非制冷红外技术及应用 蓝海光学招募：镜头装配主管，镜头销售人员光学人生，你的精彩人生！一、红外热成像技术简介自然界所有温度在绝对零度（-273℃）以上的物体都会发出红外辐射，红外图像传感器则将探测到的红外辐射转变为人眼可见的图像信息。红外成像技术涵盖了红外光学、材料科学、电子学、机械工程技术、集成电路技术、图像处理算法等诸多技术，红外成像装置的核心为红外焦平面探测器。 二、非制冷红外技术概述2.1 非制冷红外技术原理非制冷红外探测器利用红外辐射的热效应，由红外吸收材料将红外辐射能转换成热能，引起敏感元件温度上升。敏感元件的某个物理参数随之发生变化，再通过所设计的某种转换机制转换为电信号或可见光信号，以实现对物体的探测。 非制冷红外焦平面探测器分类2.2 非制冷红外探测器的关 键技术 热释电型红外辐射使材料温度改变，引起材料的自发极化强度变化，在垂直于自发极化方向的两个晶面出现感应电荷。通过测量感应电荷量或电压的大小来探测辐射的强弱。热释电红外探测器与其他探测器不同，它只有在温度升降的过程中才有信号输出，所以利用热释电探测器时红外辐射必须经过调制。探测材料：硫酸三甘肽、钽酸锂、钽铌酸钾、钛（铁
电）酸铅、钛酸锶铅、钽钪酸铅、钛酸钡热电堆由逸出功不同的两种导体材料所组成的闭合回路，当两接触点处的温度不同时，由于温度梯度使得材料内部的载流子向温度低的一端移动，在温度低的一端形成电荷积累，回路中就会产生热电势。（塞贝克效应Seebeck）而这种结构称之为热电偶。一系列的热电偶串联称为热电堆。因而，可以通过测量热电堆两端的电压变化，探测红外辐射的强弱。二极管型利用半导体PN结具有良好的温度特性。与其他类型的非制冷红外探测器不同，这种红外探测器的温度探测单元为单晶或多晶PN结，与CMOS工艺完全兼容，易于单片集成，非常适合大批量生产。热敏电阻型（微测辐射热计）利用热敏电阻的阻值随温度变化来探测辐射的强弱。一般探测器采用悬臂梁结构，光敏元吸收红外热辐射，由读出电路测量热敏材料电阻变化而引起的电流变化，通过读出电路对电信号采集分析并读出。探测器一般采用真空封装以保证绝热性好。探测材料：氧化钒、非晶硅、钛、钇钡铜氧等氧化钒VOx的TCR 一般为2%~3%，特殊方法制备的单晶态VO2和V2O5可达4%。VOx具有电阻温度系数大，噪声小的特点，被广泛用作非制冷式红外焦平面传感器的热敏材料。全球的非制冷红外热像仪市场中，使用VOx非制冷红外探测器的占80%以上。氧化钒VOx的制备方法：溅射法、溶胶-凝胶法、脉冲激光沉积法、蒸发法。读出电路IC技术ROIC对微弱的红
收稿日期：2009-03-30；修订日期：2009-05-08 基金项目：国家自然科学基金资助项目（60806010） 作者简介：姜俊伟（1986-），男，安徽阜阳人，硕士生，主要研究方向为光电探测器集成电路设计。Email:lxjjw2003@https://www.doczj.com/doc/4b7282097.html, 导师简介：赵毅强(1964-)，男，河北辛集人，教授，博士，主要从事集成电路设计和红外系统方面的研究。Email:yq_zhao@https://www.doczj.com/doc/4b7282097.html, 第38卷第5期 红外与激光工程2009年10月 Vol.38No.5 Infrared and Laser Engineering Oct.2009 红外探测器高性能读出电路的研究 姜俊伟，赵毅强，孟范忠，郭 莹 （天津大学电子信息工程学院专用集成电路设计中心，天津300072） 摘 要：设计了一种高性能电容反馈跨阻放大器（CTIA ）与相关双采样电路（CDS ）相结合的红外 探测器读出电路。该电路采用CTIA 电路实现对微弱电流信号的高精度读出，并通过CDS 电路抑制 CTIA 引入的固定模式噪声（FPN ），最后采用失调校正技术减小CDS 引入的失调，从而减小了噪声对电路的影响，提高了读出电路的精度。采用特许半导体(Chartered)0.35μm 标准CMOS 工艺对电路进行流片，测试结果表明：在20pA ～10nA 范围内该电路功能良好，读出精度可达10bit 以上，线性度达 97%，达到了设计要求。该读出电路可用于长线列及面阵结构红外探测系统。 关键词：电容反馈跨阻放大器；相关双采样电路； 固定模式噪声； 失调校正技术 中图分类号：TN215 文献标识码：A 文章编号：1007-2276(2009)05-0787-05 High performance readout integrated circuit for IR detectors JIANG Jun 蛳wei,ZHAO Yi 蛳qiang,MENG Fan 蛳zhong,GUO Ying (ASIC Design Center,School of Electronic and Information Engineering,Tianjin University ，Tianjin 300072，China) Abstract:A kind of readout integrated circuit (ROIC)for long linear IR detectors,composed of capacitor feedback trans 蛳impedance amplifier (CTIA)and correlated double sample (CDS)circuit,was proposed.The readout accuracy of weak current signal was obviously improved by the CTIA circuit.Besides,in order to reduce the fixed patten noise (FPN)induced by CTIA,CDS circuit with offset calibration technique was utilized.By employing the above techniques,the influence of noise on this circuit was greatly reduced.Meanwhile the precision of the ROIC was improved.The final ROIC chip was fabricated with Chartered 0.35μm standard CMOS processing.Test results show that the readout accuracy could reach up to 10bit during the current varied from 20pA to 10nA,and the linearity could reach up to 97%,which was in perfect accordance with the specification.The ROIC could be applied in long linear and staring array IR detectors systems. Key words:CTIA; CDS; FPN; Offset calibration technique 0引言 近年来，红外探测系统被广泛地应用于工业控制、医疗诊断、环境监测、资源探测、军事侦察和航空 航天等领域[1]，集成化、微型化红外探测系统正成为发展趋势。由于红外探测器输出信号十分微弱，读出电路的性能优劣直接影响系统的灵敏度和动态范围，因此，宽探测范围下微弱信号的高精度读出是红外探
485型吸顶式 红外探测器 1. 简介 1.1 概述 RS-HW-N01为高稳定性被动红外探测器。采用先进的信号分析处理技术，具有超高的探测和防误报性能。当有入侵者通过探测区域时，探测器将自动探测区域内人体的活动。如有动态移动现象，则会产生报警，设备为485输出，标准的Modbus-RTU协议，可二次开发。适合家庭住宅区、楼盘别墅、厂房、仓库、商场、写字楼等场所的安全防范。 1.2 参数指标 ■供电电源：10~30V DC ■功耗：0.4W ■技术话电：156.2895.6186 ■传感器类型：双元热释红外传感器 ■报警延时：30s、10s、5s输出可选 ■安装方式：吸顶 ■安装高度：2.5~6m ■探测范围：直径6m(安装高度3.6m时) ■探测角度：全方位360° ■信号输出：RS485 ■通信协议：Modbus-RTU ■工作环境：-10℃~50℃，≤95%，无凝露 1.3 功能特点 ■采用8-bit低功耗CMOS处理器 ■具有自动温度补偿功能 ■抗RFI干扰：20~1000MHZ（如移动通信） ■三种报警延时输出可选
1.4 系统框架图 系统方案框图 2. 外形尺寸 1号设备 2号设备 3号设备 n 号设备 485总线 USB 转485或232转485 10~30V DC UPS 电源（选配） AC220V 市电 监控电脑
3. 安装与使用说明 3.1 设备安装前检查 设备清单： ■红外设备1台 ■合格证、保修卡、售后服务卡等 ■12V/2A防水电源1台（选配） ■USB转485（选配） 3.2 接线说明 宽电压电源输入10~30V均可。485信号线接线时注意A\B两条线不能接反，总线上多台设备间地址不能冲突。 线色说明备注 棕色电源正10~30V DC 黑色电源负 黄色485-A 蓝色485-B 3.3 安装说明 1）选定合适的位置，用螺钉将安装底板固定在天花板上，再将探测器挂上 2）建议安装高度为2.5~6m 3）安装位置应避免靠近空调、电风扇、电冰箱、烤箱及可引起温度迅速变化的物体，同时应避免太阳光直射在探测器 4）探测器透镜前面避免有物体遮挡，以免影响探测效果 3.4 使用说明 1）按说明接好线，然后盖上探测器盖盒 2）接通电源，指示灯闪烁，探测器进入自检状态 3）60s后指示灯熄灭，探测器进入正常检测状态，此刻如果有人在探测器覆盖区域内走动，LED指示灯亮，同时RS485报警输出 4）LED ON跳帧控制LED指示灯是否有提示，不影响探测器正常工作
制冷型探测器在不同大气条件下红外搜索系统作用距离计算问题 已知条件： 1、制冷型探测器：3~5μ 30μ（像元） 像素：320×240 2、3~5μm 波段在海面情况下（分别针对喷气式飞机和舰艇）传输透过率分析。（晴朗和浓雾） 3、能量计算（探测距离） （1）海面对空 20km ，喷气式飞机，翼展30m （2）海面 20km ，舰艇 （3）相对孔径、透过率 4、非制冷型红外探测器光学系统参数：f′=30~180；F ：2.1；透过率：τ〉70% 求晴朗和浓雾大气条件下红外搜索系统作用距离。 解： 搜索系统的作用距离方程为： 21 2 1 *0])(4[n s f F DD I S υυωσττπα? ?= 其中：i I ： 红外辐射强度 ατ： 大气透过率 0τ： 光学系统透过率 D ： 通光口径 *D ： 探测率 σ： 信号过程因子 F ： 光圈数 ω： 视场角 f ?： 系统带宽 n s u u ：信噪比 对于制冷型波段在3-5μm, 30u (像元) 分辨率为320?240 'f =180mm=18cm F=2.1 晴朗时T=25C ? RH=90% 1) 通过查阅《红外技术》知在3-5μm 波段范围内，飞机的辐射强度 53-I =483.49sr w 2) 大气透过率为大气中水蒸气透过率与大气中CO 2中透过率的乘积即 2 2 CO O H τττα?= 相对湿度为空气中试样水蒸气含量与饱和时水蒸气含量比值
即S RH ρρω = 经查表知25C ?饱和水蒸气的质量为S ρ=22.80 3 m g 则356.42080.22m g RH s w =???=?=ρρ 又因为高度为h 的水平距离X 所具有的透射比等于长度为0X 的等效海平面上透射比即 k P P X X ??? ? ???=0 0 其中P ：高度为h 处的大气压强 P 0：平面上的大气压强 k ：常数 对H 2O 系统k=0.5，对CO 2系统k=1.5 。 又因为根据已知有h=10km d=20km ∴水平距离X=22h d -=221020-=103km 经查表得 当h=10km 时 对于H 2O 系统：k ???? ??0ρρ=0.518 对于CO 2系统：k ??? ? ??0ρρ=0.141 根据以上数据可求得对于水蒸气全路程可凝结水的毫米数为 K O H W W X X O H 220 0W ???? ????=?=ρ ρ ρρ = 4.56?17.32?0.518 = 40.911mm 经查表可得在3-5μm 范围内，可凝结水毫米数为40.911mm 的透过率对所有数值进行加和取平均 ()2 3.0 5.0 3.1 3.2 4.9( /202 2 H O τττ τττ=+++????++ 晴朗） =0.001+0.029+0.084+0.233+0.509+0.768+0.883+0.922+0.961+0.961+0.940+0.92 2+0.883+0.824+0.623+0.465+0.334+0.233+0.172+0.0375）/20 = 0.539 对于CO 2的等效海平面的水平距离为 km X X K CO CO 442.2141.072.132 2 =?=???? ???=ρ ρ 经查表可得在3-5μm 范围内,海平面水平距离为2CO X 的CO 2的透射率的平均值为：
芯片红外焦探测器 根据红外焦平面阵列芯片的组成方式红外焦平面探测器的渎出电路和信号处理电路通常集成在同一硅片上，要求读出电路具有高电荷容量、高转移效率、低噪声和低功耗。读出电路最常用的KEMET有CCD和CMOS两种工艺。CCD工艺的优点是响应均匀、噪声低；CMOS工艺的优点是转移注入效率高、抑制红外(直流）背景能力强、响应动态范围大、功耗小（工作电压低）、漏电流小、速度快、集成度更高、外引线更少，成品率高、成本更低，易于与红外探测器芯片工艺集成等，因此CCD与CMOS T艺成为红外焦平面探测器读出电路的主要工艺方法。信号处理电路功能包括增益控制、背景抑制、抗光晕等。而红外焦平面探测器应用中还要进行的非均匀校正、盲元填充等功能要由其他外围电路去完成。 一：红外焦平面探测器的介绍： 将红外辐射能转换为电能或其他物理量的器件称为红外探测器。红外探测器 分为红外光量子探测（光电伏特效应，光伏型）和热探测（热电效应，最常见光导型）二类，当前高性能红外焦平面探测器主要是量子效率较高的光伏型探测器。根 据大气对红外辐射透射率窗口，TDK电感红外探测器覆盖的红外波段为短波、中波、长波和超长波。 从1956年开始，以美国生产非制冷的硫化铅红外探测器（工作波段1～3μm）为导引的“响尾蛇”空空导弹为标志，红外探测器的军事应用进入了飞速发展阶段。首先是对化铅探测器进行制冷，大大提高了探测灵敏度；相继又出现了锑化铟、碲 镉汞等多种新材料、多响应元及不同排列方式（线列、面阵）等构成多品种的实用 均红外探测器，冉加适当的光机电扫描获得红外图像信息，实现了全天时昼夜红外 成像，于红外成像侦察、成像制导等武器装备，可实时获取战场情报、对来袭目标 告警，并大大提高武器打击精度，是带动现代战争模式变革的主要技术因素之一。 随着探测器像元规模的断扩大，需要的信号放大和处理电路（一般在非制冷环境） 数量也越来越多，其引线数、体积、重量、耗电量、参数一敛性和可靠性等因素使 得探测器像元不得不控制在一定的围内（一般在200元以下），严重制约了红外探
红外探测器 设计研发部-平 一、红外探测器市场以及应用领域 红外探测技术目前主要分为近红外、中红外和远红外三种研究领域。其中，中红外探测技术由于中红外线的高强度和高穿透性，应用最为广泛，研究也最为成熟；远红外的主要优点就是其穿透性，可用于探测、加热等，应用也比较广泛。近红外，由于其包含氢氧键、碳氢键、碳氧键等功能键的特征吸收线。大气中的水气、二氧化碳、大气辉光等也集中在这个波段。特有的光谱特性使得短波红外探测器可以在全球气候监测、国土资源监测、天文观测、空间遥感和国防等领域发挥重大作用。红外探测器广泛应用于军事、科学、工农业生产和医疗卫生等各个领域，尤其在军事领域，红外探测器在精确制导、瞄准系统、侦察夜视等方面具有不可替代的作用。随着红外探测技术的飞速发展，红外探测器在军事、民用等诸多领域都有着日益广泛的应用。作为高新技术的红外探测技术在未来的应用将更加广泛，地位更加重要。 小型红外探测器是受价格驱动的商品市场，而中型和大型阵列探测器则是受成本和性能驱动的市场，并且为新产品提供了差异化的空间。但是在每种红外探测器技术（如热电/热电偶/微测辐射热计）之间存在着巨大的障碍。由于这些技术都是基于不同的制造工艺，如果没有企业合并或收购，很难从一种技术转换到另外一种技术。 红外探测器已进入居民日常安防中，其中主动式红外探测器遇到
树叶、雨、小动物、雪、沙尘、雾遮挡则不应报警，人或相当体积的物品遮挡将发生报警。主动红外探测器技术主要采用一发一收，属于线形防，现在已经从最初的单光束发展到多光束，而且还可以双发双收，最大限度地降低误报率，从而增强该产品的稳定性，可靠性。据美国相关公司市场调研分析师预测，全球军用红外探测器需求额有望在2020年达到163. 5亿美元，复合年均增长率为7. 71%。 红外探测器按探测机理可分为热探测器和光子探测器，按其工作中载流子类型可以分为多数载流子器件和少数载流子器件两大类，按照探测器是否需要致冷，分为致冷型探测器和非致冷型探测器。非致冷探测器目前主要是非晶硅、氧化钒和InGaAs等探测器，致冷型探测器主要包括碲镉汞三元化合物、量子阱红外光探测器Ⅱ类超晶格等。在过去的几十年里，大量的新型材料、新颖器件不断涌现，红外光电探测器完成了第一代的单元、多元光导器件向第二代红外焦平面器件的跨越，目前正朝着以大规模、高分辨力、多波段、高集成、轻型化和低成本为特征的第三代红外焦平面技术的方向发展。 二、焦平面红外探测器应用现状 热探测器的应用早于光子探测器。热探测器包括热释电探测器、温差电偶探测器、电阻测辐射热计等。热探测器具有宽谱响应、室温工作的优点，但是它响应时间较慢、高频时探测率低，目前主要应用于民用领域。光子探测器是基于光电效应制备的探测器，通过配备致冷系统，具有高量子效率、高灵敏度、低噪声等效温差、快速响应等优点。在军事领域，光子探测器占据主导地位。常用的光子探测器有
红 外 探 测 器 1．量子效率 在某一特定波长上，每秒钟产生的光电子数与入射光子数之比。对理想的探测器，入射一个光子发射一个电子，1)(=λη。当然实际上不是所有的光子都可以被吸收，因此1)(<λη。 探测器对波长为λ处的量子效率可以表示为： hv P e I S //)(=λη 其中S J h .106260755.634-?=，是普朗克常数，e 是元电荷。 2. 响应率 输出信号电压S 与输入红外辐射功率P 之比即： ）或（W A W V P S R /)/(= 3. 响应波长范围 单色响应率与波长的关系，称为光谱响应曲线或响应光谱。热敏型红外探测器的响应率与波长无关。光电型红外探测器有峰值波长 p λ和长波限c λ。通常取响应率下降到p λ一半所在的波长为c λ。光电探测器只有在小于c λ范围有响应，因此称为选择性红外探测器。
对于光子探测器，仅当入射光子的能量大于某一极小值时才能产生光电效应。就是说，探测器仅对波长小于cλ，或者频率大于的光子才有响应。因此，光子探测器的响应随波长线性上升，然后到某一截止波长cλ突然下降为零。 而热型探测器响应波长无选择性，对可见光到远红外的各种波长的辐射同样敏感，在室温工作。灵敏度低、响应时间偏长，最快的响应时间也在毫秒量级。热释电探测器主要应用于被动式的传感器中，主要应用于防盗报警、来客告知等被动探测以及石油化工、电力等行业的温度测量、温度检测等灵敏度不是很高的场合。此外，热释电材料是还是制备非制冷红外成像设备的重要材料。 常见红外光子探测器及响应波段 4.噪声 如果测量探测器输出的电子系统有足够大的放大倍数，即使没有入射辐射。也可以看到一些毫无规律的电压起伏,它的均方根称为噪声电压N，此噪声来源于探测器中的某些基本的物理过程。探测器的噪声主要有以下几个来源：f/1噪声(闪烁噪声)，暗电流噪声(热噪声)以及光电流噪声。 GaAs/QWIP中的影响很小，不是主f/1噪声为低频噪声，在AlGaAs 要的制约因素。制约器件性能的主要因素是暗电流噪声和光子噪声，即载流
科学/研发应用红外热像仪堪称功能强大的无创性工具。借助一款此类红外热像仪，你可以在设计阶段及早发现问题，以便在发展成更为严重且维修代价高昂的故障之前，将其记录在案并予以纠正。 应用于研发环境的红外热像仪 红外热像仪会接收无法被人眼所察觉热辐射，并将其转化为描绘某个目标物或场景中热量变化的图像。所有温度高于绝对零度的物体均会放射热能，热能由某些波段的电磁波谱辐射出来，而且辐射量会随着温度的上升而增加。FLIR 红外热像仪可用于实时捕获和记录热分布和热变化，有助于工程师和研究人员看清并精确测量设备、产品和工艺过程中的发热方式、热耗散、热泄漏以及其他温度因素。其中部分红外热像仪可区分细微至0.02?C 的温 度变化。它们均搭载了先进的探测技术和高级数学算法，以实现高性能，以及在-80?C 至+3000?C 之间精确测温。研发用红外热像仪系列整合了极高的成像性能和精确的测温功能，并配备强大的分析报告工具和软件，从而造就其成为范围广泛的研究、热试验和产品验证应用的理想之选。制冷式和非制冷式红外热像仪 研发/科学应用的红外热像仪系统拥有大量选择。因此，我们经常听到这样的问题：“我应该使用制冷式还是非制冷式红外热像仪系统？ 哪种系统更具有成本效益？”事实上，如今市场上售有两种类型的红外热像仪系统：制冷式和非制冷式系统。这两种类型的系统的组件成本大相径庭，因而决定选择哪种系统则变得极 为重要。 多年来，科学家、研究人员和研发专家热衷于将红外热像仪运用于广泛的应用领域中，包括工业研发、学术研究、无损检测(NDT)和材料检测，以及国防与航空航天等。但是，并非所有打造的红外热像仪均具有同等的品质功能，或者可用于一些专门的应用。譬如，如要获得精确的测量值，则需要配备高速定格动画功能的先进红外热像仪。 制冷式与非制冷式红外热像仪 配备制冷式探测器的红外热像仪可在快速移动活动中产生清晰的热图像。 FLIR A6700sc 是一款配备制冷锑化铟 (InSb) 探测器的紧凑型红外热像仪，价格极为经济实惠。 FLIR T650sc 非制冷式研发用红外热像仪具有较高的分辨率。高分辨率的图像可获得精确结果和可靠的测温 精确度。 世界第六感
1 概况 自上世纪90年代，非制冷凝视型红外热像仪迅速进入应用市场。这种热像仪与制冷型凝视红外热像仪相比，虽然在温度分辨率等灵敏度方面还有很大差距，但具有一些突出的优点：不需制冷，成本低、功耗小、重量轻、小型化、启动快、使用方便、灵活、消费比高。 至今，非制冷红外焦平面阵列(FPA)技术已由小规模发展到中、大规模320×320和6 40×480阵列，在未来的几年内有望获得超大规模的1024×1024非制冷焦平面阵列（FP A）。像素尺寸也由50μm减小到25μm，使焦平面灵敏度进一步提高。这种非制冷红外成像系统在军用和民用领域应用越来越广泛，部分型号产品已装备部队，尤其在轻武器（枪械）瞄准具、驾驶员视力增强器、单兵头盔式观瞄、手持式（便携）热像仪等轻武器，以及部分导弹的红外成像末制导等方面，非致冷热像仪在近年内有望部分取代价格高、可靠性差、体积大而又笨重的制冷型热成像系统。 2 现状 1978年美国Texas Instruments在世界上首次研制成功第一个非制冷红外热像仪系统，主要红外材料为α-Si（非晶硅）与BST(钛酸锶钡)。1983年美国Honeywell开始研制室温下的热探测器，使用了硅微型机械加工技术，使热隔离性提高，成本降低。1 990-1994年美国很多公司从Honeywell获技术转让，使以VOx（氧化钒）为探测材料的非制冷探测器得到了迅速广泛发展。VOx材料具有较高的热电阻系数，目前世界上性能最好的非制冷探测器就是采用VOx材料制备的，主要采用8~14μm波段320×240和160×120元的非制冷FPA器件，其结构按部件功能模块化（诸如，光学模块、FPA组件模块、信号读出处理电路模块和显示模块）。目前市场上有热像仪整机产品，也有各种功能模块单独出售，供用户选用。 3 国外主要几家公司研制生产状况 目前，国际上美国、法国、英国和日本的非制冷红外探测器研制生产水平居世界领先水平。英国的公司主要是BAE公司，正在研制生产PST-锆钛酸铅和BST-钛酸锶钡混合结构的热释电型陶瓷探测器，单元式结构的正在研制。 日本的主要有三菱公司，正在研发的主要有Si P/N结型和YBaCuO电阻型热探测器两种，规格均为320×240，像元素尺寸均为40μm，在f/1条件下，Si P/N结型FPA的NETD（噪声等效温差）优于120mK，YBaCuO电阻型FPA的NETD优于80mK。日本
非制冷红外热像仪完整 版 IMB standardization office【IMB 5AB- IMBK 08- IMB 2C】
红外成像阵列与系统 —非制冷红外热像仪简述 2013年11月8日 非制冷红外热像仪简述 摘要：非制冷红外热像仪是目前主流的夜视观察仪器之一,因其较高的可靠性在军事领域的低端应用、民用等方面有广阔的前景。它通过被测物体向外界发出的辐射能量来得到物体对应的温度。本文主要就非制冷红外热像仪的测温原理、发展状况、系统设计及其性能参数做简单的分析及介绍。比较了两种不同情况下的测温公式的优劣并且做出了相关推导，简单介绍了基于FPGA的非制冷红外热像仪的电路系统和通用型非制冷红外热像仪的性能参数及其一般测定方法。对以后的红外热成像系统的学习起到了一定帮助。 关键字：非制冷红外热像仪；测温原理；发展状况；系统设计；性能参数 The brief description of uncooled infrared thermal imager Yu Chun-kai, Wang Hui-ting, Qi Xiao-yun, Xu Jian Abstract: Currently, uncooled infrared thermal imager is one kind of mainstream devices on night vision. Because of its high reliability, uncooled infrared thermal imager has a broad prospect of application in military and civil field. It gains temperature of the detected object by the infrared radiation the object emits. This paper simply analyses and introduces temperature measuring principle, development status, system design and performance parameter on uncooled infrared thermal imager. We compared two different temperature measuring formulae in their respective situations and did the relevant derivation. We also introduced the circuit system which based on FPGA in uncooled infrared thermal imager and the performance parameter of general uncooled infrared thermal imager. This paper provides us much promotion about the future study of infrared thermal imaging system.
摘要 本设计给出了一种基于热释电红外传感器的被动型红外探测报警电路，该电路能探测人体发出的红外线，当有人进入传感器的探测区域内时，即可发出报警声。该红外探测报警电路在原理上主要由信号检测电路、信号放大电路、电压比较电路以及报警电路组成，本设计将在对各个模块电路的功能及电路参数计算的基础上,实现模拟仿真，以对本设计提出的实现方案进行验证。 关键词：热释电红外传感器；红外探测；报警
目录 1 概述 (1) 2 红外报警电路总体方案 (2) 2.1总体方案框图 (2) 2.2各模块电路功能说明 (2) 2.2.1 电源电路 (2) 2.2.2 信号检测电路 (3) 2.2.3 信号放大电路 (3) 2.2.4 电压比较电路 (4) 2.2.5 报警电路 (4) 3 模块电路设计 (5) 3.1电源电路 (5) 3.2信号检测电路 (6) 3.3信号放大电路 (7) 3.3.1 电路功能分析 (7) 3.3.2 电路参数计算 (10) 3.4电压比较电路 (13) 3.5报警电路 (15) 3.5.1 HEF4538B触发控制电路 (15) 3.5.2 KD9561报警电路 (16) 4 电路仿真 (17) 4.1信号放大电路仿真 (18) 4.1.1 测试信号 (18) 4.1.2 放大电路输出波形 (19) 4.2电压比较电路仿真 (24) 5 课程设计总结及体会 (24) 5.1课程设计总结 (25) 5.2设计体会 (26) 参考资料 (27) 附录A 红外传感器报警电路原理图 (28) 附录B 红外传感器报警电路元器件清单 (29)
红外探测报警电路设计 1 概述 随着时代的不断进步，人们对自己所处环境的安全性提出了更高的要求，尤其是在家居安全方面，不得不时刻留意那些不速之客。现在很多小区都安装了智能报警系统，因而大大提高了小区的安全程度，有效保证了居民的人身财产安全。 由于红外线是不可见光，有很强的隐蔽性和保密性，因此在防盗、警戒等安保装置中得到了广泛的应用。此外，在电子防盗、人体探测等领域中，被动式热释电红外探测器也以其价格低廉、技术性能稳定等特点而受到广大用户和专业人士的欢迎。 在本设计中采用热释电红外传感器来进行被动式红外报警电路的设计，这种热释电红外传感器能以非接触形式检测出人体辐射的红外线，并将其转变为电压信号，同时，它还能鉴别出运动的生物与其它非生物。热释电红外传感器既可用于防盗报警装置，也可以用于自动控制、接近开关、遥测等领域。采用该种红外传感器设计的报警电路与目前市场上销售的大多数报警器材相比具有以下特点： ●不需要红外线或电磁波等发射源； ●灵敏度高，控制范围大； ●隐蔽性好，可流动安装。 由于具有以上特点，热释电红外传感器被广泛应用于各种防盗监控系统中，为人们所居住的环境的安全性提供了可靠保障。
1 概非制冷探测器技术发展.doc况 自上世纪90年代，非制冷凝视型红外热像仪迅速进入应用市场。这种热像仪与制冷型凝视红外热像仪相比，虽然在温度分辨率等灵敏度方面还有很大差距，但具有一些突出的优点：不需制冷，成本低、功耗小、重量轻、小型化、启动快、使用方便、灵活、消费比高。 至今，非制冷红外焦平面阵列(FPA)技术已由小规模发展到中、大规模320×320和640×480阵列，在未来的几年内有望获得超大规模的1024×1024非制冷焦平面阵列（F PA）。像素尺寸也由50μm减小到25μm，使焦平面灵敏度进一步提高。这种非制冷红外成像系统在军用和民用领域应用越来越广泛，部分型号产品已装备部队，尤其在轻武器（枪械）瞄准具、驾驶员视力增强器、单兵头盔式观瞄、手持式（便携）热像仪等轻武器，以及部分导弹的红外成像末制导等方面，非致冷热像仪在近年内有望部分取代价格高、可靠性差、体积大而又笨重的制冷型热成像系统。 2 现状 1978年美国Texas Instruments在世界上首次研制成功第一个非制冷红外热像仪系统，主要红外材料为α-Si（非晶硅）与BST(钛酸锶钡)。1983年美国Honeywell开始研制室温下的热探测器，使用了硅微型机械加工技术，使热隔离性提高，成本降低。1990-1994年美国很多公司从Honeywell获技术转让，使以VOx（氧化钒）为探测材料的非制冷探测器得到了迅速广泛发展。VOx材料具有较高的热电阻系数，目前世界上性能最好的非制冷探测器就是采用VOx材料制备的，主要采用8~14μm波段3 20×240和160×120元的非制冷FPA器件，其结构按部件功能模块化（诸如，光学模块、FPA组件模块、信号读出处理电路模块和显示模块）。目前市场上有热像仪整机产品，也有各种功能模块单独出售，供用户选用。 3 国外主要几家公司研制生产状况 目前，国际上美国、法国、英国和日本的非制冷红外探测器研制生产水平居世界领先水平。英国的公司主要是BAE公司，正在研制生产PST-锆钛酸铅和BST-钛酸锶钡混合结构的热释电型陶瓷探测器，单元式结构的正在研制。
D1发射红外线，D2接收红外信号。LM567第⑤、⑥脚为译码中心频率设定端，一般通过调整其外接可变电阻W改变捕捉的中心频率。图中红外载波信号来自LM567的第5角，也即载波信号与捕捉中心频率一致，能够极大的提高抗干扰特性。 音频译码器LM567作用器要领 1、LM567输出部分与普通数字IC等有所不同，其内部是一个集电极开路的NPN型三极管，使用时，⑧脚与正电源间必须接一电阻或者其它负载，才能保证IC译码后输出低电平。 2、实验表明：LM567接通电源瞬间，⑧脚会输出一低电平脉冲。因此，用于作遥控器译码控制时，应在输出端后加装RC积分延时电路，以免每次断电后，重新复电时产生误动作。 3、LM567第⑤、⑥脚为译码中心频率设定端，一般通过调整其外接可变电阻W改变频率，经笔者实验发现，当W阻值变为0Ω或无限大时，⑧脚电平状态即使无信号输入时也会变为低电平，因此，在调整W时，不能使其短路或开路。 4、LM567的工作电压对译码器的中心频率有所影响，故最好采用稳压供电。 5、LM567②脚外接电容决定着锁相环捕捉带宽，容量越小，捕捉带宽越宽，但使用时，不可为增大捕捉带宽而一味减小电容容量，否则，不但会降低抗干扰能力，严重时还会出现误触发现象，降低整机的可靠性 1. 概述 集成锁相环路解码器LM567是美国国家半导体公司生产的56系列集成锁相环路中的一种，其同类产品还有美国Signetics公司的SE567/INE567等。LM567是一个高稳定性的低频集成锁相环路解码器，由于其良好的噪声抑制能力和中心频率稳定性而被广泛应用于各种通讯设备中的解码以及AM、FM信号的解调电路
中。 2. LM567内部结构及工作原理 LM567为8脚直插式封装，其内部结构、引脚定义及外围元件连接方法如图1所示。 LM567内部包含了两个鉴相器PD1及PD2、放大器AMP、电压控制振荡器VCO等单元电路。鉴相器PD1、PD2均采用双平衡模拟乘法器电路，在输入小信号情况下(约几十mV)，其输出为正弦鉴相特性，而在输入大信号情况下(几百mV以上)，其输出转变为线性(三角)鉴相特性。锁相环路输出信号由电压控制振荡器VCO 产生，电压控制振荡器的自由振荡频率(即无外加控制电压时的振荡频率)与外接定时元件RTCT的关系式为： f0≈1/1.1RTCT 选用适当的定时元件，可使LM567的振荡频率在0.01Hz～500kHz范围内连续变化。电路工作时，输入信号在鉴相器PD1中与VCO的输出信号鉴相，相差信号经滤波回路滤波后，成为与相差成一定比例的电压信号，用于控制VOC输出频率 f0跟踪输入信号的相位变化。若输入信号频率落在锁相环路的捕获带内，则环路锁定，在振荡器输出频率与输入频率相同时，二者之间只有一定相位差而无频率差。 环路用于FM信号解调时，脚2输出的经过滤波后的相差信号可作为FM解调信号的输出，而当环路用于单音解调时，电路则利用PD2输出的相差信号。 PD2的工作方式与PD1略有不同，它是利用压控振荡器输出的信号f0经90°移相后再与输入信号进行鉴相，是一正交鉴相器。在环路锁定情况下，PD2的两个输入信号在相位上相差约为90°，因而PD2的输出电压达到其输出范围内的最大值，再经运算放大器AMP反相，在其输出端输出一个低电平。AMP的输出端为OC输出方式，低电平输出时可吸收最大100mA的输出电流。该端口的低电平输出信号除可由上拉电阻转换为电压信号以与TTL或CMOS接口电路相匹配外，还可直接驱动LED及小型继电器等较大负载。LM567的电气参数如表1所列。值得一提的是，接在2脚的环路滤波电容C2与内部电阻一道构成锁相环路的RC积分滤波器，该滤波器时间常数的大小在很大程度上决定了锁相环路的环路带宽BW 的大小。当BW较大时，捕获范围大而稳定性差。减小BW则正好相反，其稳定性较好而捕获范围变小。LM567的环路带宽BW可由下式计算： BW=1070(Vi／f0C2)1/2 式中，Vi为输入信号的幅值(rms) C2为滤波电容的容量(单位为μF) 实际上，由上式计算得出的并不是环路带宽BW的实际值，而是环路带宽BW与环路中心频率f0的百分比，其值再乘上100％才是锁相环路的实际捕获带宽。实际应用中调整C2的大小可使BW在0％～4％范围内变化。BW宽度与f0C2乘积之间的关系如图2。LM567在正常工作时的最小输入信号为20mV。当用于单音解码时，其工作特性为：当LM567信号输入端加入幅度为20mV以上的交流信号且频率落入f0±BW范围内时，输出端输出一个低电平的检测信号，这就是所谓的“频率继电器”特性。利用这一特性，LM567可广泛应用于各种低频单一频率信号的解码。 3. LM567的应用 根据实际工作需要，我们利用LM567的“频率继电器”工作方式，设计了一个脉冲光电检测电路，用于生产线上工作的计数及工位检测。具体电路如图
第34卷 第9期 红 外 技 术 V ol.34 No.9 2012年9月 Infrared Technology Sep. 2012 547〈制冷技术〉 制冷型红外探测器高精度制冷控温系统 黄新栋 （中国科学院上海技术物理研究所，上海 200083） 摘要：致冷型红外探测器温度的稳定性直接决定了红外系统的性能。设计了针对致冷型红外探测器的 高精度温度控制系统，该系统利用MCU 进行PID 闭环自动控制，温度恒定范围在77～80 K ，实现了 温度稳定度±0.05 K 的性能指标。该系统具有精度高、抗干扰能力强、噪声低、快速稳定等优点，并 且工作可靠，应用方便，具有很高的实用价值。 关键词：红外；控温；制冷；MCU 中图分类号：TN216 文献标识码：A 文章编号：1001-8891(2012)09-0547-04 High-precision Temperature Control System of Cooled Infrared Sensor HUANG Xin-dong (Shanghai Institute of Technical Physics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200083, China ) Abstract ：The temperature stability of the cooled infrared sensor plays an important role in infrared system. In this paper a high precision temperature control system for cooled infrared sensor was designed, which is realized using closed-loop PID by MCU. The temperature is controlled in the range 77～88 K, and the temperature stability is within ±0.05 K. The system also has characteristic of high precision, low noise, fast stabilizing, etc. The experimental results show that the system can work easily and reliably, and attain to the demand of high performance system. Key words ：infrared ，temperature ，cooled ，MCU 0 引言 红外探测系统的核心器件是红外探测器（如HgCdTe 、InSb 等）。由于制作红外探测器的材料能隙 很小，如果环境温度高，由热涌动造成的暗电流和热 噪声大，直接影响到探测器的信噪比、响应波长和响 应时间常数等各个指标[1]。 为了提高红外探测器性能，必须通过制冷来降低 红外探测器的工作温度，以遏制暗电流的产生，增大 信噪比。红外探测器经低温冷却后，响应时间缩短、 灵敏度提高、响应波长展宽、受限背景噪声减小。大 部分红外探测器芯片都工作在77～80 K 温度区[2]。 在实际应用中，为了保证红外系统快速进入作战 状态以及红外成像不会产生灰度漂移，要求制冷控温 系统的启动和降温速度快，在制冷温度点的稳定性要 好，有较强的抗外界干扰（如环境温度、电源干扰等）的能力。 本文针对以上提出的几点，设计了数字式高精度 制冷温度控制系统，制冷速度快，抗干扰能力强，在 实际应用中取得很好的效果。 1 系统方案 本文设计的低温闭环控制系统方案如图1所示。 图1 系统架构 Fig.1 System structure 2011AA7031002G
在电子防盗探测器领域，被动红外探测器的应用非常广泛，但随着入侵者的反侦测技术手段的不断提高，从而对探测器的要求也越来越高，普通被动红外探测器的局限性越来越明显。而有部分人员对被动红外探测器最核心的探测器件的基本原理并不十分了解，本文将对该类产品做一解析。 被动式红外探测器的工作原理 任何高于绝对零度的物体都会释放出红外线，温度越高，红外辐射的峰值波长就越短。通常，人体可辐射出中心波长为9μm—10μm的红外线，而热释电探测器的波长在0.2—20μm 范围内几乎是不变的，所以我们在芯片表面贴上截止波长为7—10μm的滤光片，于是就可得到只对人体敏感的热释电红外探测器。 ? 热释电探测器用于防盗报警系统的电路构成方框图如图1所示。这是由菲涅尔透镜、热释电传感器、放大器、滤波器、电平比较器、驱动电路、继电器和稳压电源等组成。菲涅尔透镜的构造如图2所示。它是由聚乙烯材料注压而成的薄片，在薄片上压制有三种不同宽度的分格竖条，单个竖条平面实际上是一些同心的螺旋线。它的作用是聚集红外线能量，当人体在菲涅尔透镜前面通过时，它具有将连续的红外辐射分割成断续红外辐射的能力，从而可形成红外脉冲。? 由于热释电是交流器件，它只能探测入侵的移动人体。因此，在实际使用中，把探测器放置在所要防范的区域里，那些固定的景物如厂房、展厅、柜台展品就成为不动的背景。背景辐射的微小信号变化，就是背景噪声。 热释电红外探测器有双源、四源等种类，红外源几何形状有方形和交迭形，有模拟式或数字式自动脉冲数调节等。 一般，普通的被动红外探测器虽然有功耗小、隐蔽好、无辐射、价格低等优点，但在有些情况下存在探测能力低和发生误报的缺点。随着现代光电等科学技术的发展，目前新型的被动红外探测器，基本上解决了过去普通被动红外探测器的不足。 被动式红外探测器的选用 被动红外探测器的选购要点 1、外形工艺与外壳密封性能