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目前，新型熱成像儀主要采用非制冷焦平面陣列技術(shù)，集成數(shù)萬(wàn)甚至數(shù)十萬(wàn)個(gè)信號(hào)放大器，將芯片放置在光學(xué)系統(tǒng)的焦平面上，并在沒(méi)有光機(jī)掃描系統(tǒng)的情況下獲得目標(biāo)的全景圖像，從而大大提高了靈敏度和熱分辨率，進(jìn)一步提高了目標(biāo)的探測(cè)范圍和識(shí)別能力。

1991年海灣戰(zhàn)爭(zhēng)成為展示高科技武器先進(jìn)技術(shù)的平臺(tái)。在這些新技術(shù)中，紅外熱成像技術(shù)是最輝煌的高新技術(shù)之一。紅外熱成像技術(shù)。它是利用各種探測(cè)器接收物體發(fā)出的紅外輻射，然后對(duì)光電信息進(jìn)行處理，最后以數(shù)字、信號(hào)、圖像等形式顯示出來(lái)，對(duì)各種物體進(jìn)行探測(cè)、觀測(cè)和研究的綜合技術(shù)，涉及光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、器件物理、光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)等，材料制備、微加工、信號(hào)處理與顯示、包裝與組裝等，以及在黑暗或密云中探測(cè)對(duì)方目標(biāo)、探測(cè)偽裝目標(biāo)和高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)等軍事應(yīng)用，該技術(shù)還可廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、消防、考古、交通、地質(zhì)、公安偵察等民用領(lǐng)域，如果該技術(shù)廣泛應(yīng)用于民用領(lǐng)域，智能監(jiān)控是計(jì)算機(jī)視覺(jué)和模式識(shí)別技術(shù)在視頻監(jiān)控領(lǐng)域的應(yīng)用。它可以對(duì)視頻圖像中的物體進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)控、識(shí)別、跟蹤和分析。國(guó)外智能視頻監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展動(dòng)力來(lái)自于對(duì)特殊監(jiān)控場(chǎng)所的監(jiān)控需求?！?·11”事件后，出于反恐、國(guó)家安全、社會(huì)穩(wěn)定等方面的需要，智能視頻監(jiān)控預(yù)警技術(shù)逐漸成為世界上最受關(guān)注的前沿研究領(lǐng)域。特別是在一些特殊的應(yīng)用場(chǎng)合，如惡劣天氣下的24小時(shí)全天候監(jiān)控、邊界和周界入侵自動(dòng)報(bào)警、火災(zāi)隱患自動(dòng)識(shí)別、廢棄行李和包裹探測(cè)、尋找贓物、尋找掩埋尸體等。

一、紅外熱像儀的工作原理

1672年，牛頓用分光棱鏡將太陽(yáng)光轉(zhuǎn)換成40；白光&41；它可以分解成紅、橙、黃、綠、綠、藍(lán)、紫等單色光；白光&41；它是各種顏色的光的組合。1800年，英國(guó)物理學(xué)家F.W.赫胥黎從熱的角度研究各種色光時(shí)，意外發(fā)現(xiàn)放在紅光帶外的溫度計(jì)的溫度指示值比其他色光要高。經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，所謂熱量最大的高溫區(qū)總是在光帶邊緣的紅燈外。于是他宣布：除了可見(jiàn)光外，太陽(yáng)輻射中還有一條看不見(jiàn)的“熱線”。這條看不見(jiàn)的“熱線”位于紅燈外，即所謂的紅外線。這種紅外線又稱紅外線輻射，指波長(zhǎng)為0.78~1000μ M。波長(zhǎng)為0.78-1.5μ M的部分稱為近紅外，波長(zhǎng)為1.5～10μ M的部分稱為中紅外，波長(zhǎng)為10-1000μ M的那部分叫做遠(yuǎn)紅外。波長(zhǎng)為2.0-1000μ M、 紅外輻射又稱熱紅外，是自然界中最廣泛的電磁輻射。它在電磁波連續(xù)頻譜中的位置介于無(wú)線電波和可見(jiàn)光之間。這種紅外輻射是基于任何物體在常規(guī)環(huán)境中都會(huì)產(chǎn)生自身分子和原子的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，不斷輻射出熱紅外能量。分子和原子的運(yùn)動(dòng)越劇烈，輻射能量就越大；相反，輻射能量較小。

在自然界中，所有物體都會(huì)輻射紅外，因此利用探測(cè)器測(cè)量目標(biāo)本身與背景之間的紅外差異，可以得到不同的紅外圖像，稱為熱圖像。同一目標(biāo)的熱像與可見(jiàn)光的熱像不同。人眼看到的不是可見(jiàn)光圖像，而是目標(biāo)表面溫度分布的圖像。也就是說(shuō)，可以說(shuō)，人眼不能直接看到目標(biāo)的表面溫度分布，而是成為人眼可以看到的代表目標(biāo)表面溫度分布的熱像。紅外熱成像技術(shù)是一種被動(dòng)式紅外夜視技術(shù)。它的原理是基于自然界的溫度高于絕對(duì)零度40-273的事實(shí)℃&＃41; 同時(shí)，紅外輻射包含了物體的特征信息，為利用紅外技術(shù)區(qū)分各種被測(cè)物體的溫度場(chǎng)和熱分布場(chǎng)提供了客觀依據(jù)。利用這一特性，通過(guò)光電紅外探測(cè)器將物體加熱部分輻射的功率信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，成像器件可以逐個(gè)模擬物體表面溫度的空間分布。最后，通過(guò)系統(tǒng)處理形成熱圖像視頻信號(hào)，并傳輸?shù)斤@示屏上，得到與物體表面熱分布相對(duì)應(yīng)的熱圖像，紅外熱圖像。

非制冷焦平面紅外熱成像系統(tǒng)由光學(xué)系統(tǒng)、光譜濾波器、，紅外探測(cè)器陣列、輸入電路、讀出電路、視頻圖像處理、視頻信號(hào)形成、定時(shí)脈沖同步控制電路、監(jiān)視器等。

系統(tǒng)的工作原理是光學(xué)系統(tǒng)接收被測(cè)目標(biāo)的紅外輻射，紅外輻射能量分布圖通過(guò)光譜濾波反映在焦平面上紅外探測(cè)器陣列的每個(gè)光敏元件上。探測(cè)器將紅外輻射能量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，探測(cè)器偏置和前置放大器的輸入電路輸出所需的放大信號(hào)，注入讀出電路進(jìn)行復(fù)用。高密度多功能CMOS多路復(fù)用器的讀出電路可以對(duì)密集線陣和面陣紅外焦平面陣列進(jìn)行信號(hào)集成、傳輸、處理和掃描輸出，并進(jìn)行aD轉(zhuǎn)換，送入微機(jī)進(jìn)行視頻圖像處理。由于被測(cè)物體各部位紅外輻射的熱像分布信號(hào)非常微弱，缺乏可見(jiàn)光圖像的水平感和立體感，因此需要對(duì)圖像的亮度和對(duì)比度進(jìn)行控制，進(jìn)行實(shí)際校正和偽彩色渲染。將處理后的信號(hào)發(fā)送到視頻信號(hào)形成部進(jìn)行Da轉(zhuǎn)換，形成標(biāo)準(zhǔn)視頻信號(hào)。紅外焦平面陣列的性能不僅與探測(cè)器的量子效率、光譜響應(yīng)、噪聲譜和均勻性等性能有關(guān)，還與探測(cè)器探測(cè)信號(hào)的輸出性能有關(guān)，如電荷存儲(chǔ)等，輸入電路的均勻性、線性度、噪聲譜和注入效率、讀出電路的電荷轉(zhuǎn)移效率、電荷處理能力和串?dāng)_。

FPA有四種類型：?jiǎn)纹?、?zhǔn)單片、平面混合和z混合。單片焦平面陣列（FPA）是一種在同一芯片上同時(shí)包含探測(cè)器和信號(hào)處理電路的Si器件；探測(cè)器和讀出電路分別制作，然后安裝在同一基板上。兩部分用焊絲焊接連接；在平面混合型中，使用銦柱將檢測(cè)器陣列前面的每個(gè)檢測(cè)器與復(fù)用器一一對(duì)準(zhǔn)；在Z型混合模式下，許多集成電路芯片被一個(gè)接一個(gè)地堆疊起來(lái)，形成一個(gè)三維的電路堆疊結(jié)構(gòu)。平面混合法和z混合法的優(yōu)點(diǎn)是復(fù)用器直接與檢測(cè)器混合，因此具有封裝密度高、工作效率快、簡(jiǎn)化了總體設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)。由于信號(hào)處理是在焦平面陣列中進(jìn)行的，因此減少了引線的數(shù)量，并且減小了光學(xué)孔徑和光譜帶寬。

二、紅外熱像儀技術(shù)的發(fā)展

　　從赫胥爾1800年發(fā)現(xiàn)了紅外線后，開(kāi)辟了人類應(yīng)用紅外技術(shù)的廣闊道路。　二次世界大戰(zhàn)中，德國(guó)人用紅外變像管，研制出了主動(dòng)式夜視儀和紅外通信設(shè)備，為紅外技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

　　二次世界大戰(zhàn)后，美國(guó)德克薩斯儀器公司(TI)在1964年首次開(kāi)發(fā)研制成功第一代用于軍事領(lǐng)域的紅外成像裝置，稱之為紅外尋視系統(tǒng)(FLIR)。它是利用光學(xué)機(jī)械系統(tǒng)對(duì)被測(cè)目標(biāo)的紅外輻射掃描，由光子探測(cè)器接收兩維紅外輻射，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換及處理，最后形成熱圖像視頻信號(hào)，并在熒屏上顯示。

　　六十年代中期，瑞典AGA公司和瑞典國(guó)家電力局，在紅外尋視裝置的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了具有溫度測(cè)量功能的熱紅外成像裝置。這種第二代紅外成像裝置，通常稱為熱像儀。

　　七十年代，法國(guó)湯姆蓀公司又研制出，不需致冷的紅外熱電視產(chǎn)品。

1986年，瑞典研制出工業(yè)用的實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)，它無(wú)須液氮或高壓氣，而以熱電方式致冷，可用電池供電;1988年又推出全功能熱像儀，它將溫度的測(cè)量、修改、分析、圖像采集、存儲(chǔ)合于一體，重量小于7kg，使儀器的功能、精度和可靠性都得到了顯著的提高。

　　九十年代中期，美國(guó)FSI公司首先研制成功由軍用轉(zhuǎn)民用并商品化的新一代紅外熱像儀，它是屬焦平面陣列式結(jié)構(gòu)的一種凝視成像裝置，技術(shù)功能更加先進(jìn)，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)溫時(shí)只需對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)攝取圖像，并存儲(chǔ)到機(jī)內(nèi)的PC卡上。各種參數(shù)的設(shè)定，可回到室內(nèi)用軟件進(jìn)行修改和分析，最后直接得出檢測(cè)報(bào)告。由于取代了復(fù)雜的機(jī)械掃描，儀器重量已小于2kg，如同手持?jǐn)z像機(jī)一樣，單手即可操作使用。

　　隨著紅外焦平面陣列技術(shù)的迅速發(fā)展，美、英、法、德、以色列等西方發(fā)達(dá)國(guó)家都在競(jìng)相研制和生產(chǎn)先進(jìn)的紅外焦平面陣列攝像儀，其中美國(guó)在紅外焦平面陣列傳感器的發(fā)展水平方面處于遙遙領(lǐng)先地位，其焦平面陣列規(guī)模已大達(dá)2048×2048元，已接近于可見(jiàn)光硅CCD攝像陣列的水平。日本在世界上最先實(shí)現(xiàn)了100萬(wàn)像元集成度的單片式紅外焦平面陣列，在品種方面，從HgCdTe、InSb、GaAlAs/GaAs量子阱和PtSi到非致冷紅外焦平面陣列等種類產(chǎn)品推向市場(chǎng)，搶占商機(jī);法國(guó)、荷蘭、瑞典、英國(guó)、德國(guó)和意大利等在非致冷紅外熱攝像儀技術(shù)的發(fā)展方面，已顯出其處于前沿的競(jìng)爭(zhēng)地位，如AGEMA公司的熱視570，AGEMA520和德國(guó)STNATLAS電子公司駕駛員視覺(jué)增強(qiáng)系統(tǒng)，都具有很高的水平和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力。

　　七十年代，中國(guó)有關(guān)單位已經(jīng)開(kāi)始對(duì)紅外熱成像技術(shù)進(jìn)行研究。八十年代末，中國(guó)已經(jīng)研制成功了實(shí)時(shí)紅外成像樣機(jī)，其靈敏度、溫度分辨率都達(dá)到很高的水平。進(jìn)入九十年代，中國(guó)在紅外成像設(shè)備上使用低噪聲寬頻帶前置放大器，微型致冷器等關(guān)鍵技術(shù)方面有了發(fā)展，并且從實(shí)驗(yàn)走向應(yīng)用。如用于部隊(duì)的便攜式野戰(zhàn)熱像儀，反坦克飛彈、防空雷達(dá)以及坦克、軍艦火炮等。

　　近幾年來(lái)，中國(guó)的紅外成像技術(shù)得到突飛猛進(jìn)的發(fā)展，與西方的差距正在逐步縮小，有些設(shè)備的先進(jìn)性也可同西方同步。如目前己能生產(chǎn)面積小于30μm2的1000×1000像素的探測(cè)器陣列，由于采用了基于銻化銦的新器件，目前己達(dá)到了分辨率小干0.01℃的溫差，使對(duì)目標(biāo)的識(shí)別達(dá)到更高的水平。

　　紅外熱成像儀，可以分為致冷型和非致冷型兩大類。紅外電視產(chǎn)品和非致冷焦平面熱成像儀是非致冷型產(chǎn)品，其他為致冷型紅外熱成像儀。

　　前一代的熱像儀主要由帶有掃描裝置的光學(xué)儀器和電子放大線路、顯示器等部件組成，已經(jīng)成功裝備部隊(duì)，并己用于夜間的地面觀察、空中偵查、水面保險(xiǎn)等方面。

目前，新的熱成像儀主要采用非致冷焦平面陣列技術(shù)，集成數(shù)萬(wàn)個(gè)乃至數(shù)十萬(wàn)個(gè)信號(hào)放大器，將芯片置于光學(xué)系統(tǒng)的焦平面上，無(wú)須光機(jī)掃描系統(tǒng)而取得目標(biāo)的全景圖像，從而大大提高了靈敏度和熱分辨率，并進(jìn)一步地提高目標(biāo)的探測(cè)距離和識(shí)別能力。

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