非制冷凝視熱像儀成像理論以及關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、非制冷凝視紅外技術(shù)是當(dāng)今發(fā)展迅速的、軍民兩用的高科技技術(shù)之一，近年來西方發(fā)達(dá)國家在該技術(shù)的研究上取得了很大的進(jìn)步，但是仍然存在著以下兩方面的問題：一，非制冷凝視焦平面探測(cè)器沒有完整的(自紅外目標(biāo)溫度至焦平面探測(cè)器模擬輸出)數(shù)學(xué)模型，因此在工程應(yīng)用中存在著諸多不便；二，非制冷凝視焦平面探測(cè)器因材料、制作工藝以及紅外光學(xué)系統(tǒng)衍射極限等的限制，輸出的紅外圖像的溫度分辨率和空間分辨率都不高。同時(shí)，由于國內(nèi)該領(lǐng)域的研究工作起步較晚，以及國外對(duì)技術(shù)

2、的長(zhǎng)期封鎖，我國現(xiàn)階段的非制冷凝視成像技術(shù)的理論研究和制作工藝等與國外發(fā)達(dá)國家相比還有一定的差距，因此，從非制冷凝視紅外焦平面探測(cè)器的理論出發(fā)，建立完整的數(shù)學(xué)模型，提出更好的技術(shù)和方案并最終研制出高性能的熱像儀，對(duì)彌補(bǔ)非制冷凝視紅外熱像儀普遍存在的性能缺陷、提高我國紅外成像電子學(xué)理論與工程水平、加快非制冷紅外成像技術(shù)在我國國防建設(shè)和國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域的應(yīng)用步伐都有著非常重要的意義。
　　 本論文從研究非制冷凝視紅外焦平面探測(cè)器的各種

3、熱探測(cè)機(jī)理以及現(xiàn)有的讀出電路出發(fā)，對(duì)ULIS公司微測(cè)輻射熱計(jì)-320×240非制冷焦平面探測(cè)器的原理以及讀出電路模型進(jìn)行分析推導(dǎo)，最終建立了以紅外目標(biāo)溫度為自變量、以焦平面探測(cè)器模擬輸出電壓為函數(shù)值的非制冷凝視紅外焦平面探測(cè)器的數(shù)學(xué)模型。從微掃描技術(shù)的原理出發(fā)、經(jīng)過嚴(yán)格的理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)仿真，驗(yàn)證了微掃描技術(shù)在提高紅外圖像空間分辨率上的重要作用；通過分析國內(nèi)外主要的微掃描成像的技術(shù)方案以及各自的技術(shù)難點(diǎn)和優(yōu)缺點(diǎn)，提出了用圓弧代替阿基米德螺

4、旋線和類離散掃描的改進(jìn)平板光學(xué)元件微掃描方案；根據(jù)平板光學(xué)元件的微掃描原理，建立了平板光學(xué)元件微掃描的鍺片傾斜角度模型。從影響信號(hào)完整性的因素出發(fā)，以非制冷紅外焦平面模型的相關(guān)結(jié)論為指導(dǎo)，提出了低噪聲偏置電壓以及高精度數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，該技術(shù)的理論推導(dǎo)和仿真結(jié)果均表明其能夠有效抑制偏置電壓噪聲，保證信號(hào)的完整性和穩(wěn)定性；為解決紅外熱像儀溫度分辨率不高的問題，本論文提出了紅外焦平面陣列自適應(yīng)數(shù)字化技術(shù)和自適應(yīng)偏置電壓技術(shù)，并通過理論計(jì)算以

5、及與直方圖均衡等軟件算法相比較的方法，證明了該技術(shù)對(duì)提高紅外圖像的溫度分辨率的作用；針對(duì)紅外圖像信噪比不高的特點(diǎn)，提出了紅外焦平面陣列多次采樣濾波技術(shù)，理論分析表明，該技術(shù)能夠在單幀條件下通過對(duì)同一像元點(diǎn)多次采樣的方式降低紅外圖像的隨機(jī)噪聲和紅外圖像的NETD。在微掃描理論、方案以及鍺片傾斜角度模型的指導(dǎo)下，從光學(xué)系統(tǒng)對(duì)微掃描的性能以及熱像儀靈敏度的影響出發(fā)，選擇了昆明北方光電公司生產(chǎn)的型號(hào)為KIR0742的紅外鏡頭；從鍺片制作成功率、

6、安裝角度不同的鍺片與光學(xué)系統(tǒng)配合后給微掃描系統(tǒng)帶來的總誤差出發(fā)，確定了鍺片厚度和最佳安裝角度；為了降低微掃描器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、提高其運(yùn)行的穩(wěn)定性以及盡量簡(jiǎn)化鍺片的安裝、增加其牢固性，對(duì)微掃描窗口尺寸以及鍺片形狀進(jìn)行了優(yōu)化；設(shè)計(jì)了微掃描器的支撐圓盤結(jié)構(gòu)，并利用機(jī)械卡槽來保證微掃描器鍺片的傾斜角度；為方便、準(zhǔn)確地識(shí)別微掃描熱像儀不同位置的子圖像，設(shè)計(jì)了在微掃描器框架邊緣留有不同長(zhǎng)度的薄片并配合光藕進(jìn)行識(shí)別的方案；根據(jù)微掃描器對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸竄動(dòng)量和

7、扭轉(zhuǎn)力矩的要求，選擇了Faulhaber3863H024C無刷直流電機(jī)及其相關(guān)產(chǎn)品，理論計(jì)算出了該電機(jī)在進(jìn)行“加速-減速-勻速”的微掃描運(yùn)行方式時(shí)對(duì)微掃描熱像儀像旋的降低幅度，并通過實(shí)驗(yàn)對(duì)微掃描器在驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)下運(yùn)行的穩(wěn)定性進(jìn)行了測(cè)試，證明了微掃描器的設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇的合理性。
　　 本論文最后對(duì)非制冷凝視紅外焦平面探測(cè)器的數(shù)學(xué)模型、高性能驅(qū)動(dòng)電路技術(shù)、微掃描成像理論、方案、鍺片傾斜角度模型和微掃描實(shí)現(xiàn)技術(shù)進(jìn)行了效果驗(yàn)證和性

8、能評(píng)估，通過對(duì)主觀圖像效果、客觀NETD、MRTD、MTF參數(shù)的對(duì)比得出結(jié)論：1)當(dāng)黑體溫度在焦平面探測(cè)器襯底溫度之上90K范圍內(nèi)時(shí)，測(cè)試數(shù)據(jù)和焦平面探測(cè)器模型推導(dǎo)出的數(shù)據(jù)能夠較好吻合；當(dāng)黑體溫度高于這個(gè)范圍并逐漸增大時(shí)，測(cè)試數(shù)據(jù)和模型推導(dǎo)出的數(shù)據(jù)之間的偏差也逐漸增大；2)低噪聲偏置電壓以及高精度數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)、紅外焦平面陣列自適應(yīng)驅(qū)動(dòng)技術(shù)、紅外焦平面陣列多次采樣濾波技術(shù)均能提高紅外圖像的溫度分辨率；3)微掃描實(shí)現(xiàn)技術(shù)能夠提高紅外圖像