非制冷红外热成像毕业论文免费

自然界中只要高于绝对零度（-273℃）的物体，都会不断向外辐射红外线。红外热像仪通过光学系统、红外探测器芯片及电子处理系统，将物体表面红外辐射转换成可见图像。简单来说，热成像原理就是利用温度成像，将物体发出的不可见红外能量转变为可见的热图像。热图像的上面的不同颜色代表被测物体的不同温度。那么如何选择红外热像仪呢？首先要学会看几个重要的参数：红外像素、像元间距、NETD、帧频等。红外探测器芯片之于红外热像仪，就相当于CPU之于电脑。芯片的发展趋势是像元间距的缩小和面阵规模的逐渐变大。探测器面阵大小是判断红外热像仪好坏的重要指标，民用红外热像仪中相对高端的产品像素为640×512/384×288，红外热图清晰细腻。除了面阵大小，像元间距也是一个重要指标。目前非制冷红外探测器芯片主流产品像元间距为12微米。越小的像元间距带来了更优化的光学系统，更低的功耗，也代表了产品更高的科技水平。NETD是噪声等效温差，数值越低成像越清晰。灵敏度差，被观测点就被噪声淹没了，“看不见”，会导致在野外不能保障最基本的安全功能。帧频是指1秒钟内热像仪处理图像的数目。传感器越快，内部电路处理速率越高，帧频越大。高帧频的热像仪适合抓拍物体的高速移动。“好的红外热像仪的帧频应该达到25Hz~50Hz，否则在很多场合无法作业。帧频的高低，直接说明了红外热像仪的性能好坏和反应速度。”然后可以再看一下镜头、空间分辨率、视场、辨识距离等指标，结合自己的具体需求综合进行判断。

在过去的50多年里，近红外光谱仪经历了如下几个发展阶段：★第一台近红外光谱仪的分光系统（50年代后期）是滤光片分光系统，测量样品必须预先干燥，使其水分含量小于15%，然后样品经磨碎，使其粒径小于1毫米，并装样品池。此类仪器只能在单一或少数几个波长下测定（非连续波长），灵活性差，而且波长稳定性、重现性差，如样品的基体发生变化，往往会引起较大的测量误差！“滤光片”被称为第一代分光技术。★70年代中期至80年代，光栅扫描分光系统开始应用，但存在以下不足：扫描速度慢、波长重现性差，内部移动部件多。此类仪器最大的弱点是光栅或反光镜的机械轴长时间连续使用容易磨损，影响波长的精度和重现性，不适合作为过程分析仪器使用。“光栅”被称为第二代分光技术。★80年代中后期至90年代中前期，应用“傅立叶变换”分光系统，但是由于干涉计中动镜的存在，仪器的在线可靠性受到限制，特别是对仪器的使用和放置环境有严格要求，比如室温、湿度、杂散光、震动等。“傅立叶变换”被称为第三代分光技术。★90年代中期，开始有了应用二极管阵列技术的近红外光谱仪，这种近红外光谱仪采用固定光栅扫描方式，仪器的波长范围和分辨率有限，波长通常不超过1750nm。由于该波段检测到的主要是样品的三级和四级倍频，样品的摩尔吸收系数较低，因而需要的光程往往较长。“二极管阵列”被称为第四代分光技术。★90年代末，来自航天技术的“声光可调滤光器”（缩写为AOTF）技术的问世，被认为是“90年代近红外光谱仪最突出的进展”， AOTF是利用超声波与特定的晶体作用而产生分光的光电器件，与通常的单色器相比，采用声光调制即通过超声射频的变化实现光谱扫描，光学系统无移动性部件，波长切换快、重现性好，程序化的波长控制使得这种仪器的应用具有更大的灵活性，尤其是外部防尘和内置的温、湿度集成控制装置，大大提高了仪器的环境适应性，加之全固态集成设计产生优异的避震性能，使其近年来在工业在线和现场（室外）分析中得到越来越广泛的应用。非制冷红外技术发展现状（上）尤海平()在夜视领域，红外探测器是热成像系统的核心，主要分为两类：制冷型（基于光子探测）和非制冷型（基于热探测）。尽管前者（或者为光电探测器，或者为光伏器件）被认为是实际应用中最佳的红外热探测技术，但它们的制造和使用成本较高。不过，近年来非制冷红外探测器获得了长足发展。与制冷红外探测器相比，非制冷红外探测器不需要在系统中安装制冷装置，因此尺寸较小、重量较轻且功耗较低。此外，它们与制冷型光子探测器相比可提供更宽的频谱响应和更长的工作时间。因此，非制冷技术能为军事用户提供成本更低、可靠性更高的高灵敏传感器。换句话说，它们能更廉价地进行采购和使用，这是其吸引人的地方。不幸的是，非制冷红外探测器在灵敏度方面至今无法满足所有军事应用的要求，因此其应用仍然存在一定限制。不过，随着更多的投资涌向该技术领域，这种情况无疑会发生改变。在不以远距离应用为主的场合，非制冷红外技术的应用正日趋广泛。这方面的最好例子是许多国家准备发展的综合"未来士兵系统"，夜视能力是其基本要求，此时成本、重量和功耗显得格外重要。工作原理红外探测器产生的输出信号依赖于进入其作用区域的辐射总量。热（非制冷红外）探测器将入射辐射转换为热，而这将导致探测器元件温度升高。温度的变化随后将转换为可被放大和显示的电信号。热探测器能响应较宽范围的波长，而且不同波长的响应能力没有明显差异，同时在室温下具有足够高的灵敏度，可以满足成像要求。红外频谱覆盖～14 m，并被分为短波红外（也称为近红外，覆盖～3 m波段）、中波红外（覆盖3～5 m）和长波红外（也称远红外，覆盖5～14 m），不过大多数长波红外探测器覆盖8～12 m。非制冷红外探测器有三种类型："测辐射热计，它测量电阻随温度的变化；"热电（或铁电）探测器，测量自发电子偏振随温度的变化；"热电堆，测量电动势随温度的变化（这就是众所周知的塞贝克效应或热电效应）。在这三种探测器中，测辐射热计探测器由于与CMOS（互补型金属氧化物半导体）技术兼容而成为应用最广泛的非制冷红外探测器。这种探测器可以单片方式与标准CMOS电路集成，因此生产成本较低。它还允许使用超大规模集成技术实现"有源像素"结构，这种结构可以在一块芯片上集成摄像机的所有功能。为了成为热成像摄像机的一部分，单独的红外探测器（包括制冷型或非制冷型）通常以集群成所谓的焦平面阵列（FPA），不过在特定的应用中也可以制成线阵。每个探测器提供一个探测像素，组成阵列的像素越多，所形成的图像越清晰（且越精确）。除了红外探测器或焦平面阵列外，热成像摄像机还需要电源、信号处理器、各种光学子部件以及视频监视器系统。现有的热成像摄像机的用途多种多样，例如机载应用中的前视红外系统（或者装在吊舱中，或者成为传感器转塔有效负载的一部分）、装甲战车和海军导弹系统用的火控系统、单兵或班组武器的瞄准镜以及导弹寻的器等。非制冷红外探测器目前的应用范围主要有监视、轻型头盔瞄准具、灵巧弹药、武器瞄准具、无人值守地面传感器和导弹/灵巧炸弹寻的器等。对非制冷技术的进一步发展要求可以概括为更高的灵敏度、更小的像素尺寸和更大阵列（目标是640×480元或更大）。此外，这类热像仪还需要提高温度稳定性、降低光学系统成本和减小功耗。这些需求的不同组合将导致更轻、更紧凑且生产成本更低的设计。在美国，陆军通信-电子司令部夜视与电子传感器局和国防高级研究计划局（DARPA）合作研究非制冷技术。主要有三家公司--BAE系统公司北美分公司、DRS技术公司和雷西昂公司从事军用非制冷微测辐射热计研究工作，其中DRS公司曾兼并了得克萨斯仪器公司、休斯公司和波音公司的红外业务。红外焦平面阵列技术的发展现状与趋势慧聪网2005年9月16日10时51分信息来源：中采网2未来的发展趋势上面已叙述了进入二十一世纪以来红外焦平面技术的发展现状与趋势，2010年时的红外焦平面阵列技术发展将是人们十分关注的课题，那么2010年时红外焦平面阵列技术的发展将是什么结果呢？目前先进的红外焦平面阵列技术正处在从第二代向第三代更为先进的阵列技术发展的转变时期。各有关公司厂家着眼于2010年市场需求，正在加紧确定第三代红外焦平面阵列技术的概念，目前各有关公司和厂家机构的注意力已转向第三代红外焦平面阵列传感器的发展。第三代红外焦平面阵列技术要满足以下几种要求：·焦平面上探测器像元集成度为≥106元，阵列格式≥1K×1K，至少双色工作，·高的工作温度，以便实现低功耗和小型轻量化的系统应用，·非致冷工作红外焦平面阵列传感器的性能达到或接近目前第二代致冷工作红外焦平面阵列传感器的水平，·必须是极低成本的微型传感器，甚至是一次性应用的传感器。第三代红外焦平面阵列传感器有下列三种：即：（1）大型多色高温工作的红外焦平面阵列，探测器像元集成度≥106元，阵列格式1000×1000，1000×2000，和4096×4096元，像元尺寸18×18μm2，目前芯片尺寸22×22mm2，未来的芯片应更大，高的量子效率，能存储和利用探测器转换所有的光电子，自适应帧速（480Hz），双色或多色工作，使用斯特林或热电温差电致冷器，工作在120～180K，光响应不均匀≤，NETD≤50mk(f/)，结构上单片或混合集成，可以是三维的。（2）非致冷红外焦平面阵列，无须温度稳定或致冷，用于分布孔径设计，重量仅1盎司，30mW功率，焦平面探测器元集成度≥106元，阵列格式1000×1000元，像元尺寸为25μm×25μm，NETD＜10mK(f/1)，或60mK(f/)，低成本、低功耗、中等性能，用于分布孔径设计中获取实用信息。（3）非致冷工作的微型传感器，焦平面探测器像元集成度仅160×120元～320×240元，像元尺寸50μm×50μm～25μm×25μm，NETD＜50mK(f/)，输入功率10mW以下，重量1盎司，尺寸＜2立方英寸，低成本。最终的第三代红外焦平面阵列将是极低成本的微型传感器，将占领整个红外市场，其未来的应用将是无人操作的一次性应用传感器，如微型无人驾驶航空飞行器，头盔安装式红外摄像机和微型机器人等。表1列出了第三代红外焦平面阵列传感器的特点。高性能多色致冷传感器高性能非致冷传感器非致冷微型传感器焦平面阵列格式1000×10001000×20002000×20004096×40961000×1000160×120320×240像元尺寸18μm×18μm1密尔×1密尔2密尔×2密尔工作波段双色或多色8×12μm封装真空高真空中等真空中等真空制冷器机械或热电温差制冷器非致冷非致冷工作温度120K～180K室温，无需温度稳定室温，无需温度稳定目标最大作用距离最大杂波抑制低成本，低功耗，中等性能一次性使用，10mW功率3结论进入二十一世纪，红外焦平面阵列技术发展已取得了举世瞩目的成就，已从第一代线阵列发展到了今天的二维TDI和大型凝视焦平面阵列，目前正在向焦平面探测器元高集成度（≥106元）的高密度、小像元（25μm×25μm～18μm×18μm）、高性能、多色和低成本的方向发展；

在我们讨论OGI热像仪中制冷或非制冷探测器的问题之前，我们可以先解释这项技术背后的理论。光学气体成像可以比作通过普通的摄像机进行观察，但操作员看到的是一股类似烟雾的气体喷出。如果没有OGI热像仪，这将是肉眼完全看不见的。为了能看到这种气体飘动，OGI热像仪使用了一种独特的光谱(依赖于波长)过滤方法，使它能够检测到特定的气体化合物。在制冷型探测器中，滤波器将允许通过探测器的辐射波长限制在一个非常窄的波段，称为带通，这种技术被称为光谱自适应。

OGI热像仪利用某些分子的吸收特性，将它们在原生环境中可视化。热像仪焦平面阵列（FPAs）和光学系统专门调整到非常窄的光谱范围，通常在数百纳米左右，因此具有超选择性。只能检测到由窄带通滤波器分隔的红外区域中的被气体吸收的红外波段。大多数化合物的红外吸收特性取决于波长。氢、氧和氮等惰性气体无法直接成像。

如果将OGI热像仪对准没有气体泄漏的场景，视野中的物体将通过热像仪的镜头和滤光片透射和反射红外辐射。如果物体和热像仪之间存在气体云，并且该气体吸收滤波器带通范围内的辐射，那么通过气体云到达探测器的辐射量将减少或增加。具体情况要看气体云与背景的关系，云与背景之间必须有一个辐射的对比。

总而言之，让气体可见的关键是：气体必须吸收热像仪看到的波段中的红外辐射；气体云必须与背景形成辐射对比；气体云的表面温度必须与背景不同。此外，运动使气体云更容易可视化。