007-基于Nios_的非制冷红外图像处理系统研究

文章编号:100222082(2007)0120007205

基于N i o s 的非制冷红外图像处理系统研究

孙恋君,张俊举,谌　巧,常本康,钱芸生

(南京理工大学电子工程与光电技术学院,南京210094)

摘　要:　设计一个非制冷红外图像处理系统,该系统放弃了目前普遍应用的数字信号处理器(D SP )+现场可编程门阵列(FPGA )的系统构架,采用基于FPGA 的N i o s 嵌入式处理器的系统构架,实现了系统的小型化。提出一种基于流水线结构的信号处理方法,并利用N i o s 嵌入式处理器软硬件开发工具,实现了在该系统上对非制冷红外焦平面阵列非均匀性进行校正和盲元补偿的实时处理,降低了系统的工作频率。实验结果表明:该系统能够对非制冷红外图像进行实时处理,工作性能稳定,处理效果良好。

关键词:　非制冷红外焦平面阵列;图像处理;嵌入式处理器;现场可编程门阵列;N i o s

中图分类号:TN 215 文献标志码:A

Study of uncooled i nfrared i m age processi ng system ba sed on N ios

SU N L ian 2jun ,ZHAN G Jun 2ju ,CH EN Q iao ,CHAN G B en 2kang ,Q I AN Yun 2sheng

(Schoo l of E lectron ic Engineering &Op toecletron ic T echn iques ,N an jing U n iversity of Science and T echno logy ,N an jing 210094,Ch ina )

Abstract :A m in iatu rized uncoo led infrared i m age p rocessing system is designed by adop ting the structu re of F ield P rogramm ab le Gate A rray (FPGA )em bedded w ith N i o s p rocesso r in stead of D igital Signal P rocesso r (D SP )+FPGA structu re .A signal p rocessing m ethod based on p i p elin ing m odel is p ropo sed and app lied in the system w ith the hardw are and softw are develop 2m en t too ls of N i o s em bedded p rocesso r .A s indicated by the exp eri m en t resu lt ,the system can p rocess the uncoo led infrared i m age in real ti m e .It has the m erits of good p erfo rm ance and s m all vo lum e .

Key words :I R FPA ;i m age p rocessing ;em bedded p rocesso r ;FPGA ;N i o s

引言

非制冷红外焦平面阵列(I R FPA )探测器凭借其价格低、体积小、功耗低、性能可靠、操作方便等诸多优势,在军事和民用领域有越来越广泛的应用前景,成为当今世界高技术领域发展的热点之一。众所周知,非制冷红外焦平面阵列的固有非均匀性和盲元使其需要依靠外部图像处理系统才能对原始红外图像进行校正和增强[1]等,从而获得较好的成像质量。最初的红外图像处理系统采用基于

D SP 构架的电路[2]

,虽然可以满足处理过程中大量

数据计算的要求,但是,因为系统的可编程能力较差而增加了系统软硬件设计开发的复杂性。目前,红外图像处理系统大多采用基于D SP +FPGA 架构的电路[3]。其中,D SP 凭借其强大的运算能力主要实现数据运算、数据通信和系统管理等功能;FPGA 依靠其灵活的在线可编程能力主要实现信号处理、视频合成和时序管理等功能;二者相互配合,完成对红外图像的实时处理。然而,在这些系统中,基于总线分时复用的D SP 和FPGA 需要频繁转换对系统的控制权,这必然会降低整个系统的数

收稿日期:2006209225;　修回日期:2006210220

作者简介:孙恋君(1981-),女,江苏南通人,博士,主要从事红外热成像系统及图像处理方面的研究。E 2m ail :lian jun sun @https://www.wendangku.net/doc/764165524.html,

第28卷第1期2007年1月 应用光学Jou rnal of A pp lied Op tics

V o l .28,N o.1

Jan .,2007

据传输效率,增加系统时钟控制逻辑的复杂度,给系统的设计和应用带来诸多不便。更重要的是,采用D SP +FPGA 架构的电路,需要在D SP 和FP 2GA 之间添加许多隔离器件,因而导致系统体积偏大,难以适应很多应用领域对系统小型化的要求。

随着FPGA 技术的发展,其功能也日益强大。为了使红外图像处理系统更加小型化,以适用对体积、功耗等具有特殊要求的应用场所,利用SO PC 设计方法,在单片高性能的FPGA 器件上形成的图像处理系统拥有巨大的发展潜力。因此,本文设计了一种基于美国A ltera 公司开发的N i o s 嵌入式处理器的非制冷红外图像处理系统,同时提出一种基于流水线结构的信号处理方法,并利用N i o s 嵌入式处理器的软硬件开发工具在该系统上成功实现了对非制冷红外焦平面阵列非均匀性进行校正和盲元补偿的实时处理。通过对实验中系统形成的原始图像和校正图像进行比较,可以明显看出该系统工作性能稳定,处理效果良好,体积小,便于携带,完全能够满足实际应用需要。

1　系统结构及工作原理

1.1　系统结构

基于N i o s 嵌入式处理器的非制冷红外图像

处理系统结构如图1所示。该系统主要由FPGA 芯片、A D 转换器、D A 转换器、数据 程序存储器、T EC 温控电路,串行通信接口、L CD 显示屏、键盘和电源系统等组成,可实现对I R FPA 所成图像信号的采集、处理、合成以及相应的数据通信和程序控制等功能

。

图1　基于N i o s 的非制冷红外图像处理系统结构

F ig .1　Block d i agram of uncooled i nfrared i m age pro -cessi ng syste m ba sed on N ios

系统中FPGA 处于核心位置,主要由N i o s 处理器和外部逻辑组成,内嵌的N i o s 处理器主要完成系统管理、数据通信、数据加载、L CD 字符界面控制等功能;外部逻辑承担信号处理、视频合

成、时序管理等功能,并且为I R FPA 提供数字驱动信号,也为A D 、D A 和I R FPA 提供时钟信号。数据 程序存储器包括FLA SH 、SDRAM 和SRAM ,用于系统工作过程中应用程序、图像数据及校正系数的存储。T EC 温控电路对I R FPA 进行自适应温度控制,串行通信接口进行系统与外部PC 间的数据通信,L CD 显示屏和键盘提供系统的控制界面,电源系统为系统和I R FPA 提供电源。1.2　系统工作原理

系统开机或复位后,T EC 温控电路立即开始调节I R FPA 的温度向设定温度靠拢,直到温度稳定(温度稳定精度为4m K );与此同时,FPGA 从FLA SH 中加载程序并完成系统的初始化和片外设备的自检;系统初始化完成后,I R FPA 在温度完全稳定后接收FPGA 发出的驱动控制信号开始正常工作,其输出的图像信号经过A D 转换后,送入FPGA 进行处理。

正常工作情况下,系统有2种工作模式:标定模式和校正模式。整个系统的工作状态通过外部键盘选择控制,工作模式通过L CD 显示出来。在标定模式下,根据两点非均匀性校正算法,N i o s 处理器控制系统对外置标准黑体面源在高、低2个温度下的图像数据进行传输,输入SRAM 中暂存,在成功获取2帧标定图像数据后,N i o s 处理器接收中断请求,运行相应的校正系数计算程序,分别获得I R FPA 每个像素的增益校正因子G i ,j 和偏移量校正因子O i ,j ,同时计算出盲元标志位,形成带盲元标志的校正系数存入F lash 中,完成校正系数的获取或更新后程序跳出中断,并轮询键盘状态以确定进一步操作;与此同时,FPGA 不进行任何信号处理,直接把未经校正的原始图像信号送往视频合成模块,并通过监视器显示出来。在校正模式下,N i o s 处理器将存储在F lash 中带盲元标志的增益校正系数和偏移校正系数分别转移到外部2片存储校正系数的SRAM 中,形成一个校正系数查找表(LU T );N i o s 处理器将这2片SRAM 的控制权交给外部信号处理模块,对原始图像信号进行两点非均匀性校正和盲元补偿;校正后的图像数据经过视频合成和D A 转换,最终显示出来。

2　基于FPGA 的N io s 嵌入式处理器

2.1　N i o s 处理器简介

N i o s 处理器是美国A ltera 公司开发的一种

基于FPGA 、可配置的、单指令流的32位R ISC 软

?8?应用光学　2007,28(1) 孙恋君,等:基于N i o s 的非制冷红外图像处理系统研究

核嵌入式处理器[4]。处理器大部分指令可以在1个时钟周期内完成,工作频率达百兆级,可以获得超过200DM IPS的性能,还可结合用户定制指令和自定义逻辑构成一个基于FPGA的片上系统。

N i o s 处理器系列包括3种CPU内核,即注重性能的快速型(N i o s f),注重尺寸的经济型(N i o s e)和兼顾性能和尺寸的标准型(N i o s s)。处理器配备超过60种IP内核供用户创建一组适合于自己应用的外设、存储器和I O接口;支持无限DM A数据传输方式,提供可配置的硬件及软件调试特性;最多允许用户定制256个用户指令,并且可以构建多CPU内核系统。

N i o s 处理器采用A valon交换式总线技术。通过A valon交换矩阵在处理器、外围设备和接口电路之间实现网络连接,规范定义了主从端口之间数据传输的信号和时序,并支持数据总线的复用、地址译码、等待周期的产生、外设的地址对齐、中断优先级的指定以及高级的交换式总线传输。A val2 on总线由SO PC B u ilder自动生成,可以根据设计过程中系统组件的需要随时增删更新。

N i o s 处理器拥有灵活的可编程能力,以及单芯片的系统处理方案和日益强大的处理能力,可大大简化系统设计的复杂性,降低系统的开发成本,增强系统运行的可靠性。

2.2　N i o s 处理器系统开发流程

开发N i o s 处理器系统需要以下软硬件开发工具:W indo s N T 2000 XP操作系统、Q uartu s 4.0或更高版本、SO PC B u ilder软件、N i o s I D E 集成开发环境[5]以及相应的硬件电路板。

N i o s 处理器系统的硬件设计过程如下:1)用SO PC B u ilder系统综合软件选取合适的CPU、存储器及外设,并定制它们的功能,生成一个N i o s 处理器系统;2)用Q uartu s 软件进行FPGA 器件选取,处理器外部逻辑编写,系统I O管脚分配和布局布线,最后在一定的硬件编译选项和时序约束下进行编译,生成配置文件;3)用Q uartu s 编程器和A lter下载电缆,将配置文件下载到相应硬件电路板上。

N i o s 处理器系统的软件设计过程如下:1)在N i o s I D E中编写C C++应用程序软件;2)在N i o s I D E中对编写的软件工程进行编译和在线调试;3)将最终的应用程序软件下载到硬件电路板上并运行。

用户在N i o s I D E中创建一个新的工程时,I D E基于用户在SO PC B u ilder中创建的N i o s 处理器系统会自动生成一个HAL(hardw are ab2 stracti on layer,硬件抽象层)系统库。HAL库所基于的系统层次图如图2所示。它为设计可提供与AN S I C合成的标准库、设备驱动、HAL应用程序接口(A P I)、系统初始化和设备初始化等支持

。

图2　HAL系统库层次图

F ig.2　D i agram of HAL

HAL库为嵌入式系统中常见的外围设备提供了通用的设备模型,可以让用户无需考虑底层硬件就能利用与之相一致的A P I编写应用程序。同时通过HAL库本身集成的AN S I C标准库,也可以用C语言中的一些库函数来实现外设的访问。

3　系统设计

本文设计的基于N i o s 非制冷红外图像处理系统,考虑了信号处理对工作频率和资源的要求。其中FPGA器件选择Cyclone系列EP1C20F400C8芯片,配置器件为EPCS4,N i o s CPU选择标准型(N i o s s)。

3.1　N i o s 处理器系统设计

整个图像处理系统以FPGA为核心,在FP2 GA内部设计一个N i o s 嵌入式处理器系统,其原理如图3所示。按功能可划分为N i o s 处理器、信号处理模块、驱动控制逻辑和时钟管理逻辑。

图3中,N i o s 处理器是整个系统的控制核心,主要实现视频信号采集、传输、L CD字符界面显示控制,校正参数的提取以及校正参数的存储和更新控制等功能,同时通过P I O口对处理电路的工作模式进行控制。

信号处理模块是系统信号处理的核心,主要功能是进行非均匀校正、盲元补偿,校正完的图像通过视频合成模块处理后,送到后端D A,最后显示出来。此外,在信号处理模块中还有多路复用逻辑模块以及三态桥等。多路复用逻辑和同步控制主要用于在校正模式下控制片外存储校正系数的,同时,通过三态桥,在 处理器的控

?

9

?

应用光学　2007,28(1) 孙恋君,等:基于N i o s 的非制冷红外图像处理系统研究

制下,信号处理模块与N i o s 处理器对SRAM 进行分时复用

。

图3　FPGA 内部设计原理

F ig .3　I n terna l design pr i nc iple of FPGA

另外,驱动控制逻辑可为I R FPA

提供驱动信号,时钟管理逻辑为A D 、D A 及红外焦平面阵列等提供时钟信号。

3.2　流水线结构信号处理方法

上述信号处理模块采用一种实时信号处理同步时序电路结构,称为流水线结构,如图4所示。

图4　信号处理模块流程图

F ig .4　Flow cha t of signa l processi ng m odule

系统处于校正模式时,图像数据逐个像素地从A D 输入,其传输速度和I R FPA 的主时钟相同。

此时,系数加载模块在I R FPA 提供的同步信号DA TAVAL I D 和L I N E 1的作用下,产生对应像素的地址信号,读取该像素的校正系数和盲元标志。根据系统要求,校正系数和盲元标志从高位到低位依次存储在同一个双字(32位)内,其中增益校正系数G i ,j 占1个字(16位),偏移校正系数O i ,j 占15位,而盲元标志F i ,j 占1位。

图像数据和校正系数、盲元标志同时进入信号处理流水线。首先进行增益校正,此时增益校正因子G i ,j 和15位偏移量校正因子O i ,j 都保存在D 触

发器内。经过增益校正后的图像数据经一级流水后进行偏移校正,偏移校正系数O i ,j 也经过了一级流水后同时到达偏移校正。经过增益和偏移校正以后,图像数据将进行盲元补偿。此时,加法器一直计算

1个像素前后2个像素的平均值,该平均值作为预备的替代值与该像素同时向后传递,一直到双路选通开关。盲元标志自从进入流水线后就一级一级地向后传递,一直到双路选通开关级。在选通开关处,盲元标志将决定是平均值向后输出还是真实值向后输出,从而实现盲元的补偿。

由以上分析可以看出,采用流水线结构实时信号处理方法,不仅简化了处理流程,降低了系统工作频率,使得系统运行更加平稳,而且缩小了数据存储空间,减少了延迟时间。

3.3　N i o s 处理器软件设计

根据整个系统工作需要,N i o s 处理器软件程序结构如图5所示。

图5　N i o s 处理器软件程序结构图

F ig .5　Program structure of N ios processor sof tware

主程序开始运行后,首先对系统外围设备进行检测。自检程序包括对串口、FLA SH 及SRAM 等的检测。检测结果通过L CD 显示出来。校正系数

的计算、加载和串口通信等都是通过中断方式实现

的。外围设备的检测完成后,如果系统正常,程序进入键盘中断服务程序。键盘服务程序主要实现对系统的控制,可根据键盘的状态进入不同的中断程序来实现处理器工作模式的转换。3.4　实验结果

采用上述软硬件设计和信号处理方法的非制

冷红外图像处理器系统,连接上320×240微测辐射热计I R FPA 探测器和监视器,通电后可以开始工作。图6为系统联调实验过程中采集的2幅红外图像,目标为人脸和手。其中图6(a )是未经过任何处理的原始图像,可以看到目标几乎完全被I R F 2PA 固定图案噪声所掩盖,并且盲元对图像质量影响比较明显;图6(b )是经过两点非均匀性校正和盲元补偿后的图像,可以看到目标成像比较清晰,

?01?应用光学　2007,28(1) 孙恋君,等:基于N i o s 的非制冷红外图像处理系统研究

并且没有盲元的干扰,图像不仅对比度较好,而且很多图像细节,例如人的头发、眉毛、鼻子和手关节等也显现出来了。对比这2幅图像可知,该系统完全能够达到设计目的,满足设计要求

。图6　非制冷红外图像处理前后对比　F ig .6　Co m par ison of or ig i na l i m age with

processed i m age

4　结论

我们利用N i o s 嵌入式处理器,基于流水线

结构的图像信号处理方法,采用基于FPGA 的系统构架,设计出一种新型非制冷红外图像处理系统。与原有的基于D SP 构架或基于D SP +FPGA 构架的系统相比,真正意义上实现了SO PC 。通过对该系统进行联调实验,证明该系统能够稳定且有效地对非制冷红外图像进行非均匀性校正和盲元替代处理,并且与现有的红外图像处理系统相比,

体积更小,更便携,也更适合于实际应用的需要。随着N i o s CPU 频率的不断提高,处理器功能的不断增强和红外图像处理算法的不断改进,系统的设计也在不断地优化,功能也会不断地完善,其应用范围也将会不断地扩大。

参考文献:

[1]　邸慧,于起峰,张小虎.一种基于灰度变换的红外图像

增强算法[J ].应用光学,2006,27(1):12214.

D I H u i ,YU Q i 2feng ,ZHAN G X iao 2hu .A n algo rithm fo r infrared i m age enhancem en t based on gray scale tran sfo rm [J ].Jou rnal of A pp lied Op tics ,2006,27(1):12214.(in Ch inese )

[2]　邢素霞,常本康,钱芸生,等.基于高速D SP 的红外

图像处理电路研究[J ].红外与激光工程,2004,33

(3):2922295.

X I N G Su 2x ia ,CHAN G Ben 2kang ,Q I AN

Yun 2

sheng ,et al .Study on infrared i m age p rocessing cir 2cu it based on h igh speed D SP [J ].Infrared and L aser Engineering ,2004,33(3):2922295.(in Ch inese )[3]　赵广州,张天序,王新赛,等.基于D SP 和FPGA 的

模块化实时图像处理系统设计[J ].华中科技大学学报:自然科学版,2002,32(10):426.

ZHAO Guang 2zhou ,ZHAN G T ian 2xu ,W AN G X in 2sai ,et al .M odu larized real 2ti m e i m age p rocessing system based on D SP and FPGA [J ].H uazhong U n i 2versity of Science and T echno logy :N atu re Science Editi on ,2002,32(10):426.(in Ch inese )

[4]　A ltera .N i o s P rocesso r R eference H andbook [EB

OL ].[2005203201].h ttp : www .altera .com .

[5]　A ltera .N i o s Softw are D eveloper ′s H andbook [EB

OL ].[2005203201].h ttp : www .altera .com .

?

11?应用光学　2007,28(1) 孙恋君,等:基于N i o s 的非制冷红外图像处理系统研究

非制冷红外焦平面热成像测温系统

非制冷红外焦平面热成像测温系统 红外技术四个主要部分： 1.红外辐射的性质，其中有受热物体所发射的辐射在光谱、强度和方向的分布；辐射在媒质中的传播特性--反射、折射、衍射和散射；热电效应和光电效应等。 2.红外元件、部件的研制，包括辐射源、微型制冷器、红外窗口材料和滤光电等。 3.把各种红外元、部件构成系统的光学、电子学和精密机械。 4.红外技术在军事上和国民经济中的应用。由此可见，红外技术的研究涉及的范围相当广泛，既有目标的红外辐射特性，背景特性，又有红外元、部件及系统；既有材料问题，又有应用问题。 而在红外热成像技术研究领域中，红外探测器是核心，探测器的技术水平决定了热成像技术的技术水平。基于光电效应的光子探测器和基于热电效应的热电探测器一直是红外热成像技术的两大支柱。为获得高性能必须在低温(典型的是液氮温度77K)下工作。正是由于需要制冷以及成本等原因，使光电探测器类热成像技术在民用领域仍难形成很大的市场。而热电探测器类热成像技术由于灵敏度和响应速度方面的限制，只有采用热电摄像管的热成像系统(即热电视)获得一些应用，而且一般用于要求较低的民用领域。 但90年代以后，非致冷红外焦平面技术的突破和实用化，使其与致冷红外热像技术相比所具有的低成本，低功耗，长寿命，小型化和可靠性等优势得到很好发挥，成为当前红外热成像技术中最引人注目的突破之一，在军用和民用领域的应用前景将“使传感器领域发生变革”。 非致冷红外焦平面技术属于热电探测器类热成像技术。 其焦平面阵列由热探测器，如测辐射热计、热释电探测器、热电堆等，与硅多路传输器，如CCD、MOSf:EF、C协05读出电路等，通常用锢柱互连而成。 测辐射热计的工作原理是被热绝缘的金属薄膜(典型的是入膜)或半异体薄膜(典型的是氧化钒VOZ或非晶硅a一Si薄膜或多晶硅)在吸收红外辐射时会引起其电阻值的变化实现光电变换。此类探测器可全部采用Si集成电路工艺制作，与51信号处理电路之间可形成单片式结构，不需要低温制冷装置，不需要特殊材料，不需要斩波，制作工艺也成熟。以它为核心制成的红外热成像系统成像清晰度高、重量轻、功耗低、易便携，适于野外工作场所。 热释电探测器的工作原理是由具有良好热释电特性的铁电材料，如错酸铅(PZT)陶瓷、PbTIO，陶瓷、PbTIO:，薄膜和LITao，晶体制成的热探测器与51多路传输器互连而成。其中，LITaO，特性格外好，它不仅有大的热释电系数(p二2.3x1osC/cm)，还有小的介电常数(￡，=54)和高的居里温度(兀二618’’C)。以它为核心制成的红外热像系统灵敏度较高，且适合于红外成像。 本系统结合红外测温技术和非致冷焦平面热成像技术原理，开发并完成了一套非致冷红外焦平面热成像测温系统。 系统建立了非致冷红外焦平面热成像系统测温计算的数学模型;对计算中可能产生的各种误差进行了分析和计算;对系统成像的非均匀性进行了分析和校正;提出了精确测量发射率的新算法;结合热成像的原理对红外热图像的特征进行了分析，对红外热像进行了新型直方图均衡和伪彩色增强等处理。 在降低了成本的同时，保证了精度。 基于辐射源的方法较为常用，其中包括两点校正法，多点校正法，非线性拟合校正法，和低次插值校正法等，基于他们各自的特点，此论文中选用了精度相对比较高的一种：非线性拟合校正法。这种校正方法考虑了光敏单元的非线性响应，使得其校正效果比传统的两点校正算法具有更大的动态范围和更高的精度，同时，每个光敏单元的校正只需要3次乘法和2次

非制冷红外技术及应用

非制冷红外技术及应用 蓝海光学招募：镜头装配主管，镜头销售人员光学人生，你的精彩人生！一、红外热成像技术简介自然界所有温度在绝对零度（-273℃）以上的物体都会发出红外辐射，红外图像传感器则将探测到的红外辐射转变为人眼可见的图像信息。红外成像技术涵盖了红外光学、材料科学、电子学、机械工程技术、集成电路技术、图像处理算法等诸多技术，红外成像装置的核心为红外焦平面探测器。 二、非制冷红外技术概述2.1 非制冷红外技术原理非制冷红外探测器利用红外辐射的热效应，由红外吸收材料将红外辐射能转换成热能，引起敏感元件温度上升。敏感元件的某个物理参数随之发生变化，再通过所设计的某种转换机制转换为电信号或可见光信号，以实现对物体的探测。 非制冷红外焦平面探测器分类2.2 非制冷红外探测器的关 键技术 热释电型红外辐射使材料温度改变，引起材料的自发极化强度变化，在垂直于自发极化方向的两个晶面出现感应电荷。通过测量感应电荷量或电压的大小来探测辐射的强弱。热释电红外探测器与其他探测器不同，它只有在温度升降的过程中才有信号输出，所以利用热释电探测器时红外辐射必须经过调制。探测材料：硫酸三甘肽、钽酸锂、钽铌酸钾、钛（铁

电）酸铅、钛酸锶铅、钽钪酸铅、钛酸钡热电堆由逸出功不同的两种导体材料所组成的闭合回路，当两接触点处的温度不同时，由于温度梯度使得材料内部的载流子向温度低的一端移动，在温度低的一端形成电荷积累，回路中就会产生热电势。（塞贝克效应Seebeck）而这种结构称之为热电偶。一系列的热电偶串联称为热电堆。因而，可以通过测量热电堆两端的电压变化，探测红外辐射的强弱。二极管型利用半导体PN结具有良好的温度特性。与其他类型的非制冷红外探测器不同，这种红外探测器的温度探测单元为单晶或多晶PN结，与CMOS工艺完全兼容，易于单片集成，非常适合大批量生产。热敏电阻型（微测辐射热计）利用热敏电阻的阻值随温度变化来探测辐射的强弱。一般探测器采用悬臂梁结构，光敏元吸收红外热辐射，由读出电路测量热敏材料电阻变化而引起的电流变化，通过读出电路对电信号采集分析并读出。探测器一般采用真空封装以保证绝热性好。探测材料：氧化钒、非晶硅、钛、钇钡铜氧等氧化钒VOx的TCR 一般为2%~3%，特殊方法制备的单晶态VO2和V2O5可达4%。VOx具有电阻温度系数大，噪声小的特点，被广泛用作非制冷式红外焦平面传感器的热敏材料。全球的非制冷红外热像仪市场中，使用VOx非制冷红外探测器的占80%以上。氧化钒VOx的制备方法：溅射法、溶胶-凝胶法、脉冲激光沉积法、蒸发法。读出电路IC技术ROIC对微弱的红

红外成像导引头的结构设计

第8章红外成像导引头的结构设计 8.1红外成像导引头对结构的要求及结构设计内容与原则 1.红外成像导引头对结构的要求 好的总体方案要靠好的结构设计来实现，特别是对于小体积红外成像导引头来说，结构设计至关重要，结构设计方面的一小步突破可能就会为优良的红外成像导引头总体方案提供技术基础。 红外成像导引头对结构有如下要求： （1）严格限制体积和重量。红外成像导引头一般装在导弹的前端，必须严格限制体积和质量。为了增加有效载荷，一般都要求红外成像头质量轻，把有效的载荷让给战斗部，但在某些场合为了增加导弹的静稳定度反而希望红外成像导引头有比较大的质量，小质量固然不容易实现，在体积受限的条件下实现大质量也十分困难。另外保证红外成像导引头的质心满足要求也是十分必要的。 结构设计时必须选择紧凑的组装方式，电子舱结构设计时尽可能提高装填密度，随动平台设计时尽量避免笨重的实体结构。 （2）环境适应能力强、可靠性高。红外成像导引头要承受导弹飞行过程中的冲击、振动、过载等各种恶劣力学环境条件，特别是需要具备高加速能力的导弹，红外成像导引头要承受大过载。同时，红外成像导引头的成像探测器抗冲击、抗振动能力极其有限，需要采取特殊措施，如减振设计等。除了要承受飞行时的恶劣环境外，还需要承受运输过程中的振动和冲击、高低温工作环境、盐雾和霉菌等。所有这些都要求红外成像导引头的结构必须具备很强的环境适应能力。 结构设计时要保证红外成像导引头在承受各种静、动、热载条件下有足够的强度、刚度和稳定性，并满足各项动力学性能要求。 （3）高精度。成像系统安装在随动平台上，成像系统的安装精度直接影响红外成像导引头的测量精度；陀螺安装时要保证测量轴与导弹各轴保持平行；红外光学整流罩安装在红外成像导引头壳体上，光学系统是活动的，红外光学整流罩与光学系统必须紧密配合才能可靠成像，因而对红外光学整流罩的安装精度要求较严；印制电路板与总线板之间也要求足够的连接精度，否则不能保证有效的电气连接。所有哲学都对结构设计提出了高精度的要求。 （4）气动性能要求。红外成像导引头是导弹的一个舱段，除了搜索跟踪目标外还必须维持导弹气动外形的完整性。导引头接受设计时应尽量保持与理论外形的一致性，减少设计外形与理论外形的误差并提高表面品质，尽量不出现凸起、缝隙等影响气动性能的外形结构。 2.红外成像导引头结构设计内容与原则 红外成像导引头结构总体设计的任务是按照导弹总体对红外成像导引头性能参数的要求和红外成像导引头自身的使用环境条件，将电子部件、电气元器件和机械部件合理布局并组装成完整的红外成像导引头，使其在规定的条件下实现规定的功能。结构总体设计包括机械设计和物理设计。机械设计包括整机组装结构设计，如结构单元的划分、总体布局方式的选择等；随动执行机构设计，如执行机构形式选择、平衡设计等；抗振缓冲设计，如结构件强度和刚度计算、稳定性分析、隔振和缓冲措施选择等。物理设计包括热设计（如散热和隔热设计）；电磁兼容设计（如屏蔽设计、接插件选择以及合理布线等）及三防设计等。 红外成像导引头结构设计一般遵循以下原则： （1）模块化原则。根据导引头系统要求和各分机的功能、几何特征，在结构上进行模块化设计，同时尽可能提高单元模块的安装密度。 （2）简单化原则。尽可能使结构简单、质量轻，减少零部件的品种、数量，提高产品通用化、系列化、组合化水平。 （3）加工和装配方便原则。考虑具有成熟工艺的结构设计形式以及导引头系统结构的

一种红外成像导引头通用信息处理平台

一种红外成像导引头通用信息处理平台 一种红外成像导引头通用信息处理平台 摘要：红外成像导引头集光机电于一身，设计难度大、研制周期长。为了缩短导引头研制周期、降低开发成本，提出一种通用的信息处理平台方案。本方案采用FPGA+DSP架构，有较强的通用性，易于维护和扩展，可以在原理样机阶段迅速搭建硬件平台，用于系统验证和弹载软件调试，并为后续的产品研制提供有力支持。关键词： 红外成像导引头；通用信息处理平台；实时图像处理；FPGA+DSP架构红外成像导引头是第四代红外型空空导弹的标志，具有作用距离远、抗干扰能力强、导引精度高、可自动识别目标和区分多目标、准全天候工作等显著优点[1]。根据红外 探测器的不同，红外成像导引头又可分为线列扫描成像导引头、凝视焦平面成像导引头、双色（多色）焦平面成像导引头。为了与探测器配套，需要设计不同的信息处理平台。随着技术的不断发展，信息处理平台在功能上越来越复杂，集成化程度越来越高，而要求产品的研发周期却大大缩短，更新速度加快。为了解决这一矛盾，本文提出一种通用的信息处理平台方案，在产品初期利用通用信息处理平台迅速搭建，用于系统验证和弹 载软件调试，并为后期的产品硬件研制提供有力借鉴。1通用信息处理平台特征分析[2-4]无论是哪一种红外成像导引头，信息处理平台都具有如下功能：高速图像信 号采集、图像预处理、图像处理、与外部系统通信、视频图像输出、时钟管理及时序控制等。功能组成。 1.1高速图像信号采集高速图像信号采集是对从前置放大器输出的视频信号进行A/D采样，把模拟视频信号转换为数字视频信号。由于视频输出信号电压范围未知，因此在A/D采样前还需要一个放大倍数可调的调理电路。红外成像导引头的探测灵敏度高、帧频高(达到100Hz以上)、视频传输数据量大，因此要求AD转换器精度高、速度快、通道一致性好。这部分是模拟数字混合部分，因此在电源供电、元器件布局布线上要进行低噪声设计。1.2图像预处理图像预处理包括非均匀校正、图像重构、图 像滤波、图像稳像等。非均匀校正是指由于探测器本身的固有缺陷，使得从前置放大器输出的视频信号出现了不均匀性，为了防止系统成像质量变差而对视频数据进行的处理。图像重构是指对扫描成像来说，输出的信号不是逐行顺序输出，需要对得到的视频数据进行重新排序才能得到一幅正确图像。图像滤波指的是利用高通滤波和中值滤波等算法简单、数据处理吞吐量大的算法对视频数据进行处理，提高图像质量。图像稳像是指探

红外焦平面阵列简介

红外焦平面阵列简介 自从赫谢尔利第一次发现了红外辐射以来，人们就开始不断运用各种方法对红外辐射进行检测，并根据红外光的特点而加以应用，相继制成了各种红外探测器。进入20世纪后，红外探测器技术取得了惊人的进展，特别是冷战时期，军备竞赛各方投入巨资进行研究，突破了诸多难题，使红外探测器技术从30年代单一的PbS器件发展到现在的多个品种，从单元器件发展到目前焦平面信号处理的大型红外焦平面阵列。红外焦平面阵列技术作为红外探测技术发展的一个里程碑，正在急速地拓展新的应用领域和市场，渗透到工业监测探测、执法、安全、医疗、遥感、设备等商业用领域，改变了其长期以来主要用于军用领域的状况。 红外焦平面阵列是红外系统及热成像器件的关键部件，是置于红外光学系统焦平面上，可使整个视场内景物的每一个像元与一个敏感元相对应的多元平面阵列红外探测器件，在军事领域得到了广泛应用，拥有巨大的市场潜力和应用前景。目前许多国家，尤其是美国等西方军事发达国家，都花费大量的人力、物力和财力进行此方面的研究与开发，并获得了成功。 下面依次介绍其原工作原理、分类以及读出电路，并简述国内外发展情况以及展望其发展方向。 一、红外焦平面阵列原理 焦平面探测器的焦平面上排列着感光元件阵列，从无限远处发射的红外线经过光学系统成像在系统焦平面的这些感光元件上，探测器将接受到光信号转换为电信号并进行积分放大、采样保持，通过输出缓冲和多路传输系统，最终送达监视系统形成图像。 二、红外焦平面阵列分类 1、根据制冷方式划分 根据制冷方式，红外焦平面阵列可分为制冷型和非制冷型。制冷型红外焦平面目前主要采用杜瓦瓶快速起动节流致冷器集成体和杜瓦瓶斯特林循环致冷器集成体[5]。由于背景温度与探测温度之间的对比度将决定探测器的理想分辨率，所以为了提高探测仪的精度就必须大幅度的降低背景温度。当前制冷型的探测器其探测率达到～1011cmHz12W-1，而非制冷型的探测器为～109cmHz12W-1，相差为两个数量级。不仅如此，它们的其他性能也有很大的差别，前者的响应速度是微秒级而后者是毫秒级。 2、依照光辐射与物质相互作用原理划分 依此条件，红外探测器可分为光子探测器与热探测器两大类。光子探测器是基于光子与物质相互作用所引起的光电效应为原理的一类探测器，包括光电子发射探测器和半导体光电探测器，其特点是探测灵敏度高、响应速度快、对波长的探测选择性敏感，但光子探测器一般工作在较低的环境温度下，需要致冷器件。热探测器是基于光辐射作用的热效应原理的一类探测器，包括利用温差电效应制成的测辐射热电偶或热电堆，利用物体体电阻对温度的敏感性制成的测辐射热敏电阻探测器和以热电晶体的热释电效应为根据的热释电探测器。这类探测器的共同特点是：无选择性探测（对所有波长光辐射有大致相同的探测灵敏度），但它们多数工作在室温条件下。 3、按照结构形式划分 红外焦平面阵列器件由红外探测器阵列部分和读出电路部分组成。因此，按照结构形式分类，红外焦平面阵列可分为单片式和混成式两种。其中，单片式集成在一个硅衬底上，即读出电路和探测器都使用相同的材料。混成式是指红外探测器和读出电路分别选用两种材料，如红外探测器使用HgCdTe，读出电路使用Si。混成式主要分为倒装式和Z平面式两种。 4、按成像方式划分 红外焦平面阵列分为扫描型和凝视型两种，其区别在于扫描型一般采用时间延迟积分技术，采用串行方式对电信号进行读取；凝视型式则利用了二维形成一张图像，无需延迟积分，

非制冷红外热像仪完整版

非制冷红外热像仪完整 版 IMB standardization office【IMB 5AB- IMBK 08- IMB 2C】

红外成像阵列与系统 —非制冷红外热像仪简述 2013年11月8日 非制冷红外热像仪简述 摘要：非制冷红外热像仪是目前主流的夜视观察仪器之一,因其较高的可靠性在军事领域的低端应用、民用等方面有广阔的前景。它通过被测物体向外界发出的辐射能量来得到物体对应的温度。本文主要就非制冷红外热像仪的测温原理、发展状况、系统设计及其性能参数做简单的分析及介绍。比较了两种不同情况下的测温公式的优劣并且做出了相关推导，简单介绍了基于FPGA的非制冷红外热像仪的电路系统和通用型非制冷红外热像仪的性能参数及其一般测定方法。对以后的红外热成像系统的学习起到了一定帮助。 关键字：非制冷红外热像仪；测温原理；发展状况；系统设计；性能参数 The brief description of uncooled infrared thermal imager Yu Chun-kai, Wang Hui-ting, Qi Xiao-yun, Xu Jian Abstract: Currently, uncooled infrared thermal imager is one kind of mainstream devices on night vision. Because of its high reliability, uncooled infrared thermal imager has a broad prospect of application in military and civil field. It gains temperature of the detected object by the infrared radiation the object emits. This paper simply analyses and introduces temperature measuring principle, development status, system design and performance parameter on uncooled infrared thermal imager. We compared two different temperature measuring formulae in their respective situations and did the relevant derivation. We also introduced the circuit system which based on FPGA in uncooled infrared thermal imager and the performance parameter of general uncooled infrared thermal imager. This paper provides us much promotion about the future study of infrared thermal imaging system.

制冷式与非制冷式红外热像仪 菲力尔FLIR

科学/研发应用红外热像仪堪称功能强大的无创性工具。借助一款此类红外热像仪，你可以在设计阶段及早发现问题，以便在发展成更为严重且维修代价高昂的故障之前，将其记录在案并予以纠正。 应用于研发环境的红外热像仪 红外热像仪会接收无法被人眼所察觉热辐射，并将其转化为描绘某个目标物或场景中热量变化的图像。所有温度高于绝对零度的物体均会放射热能，热能由某些波段的电磁波谱辐射出来，而且辐射量会随着温度的上升而增加。FLIR 红外热像仪可用于实时捕获和记录热分布和热变化，有助于工程师和研究人员看清并精确测量设备、产品和工艺过程中的发热方式、热耗散、热泄漏以及其他温度因素。其中部分红外热像仪可区分细微至0.02?C 的温 度变化。它们均搭载了先进的探测技术和高级数学算法，以实现高性能，以及在-80?C 至+3000?C 之间精确测温。研发用红外热像仪系列整合了极高的成像性能和精确的测温功能，并配备强大的分析报告工具和软件，从而造就其成为范围广泛的研究、热试验和产品验证应用的理想之选。制冷式和非制冷式红外热像仪 研发/科学应用的红外热像仪系统拥有大量选择。因此，我们经常听到这样的问题：“我应该使用制冷式还是非制冷式红外热像仪系统？ 哪种系统更具有成本效益？”事实上，如今市场上售有两种类型的红外热像仪系统：制冷式和非制冷式系统。这两种类型的系统的组件成本大相径庭，因而决定选择哪种系统则变得极 为重要。 多年来，科学家、研究人员和研发专家热衷于将红外热像仪运用于广泛的应用领域中，包括工业研发、学术研究、无损检测(NDT)和材料检测，以及国防与航空航天等。但是，并非所有打造的红外热像仪均具有同等的品质功能，或者可用于一些专门的应用。譬如，如要获得精确的测量值，则需要配备高速定格动画功能的先进红外热像仪。 制冷式与非制冷式红外热像仪 配备制冷式探测器的红外热像仪可在快速移动活动中产生清晰的热图像。 FLIR A6700sc 是一款配备制冷锑化铟 (InSb) 探测器的紧凑型红外热像仪，价格极为经济实惠。 FLIR T650sc 非制冷式研发用红外热像仪具有较高的分辨率。高分辨率的图像可获得精确结果和可靠的测温 精确度。 世界第六感

红外焦平面阵列简介

红外焦平面阵列简介.doc 红外焦平面阵列简介 自从赫谢尔利第一次发现了红外辐射以来，人们就开始不断运用各种方法对红外辐射进行检测，并根据红外光的特点而加以应用，相继制成了各种红外探测器。进入20世纪后，红外探测器技术取得了惊人的进展，特别是冷战时期，军备竞赛各方投入巨资进行研究，突破了诸多难题，使红外探测器技术从30年代单一的PbS器件发展到现在的多个品种，从单元器件发展到目前焦平面信号处理的大型红外焦平面阵列。红外焦平面阵列技术作为红外探测技术发展的一个里程碑，正在急速地拓展新的应用领域和市场，渗透到工业监测探测、执法、安全、医疗、遥感、设备等商业用领域，改变了其长期以来主要用于军用领域的状况。 红外焦平面阵列是红外系统及热成像器件的关键部件，是置于红外光学系统焦平面上，可使整个视场内景物的每一个像元与一个敏感元相对应的多元平面阵列红外探测器件，在军事领域得到了广泛应用，拥有巨大的市场潜力和应用前景。目前许多国家，尤其是美国等西方军事发达国家，都花费大量的人力、物力和财力进行此方面的研究与开发，并获得了成功。 下面依次介绍其原工作原理、分类以及读出电路，并简述国内外发展情况以及展望其发展方向。 一、红外焦平面阵列原理 焦平面探测器的焦平面上排列着感光元件阵列，从无限远处发射的红外线经过光学系统成像在系统焦平面的这些感光元件上，探测器将接受到光信号转换为电信号并进行积分放大、采样保持，通过输出缓冲和多路传输系统，最终送达监视系统形成图像。二、红外焦平面阵列分类 1、根据制冷方式划分

根据制冷方式，红外焦平面阵列可分为制冷型和非制冷型。制冷型红外焦平面目前主要采用杜瓦瓶快速起动节流致冷器集成体和杜瓦瓶斯特林循环致冷器集成体[5]。由于背景温度与探测温度之间的对比度将决定探测器的理想分辨率，所以为了提高探测仪的精度就必须大幅度的降低背景温度。当前制冷型的探测器其探测率达到,1011cmHz12W-1，而非制冷型的探测器为,109cmHz12W-1，相差为两个数量级。不仅如此，它们的其他性能也有很大的差别，前者的响应速度是微秒级而后者是毫秒级。 2、依照光辐射与物质相互作用原理划分 依此条件，红外探测器可分为光子探测器与热探测器两大类。光子探测器是基于光子与物质相互作用所引起的光电效应为原理的一类探测器，包括光电子发射探测器和半导体光电探测器，其特点是探测灵敏度高、响应速度快、对波长的探测选择性敏感，但光子探测器一般工作在较低的环境温度下，需要致冷器件。热探测器是基于光辐射作用的热效应原理的一类探测器，包括利用温差电效应制成的测辐射热电偶或热电堆，利用物体体电阻对温度的敏感性制成的测辐射热敏电阻探测器和以热电晶体的热释电效应为根据的热释电探测器。这类探测器的共同特点是:无选择性探测(对所有波长光辐射有大致相同的探测灵敏度)，但它们多数工作在室温条件下。 3、按照结构形式划分 红外焦平面阵列器件由红外探测器阵列部分和读出电路部分组成。因此，按照结构形式分类，红外焦平面阵列可分为单片式和混成式两种。其中，单片式集成在一个硅衬底上，即读出电路和探测器都使用相同的材料。混成式是指红外探测器和读出电路分别选用两种材料，如红外探测器使用HgCdTe，读出电路使用Si。混成式主要分为倒装式和Z平面式两种。 4、按成像方式划分

非制冷红外热像仪完整版

红外成像阵列与系统 —非制冷红外热像仪简述

2013年11月8日 非制冷红外热像仪简述 摘要：非制冷红外热像仪是目前主流的夜视观察仪器之一,因其较高的可靠性在军事领域的低端应用、民用等方面有广阔的前景。它通过被测物体向外界发出的辐射能量来得到物体对应的温度。本文主要就非制冷红外热像仪的测温原理、发展状况、系统设计及其性能参数做简单的分析及介绍。比较了两种不同情况下的测温公式的优劣并且做出了相关推导，简单介绍了基于FPGA的非制冷红外热像仪的电路系统和通用型非制冷红外热像仪的性能参数及其一般测定方法。对以后的红外热成像系统的学习起到了一定帮助。 关键字：非制冷红外热像仪；测温原理；发展状况；系统设计；性能参数

The brief description of uncooled infrared thermal imager Yu Chun-kai, Wang Hui-ting, Qi Xiao-yun, Xu Jian Abstract: Currently, uncooled infrared thermal imager is one kind of mainstream devices on night vision. Because of its high reliability, uncooled infrared thermal imager has a broad prospect of application in military and civil field. It gains temperature of the detected object by the infrared radiation the object emits. This paper simply analyses and introduces temperature measuring principle, development status, system design and performance parameter on uncooled infrared thermal imager. We compared two different temperature measuring formulae in their respective situations and did the relevant derivation. We also introduced the circuit system which based on FPGA in uncooled infrared thermal imager and the performance parameter of general uncooled infrared thermal imager. This paper provides us much promotion about the future study of infrared thermal imaging system. Key words: uncooled infrared thermal imager; temperature measuring principle; development status; system design; performance parameter

非制冷红外成像技术与市场趋势-2016年

《非制冷红外成像技术与市场趋势-2016版》 Uncooled Infrared Imaging Technology & Market Trends 2016 购买该报告请联系： 麦姆斯咨询王懿 电子邮箱：wangyi#https://www.wendangku.net/doc/764165524.html,（#换成@） 麦姆斯咨询：在动态的红外成像市场中，厂商、技术和产品越来越多，因此竞争愈发激烈。2016~2021年，预计非制冷红外成像仪出货量的复合年增长率为15.8%。 受益于新应用拓展和价格下降，非制冷红外热像仪市场不断扩大 目前，红外业务主要由商业市场驱动，并将继续扩大市场规模。展望未来五年，商业市场出货量的复合年增长率为16.8%，到2021年将占整个红外市场规模的92%份额。商业市场主要有三大领域：热像仪（预计2021年出货量将达52.1万台）、汽车（预计2021年出货量将达28.4万台）、监控（预计2021年出货量将达24.8万台）。 2015年，热成像仍然是最主要的商业市场（包括营收和出货量两方面）。自2013年起，Fluke 和FLIR已经推出了几款低价新品，刺激了市场营收增长。超低端红外市场的产品价格下降明显，视觉温度计（visual thermometers）售价仅几百美元，例如FLIR TG130售价为200美元。热像仪的出货量将从2015年的21.2万台增至2021年的52.1万台，复合年增长率为16%。低端热成像仪的市场需求也促使低分辨率红外技术的发展和应用，如热释电、热电堆和热电偶。 2015年，由于价格下滑和供应商越来越多，监控市场的出货量增长了32%。一直以来，热成像摄像机主要应用于重要的高端监控和政府基础设施。然而，随着价格不断下降，新的市政和商业应用正在涌现，包括交通状况、停车场、发电站和光伏电站等。 2015年，汽车市场的出货量增长率15%，但是相比2014年的增速（30%）下降了不少。2015年整个汽车市场的出货量（包括OEM和后装市场）不到10万台，营收为6100万美元，也显示了较强的价格侵蚀现象。由于价格原因，长波红外（LWIR）夜视系统目前还仅限于高档汽车。预计2017年欧洲的中档汽车将配备奥托立夫的长波红外产品。从长期来看，好几家一级供应商都对长波红外技术很有兴趣，主要应用是自动驾驶汽车。但是，其它一些汽车制造商会考虑长波红外技术的性价比，认为目前的价格仍然太高，并且也不是自动驾驶汽车的必备技术。 Yole报告将完整地介绍长波红外成像仪的市场现状和预测，以及主要应用及发展动向。

非制冷红外成像技术及其应用

非制冷红外成像技术及其应用 蔡毅 昆明物理研究所，云南，昆明，650223 摘要：红外成像技术与微光图像增强技术是夜视技术的主要组成部分。非制冷红外成像技术包括量子型和热探测型成像技术两种，都是红外热成像技术的最新成就之一。在本文中，比较了这两种技术的特点，讨论了非制冷红外成像技术的优点、发展趋势和应用。 关键词：非制冷，红外成像，应用 Uncooled Infrared Imaging Technology and It’s Application CAI Yi Kunming Insitute of Physics, Kunming, Yunnan, P.R.China, 650223 Abstract: Night vision technology includes low-light-level image intensifier technology and infrared image technology. Uncooled infrared imaging technology is one of the newest achievements of infrared thermal imaging technology. Characterizations of the low-light-level image intensifier and Uncooled infrared imaging technologies are compared, then advantage, development and application of Uncooled infrared imaging technology is discussed in the paper. Keywords: Infrared Imaging，Uncooled Infrared Imaging，Application 1．红外成像技术与微光图像增强技术的比较 用于夜间观察的微光和热成像装置一般由信号接收、转换、处理和显示等四大部分组成。实现夜间观察不同的技术路线，必然要在这四大部件上反映出来。 夜间观察的基本矛盾是光强不足。解决问题的办法有：1）尽可能多的得到光能量，例如使用大口径望远镜，就可以有限的改善人眼在黄昏和明亮的夜晚的观察能力；微光和热成像装置也使用大口径的望远镜，如有的地面用热像仪口径达到245毫米；2）设法对光信号进行放大，不同的技术基础形成不同的技术路线；如应用真空光电子技术形成了一系列的微光成像器件，而以红外物理、半导体、微电子、真空、制冷、精密光学机械等技术则形成了一系列的热成像仪（TI）。3）在红外光谱波段观察目标的红外图像，克服光强不足的困难。如在微光技术中，将光电阴极的光谱响应延伸到近红外区，可以获取目标表面反射的近红外光，得到更多的光能量，改善微光成像器件的成像质量。而直接获取目标自身发射的热辐射信息，在长波红外区观察目标的热图像，则实现了真正意义上的夜视。 在微光图像增强器（L3I）中，用光电阴极将微弱的可见光和近红外光图像转换成相应的电子密度图像，其光阴极是连续和均匀的一个薄膜。在红外成像仪（IRI）中，用若干个分离探测元组成的探测器列阵将红外光转换成电信号。 微光成像器件的信号处理有五大特点：1）信号并行处理，2）信号在空域处理，3）信号是电子数量，4）信号是模拟量，5）信号原位处理。在半导体、微电子技术还不发达时，电真空技术的这些特点占尽优势，成为夜视技术的主流。 非制冷焦平面组件（UFPA）的信号处理有五大特点：1）信号串行处理，2）信号在时域处理，3）信号是电脉冲电平值，4）信号是数字量，5）信号分离处理，便于进行复杂的图像处理 163

氧化钒非制冷红外焦平面探测器芯片工艺研究

〈材料与器件〉 氧化钒非制冷红外焦平面探测器芯片工艺研究 袁 俊，太云见，雷晓虹，何雯瑾，陈 妞 （昆明物理研究所，云南昆明，650223） 摘要：非制冷红外探测器具有成本低廉、无需制冷等优异特点，在红外探测和红外成像领域占有极其重要的地位。从氧化钒非制冷焦平面探测器的牺牲层、支撑层、氧化钒等制备工艺进行了研究，为国内非制冷焦平面探测器工程化研究奠定了坚实的技术基础。 关键字：非制冷；红外焦平面；氧化钒；工艺 中图分类号：TN215 文献标识码：A 文章编号：1001-8891(2009)01-0001-04 Research on Fabrication of VO x UFPA Detectors YUAN Jun，TAI Yun-jian，LEI Xiao-hong，HE Wen-jing，CHENG Niu (Kunming Institute of Physics, Kunming Yunnan 650223, China) Abstract：High performance and inexpensive VO x infrared detectors play an important role in the field of thermal detection and imaging of objects, because of the advantages of high sensitivity at long-wavelength and room-temperature operation without cooling system. This paper focused on fabrication of sacrificial layers, supporting layers, vanadium oxides film, and so on, which is technology foundation for domestic uncooled infrared focal plane array. Key words：uncooled；infrared focal plane array；VO x film；sacrificial layers 引言 非制冷焦平面探测器按工作模式可分为3种类型：微测辐射热计（Microbolometer）、热释电型和热电堆。按结构可分为单片式和混成式，单片式非制冷焦平面探测器是在读出电路上用热隔离臂支撑悬空（即微桥结构）的红外探测敏感元列阵；而混成式非制冷焦平面探测器则是分别制作焦平面敏感元列阵和CMOS信号读出电路，最后采用铟柱倒装焊技术将二者组装在一起的红外焦平面列阵。与混成技术相比，单片式结构可消除伪边缘、晕圈和频闪等效应，其列阵邻近像元之间的完全隔离几乎消除了串音、图像拖影和模糊现象，因此，单片式的非制冷焦平面探测器较之混成式焦平面探测器具有潜在的性能优势[1]。 目前广泛使用的单片式非制冷焦平面探测器是微测辐射热计，所使用的热敏电阻材料主要是氧化钒、非晶硅和多元复合氧化物薄膜，并且以氧化钒（VO x）薄膜和非晶硅薄膜为热敏材料的焦平面探测器在国外已投入大批量的生产，而国内目前仍处于实验室阶段，产品更是空白。为此本文将展开对单片式红外焦平面探测器芯片工艺研究。 1 研究方案 320×240 VO x非制冷焦平面探测器组件由读出电路、微桥结构列阵、VO x薄膜材料、封装组成。其中VO x薄膜的作用是将红外辐射转变成电信号；微桥结构将在其上的VO x薄膜悬空起来，其极小的热容量和热导保证探测元有足够高的热灵敏度；读出电路将每个探测元的信号读出，变空间分布的电信号为时序信号，以便于实现凝视热成像，同时作为微桥结构的支撑衬底[2, 4]。为此我们采用了如图1的工艺流程对氧化钒非制冷焦平面探测器芯片展开了研究。 2 研制过程 2.1牺牲层制备

非制冷探测器

1 概非制冷探测器技术发展.doc况 自上世纪90年代，非制冷凝视型红外热像仪迅速进入应用市场。这种热像仪与制冷型凝视红外热像仪相比，虽然在温度分辨率等灵敏度方面还有很大差距，但具有一些突出的优点：不需制冷，成本低、功耗小、重量轻、小型化、启动快、使用方便、灵活、消费比高。 至今，非制冷红外焦平面阵列(FPA)技术已由小规模发展到中、大规模320×320和640×480阵列，在未来的几年内有望获得超大规模的1024×1024非制冷焦平面阵列（F PA）。像素尺寸也由50μm减小到25μm，使焦平面灵敏度进一步提高。这种非制冷红外成像系统在军用和民用领域应用越来越广泛，部分型号产品已装备部队，尤其在轻武器（枪械）瞄准具、驾驶员视力增强器、单兵头盔式观瞄、手持式（便携）热像仪等轻武器，以及部分导弹的红外成像末制导等方面，非致冷热像仪在近年内有望部分取代价格高、可靠性差、体积大而又笨重的制冷型热成像系统。 2 现状 1978年美国Texas Instruments在世界上首次研制成功第一个非制冷红外热像仪系统，主要红外材料为α-Si（非晶硅）与BST(钛酸锶钡)。1983年美国Honeywell开始研制室温下的热探测器，使用了硅微型机械加工技术，使热隔离性提高，成本降低。1990-1994年美国很多公司从Honeywell获技术转让，使以VOx（氧化钒）为探测材料的非制冷探测器得到了迅速广泛发展。VOx材料具有较高的热电阻系数，目前世界上性能最好的非制冷探测器就是采用VOx材料制备的，主要采用8~14μm波段3 20×240和160×120元的非制冷FPA器件，其结构按部件功能模块化（诸如，光学模块、FPA组件模块、信号读出处理电路模块和显示模块）。目前市场上有热像仪整机产品，也有各种功能模块单独出售，供用户选用。 3 国外主要几家公司研制生产状况 目前，国际上美国、法国、英国和日本的非制冷红外探测器研制生产水平居世界领先水平。英国的公司主要是BAE公司，正在研制生产PST-锆钛酸铅和BST-钛酸锶钡混合结构的热释电型陶瓷探测器，单元式结构的正在研制。

非制冷红外热成像技术的发展与现状

非制冷红外热成像技术的发展与现状 邢素霞,张俊举,常本康,钱芸生 (南京理工大学电子工程与光电技术学院,江苏南京 210094) 摘 要:非制冷红外焦平面技术在过去的几年内飞速发展,非制冷焦平面由原来的小规模,发展到中、大规模320@240和640@480阵列,在未来的几年内有望获得超大规模的1024@1024非制冷焦平面阵列。像素尺寸也由50L m 减小到25L m,提高了焦平面的灵敏度,使非制冷红外热成像 系统在军事领域得到了成功应用,部分型号已经装备于部队,并受到好评。今后,随着焦平面阵列规模的不断增大、像素尺寸的进一步减小,非制冷热成像系统在军事领域的应用将越来越广泛,尤其在轻武器瞄具、驾驶员视力增强器、手持式便携热像仪等轻武器方面,非制冷热成像系统在近年内有望逐步取代价格高、可靠性差、体积大等笨重的制冷型热成像系统。 关键词:非制冷焦平面阵列; 红外热成像; 轻武器 中图分类号:TN21 文献标识码:A 文章编号:1007-2276(2004)05-0441-04 Recent development and status of uncooled IR thermal imaging technology XING Su -xia,Z HANG Jun -ju,C HANG Ben -kang,QI AN Yun -sheng (Opto -electronics Academy,Nanjing Universi ty of Science &Technology,Nanji ng 210094,China) Abstract:From small scale to medium and large scale 320@240,640@480unc ooled focal plane array (UFPA),uncooled infrared technology has been developed rapidly in recent years,and 1024@1024FPAs are expec ted in the future.The pixel pitch is also developed from 50~25L m,and the sensitivity is improved largely,so that the thermal imaging system is applied successfully in military affairs.Part model has been armed in military and measured well.In the future,with the developing larger scale and smaller pixel of UF -P A,the application of unc ooled thermal imaging system will be wider,especially in light thermal weapon,such as light weapon vision,driver vision enhancer and handle ther mal system,uncooled ther mal imaging syste m is expected to replace the high price,low reliability,big bulk cooled thermal imaging system gradually in recent years. Key words:Uncooled focal plane array; Infrared thermal imaging; Light weapon 0 引 言 红外热成像仪是一种可探测目标的红外辐射,并 通过光电转换、电信号处理等手段,将目标物体的温 度分布图像转换成视频图像的设备,是集光、机、电等尖端技术于一体的高新技术产品。在军事领域,它可以突破黑夜的障碍,实施夜间行动和作战,大幅度提 收稿日期:2003-11-07; 修订日期:2003-12-29 作者简介:邢素霞(1975-),女,山东菏泽人,博士生,主要从事红外热成像系统方面的研究。 第33卷第5期 红外与激光工程 2004年10月 Vol.33No.5 Infrared and Laser Engineering Oct.2004