清华开发者书库光电系统设计:方法.实用技术及应用
节选
[
第5章
CHAPTER 5
红外凝视成像系统及其
工程技术设计
红外成像系统靠探测目标与景物之间的辐射温差来产生景物的图像，它不需要借助红外光源和夜天光，是全被动式的，不易被对方发现和干扰。随着计算机技术的发展，很多红外成像系统都带有完整的软件系统，可实现图像处理和图像运算等功能，以改善图像质量。红外成像系统产生的信号可以转换为全电视信号，实现与电视兼容，使其具有与电视系统一样的优越性，如可以多人同时观察、录像等。而且它还能透过伪装，探测出隐蔽的热目标。由于红外成像系统本身的特点，使它在战略预警、战术报警、侦察、观瞄、导航、制导、遥感、气象、医学、搜救、森林防火、冶金和科学研究等军事和民用的许多领域中都得到了广泛的应用。
在红外成像系统中，多采用红外焦平面(探测器)阵列，它相对于单元探测器和线列探测器具有体积小、功耗低、探测器面宽、可同时监视多个目标等优点。由于(红外)焦平面阵列(Focal Plane Array，FPA)由排成矩阵形的许多微小探测单元组成，在一次成像时间内即可对一定的区域成像，真正实现了即时成像，采用红外焦平面阵列(Infrared Focal Plane Array，IRFPA)的无光机扫描机构的系统又叫红外凝视成像系统。
本章在综述红外热成像技术特点和红外凝视成像技术发展的基础上，介绍凝视红外成像系统的各主要组成部分及其工作原理。对比扫描型红外成像系统，说明凝视红外成像系统组成和工作原理、性能评价常用指标和具有的主要优点。分析IRFPA非均匀性产生的原因及其校正技术。研讨红外凝视系统中的微扫描技术。选例介绍热像仪产品概况和技术性能。并举例进行红外传感器工程设计与分析，包括工作波段的选取分析、总体对红外传感器提出的功能及性能指标要求、红外传感器工作原理与组成、红外探测器件及物镜光学参数选取。
5．1热成像技术特点
红外成像技术，顾名思义，是利用红外辐射成像的技术，主要包括近红外(短波红外)成像技术、中波红外成像技术、长波红外成像技术，是世界先进国家都在竞相研究和发展的高新技术。红外热成像技术主要指利用中波红外和/或长波红外成像的技术。红外成像具有很强的抗干扰能力，它可以穿透薄雾、黑夜和伪装等，并具有一定的目标识别能力，而且可以提供24h全天候的服务。红外成像探测器可探测到具有0．01℃温差甚至更低温差的目标，它在军用和民用领域都占有相当重要的位置。由于红外线对极大部分的固体及液体物质的穿透能力极差，因此红外热成像检测是以测量物体表面的红外辐射能量为主。
人眼所能觉察的电磁辐射波段很窄。人们周围物体在可见光波段的反射、透射和散射，使人们得以看见周围的物体。在可见光波段内，温度T＞900K的物体发射出易于被人们发觉的能量。
热成像技术肩负的任务，是把环境温度下物体的本征辐射变成可以看得见的图像。为此必须解决能量摄录仪器问题，要使这种仪器能够摄录红外波段的热辐射，能够进行非接触探测并将景物的空间能量结构显示出来。只有采用电子方法才有可能，因为信息存储介质只有通过周围的辐射才能够像照相胶片那样被曝光。
在电磁光谱图5．1中，特意放大了热成像技术涉及的波段。可见光波段中的不同波长被人的眼睛感觉为紫色、蓝色、绿色、黄色、橙色和红色。人眼的*大灵敏度是对于0．55μm波长的辐射，感觉为绿色。低于0．38μm波长的辐射是富能的紫外波段的开始，人的眼睛看不见紫外光。高于0．76μm波长的辐射划归红外波段，这种划分反映了各种不同的应用和技术解决办法的界线。还有资料认为，在红外波段中，3μm波长以下为近红外，其中通常将0．9~1．7μm定义为短波红外，有时扩展至0．7~2．5μm； 3~7μm波段为中红外； 7~14μm波段为长波红外； 14μm以上波段为远红外，对于热成像技术仅具有从属的意义。相对而言，中红外和长波红外被称作热红外区(热成像)，短波红外往往不归属为热成像。由此可见，对这些波段的划分，在不同场合并不完全统一，具有一定的相对性。
图5．1热成像技术涉及的电磁波段分布
应该指出的是，短波红外范围敏感是由于InGaAs传感器的发展才成为现实的。短波红外相对于其他波长探测而言，既具有类似可见光反射式成像可分辨细节的能力和相对明显的穿云透雾的能力，又具有不可见光探测能力，具有鲜明的不可替代的成像优势，可广泛应用于众多领域。此外，短波红外成像与人眼所看到的非常类似，在其图像上也有阴影和反差，这增强了识别能力，减少了潜在的误判，而且能够透过玻璃进行成像，以及短波红外在白天可避免可见光强光干扰，在夜晚又可以具有高灵敏探测能力，适用性广泛，可用于全天候监控。
如果将短波红外与长波红外融合，将以*大化进行目标检测和识别。短波红外与中长波红外相比较，有一项重要的差异是，它利用反射光成像，而不是热成像。短波红外这个名字，往往会把人带进误区，让人觉得跟中长波红外类似，反应的是物体温度的差异性。当中长波探测器难以看到海上目标的重要细节特征时，短波红外可以对此提供辅助。在视觉增强以及恶劣天气低能见度条件下，短波红外是热像仪的有益补充。热像仪能很好地检测出冷背景下温暖的目标，然而短波红外能很好地识别出该目标是什么，例如船舶、车辆、人员。由于处在热交叉点上，海岸与海水的细节在热成像中都丢失了，短波红外能对反射光成像而不是依赖温度差，海岸线图像清晰可辨，同时由于短波红外的透雾能力，相比可见光成像能捕获更多细节。因此，短波红外具有高灵敏度、高分辨率、能在夜空辉光下观测、昼夜成像、隐蔽照明、能看到隐蔽的激光信标、无须低温致冷、可采用常规的低成本可见光透镜、尺寸小、功率低等特点。
热成像系统的示意图如图5．2所示。
图5．2热成像系统的示意图
注： 1． 与背景有关的物体； 2． 大气； 3． 红外会聚透镜； 4． 光机扫描系统；
5． 红外探测器； 6． 信号处理；
7． 显示器； 8． 功能启动； 9． 观察者； 10． 坐标系
对于热成像系统工作方式的说明，需从景物的辐射定律说起，连同待识别、待测量的物体和背景考虑。从目标和背景发射出来的辐射穿过大气后被红外光学系统聚焦到红外探测器上。由于温谱成像不是采用照相胶片而是采用适合的红外探测敏感材料，因而景物图像被分解成为一个一个的像素而被瞬时依次扫描并按信号顺序编码。
信号处理的主要作用是重现景物，进行信号处理多数是要在监视器上显示，也可以采取电子方式存储并处理。功能启动在监控系统中得到实施。热像传感系统的终端是观察者，其作用是解释所获得的信息并适当地做出反应。
图5．2说明了从物体的本征辐射到图像显示，不需要外加光源。由于任何物体都放射本征辐射，所以这门技术可用于制造被动式夜视仪器，利用物体的本征辐射，在不需要光源的情况下能够看见物体。在过去的40多年中，这些优点在军事上带来的很大利益促进了热成像技术的迅速发展，在有薄雾的天气下使用红外手段，观察距离得到扩大。
在民用方面，例如温度场和辐射分布情况的显示，受益于红外探测器的发展。现在，热成像仪作为新增加的诊断设备，已在工业建筑和医学等方面占领了稳定的应用地位。
在任何一台摄录一体摄像机内，都实现了按时序分解景物。景物被一个物镜成像在CCD阵列元件上，在CCD阵列的每一个像元上聚集的电荷按视频周期依次读出。令人满意的*初温谱成像结果，就是运用这样一种方式，通过*初研发的红外探测器阵列来实现的，其造价当然昂贵。**批高分辨率热成像系统的工作是采用一个致冷的红外单一敏感元探测器加上一个光机扫描系统来实现的，该扫描系统向红外探测器传递目标景像，其原理示于图5．2。
表5．1概括了当今采用红外探测器与扫描系统进行组合的重要应用领域。采用单一敏感元探测器和凝视阵列探测器，在研发这两种探测器的过程中，人们获得了一系列技术结合的好处，确定了多种不同的仪器概念，这些仪器概念的变化取决于价格和应用目的的不同。这类仪器的特点是所有像素具有高度的均匀性。因为受单位时间内被扫描像素数量的限制，系统中的振镜必须产生振动式运动。
……
]
本书特色
[
本书涉及的主题：
光电系统总体技术及其设计概要
目标与环境辐射及其工程计算
辐射大气透过率的工程理论计算
多类光学系统及光机一体化设计
红外凝视成像系统及其工程技术设计
CCD与CMOS及其应用系统设计
光电微弱信号处理及设计
光电系统作用距离工程理论计算及总体技术设计
太阳能光伏发电及其系统设计
光电系统软件开发与设计
光电系统结构及模块化设计
光电伺服控制系统及设计
本书突出的特点
基于总体优化和一体化思路，给出了光电系统的工程设计流程、控制程序和技术要求
在如何应用的背景下对核心方法展开系统论述
通过示例介绍行之有效的设计实施步骤
通过实际示例，详述了为实现关键目标而如何开展总体技术设计的主要过程及解决方法
]
前言
[
前言
光电技术与光电系统的发展历史虽然可追溯到一百多年前光电效应及光电器件的出现和应用之际，但光电技术的大量应用是在20世纪50年代中期。作为现代科技发展的标志性领域，光电技术正全面渗透到人类社会的各个方面，甚至部分改变着人们的生活环境与生活模式。借助计算机技术、信息技术、材料科学技术、先进制造技术、电子技术等的推动与支持，光电技术扩展了人类了解自然、改善生存环境和提高主宰能力的空间，尤其在探测、感知、显示、通信、存储、加工等方面显示了极强的发展潜力和扩展力。
现代光电技术主要包括激光技术、红外技术、紫外技术、太赫兹技术、微光夜视技术、CCD或CMOS成像技术、平板显示技术、光纤传感技术、光通信技术、光存储技术、光电探测技术、光电检测与控制技术、太阳能光伏发电技术、光电照明技术、微纳光电技术、集成光路和光电子集成技术等。以光电技术为核心支撑的光电系统（装备、设备、仪器、产品），在国民经济众多领域和国防领域发挥着越来越重要的作用，甚至是不可替代的作用。
随着科学技术的进步，以及光电技术具有的许多优点，光学系统（仪器）逐渐拓展到了光电系统，并已发展成从X射线、紫外线、可见光、红外线到太赫兹波段的多功能、高精度的许多类别的高技术产品。光电系统的设计涉及光（光学）、机（机械结构）、电（电子）、算（计算机）、软件、控制等多学科的技术内容，而且由于光电系统类别繁多，发展迅速，光电系统设计至今没有一个完整的规范性定义。
本书从总体技术设计、军民用途的角度出发，基于光、机、电、算、软件、控制等方面的综合一体化思路和技术方法，介绍和论述了信息光电系统和能量光电系统及其设计，内容包括光电系统及其设计概要、目标与环境辐射及其工程计算、辐射大气透过率的工程理论计算、光学系统及其设计、红外凝视成像系统及其工程技术设计、CCD和CMOS及其应用系统设计、光电微弱信号处理及设计、光电系统作用距离工程理论计算及总体技术设计、太阳能光伏发电及其系统设计、光电系统软件开发与设计、光电系统结构及模块化设计、光电伺服控制系统及其设计。
对于其他军民用光电系统，如光电制导系统、高能激光武器系统、激光探潜系统、光纤传感系统、自适应光学系统、激光通信系统、激光加工与制造系统、太赫兹探测系统、真空紫外探测系统、微纳光电系统等，以及某些设计内容，如“六性”（可靠性、维修性、保障性、安全性、测试性、环境适应性）设计、“三化”（通用化、组合化、系列化）设计等，由于篇幅所限或另有专著介绍等原因，本书则较少介绍或没有涉及，读者可以参阅相关专著或其他文献资料（如有关环境与可靠性设计，也可参阅作者的另一本著作《光电系统环境与可靠性工程技术》）。
本书不求面面俱到，但求提升能力、启发潜能、注重创新与工程应用，以几类典型光电系统和有关重要设计技术内容为着重点，突出总体综合一体化。本书涉及多学科，其中有些技术思路、方法反映了作者的观点和工作感悟，通过书中示例，以期读者能举一反三。希望本书的出版能起到抛砖引玉的作用。
作者从20世纪90年代初开始，曾主持并参加了多个型号光电装备（军用光电装备）的预先研究、总体论证、技术设计、研制、生产、内外场试验、检验等全过程的一线工作，亲历相关工程实践。本书从立意、科研、积累素材到书稿成型历时二十余年，融合了作者长期从事相关技术工作的部分成果、经验和体会。在成书过程中还参考了许多文献资料，在此向文献作者表示衷心的感谢。此外,还要特别感谢清华大学出版社和盛东亮编辑为本书的出版所做的工作。
多年来，本书主体内容在国内航空、航天、兵器、电子、中科院、部队等光电类科研院所、大型企业的相关科技人员、项目负责人在职高级研修培训，以及在光学工程、检测技术与自动化装置、电子科学与技术等专业研究生和光电信息科学与工程专业高年级本科生教学中进行多次试用，虽然每次试用内容有所增减、繁简侧重不同、深度有所区别，但反响良好。本书虽经不断修订与完善，期望能与时俱进，但由于内容范围非常广泛，加之作者水平所限，以及许多技术内容还处在不断快速发展之中，书中仍难免存在诸多不足、疏漏，甚至欠妥之处，欢迎读者批评指正。
吴晗平2019年2月
于武汉工程大学光电子系统技术研究所
]
内容简介
[
本书基于光学、机械结构、电子、计算机、软件、控制等方面的综合一体化思路，系统论述了光电系统设计的方法与实践。全书共分12章，内容包括光电系统及其设计概要、目标与环境辐射及其工程计算、辐射大气透过率的工程理论计算、光学系统及其设计、红外凝视成像系统及其工程技术设计、CCD与CMOS及其应用系统设计、光电微弱信号处理及设计、光电系统作用距离工程理论计算及总体技术设计、太阳能光伏发电及其系统设计、光电系统软件开发与设计、光电系统结构及模块化设计、光电伺服控制系统及设计。
本书融合了作者的实际工作经验与科研成果，并融合了基础理论与工程案例。本书可供从事光电系统（装备）研究、总体论证、技术设计、研制、试验、检验等方面工作的工程技术与管理人员学习、参考，也可作为高等院校光学工程、电子科学与技术、仪器科学与技术、控制科学与工程、兵器科学与技术等相关专业的高年级本科生或研究生的教材。
]
封面
书名:清华开发者书库光电系统设计:方法.实用技术及应用
作者:吴晗平
页数:460
定价:¥99.0
出版社:清华大学出版社
出版日期:2019-07-01
ISBN:9787302518921
PDF电子书大小:119MB 高清扫描完整版