红外系统概述.ppt

第四章 红外系统概述,4.1 红外系统的分类,红外系统有以下几种分类方法：按功能分：测辐射热计、红外光谱仪、搜索系统、跟踪系统、测距系统、警戒系统、通讯系统、热成像系统和测温仪等。按工作方式分：主动系统和被动系统、单元系统和多元系统、光点扫描系统及调制盘扫描系统、成像系统和非成像系统。按应用领域分：可分为军用系统和民用系统。,按探测器元件数：被动式红外系统可分为第一代、第二代和第三代系统。第一代系统是在单元或多元探测器基础上建立的，系统采用传统的光机扫描。第二代系统采用多元焦平面列阵器件，在这种系统中，元件数达到10的三次，图象质量可与现代电视系统相比拟。第三代红外系统中，焦平面的元数足够多，可覆盖整个视场，由电子扫描代替光机扫描，可称为真正的“凝视”系统。,4.2 红外光学系统,红外光学系统的作用是更新改善光束的分布，更有效地利用光能。若光学系统用于辐射源，或者用于聚集辐射能，形成有确定的辐射光束，或者使辐射束具有确定的形式；若光学系统用于辐射探测器，则用来收集辐射，会聚到探测器灵敏面上。红外系统中光学系统的使用可大大提高灵敏面上的照度，它可比入射到光学系统表面上的照度高若干倍，从而提高仪器的信噪比，增大系统的探测能力。,设计要求,红外系统中的红外光学系统应满足如下要求（1）小的尺度，这由整机尺寸要求所确定；具有尽可能大的相对孔径，所谓相对孔径是指物镜直径与其焦距之比；（3）有确定的视场角，这取决于红外系统的用途；在所选择的波段内有最小的辐射能损失；（5）在物镜焦平面上像的尺寸最小，当目标移至视场边缘处无明显的畸变；（6）在各种气象条件下或存抖动和振动条件下，具有稳定的光学性能。,红外光学系统的分类,根据结构的不同，红外光学系统可分为三大类，即透镜式系统(辐射束通过其中的折射介质)；反射式系统(辐射束受到其中一个或几个反射镜的反射)；混合式系统(由透镜式和反射式系统组合而成)。,与可见光光学系统的异同点,红外光学系统的元件(透镜、反射镜、棱镜等)原则上与可见光学系统的元件没有差别。但它们之间有两个不同点：第一，许多材料对可见光是透明的，面对红外线不透明。或者有的材料在某些红外波段上透明、而对可见光石透明；第二，两者的像质的衍射限不同这种差异来源于两种电磁辐射的波长不同。,4.2.1 透射式红外光学系统,透射式红外光学系统也称折射式红外光学系统，它一般由几个透镜或组合透镜构成，每个组合透镜可看作是一个光学系统。对于双组合透镜系统，第一个光学系统的后焦点与第二个系统的前焦点重合，这种系统称为望远系统。望远系统广泛应用于观察远距离物体的仪器，如夜视仪、红外望远镜等。望远系统的第一个组件称为物镜，第二个组件称为目镜。在用于红外探测器的光学系统中，利用透镜聚光器将物镜整个视场内的辐射束全部收集到探测器的灵敏面上。,常见的结构形式,1.单透镜2.组合透镜,图4-1 单透镜,图4-2 组合透镜,4.2.2 反射式红外光学系统,由于红外辐射的波长较长，能透过它的材料很少，因而大都采用反射式红外光学系统。员简单的反射式光学系统由反射镜组成，它于探测器灵敏面上用来收集和聚焦辐射束，或者在红外照射装置中用作产生定向辐射。按截面的形状不同，反射系统有球面形、抛物面形、双曲面形或椭球面形等几种。,常见系统1.牛顿系统（主镜抛物面，次镜平面）,图4-3 牛顿系统,2.卡塞格伦系统（主镜抛物面，次镜双曲面）,图4-4 卡塞格伦系统,3.格利高利系统（主镜抛物面，次镜椭球面）,图4-5 格里高利系统,4.2.3 反射镜透镜组合式光学系统,无论透镜式光学系统或反射镜式光学系统都存在多种像差。光学系统的像质由若干基本像差。如球差、慧差、像散、畸变、像面弯曲和色差等所确定。像差的大小依赖于光学系统的相对孔径、光束相对于光轴的倾斜角和制作光学系统的材料，此外，像差也依赖于透视的曲率半径、它们的厚度和透镜间的空气间隙。由反射镜和透镜组合的折射反射式光学系统可以结合反射式和透射式系统的优点，采用球面镜取代非球面镜涧时用补偿透镜来校正球面反射镜的像差，从而获得较好的像质。,常见系统,1.斯密特系统这种系统的主镜是球面反射镜，其前面安装有一校正板，可根据校正板厚度的变化来校正球面镜的像差。,图4-6 斯密特系统,2.曼金折射反射镜,这种系统由一个球面反射镜和一个与它相贴的弯月形折射透镜组成所采用的透镜是负透镜，来校正球差，但色差较大，故常将此透镜做成胶合消色差透镜。,图4-7 曼金折射反射系统,3.马克苏托夫系统,这种系统的主镜为球面镜，与曼金折射反射镜相似，仍采用负透镜校正球面镜的球差，但让负透镜与球面镜分离，利用形状与位置两个自由度，可使像质获得更大的改善。系统中三个球面的曲率中心都取在同一点上，又置光阑在这个球心上，因而没有慧差、像散和畸变，但存在少许色差。,图4-8 马克苏托夫系统,4.3 调制盘,为使目标辐射转变成电子线路容易处理的交变信号，也为了将目标信息与背景干扰信号相分离，必须进行辐射调制，或称为斩光。调制盘是红外系统信息处理的主要部件，不仅用作斩光器，将连续辐射变成交变辐射，而且还用作空间滤波器，把被测目标从背景中识别出来。,在红外跟踪系统中，调制盘还被用来作为对目标方位进行编码的编码器，提供目标方位信息，所以在跟踪系统中使用调制盘必须具备调制、编码和空间滤波三种功能。,斩光器在光测量应用中，把连续光源发出的光，调制成等时断续的光信号，便于光电变换后进行选频放大和相干检测。本斩光器除了能对被测光进行调制外，同时输出与调制频率同步的参考电压方波，作为锁定放大器的参考信号，因此，特别适用于采用锁定放大器的激光、光学或微波测量系统。本斩光器采用了闭环控制系统，能方便地连续调节斩光器的调制频率，并保证斩光频率具有很高的稳定性。本斩光器采用了双频斩光盘，能同时对两束光进行调制，获得两种调制频率，用数字显示。并由两电缆插座对应输出两个频率的电压信号，供锁定放大器作为参考信号，给双光路或单光路检测系统提供了一种性能优良的斩光器。适用于各种场合下的激光、光学或微波测量系统。为了使用更加灵活方便，ND-4型采用斩光盘与控制部份分开的特殊形式，斩光盘的光路孔可以转动任意角度，并可调节高度。,图4-9 可变频率双参考调制盘,主要技术指标,典型调制盘的设计,1.平移条带状调制盘其图案是透明与不透明相互交替的条带，在X2坐标轴方向平移。当向X1方向移动时，图案不变。,图4-10 平移条带状调制盘,2.辐条均匀旋转调制盘这种调制盘也称斩光盘。当有P对透明与不透明辐条时，基本周期为 则其一维傅里叶级数展开式所遵从的分析图形跟有相同规定的任意相位值的条带状调制盘的相同。分析表明，这是一种振幅调制。,图4-11 辐条均匀旋转型调制盘,3.旭日型调制盘这种调制盘也称太阳光芒型调制盘，它相当于在斩光盘上附加了一定相部分，这样可以获得角位置信息，旭日型调制盘的周期是，其附加的定相部分有一半是透明区。分析指出，这也是一种振幅调制。,图4-12 旭日型调制盘,4.旋转同心环形调制盘这种调制盘图案比上述三种图案更通用，它是一种很有潜力的调制盘系统，也是模拟更复杂图案的一种方法。这种图案是一种同心环形调制盘的集总。,图4-13 旋转同心环形调制盘,4.4 显示装置,有两类基本的显示信息，即数字式信息和图像信息，前者包括数字、字母、汉字及特殊符号等字码，后者包括图像和图形。而显示技术种类繁多，按原理分，显示技术可分为：电子束显示(亦称CRT显示)、真空荧光显示(VFD)、发光二极管显示(LED)、电致发光显示(ELD)、等离子体显示(PDP)、液晶显示(LCD)、激光显示(LD)和电致变色显示(ECD)等。其中，在红外系统中最常用的显示技术是CRT显示、LED显示和LCD显示等。,显示器的主要性能指标,1)亮度 一般显示器应有70cdm-2的亮度，具有这种亮度的图像在普通室内照度下清晰可见。在室外观看时，要求的显示亮度更高，应达到300cdm2以上。2)对比度和灰度 对比度是指而上最大亮度和最小亮度之比广般显示器应有30：1的对比度。灰度是指画面上亮度的等级差别，一幅电视画面图像应有8级左右的灰度，眼睛可分辨的最大灰度级大致为100级。一般显示字码、图形、表格、曲线对灰度没有要求，只要求对比度较高即可。,(3)分辨力 分辨力是人眼观察图像清晰程度的标志。常用帧速范围内能分辨的等宽度黑白条纹(对比度为100)数目或电视扫描行数来表示，有时也用光点直径表示，在显示器件中，光点直径大约为几微米到几毫米。(4)发光额色 可用发射光谱的峰值和带宽或色度坐标来表示发光颜色(显示颜色)。显示器件的颜色显示能力，包括颜色的种类、层次和范围，是彩色显示器件的一个重要指标。(5)余辉时间 余辉时间是指荧光粉在电子轰击停止后起到亮度减小到电子轰击时稳定亮度的l10(或1100)所经历的时间。,典型的显示方式,1.阴极射线管（CRT）显示CRT显示技术在整个显示领域中占有极其重要的地位。在红外系统中，特别是在热成像装置中，CRT显示是使用最普遍的一种方法，通常要求做到与电视兼容。红外探测器输出的信号经放大和处理后，便输入到电视显像管中，在其荧光屏上显示出目标的红外辐射分布情况。,阴极射线管的组成,图4-14 阴极射线管的组成结构图,图4-15 常见的阴极射线管显示器,图4-16 阴极射线管结构示意图,图4-19 阴极射线管电路结构图,当使用黑白显像管时，将显示出明暗不同的黑白图像，这时图像的不同灰度等级代表着不同的温度。如果将视频信号进行处理、分层和编码，便可送入彩色显像管显示出目标的彩色图像，这时图像上的不同彩色并不代表目标的真实颜色，而只反映不同的温度，称为假彩色图像。通常用红、黄等暖色表示较高的温度，而用紫蓝色表示较低的温度。,黑白显像管,图像显示用的黑白显像管由电于枪、偏转系统、荧光屏和管壳等部分组成，其工作原理是，将视频电信号加在电子枪栅极或阴极上，该电信号便转换成荧光屏上亮度随电信号强弱而变的光信号，从而在荧光屏上呈现出与目标相对应的、适合人服视觉特性要求的光学图像，这种图像是明瞪不同的黑白图像。,黑白显像管的基本结构,主要由荧光屏、电子枪和玻璃外壳三部分组成。1)荧光屏，荧光屏是显示图像的，在其内侧沉积了一层厚度为10m的荧光粉。当电子束以极高的速度轰击荧光屏时，荧7光粉便能发光，其发光的强度与荧光粉发光效率、电子束流大小和轰击速度有关。电子束流越大，速度越高，荧光屏的亮度就越亮。2)电子枪，电子枪是用来产生电子束的，它被装在管颈内，由阴极、栅极、加速极、聚焦极、高压阳极等组成，各电极的引脚固定在管颈的尾部。,图4-20 黑白显像管基本结构,彩色显像管,彩色显像管是利用三基色图像叠加原理来实现彩色显示的电子束管。根据荧光屏光点排列方式的不同，彩色显像管分为色点管和色条管两类。根据电子枪结构的差异，可分为三枪三束管、单枪三束管和自会聚管。,三枪三束色点管能实现颜色鲜艳清晰的彩色图像显示。而单枪三束色条管是在三枪三束色点管的基础上改进而来的，这种管对三电子束的会聚调整比较简学，可缩小显像管颈尺寸，使偏转电路功耗减小，同时又增大亮度，但它具有彩色重现较粗糙的缺点。,自会聚彩色显像管由于采用了精密直列式电子枪，并采取了配置精密环形偏转线圈等一系列措施，使电子柬的会聚性能大为提高，而且形成了固定式组装化结构，不必作动会聚调整，使其安装调整工作与黑白显像管一样十分简便，因而具有明显优点。此外，对于穿透式彩色显像管，其结构简单，分辨力较高，耐振动和耐冲击性能较好，有较强的抗磁干扰性，因此适用于航空管理系统、飞机和船舶上的图像显示。,自会聚彩色显像管基本结构,它采用了一体化的电子枪，而且在显像管管颈上安置有精密的偏转线圈和凋整会聚的磁性组件，这样便省去了会聚电路。该种显像管的特点是:1)电子枪是三枪一体化结构，电子枪中除三个阴极是独立的以外，其他各电极都是共用的。而且三个阴极在水平方向排列成一字形。所谓一体化，就是指电子枪中除阴极以外，其他电极都是三个连成一体，如三个聚焦极连成一体，三个加速阳极连在一起等。2)选色板采用了开槽式荫糟板，与之相对立的荧光屏上的荧光粉排列成条状形式，而且每条荧光粉之间采用了黑底材料，以提高对比度。,图4-21 自会聚彩色显像管结构图,2.发光二极管（LED）显示,LED显示是一类光源显示法。视频信号经放大及处理后，直接推动发光二极管，它显示出目标表面红外辐射能量的分布情况。,图4-22 LED护栏灯,图4-23 LED矿灯,图4-24 LED汽车尾灯,发光二极管的主要应用有：数字、文字显示，例如七段数码管可显示出o9十个可变数字，又如14划字码管可显示o一9十个数字与26个英文字母图形显示，例如用它制成LED电视机，其特点是工作电压低(2v)、亮度高、集成度高等；存储显示，例如，PnPn型负阻发光器件、门锁二极管等；多色显示，例如多色GaP LED、四色LED显示板等。,3.液晶显示 液晶显示技术是70年代以来开发的一种新的显示方法。在各类新型显示技术中，液晶显示器最受人们重视。70年代以后，液晶显示得到飞速的发展，先后实现了液晶大屏幕显示、液晶彩色显示、液晶光阀、液晶电视以及电视兼容液晶显示器等，液晶显示器件目前已成为仅次于显像管的第二大显示器产品。,图4-25 液晶显示器,图4-26 液晶面板,液晶显示作为一种新的优良显示方法，它有如下优点；1.可以随意控制液品盒内的液晶分子的排列取向，故能利用液晶制成各种电光显示器件，2.对温度比较敏感，能在1摄氏度左右的温度范围内显示不同颜色；3.在强光照环境下与暗光照时一样，都是清晰可见的；4.工作电压较低，约1v到几十伏，而且功耗小，约几微瓦厘米2到几百微瓦厘米2；5.可与MOS集成电路直接兼容；6.是典型的薄壁显示，显示面积不受限制，既可制成小型显示器，又可制作大屏幕显示；7.制造工艺简单，价格低廉。,液晶显示器件主要利用液晶的电光效应和热光效应，如利用向列型液晶动态散射显示，已成功地制成显示板应用于台式电子计算机和钟表等方面；又如，利用胆出型液晶螺距变化，可制作彩色电控板或彩色电视等，已应用于电子束贮存管相依投影仪上；再如，利用胆舀型液晶螺旋轴旋转，可用于记忆型显示。此外，液晶还可用于光阀、无损探伤、医疗显示以及电子照相技术等许多方面。,