红外热像仪的工作过程详解

图10-6所示的红外热像仪是一种成像装置。它是利用目标与周围环境之间由于温度与发射率的差异所产生的热对比度不同，而把红外辐射能量密度分布图显示出来，成为“热像”。由于人的视觉对红外光不敏感，所以热像仪必须具有把红外光变成可见光的功能，将红外图像变为可见图像。

图10-6 红外热像仪

在红外热像仪中，红外图像转换成可见图像分两步进行，第一步是利用对红外辐射敏感的红外探测器把红外辐射变为电信号，该信号的大小可以反映出红外辐射的强弱；第二步是通过电视显像系统将反映目标红外辐射分布的电子视频信号在电视荧光屏上显示出来，实现从电到光的转换，最后得到反映目标热像的可在热像仪中具体实现由红外光变电信号、又由电信号变可见光的转换功能是由热像仪各个部件完成的。

当前使用的热像仪大都采用光机扫描，这种热像仪主要由光学系统、扫描器红外探测器、信号处理电路和显示记录装置等几部分组成，图10-7为热像仪工作过程的原理方框图。

图10-7 热像仪工作过程的原理图

1.热成像光学系统

红外光学系统的作用是会聚被测目标的红外辐射，经过光学和空间滤波，将景物的辐射热聚焦到探测元件的焦平面上。由于探测器的尺寸很小，所以系统的瞬时视场也很小，一般为毫弧度数量级。为了对径向几十度、纬向几十度的物面成像，需借助于扫描器以瞬时视场为单位，由探测器连续地分解图像的方法，移动光学系统，从而实现大视场成像。

热成像光学系统的设计中，除需考虑上述一般红外光学系统的特点外，还应考虑热成像系统的特点。为了对空间目标进行扫描成像，对扫描器的安置位置应特别注意。对于物面扫描方式，扫描器安置在成像系统之前，这时系统尺寸大，功率消耗大，对光学系统的成像质量影响较小。如扫描器位于会聚光路中，则系统尺寸小，功率消耗小，但影响光学系统的成像质量。此外，由于衍射极限的限制，热像仪的分辨率较低，因此，必须有大的孔径，而这又会使整个系统重量加大，成本增高。

图10-8所示为由反射望远系统和准直透镜组成的热成像光学系统实例。该热成像光学系统的物镜采用了卡塞格伦系统。为了使像质满足要求，后组（相当于望远镜目镜）采用三片式锗透镜，准直透镜组采用二片式锗透镜。行扫描八面外反射转鼓安置在望远系统的出瞳位置上。为了减小帧扫描镜的尺寸与准直透镜的孔径，应使摆镜在结构尺寸能安排的情况下，尽量靠近行扫描八面外反射转鼓。

2.热像仪用红外探测器

红外探测器是热像仪的核心部件。在现代热成像装置中广泛应用了基于窄禁带半导体材料的光子探测器，其中，HgCdTe器件占大多数。这种器件之所以受到重视，主要是它具有高的探测率和较合适的工作温度，而巨其工作波段可以通过改变材料中CdTe和HgTe的组分配比加以调整。

原则上，选择高探测率的探测器最好，而对探测器的响应时间也有一定要求，它不应低于瞬时视场在探测器上的驻留时间，同时还要求探测器的输出阻抗与紧接在后面的电路参数相匹配，这样才能获得较好的传输效率。此外，在致冷方面，要求工作温度不能太低，致冷量不能太大。总之，热像仪的性能、维修的方便性及外型尺寸决定了采用探测器及致冷系统的类型。(www.xing528.com)

热像仪可用于研究很宽温度范围的物体，其中包括T=300K的目标。一般说来，研究低温目标（T=310～320K）使用HgCdTe探测器最有利，但是随着目标温度的增加，使用InSb探测器可能更为有利。

3.信号的处理

在热像仪中，红外探测器输出的信号非常微弱，只有通过充分放大和处理后才能加以显示，因此信号放大和处理电路是热成像装置中的重要组成部分。一般，热像仪利用隔直流电路将探测器信号耦合到放大电路中，这样既可以抑制背景，又可消除探测器上的直流偏置电位，还能把探测器的1/f噪声的干扰减至最小。此外，在设计电路时，必须考虑信号电平及各级所需增益。一般探测器噪声电平可达数十微伏，而显示器需要几十伏甚至一百伏以上的输入，因此净增益约需10⁷倍以上。有信号处理电路能提供大的动态范围，这需要采用自动增益控制技术。

通常，探测器所处空间有限，并巨还可能处于运动机构上，所以在探测器上进行信号处理十分困难。为此常在靠近探测器的地方放置小型前置放大器，使弱信号经过适当放大后，通过低阻抗屏蔽式的电缆，传输到信号处理电路上。可以说，前置放大器是整个信号处理系统中最关键的部分，它的噪声指数必须很低，其动态范围也不宜过大，因它受到输入端探测器噪声电平和允许的最大输出的限制，而巨，前置放大器应具有低输出阻抗，这样可保证电缆电容不衰减信号的高频分量。

图10-8 热成像光学系统

1—保护窗口 2—主镜 3—次镜 4—望远镜后组锗透镜 5—八面外反射行扫描转鼓 6—平面摆动帧扫描镜 7—准直透镜 8—探测器

前置放大器后的信号处理一般包括进一步的放大、带宽的限制、检波、控制及终端输出显示等。其中，最佳带宽的确定十分重要，它取决于信号和噪声二者的频谱特性。在大多数系统中，输出信号的峰值功率与带宽的平方成正比，随着带宽的增加，响应时间减小，输出信号的峰值功率很快达到某一与带宽无关的常数值；另一方面，又由于输出的噪声功率随带宽线性地增加，因而存在一个最佳带宽，这时脉冲峰值功率与噪声功率之比达到最大值。

热成像系统使用多元探测器列阵时，原则上应有与列阵元件数相等的信号通道数，但从成本、尺寸和重量考虑，这是难以实现的。一种可行的办法是使用时间分配多路传输器，近年来，新的固态开关技术的开发，已用于光电导探测器的低电平开关系统中。最近，一种更好的方法是使用电荷藕合器件（CCD）实现多路传输。红外探测器与扫描装置相关联，对目标同时取样，并注入到CCD移位寄存器。各CCD单元的电荷量正比于对应的探测器取样信号，然后由一快速时钟脉冲将CCD各单元中的电荷移出，经输出电路形成一组串行的与取样信号对应的视频信号。

4.显示方法

热像仪的图像显示有光源显示法电视屏幕显示两种方法。

光源显示法：视频信号经放大与处理后，其输出信号直接驱动发光二极管、等离子显示板或辉光放电管等光源，使之显示出目标表面红外辐射能量分布情况。这种显示方法的优点是可以得到亮度较高的图像，但图像清晰度不甚好。

电视屏幕显示法：这种方法使用较为普遍。它是把经放大和处理的信号输入到电视显像管中，在荧光屏上便显示出目标的红外图像。对于黑白显像管，将显示出明暗不同的黑白图像，所呈现的不同灰度等级，代表着不同温度。对于彩色显像管，视频信号经分层和编码处理后，输入到管中，其荧光屏上便显示出目标的彩色图像。必须指出，这时的彩色图像并不代表目标的真实颜色，而只反映不同温度的分布，称为假彩色热像。通常用红、黄等暖色表示较高的温度，而用紫、蓝等颜色表示较低的温度。