凝视型红外成像探测系统的作用距离分析与验证

计算机工程应用技术本栏目责任编辑：贾薇薇Computer Knowledge and Technology 电脑知识与技术第5卷第26期(2009年9月)凝视型红外成像探测系统的作用距离分析与验证申俊杰（广州军区75706部队40分队，广东广州510600）摘要：作用距离是红外成像探测系统的主要技术指标之一，根据实际计算时部分参数可能未知的情况，推导了NETD 表达的作用距离方程，并根据凝视型探测器的特点讨论了基于对比度的对高空目标作用距离的表达式，结合高空目标探测实验结果验证两种不同计算方法的有效性。

分析结果对进一步的成像探测系统的设计提供了理论依据。

关键词：等效噪声温差；焦平面阵列；作用距离；红外成像探测中图分类号：TP311文献标识码：A 文章编号：1009-3044(2009)26-7553-02Analysis and Validation of Operating Range of Staring IR Imaging Detecting SystemSHEN Jun-jie(Unite 40,Army 75706,Guangzhou Military Region,Guangzhou 510600,China)Abstract:Operating range is a core specification of an IR imaging detecting system.Since some parameters are unknown when calculating,deduce the operating range function with NETD.Then based on the characteristic of staring detector discuss the operating range for space targets based on contrast.Validate the validity of above two functions with experimental result.The analytical result provides the theoretical reference for design of imaging detecting system.Key words:NETD;FPA;Operating Range;IR Imaging Detecting System目标的极限作用距离是红外成像探测系统的一个综合性指标，也是评价、检验一个红外探测系统的主要指标。

光电子技术题库选择题1.光通量的单位是（ B ）.A.坎德拉B.流明C.熙提D.勒克斯2. 辐射通量φe的单位是（B ）A 焦耳(J)B 瓦特(W) C每球面度(W/Sr) D坎德拉(cd)3.发光强度的单位是（ A ）.A.坎德拉B.流明C.熙提D.勒克斯4.光照度的单位是（ D ）.A.坎德拉B.流明C.熙提D.勒克斯5.激光器的构成一般由（A ）组成A.激励能源、谐振腔和工作物质B.固体激光器、液体激光器和气体激光器C.半导体材料、金属半导体材料和PN结材料D. 电子、载流子和光子6.硅光二极管在适当偏置时，其光电流与入射辐射通量有良好的线性关系，且动态范围较大。

适当偏置是（D）A 恒流C 零伏偏置D 反向偏置7.2009年10月6日授予华人高锟诺贝尔物理学奖，提到光纤以SiO2为材料的主要是由于（ A ）A.传输损耗低B.可实现任何光传输C.不出现瑞利散射D.空间相干性好8.下列哪个不属于激光调制器的是（ D ）A.电光调制器B.声光调制器C.磁光调制器D.压光调制器9.电光晶体的非线性电光效应主要与（ C ）有关A.内加电场B.激光波长C.晶体性质D.晶体折射率变化量10.激光调制按其调制的性质有（C ）A.连续调制B.脉冲调制C.相位调制D.光伏调制11.不属于光电探测器的是（ D ）A.光电导探测器B.光伏探测器C.光磁电探测器D.热电探测元件D 摄像器件的信息是靠（ B ）存储B.电荷C.电子D.声子13.LCD显示器，可以分为（ABCD ）A. TN型B. STN型C. TFT型D. DSTN型14.掺杂型探测器是由（D ）之间的电子-空穴对符合产生的，激励过程是使半导体中的载流子从平衡状态激发到非平衡状态的激发态。

A.禁带B.分子C.粒子D.能带15.激光具有的优点为相干性好、亮度高及（ B ）A色性好B单色性好 C 吸收性强D吸收性弱16.红外辐射的波长为（ D ）.A 100-280nmB 380-440 nmC 640-770 nmD 770-1000 nm17.可见光的波长范围为（ C ）.A 200—300nmB 300—380nmC 380—780nmD 780—1500nm18.一只白炽灯，假设各向发光均匀，悬挂在离地面1.5m的高处，用照度计测得正下方地面的照度为30lx，该灯的光通量为（ A ）.A .848lxC .424lxD .106lx19.下列不属于气体放电光源的是（D ）.A .汞灯B .氙灯C .铊灯D .卤钨灯20.ＬＣＤ是（Ａ）A.液晶显示器B.光电二极管C.电荷耦合器件D.硅基液晶显示器21.25mm的视像管，靶面的有效高度约为10mm，若可分辨的最多电视行数为400，则相当于（A ）线对/mm.A.16B.25C.20D.1822. 光电转换定律中的光电流与 ( B ) .A 温度成正比 B光功率成正比 C暗电流成正比 D光子的能量成正比23. 发生拉曼—纳斯衍射必须满足的条件是( A )A 超声波频率低，光波平行声波面入射，声光作用长度短B 超声波频率高，光波平行声波面入射，声光作用长度短C 超声波频率低，光波平行声波面入射，声光作用长度长D 超声波频率低，光束与声波面间以一定角度入射，声光作用长度短24.光束调制中，下面不属于外调制的是 ( C )A 声光调制B 电光波导调制C 半导体光源调制D 电光强度调制25.激光具有的优点为相干性好、亮度高及 ( B )A 多色性好 B单色性好 C 吸收性强 D吸收性弱26.能发生光电导效应的半导体是 ( C )A本征型和激子型 B本征型和晶格型 C本征型和杂质型 D本征型和自由载流子型27.电荷耦合器件分 ( A )A 线阵CCD和面阵CCDB 线阵CCD和点阵CCDC 面阵CCD和体阵CCD D 体阵CCD和点阵CCD28.电荷耦合器件的工作过程主要是信号的产生、存储、传输和( C )A 计算B 显示C 检测D 输出29.光电探测器的性能参数不包括（D）A光谱特性B光照特性C光电特性 D P-I特性30.光敏电阻与其他半导体电器件相比不具有的特点是（B）A.光谱响应范围广B.阈值电流低C.工作电流大D.灵敏度高31.关于LD与LED下列叙述正确的是（C）A. LD和LED都有阈值电流 B .LD调制频率远低于LED C. LD发光基于自发辐射D .LED可发出相干光32.光敏电阻的光电特性由光电转换因子描述，在强辐射作用下（A ）A. γ=0.5B.γ=1C. γ=1.5D. γ=233.硅光二极管主要适用于[D]A紫外光及红外光谱区B可见光及紫外光谱区C可见光区 D 可见光及红外光谱区34.硅光二极管主要适用于[D]A紫外光及红外光谱区B可见光及紫外光谱区C可见光区 D 可见光及红外光谱区35.光视效能K为最大值时的波长是（A ）A．555nm B.666nm C．777nm D.888nm36. 对于P型半导体来说，以下说法正确的是（D）A 电子为多子B 空穴为少子C 能带图中施主能级靠近于导带底D 能带图中受主能级靠近于价带顶37. 下列光电器件, 哪种器件正常工作时需加100-200V的高反压（C）A Si光电二极管B PIN光电二极管C 雪崩光电二极管D 光电三极管38. 对于光敏电阻，下列说法不正确的是：（D）A 弱光照下，光电流与照度之间具有良好的线性关系B 光敏面作成蛇形，有利于提高灵敏度C 光敏电阻具有前历效应D 光敏电阻光谱特性的峰值波长，低温时向短波方向移动39. 在直接探测系统中, (B)A 探测器能响应光波的波动性质, 输出的电信号间接表征光波的振幅、频率和相位B 探测器只响应入射其上的平均光功率C 具有空间滤波能力D 具有光谱滤波能力40. 对于激光二极管（LD）和发光二极管（LED）来说，下列说法正确的是（D）A LD只能连续发光B LED的单色性比LD要好C LD内部可没有谐振腔D LED辐射光的波长决定于材料的禁带宽41. 对于N型半导体来说，以下说法正确的是（A）A 费米能级靠近导带底B 空穴为多子C 电子为少子D 费米能级靠近靠近于价带顶42. 依据光电器件伏安特性, 下列哪些器件不能视为恒流源: （D）A 光电二极管B 光电三极管C 光电倍增管D 光电池43. 硅光二极管在适当偏置时，其光电流与入射辐射通量有良好的线性关系，且动态范围较大。

第7卷第18期 2007年9月1671 1819(2007)18 4587 04科学技术与工程ScienceTechnologyandEngineeringVo.l7 No.18Sep.20072007 Sc.iTech.Engng.通信技术点源目标的红外成像系统作用距离分析黄静刘朝晖邓书颖(中国科学院西安光学精密机械研究所,西安710068)摘要红外系统的作用距离是红外探测系统的一个重要的综合性能参数,它直接影响红外图像的像质,从而影响目标的提取与识别。

基于NETD和NEFD对红外成像系统的作用距离进行了详细的分析,以便在设计中参考使用。

关键词点源目标NETD NEFD 红外成像系统作用距离中图法分类号 TN219; 文献标识码A红外成像系统的作用距离远近直接影响到采集的红外图像的信噪比,也就是说直接影响图像的像质,从而给目标的提取与识别带来了很大的困难。

因此,在这里有必要对红外成像系统的作用距离进行详细的分析。

红外系统的作用距离是探测系统的一个重要的综合性能参数。

当目标相对系统的张角小于系统的瞬时视场时,系统不能分辨,这时可将目标看成点辐射源。

红外系统接收点辐射源的能量与其间的距离有关,距离越远接收到的能量越少,与接收到的最小可用能量相应的距离称为系统的作用距离[1]公式可以避免其中的一些的不足。

尤其是避免了对大温差目标进行校正的问题。

1 基于成像系统NETD估算作用距离当系统的噪声仅受探测器的噪声所限制时,对于红外探测系统的作用距离,传统的分析方法主要以目标的辐射功率在探测器上的响应是否满足信噪比要求为依据,其具体的公式如下:a It0D0DR=sAd 2*1/2(1)其(1)式中:R为探测系统的作用距离;It为点源的红外辐射强度; a为大气平均透过率; 0为光学效率;D为探测器的比探测率;D0为系统的通光口径;Ad为敏感单元面积; f为系统宽带: f=1/2T,T为积分时间,积分时间取1ms, f为500Hz;由噪声等效温差的定义可得[1,2]1/2*在用红外热像仪探测目标的场合,往往用热成像系统的作用距离方程来估算作用距离。

“高分四号”卫星凝视相机设计与验证高分四号卫星凝视相机设计与验证摘要：高分四号卫星是我国高分辨率对地观测系统的重要组成部分，具有高分辨率、广覆盖、高精度等特点。

其中凝视相机作为高分四号卫星最为关键的设备，可以实现高分辨率、高精度的地面观测。

本文主要介绍了高分四号卫星凝视相机设计与验证过程。

关键词：高分四号卫星；凝视相机；设计；验证一、引言高分四号卫星是我国首个商业卫星，也是我国高分辨率对地观测系统的重要组成部分。

凝视相机是高分四号卫星的核心设备，具有高精度、高分辨率等特点。

本文介绍了高分四号卫星凝视相机的设计与验证过程。

二、凝视相机设计高分四号卫星凝视相机的设计主要分为光学成像系统、控制系统和数据处理系统。

光学成像系统：采用三镜头多通道缩放光学系统，具有高分辨率、高灵敏度、高信噪比等特点。

该系统可以支持多种拍摄模式，包括单张拍摄、连续拍摄、红外拍摄等。

控制系统：主要包括定位系统、姿态控制系统和稳像系统。

定位系统可以实现准确定位和图像匹配，姿态控制系统可以实现卫星的精确定位和姿态控制，稳像系统可以实现图像的稳定输出。

数据处理系统：包括图像采集、图像预处理、压缩和传输等。

该系统可以将采集到的图像进行预处理，压缩和传输，保证图像数据的快速传输和存储。

三、凝视相机验证高分四号卫星凝视相机的验证主要包括地面模拟试验和实际应用试验。

地面模拟试验：采用精度高的光学设备对凝视相机进行模拟试验，在模拟环境下对凝视相机进行测试，包括分辨率、信噪比、灵敏度等。

通过地面模拟试验可以评估该设备的性能，并进行性能优化。

实际应用试验：将凝视相机应用于实际的图像采集和处理中，通过实地应用试验来验证凝视相机的性能和效果。

在实际应用试验中，将凝视相机和其他设备相结合，实现全面化的数据采集和处理，保证数据的有效输出。

四、结论高分四号卫星凝视相机作为重要的地面观测设备，在实际应用中具有良好的性能和效果。

本文介绍了凝视相机的设计过程和验证过程，未来还需根据实际情况进行性能优化和应用推广，以满足广泛的需求。

第1篇一、实验目的本次实验旨在了解红外定位成像技术的原理和应用，通过实际操作，掌握红外定位成像系统的基本操作流程，验证红外定位成像技术在空间定位和形貌测量方面的精度和实用性。

二、实验原理红外定位成像技术是利用物体发射的红外辐射，通过红外探测器接收并转换成电信号，然后经过信号处理，最终实现物体的定位和形貌测量。

该技术具有非接触、非破坏、实时等特点，广泛应用于工业检测、医疗诊断、安防监控等领域。

三、实验设备1. 红外定位成像系统：包括红外相机、控制器、显示器等。

2. 被测物体：实验过程中需选用合适的被测物体，以便验证实验效果。

3. 软件平台：用于数据采集、处理和分析。

四、实验步骤1. 系统调试：连接红外相机、控制器和显示器，确保设备正常工作。

2. 环境设置：将被测物体放置在实验平台上，调整红外相机与被测物体的距离，确保红外相机能够清晰捕捉到被测物体的红外辐射。

3. 数据采集：开启红外相机，进行数据采集。

采集过程中，需注意调整相机的曝光时间、增益等参数，以获得最佳图像效果。

4. 图像处理：将采集到的图像数据传输至软件平台，进行图像处理。

主要包括：去噪、分割、特征提取等。

5. 定位与形貌测量：根据图像处理结果，利用定位算法实现被测物体的空间定位，同时利用形貌测量算法获取被测物体的表面形貌信息。

6. 结果分析：对实验结果进行分析，验证红外定位成像技术在空间定位和形貌测量方面的精度和实用性。

五、实验结果与分析1. 空间定位：实验结果表明，红外定位成像技术在空间定位方面具有较高的精度。

在实验过程中，通过对多个被测物体的定位，验证了该技术的实用性。

2. 形貌测量：实验结果表明，红外定位成像技术在形貌测量方面具有较高的精度。

通过对被测物体表面形貌的测量，可以有效地获取物体的三维信息。

六、实验结论1. 红外定位成像技术具有非接触、非破坏、实时等特点，在空间定位和形貌测量方面具有较高的精度和实用性。

2. 通过本次实验，掌握了红外定位成像系统的基本操作流程，为后续研究奠定了基础。

红外热成像仪能看多远？如何计算？用户购买红外热成像仪常常会问一个问题：红外热成像仪能看多远？这是一个特别重要的问题，但又是很难说清楚的问题。

比如说，我们热像仪能看到146×106公里外的太阳，但不能说热像仪的探测距离能达到146×106公里。

但这探测距离又是必须说清楚的一个问题，因为客户买热像仪是用来探测、监控目标的。

华网智能技术总监告诉我们一条约翰逊准则，让我们来一起了解一下，看看如何确定目标探测距离。

约翰逊准则：探测距离是一个主观因素和客观因素综合作用的结果。

主观因素跟观察者的视觉心理、经验等因素有关。

要回答“热像仪能看多远”，必须先弄清楚“什么叫看清楚”，如探测一个目标，甲认为看清楚了，但乙可能就认为没看清楚，因此必须有一个客观统一的评价标准。

国外在这方面做了大量的工作，约翰逊根据实验把目标的探测问题与等效条纹探测联系起来。

许多研究表明，有可能在不考虑目标本质和图像缺陷的情况下，用目标等效条纹的分辨力来确定红外热像仪成像系统对目标的识别能力，这就是约翰逊准则。

目标探测可分为探测(发现)、识别和辨认三个等级。

A.探测探测定义为：在视场内发现一个目标。

这时目标所成的像在临界尺寸方向上必须占到1.5个像素以上。

B.识别识别定义为：可将目标分类，即可识别出目标是坦克、卡车或者人等。

这是目标所成的像在临界尺寸方向上必须占到6个像素以上。

C.辨认辨认的定义为：可区分开目标的型号及其它特征，如分辨出敌我。

这是目标所成的像在临界尺寸方向上必须占到12个像素以上。

以上都是在概率50%，也就是刚好能发现目标，以及目标与背景的对比度为1的条件下所得到的数据，从上面的约翰逊准则可以看出，一套红外热成像仪能看多远，是由目标尺寸、镜头焦距、探测器性能等因素决定的。

决定探测距离的因素：1、镜头焦距决定热像仪的探测距离的最重要的因素就是镜头焦距。

镜头焦距直接决定了目标所成的像的大小，也就是在焦平面上占几个像素。

第26卷第1期2007年2月红外与毫米波学报J.I nfrared M illi m .W avesVol .26,No .1February,2007文章编号:1001-9014(2007)01-0010-005收稿日期:2006203230,修回日期:2006211230 Rece i ved da te:2006203230,rev ised da te:2006211230基金项目:国家973课题(5131305)作者简介:吴新社(19662),男,湖南邵阳人,高级工程师,主要从事红外光电器件研发.红外凝视成像系统中的光学微扫描技术吴新社,　蔡　毅(昆明物理研究所,云南昆明　650223)摘要:简要介绍了国内外微扫描技术研究情况,讨论了用于凝视焦平面探测器的微扫描技术原理和分类,按伺服电机驱动和压电陶瓷驱动两种形式,分析了微扫描技术的原理、结构和信号读出方式,最后总结了微扫描技术的优点.关　键　词:光学微扫描;红外成像;凝视;红外焦平面探测器中图分类号:T N 文献标识码:ATECHNI QUES OF OPTI CAL M I CR OSCAN I N STARI NGI NFRARE D I M AGI NG S YSTE MWU Xin 2She,　CA I Yi(Kun m ing I nstitute of Physics,Kun m ing 650223,China )Abstract:The m icr oscan techniques studies both domestic and overseas were intr oduced briefly and the p rinci p les and cat 2egories of m ircoscan techniques used for I R staring i m aging were discussed .According t o different actuating ele ments,such as servo mot ors and ferr oelectric ceram ics,the p rinci p les,structues and signal read 2out of m icr oscan were described in de 2tail .Finally,the merits of m icr oscan were su mmarized .Key words:op tical m icr oscan;infrared i m aging;staring;I RFP A引言随着凝视型红外焦平面探测器的发展,微扫描技术的重要性逐渐显现.通过微扫描技术,可以在不降低探测器热灵敏度的前提下提高成像系统的空间分辨力.微扫描技术是一种微位移技术,原理是在规定的方向上使景物图像相对于探测器表面移动规定距离,为探测器采样提供位置微小变化的图像.在红外成像系统设计中,空间分辨力不足限制了整机的探测距离进而成为制约红外成像系统发展的技术瓶颈.分辨力高低主要受探测器制造成本和光学衍射极限的限制,还与红外焦平面探测器的器件结构有关.首先,目前虽然可以做出大规模的红外焦平面探测器,但是成本很高,性价比低,原因是制备大尺寸均匀性好的红外晶体材料很困难,难以满足使用要求,探测器制作工艺水平还不完美,与之相连的采用平面工艺制造的读出电路的性能也受制于平面尺寸,这些因素共同作用使得探测器的制造成本居高不下.其次,红外成像系统工作在波长较长的红外波段(1～12μm ),在光学系统的f/#数确定的情况下,波长越长衍射光斑越大,从这一点来看,即使探测器制造水平很高也不可能做出分辨力很高的探测器,因为探测器设计的首先要保证热灵敏度(探测距离),然后才考虑分辨力.第3,探测器结构决定了它的填充因子小于100%,有的甚至低于50%,也就是说探测器光敏面上存在盲区,不能探测到视场内的所有信息,人为抖动或随机振动也不能可靠地消除这一缺陷.第4,微扫描器件的开发成本远低于高分辨力探测器的制造成本,也就说后者的性能与价格比不高.第5,工作过程中凝视型红外焦平面探测器尤其是光伏型器件多数时间处于等待状态,只有少数时间处于积分状态,器件潜能没有充分发挥出来.通过微扫描技术可以在不增加红外焦平面探测器探测元总数的情况下提高红外成像系统的分辨力,扩1期吴新社等:红外凝视成像系统中的光学微扫描技术大热成像系统的作用距离,消除探测器因填充因子小带来的探测盲区,同时还具有一定的稳像功能,这就是为什么国际上一些著名红外技术公司争相开发微扫描技术的原因.1　光学微扫描技术原理Nyquist 定律表明,探测器的采样频率只有大于场景最高空间频率的一倍时,所生成的图像才能完全反映场景信息.微扫描就是使场景相对于探测器做微小或规定运动,为探测器采样提供微小变化的辐射信号.微扫描在不影响探测器热灵敏度、探测元总数、光学系统结构和过多增加制造成本的前提下提高采样频率或扩大视场,并最终扩大瞬时视场(I F OV ).微扫描技术具体应用有两种,一种是视场不变提高空间分辨力,另一种是空间分辨力不变扩大视场.由于篇幅有限,文章主要讨论提高空间分辨力的微扫描技术.图1　提高空间分辨率的微扫描技术原理Fig .1　Princi p le of m icr oscanning technique t o i m p r ove res olu 2ti on提高空间分辨力的微扫描原理如图1所示,图中以2×2微扫描为例,微扫描得到4幅子图像,通过信号处理电路将4幅子图像合成在一起,这样空间分辨力就提高到原来图像的4倍,视场保持不变.需要特别说明的是,微扫描模式(子图像数)要根据探测器的最高工作频率而定,两者的参数需要匹配.一般情况下,光子探测器尤其是光伏型的探测器的工作频率较高,热探测器的工作频率要低一些.频率越低,微扫描时能够得到的子图像数就越少.1.1　微扫描形式分类同普通扫描成像技术类似,微扫描形式多种多样.按扩大瞬时视场(I F OV )的方式不同,可分为提高空间分辨力的微扫描和扩大视场的微扫描.按所用驱动元件的不同,可分为电机驱动的微扫描、压电陶瓷驱动的微扫描、电场或超声波驱动的微扫描.按微扫描的模式不同可分为1×2,2×2,3×3,4×4,2×3,3×4等等.按微扫描过程的不同可分为连续微扫描和不连续微扫描两种.按光学元件与光的作用方式不同可分为反射式微扫描和折射式微扫描两种.1.2　国内外研究情况微扫描的理论研究始于上世纪70年代,器件开发始于90年代.西方国家在非制冷探测器开发过程中,为了将探测元间距大空间分辨力低的焦平面探测器用于空间分辨力较好的整机产品上而研发微扫描技术.经过长期研究,目前已经形成了以压电陶瓷驱动和电机驱动的两大产品系列(含英国、日本、加拿大、美国和韩国研制出的实验室产品),部分已经成功用于在空中或地面武器平台上,生产单位有美国的F L I R Syste m s 、Raytheon 、TI,英国的BAE Sys 2tem s 和法国的Thales .F L I R Syste m s 公司的所有COTS AN /AAQ 222系列吊舱系统都采用了微扫描技术;Thales 公司推出的V I P I R 近程武器热瞄准具(2005年4月1日),以及改进型MT 2DNGS 昼夜射击和观察瞄准具(2005年8月1日)采用了这种技术,并计划为荷兰皇家陆军的184辆CV9035Mk III 步兵战车提供UT AAS 火控系统,首批交货定于2006年5月1日.BAE Syste m s 公司以Merlin 系列非制冷红外焦平面探测器为核心的部分热像仪也采用微扫描技术.2006年上半年,加拿大的I N O 报道了8～12u m 和300～900nm 双波段直径100mm 的圆柱形枪瞄产品,该产品用160×120的非制冷探测器,通过2×2微扫描模式得到320×240像素的图像.韩国S AMS UNG 2THALES 公司生产的一款中波热像仪采用两个压电陶瓷元件分别驱动用于折转光路的两块平面镜摆动实现微扫描成像,微扫描模式为2×2,图像分辨力由原来的320×240提高到640×480.国内目前还没有开发出实用的微扫描器件,从报道的情况来看,理论研究、实验模拟方面的文章比较多,实用产品处于空白状态.2　提高空间分辨力的微扫描技术提高空间分辨力的微扫描主要针对填充因子小于100%的凝视型红外焦平面探测器,微扫描时子图像的最大位移小于探测元间距.将空间位置微小变化的子图像合成,就得到分辨力提高的完整图像,相当于用探测元间距缩小的探测器生成的图像.实现微扫描的形式多种多样,按驱动方式的不同,大致可以分成以电机驱动和压电陶瓷驱动两类.11红外与毫米波学报26卷图2　旋转多面体微扫描示意图Fig .2　Princi p le of m icr oscanning technique by r otating multi 2facets dru m2.1　电机驱动方式在压电陶瓷技术不成熟的情况下,电机驱动方式是最容易实现的一种方式.这种微扫描的原理是利用电机带动光学元件旋转、改变其光学面的法向矢量从而使反射或透射图像产生微小移动,达到微扫描目的.按使用光学元件的不同,电机驱动又可分为镜面反射和平板或透镜光学元件透射两种.图3　平板透射微扫描结构简图Fig .3　Princi p le of m icr oscanning technique by refractive p late2.1.1　镜面反射镜面反射最常用的情况是电机驱动多面体旋转,如图2所示,每个面上每点的法向矢量(自由曲面)与光轴的夹角不一样,每个反射面形成的微扫描图像(子图像)也不一样,通过控制这个法向矢量来确定子图像位移大小和方向.在微扫描精度要求很高的情况下,这种微扫描方式的设计和制作难度很大,因而它的应用受到限制.2.1.2　平板透射平板透射微扫描原理如图3所示,大圆为旋转圆盘,四个小圆为平板透射元件,平板光学元件入射面的法向矢量与光轴有一定夹角,光线穿过平板时由于折射作用,出射光线会在入射面内沿平板倾斜的方向移动距离Δd ,Δd 的大小由探测元间距和微扫描模式决定.如果将几个这样的光学元件放在同一个圆盘上,每个元件的与光轴的夹角大小相等方向不同,通过旋转就可以得到空间位置略微不同的子图像.图4　陶瓷驱动平面镜微扫描原理示意图Fig .4　Princi p le of m icr oscanning technique with m irr or actua 2ted by PZT这种微扫描方式可以将斩波与微扫描有机结合为一体,结构紧凑,特别适合于非制冷热释电凝视焦平面探测器.探测器的几何尺寸较大时改为阿基米德螺旋线,信号读出采用逐行读出方式.其突出特点是可以解决因高性能压电陶瓷技术不足而带来的技术难题,微扫描过程连续,工作效率高,不足之处是微扫描精度有限,设计复杂,工艺难度较大.2.2　陶瓷驱动方式陶瓷驱动方式是指利用压电陶瓷的电致伸缩特性驱动光学元件运动,通过改变光学元件的空间位置改变由它们所生成的图像的空间位置,从而得到微扫描图像.2.2.1　平面反射镜如图4所示,两个驱动元件分别安装在可以使平面镜绕两个正交轴旋转的驱动位置,控制压电陶瓷的伸缩就可以改变平面反射镜的反射角度,从而改变反射光束的位置,得到不同位置的子图像.为说明问题,图中所示有点夸张,实际上每一幅相邻子图像的位移距离为1/2个探测间距.这种微扫描过程为平面镜先运动到某幅子图像位置,然后保持在这个位置,等到信号读出时再转向下一个子图像位置,循环往复直到程序停止.从上面的描述来看,这种微扫描过程是不连续的,微扫描时不运动,运动时不微扫描.它的优点是微扫描位置精度比较高,凝视成像,可以生成多种模式的微扫描,不足之处是存在“像旋”.2.2.2　平板透射元件平板透射元件微扫描方式的结构与上面介绍的平面反射镜微扫描方式类似,也是通过压电陶瓷驱动平板透射元件运动改变元件的法向矢量得到微扫描图像的.如图5所示,平板透射光学元件由两个压电陶瓷驱动分别绕两个正交轴旋转,透射元件的偏转角度由陶瓷的驱动行程决定,即两个驱动元件共211期吴新社等:红外凝视成像系统中的光学微扫描技术图5　陶瓷驱动平板透射元件微扫描原理示意图Fig .5　Princi p le of m icr oscanning technique with refrac 2tive p late ele ment actuated by PZT同决定了元件的法向矢量,不同的法向矢量得到不同的子图像.特点与上面基本一样.2.2.3　成像透镜成像透镜微扫描是指利用压电陶瓷作为驱动元件,驱动成像透镜在垂直于光轴的平面内运动得到微扫描图像.如图6所示,成像系统的单个透镜元件置于支承架内,在两个正交方向上分别设置压电陶瓷元件,用来驱动和支承透镜,两个元件共同运动使成像透镜按预定模式运动,从一个位置沿直线运动到另一个位置,一个元件伸长另一个元件相应地也要伸长.它可以做常用的2×2,3×3,4×4微扫描,也可做2×3,3×4微扫描.图6a 是硬件结构示意图,图6b 是2×2微扫描模式示意图.这种微扫描方式的特点是选择模式多,可控性能好,微扫描精度高.不足之处对压电陶瓷的驱动能力,响应速度和定位精度要求较高.2.3　电机驱动与压电陶瓷驱动的微扫描器件性能比较(如表1所示)表1　电机驱动与压电陶瓷驱动的微扫描器性能比较表Table 1　Co m parable sheet of m i croscann i n g perfor mancebetween m i croscanners m oti va ted by m otors and p i ezoelectr i c ceram i cs驱动方式扫描精度扫描过程成像形式体积功耗电机驱动低连续扫描大低陶瓷驱动高不连续凝视小高3　微扫描过程中的同步信号微扫描生成的子图像要通过后面的信号处理电路才能合成为分辨力提高的图像,因此需要同步信号来统一“动作”.同步信号是指控制微扫描状态和红外焦平面探测器信号读出时序的控制信号.凝视型探测器通常选用逐行读出方式和整帧读出(Snap2图6　成像透镜微扫描原理Fig .6Princi p le of m icr oscanning technique by lens ele mentshot )方式,在微扫描状态下,对于扫描成像的微扫描,探测器的信号读出应选择逐行读出方式,而对于凝视成像的微扫描则应选择整帧读出方式.在上面介绍的几种微扫描形式中,只有电机驱动平板透射元件的微扫描方式是扫描成像,其余都是凝视成像.图7　扫描成像时的同步信号Fig .7　Synchr onous signal in scanning i m age3.1　扫描成像时微扫描的同步设计从上面的分析可知,这种情况下探测器只能选择边积分边读出的方式.微扫描圆盘做匀速圆周运动,如果将窗口形状设计成阿基米德螺旋线,可使微扫描器近似均匀地逐行扫过,也就是说探测器是被逐行曝光的.又由于微扫描窗口大小一致,可以认为每一行的曝光时间是相等的.因此探测器的同步信号起始点应当在第一行曝光结束点位置,在这个位置设置一个信号发生点就可以了,具体做法如图7所示,仍以2×2微扫描为例,在圆盘上边缘距每个微扫描窗口结束边相应位置打上一个通孔,在这个孔的正下方安装一对光耦合器(不动),当圆盘旋转时其上的通孔也一起旋转,通孔与光耦合器正对时光耦合器上发光二极管发出的光不能反射回去,光敏元件输出一个信号,这个信号启动探测器进行信号读出.圆盘转过这个位置后又有光信号反射回去,光耦合器复位.探测器在完成整个一帧图像的读出后复位,等待下一个读出信号的到来,如此反复进行.这种同步方式结构简单,容易实现,相位与微扫描窗口的空间位置一一对应.3.2　凝视成像时微扫描的同步设计旋转自由曲面多面体的同步信号设计与上面介31红外与毫米波学报26卷绍的扫描成像时微扫描同步设计类似,在此不再赘述.压电陶瓷驱动下的微扫描同步信号设计比较简单,方法是由同一个信号源去同时控制压电陶瓷运动和探测器信号读出.以2×2微扫描为例,共分4个步骤,其控制过程为(积分1)→(微扫描元件运动1的同时探测器信号读出1)→(积分2)→(微扫描元件运动2的同时探测器信号读出2)→(积分3)→(微扫描元件运动3的同时探测器信号读出3)→(积分4)→(微扫描元件运动4的同时探测器信号读出4),然后重复上述过程.由于微扫描元件的运动只有“动”和“不动”两种状态,因此可以将“运动”状态表示为1,“不动”状态表示为0,两个方向的压电陶瓷的表示方法都一样,那么我们可以将整个微扫描控制过程用一个类似于数字电子技术中的真值表来表示,如表2所示.需要说明的是,虽然微扫描器和探测器同时收到信号源发出的控制信号,但动作并不是同时发生,微扫描动作是立即执行,但探测器的信号读出要经过延时电路的延时处理,过早读出是错误的.延时长度由探测器积分时间决定.表2　凝视成像时微扫描的状态控制表Table2　St a te con trol sheet of m i croscan w ith st ar i n g i m a2g i n g微扫描步骤水平方向垂直方向信号读出状态①001②011③101④1114　结论随着红外焦平面探测器技术的发展,微扫描技术越来越受到人们的重视.微扫描技术建立在普通的扫描成像技术和凝视型红外焦平面探测器技术之上,扫描原理和结构没有多大改变,但扫描幅度更小,扫描精度更高,扫描形式更多.微扫描技术可以弥补红外焦平面探测器填充因子小于100%的固有缺陷,充分利用它的等待时间进行微扫描成像,长远来看,微扫描技术是红外技术领域竞争的又一项重要技术.REFERENCES[1]Joseph C Gillette,ThomasM Stadt m iller.A liasing reducti onin staring infrared i m agers utilizing subp ixel techniques[J], O pt.Eng.1995,34:3130—3137.[2]Cabanski W,B reiter R,Mauk K2H,et al.M iniaturizedhigh perf or mance starring ther mal i m aging syste m[J], P roc.SPIE,2000,4028:208—219.[3]Jean Fortin,Paul Chevrette.Realizati on of a fastm icr oscan2ning device for infrared focal p lane arrays[J],Proc.SPIE, 1996,2743:185—196.[4]Ed ward A W ats on,Robert A Muse,Fred P B l ommel.A liasing and blurring in m icr oscanned i m agery[J],Proc.SPIE,1992,1689:242—250.[5]John Lester M iller,John W ilste.Benefits of m icr oscan f orstaring infrared i m agers[J].Proc.SPIE,2004,5407: 127—138.[6]Berger on A,Jer om inek H.Dual2band dual field2of2vie wT VW S p 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<综述与评论>红外系统中的扫描型和凝视型FPAΞ王春勇(北京理工大学光电工程系,北京100081)摘要:　红外探测器是红外系统的核心器件,第二代红外探测器就是FPA。

由于红外系统的任务和FPA 的特点、技术、价格等原因,FPA的发展既有与IC发展类似的规律,又有其自身发展的特殊性。

通过对制冷的扫描型和凝视型FPA的分析和比较,认为在今后FPA的发展中,这两种FPA将并行发展。

关键词:　红外系统;　扫描FPA;　凝视FPA中图分类号:T N216 文献标识码:A 文章编号:100128891(2003)0120001205引言第一代红外探测器的功能只是将红外辐射信号转换成电信号,对信号的进一步处理是在杜瓦之外完成的。

在第二代红外探测器中,增加了ROIC(信号读出集成电路)。

ROIC与探测器列阵互连在一起,并同时集成在杜瓦中。

ROIC的增加,使红外探测器技术发生了巨大的变化,构成FPA。

FPA有以下特点:1)通过ROIC多路传输,将探测器列阵的信号从空域变到时域,极大地减少了封装所需的电极引线数量,这就可在一个芯片上制造数量高达百万元以上的探测器列阵,使红外凝视成像成为现实,同时制冷的负担与第一代多元红外探测相当。

2)现在的ROIC已经不仅仅是一个多路传输器了,而是具有多种功能的、复杂的信号处理电路,如具有T DI(时间延迟积分),信号分割、撇除,缺陷元剔除,探测元性能优化,增益控制,改变扫描方向,视窗,变帧频等功能。

可以预见,随IC技术的发展,将会有更多的信号处理功能被集成在ROIC中,甚至可以将热成像系统所需的所有信号处理电路集成在ROIC中。

简言之, FPA最大的特征是实现了电信号的原位处理。

从这个意义上讲,SPRITE探测器具有原位T DI功能,可看成是一种简单的FPA。

FPA是在与其紧密联系的IC技术基础上发展起来的,因此与IC有类似的发展规律,如从线列发展到面阵,从短线列发展到长线列、超长线列,从小面阵发展到大面阵、超大面阵等。

凝视激光探测系统的探测灵敏度测试方法杨晓杰;周冰;应家驹;周中亮【摘要】为了研究凝视激光探测系统的探测灵敏度指标性能,针对凝视激光探测系统的凝视成像特性及探测面元接收激光能量会随视场角的变化而改变的特点,从实验室现有测试条件出发,设计了一套关于其探测灵敏度的室内间接测试方法.分析了测试过程中各环节应注意的问题,给出了相应解决方法,对搭建的模拟激光探测系统在不同的方位角下进行了激光发射、探测实验测试,得出7个不同方位角的探测灵敏度结果,其中,中心视场角探测灵敏度为0.259nJ/cm~2,相对误差在3.4%～4.2%范围内,得出该系统最小可探测能量随视场角增大而增大的规律,并定性分析了测试误差.结果表明,该设计方法实际可行,误差精度可以达到规程要求,为进一步研究设计高精度的灵敏度测试系统提供了有益参考.【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2010(034)001【总页数】3页(P132-134)【关键词】测量与计量;探测灵敏度;激光探测;测试方法【作者】杨晓杰;周冰;应家驹;周中亮【作者单位】军械工程学院,光学与电子工程系,石家庄,050003;军械工程学院,光学与电子工程系,石家庄,050003;军械工程学院,光学与电子工程系,石家庄,050003;军械工程学院,光学与电子工程系,石家庄,050003【正文语种】中文【中图分类】TN247引言激光探测技术是光电对抗技术的重要组成部分。

在众多探测方式中，利用广角远心鱼眼透镜[1]和CCD摄像器件组成的凝视激光探测系统，由于具有大空域凝视、响应速度快、定位精度高[2-3]等优点而倍受使用方青睐。

在研究凝视激光探测技术及研制探测系统的同时，如何测评凝视激光探测系统的灵敏度、方向分辨率、告警概率、反应时间等性能，也成为备受关注的课题。

其中，灵敏度是体现系统探测能力的主要指标[4]，如何对其进行测试已成为一项重要研究内容。

目前，测试主要有单光路直接比较法和双光路对比替代法[5-6]两种，前者方法简单，但要求激光器输出功率稳定性好；后者可消除激光不稳定造成的影响[7]，但要求配置标准探测器，且布设困难；GJB5099-2004中采用的是单光路法，但对于具体特性系统(如凝视探测系统)的适用性还有一定局限。

论红外成像系统的最大作用距离
王忆锋;刘萍
【期刊名称】《红外》
【年(卷),期】2014(35)12
【摘要】作用距离是描述军用红外成像系统整机性能的一个重要参数.作用距离可以分为探测距离、识别距离和确认距离,其中以探测距离最大.根据红外成像系统、地球曲面和目标之间的几何关系,介绍了一种基于MATLAB的对地观察红外成像系统的最大作用距离计算方法.该值取决于整机所在高度、地球半径和目标高度.整机的实际探测距离或者对待研整机提出的作用距离指标不应该大于此值.
【总页数】7页(P1-7)
【作者】王忆锋;刘萍
【作者单位】昆明物理研究所,云南昆明650223;昆明物理研究所,云南昆明650223
【正文语种】中文
【中图分类】TN216
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1.焦平面探测器红外成像系统探测作用距离估算 [J], 王晓明
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4.微缩场景下红外成像系统点目标作用距离研究 [J], 陈绍炜;任磊;孟祥禄
5.红外成像系统作用距离计算 [J], 安成斌;张熙宁;陈盈;殷金坚
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红外成像寻的用双色凝视焦平面探测器设计的基本要求
蔡毅
【期刊名称】《激光与红外》
【年(卷),期】2005(35)11
【摘要】文中讨论了红外成像寻的器用红外焦平面探测器的工作波段、阵列结构、规模、相对孔径等问题,提出双色凝视红外焦平面探测器设计的基本要求:(1)波长组合以相邻波段为宜;(2)双色FPA以叠层结构的凝视型为宜;(3)通过限制红外成像传
感器的视场,将双色凝视FPA的规模控制在320×256以下为宜;(4)在探测元尺寸
50μm×50μm时,中波/长波双色凝视FPA的F数以1～2.44为宜.
【总页数】4页(P800-803)
【作者】蔡毅
【作者单位】昆明物理研究所,云南,昆明,650223
【正文语种】中文
【中图分类】TJ765.3+36
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1.64×64元InSb凝视红外焦平面探测器研制 [J], 龚启兵;王海珍;王巍;张国栋;吴
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