīng)用于工業(yè)熱故障探測(cè)、熱能耗散途徑識(shí)別和無(wú)損檢測(cè)等領(lǐng)域。如電力、交通、石油化工、工藝質(zhì)量控制、非接觸溫度測(cè)量、預(yù)防性維修等。(1)農(nóng)業(yè)與林業(yè)采用紅外遙感技術(shù)，可以監(jiān)測(cè)農(nóng)作物估產(chǎn)，病蟲害探測(cè)和預(yù)

6、報(bào)，森林、草原防火，衛(wèi)星地球資源勘察。(2)醫(yī)學(xué)用來(lái)診斷同體溫有關(guān)的許多疾病。如癌癥的早期診斷、手術(shù)監(jiān)測(cè)、傷口監(jiān)視、靜脈堵塞的早期診斷。紅外測(cè)溫儀具有無(wú)輻射、成像測(cè)溫分辨率高、工作穩(wěn)定等特點(diǎn)，可對(duì)2米外較大范圍流動(dòng)人員進(jìn)行監(jiān)控。在非典期間紅外測(cè)溫技術(shù)廣泛應(yīng)用在機(jī)場(chǎng)、車站、碼頭、醫(yī)院等公共場(chǎng)所，對(duì)防止非典的蔓延發(fā)揮了極其重要的作用。二、紅外成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1、紅外成像系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)該系統(tǒng)主要由面陣CCD、專用驅(qū)動(dòng)IC、ADC、FIFO、DSP和FPGA等模塊組成。本紅外成像系統(tǒng)的硬件框架如圖1所示：圖1紅外成像系統(tǒng)的硬件框架圖

7、本系統(tǒng)總共分成兩個(gè)大的模塊：CCD圖像采集模塊和DSP+FPGA模塊。CCD圖像采集模塊主要完成圖像數(shù)據(jù)的采集及數(shù)據(jù)同步信號(hào)的產(chǎn)生；DSP+FPGA模塊主要完成圖像數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、處理及顯示。DSP+FPGA模塊又可以分成兩個(gè)小模塊：DSP模塊和FPGA模塊。前者主要是負(fù)責(zé)圖像算法的處理以及圖像數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，后者則主要是負(fù)責(zé)系統(tǒng)的控制及圖像的顯示。CCD圖像采集模塊、DSP模塊及FPGA模塊將在后續(xù)的章節(jié)中詳細(xì)介紹。1、CCD器件及驅(qū)動(dòng)目前，用于紅外面陣圖像探測(cè)的器件主要有：具有近紅外探測(cè)功能的CCD和紅外焦平面陣列。具有近紅

8、外探測(cè)功能的CCD主要用于紅外監(jiān)控、紅外測(cè)距和近紅外光譜分析儀等近紅外成像領(lǐng)域；而紅外焦平面陣列是更為高端的紅外探測(cè)器，主要應(yīng)用于紅外熱成像、紅外跟蹤系統(tǒng)、導(dǎo)彈尋的器和紅外對(duì)抗等軍事系統(tǒng)。基于成本和應(yīng)用場(chǎng)合方面的考慮，本系統(tǒng)選擇了SONY公司生產(chǎn)的CCD——ICX259AL。1、面陣CCD的基本原理面陣CCD由多行感