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)達國家在該技術(shù)的研究上取得了很大的進步，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器沒有完整的(自紅外目標溫度至焦平面探測器模擬輸出)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，由于國內(nèi)該領(lǐng)域的研究工作起步較晚，以及國外對技術(shù)

2、的長期封鎖，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，對彌補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器的各種

3、熱探測機理以及現(xiàn)有的讀出電路出發(fā)，對ULIS公司微測輻射熱計-320×240非制冷焦平面探測器的原理以及讀出電路模型進行分析推導(dǎo)，最終建立了以紅外目標溫度為自變量、以焦平面探測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)過嚴格的理論推導(dǎo)和實驗仿真，驗證了微掃描技術(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)難點和優(yōu)缺點，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)對提高紅外圖像的溫度分辨率的作用；針對紅外圖像信噪比不高的特點，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同一像元點多次采樣的方式降低紅外圖像的隨機噪聲和紅外圖像的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)動慣量、提高其運行的穩(wěn)定性以及盡量簡化鍺片的安裝、增加其牢固性，對微掃描窗口尺寸以及鍺片形狀進行了優(yōu)化；設(shè)計了微掃描器的支撐圓盤結(jié)構(gòu)，并利用機械卡槽來保證微掃描器鍺片的傾斜角度；為方便、準確地識別微掃描熱像儀不同位置的子圖像，設(shè)計了在微掃描器框架邊緣留有不同長度的薄片并配合光藕進行識別的方案；根據(jù)微掃描器對驅(qū)動電機軸竄動量和

7、扭轉(zhuǎn)力矩的要求，選擇了Faulhaber3863H024C無刷直流電機及其相關(guān)產(chǎn)品，理論計算出了該電機在進行“加速-減速-勻速”的微掃描運行方式時對微掃描熱像儀像旋的降低幅度，并通過實驗對微掃描器在驅(qū)動電機帶動下運行的穩(wěn)定性進行了測試，證明了微掃描器的設(shè)計和驅(qū)動電機的選擇的合理性。
　　 本論文最后對非制冷凝視紅外焦平面探測器的數(shù)學(xué)模型、高性能驅(qū)動電路技術(shù)、微掃描成像理論、方案、鍺片傾斜角度模型和微掃描實現(xiàn)技術(shù)進行了效果驗證和性

8、能評估，通過對主觀圖像效果、客觀NETD、MRTD、MTF參數(shù)的對比得出結(jié)論：1)當(dāng)黑體溫度在焦平面探測器襯底溫度之上90K范圍內(nèi)時，測試數(shù)據(jù)和焦平面探測器模型推導(dǎo)出的數(shù)據(jù)能夠較好吻合；當(dāng)黑體溫度高于這個范圍并逐漸增大時，測試數(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)字信號處理技術(shù)、紅外焦平面陣列自適應(yīng)驅(qū)動技術(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)微掃描實現(xiàn)技術(shù)能夠提高紅外圖像