無基底焦平面陣列的紅外成像優(yōu)化及應用研究.pdf

1、紅外成像除了軍事用途外，近些年隨著非制冷紅外成像技術的長足發(fā)展，已經越來越廣泛的應用到諸如工業(yè)、醫(yī)療、汽車、監(jiān)控等領域。在非制冷紅外成像技術中，本課題組設計并實現(xiàn)了一種新型光學讀出非制冷紅外成像系統(tǒng)。本文在課題組研究的基礎上，進行了讀出光路方面的優(yōu)化研究、大氣環(huán)境下無基底FPA（焦平面陣列）的熱機械性能研究、光讀出紅外圖像的復原優(yōu)化研究等工作。
　　首先進行了讀出光路方面的優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)考慮讀出光路中LED（發(fā)光二極管）光源的實際尺寸

2、時，仍將LED光源簡化為理想點光源會引起較大誤差。因此本文建立了面光源模型，解釋了光學檢測靈敏度并沒有隨著FPA反光板尺寸的降低而出現(xiàn)大幅降低的難題（理想點光源模型認為應該是線性降低）。通過夫瑯禾費衍射理論，研究了面光源影響下的光學檢測靈敏度，發(fā)現(xiàn)了光學檢測靈敏度隨光源半徑和焦平面陣列反光板長度的變化關系，提出了面光源影響下的光源尺寸、反光板長度、透鏡焦距、讀出光源波長的優(yōu)化設計準則，并進行了實驗驗證。
　　詳細分析了光讀出中關鍵

3、參數(shù)——刀口的最佳濾波位置，發(fā)現(xiàn)最佳濾波位置與光強的關系，并通過一系列步驟計算找到最佳刀口濾波位置，設計并加工制作了自適應的刀口濾波系統(tǒng)，解決了通過手工調節(jié)刀口濾波位置帶來的精度差、參數(shù)難量化、重復性差的問題。
　　分析了大氣環(huán)境下無基底FPA的熱機械性能，通過分析無基底FPA的結構，通過電學模型類比無基底FPA在大氣環(huán)境下的三個熱交換機制，得出無基底FPA在大氣環(huán)境下仍然具有一定的紅外成像的能力，其NETD（噪聲等效溫差）雖然會

4、有一定程度的降低，但有基底FPA則完全無法熱成像。
　　對光學讀出紅外圖像進行了優(yōu)化研究，不同于電學讀出每個測量單元下都集成了一個微讀出電路，光讀出是通過可見光讀出光路測量FPA反光板吸收紅外輻射的轉角變化，這樣很難保證FPA上的一個像元正好對應讀出光路中CCD(電荷耦合器件)上的一個像元，本文研究了FPA上的一個像元與采集CCD上一個像元之間的關系，通過滿足一定的成像判定條件，將CCD上采集的圖像進行了一比一圖像重構。同時對無基

5、底FPA自身熱串擾復原進行了研究，通過有限元模擬熱串擾的幅度和尺度，建立了熱串擾復原模型。通過一比一重構和無基底FPA熱串擾復原模型，第一次還原了光讀出圖像和電讀出圖像的不同，能夠將光讀出圖像化歸為目前廣泛使用的電讀出圖像進行處理。
　　對紅外熱像儀進行了的相關開發(fā)應用，集成化、小型化光讀出紅外熱像儀的研制開發(fā)中，最重要的是進行FPA芯片的真空封裝、可見光讀出光路的小型化集成、后端圖像采集系統(tǒng)的研發(fā)和光讀出紅外成像軟件的開發(fā)。針對

6、光讀出紅外成像自身的特點，考慮到光讀出紅外圖像的重構和熱串擾復原，并集成分區(qū)校正（分均勻校正）、數(shù)字圖像細節(jié)增強、LED光源亮度、擋板機構等外設調節(jié)，開發(fā)了光讀出非制冷紅外熱像儀分析軟件。
　　目前紅外無損檢測的發(fā)展很快，基于鎖相的紅外無損檢測以其不需要很高的采集幀頻和很高的探測精度是未來紅外無損檢測實用化、工程化的首選。本文還進行了鎖相紅外無損探傷裝置的研究和開發(fā)，設計了鎖相紅外裝置并成功用于實驗，通過理論分析和實驗對比，取得了