非制冷紅外熱像儀論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 薄膜材料研究項目已于2000年12月通過中國科學院上海分院鑒定。該項目采用新工藝制備的鈦酸鍶鋇鐵薄膜材料性能達到國際領先水平。與美國TI公司演示的第一代非制冷探測器所使用的材料相同。這表明我國在非制冷熱成像技術研究上還有很大潛力。我國在非制冷紅外熱成像方面的研究主要集中在部分高等院校和研究院所。這些研究單位主要進行探測器陣列及其工藝的研究。而經營非制冷紅外熱像儀的公司大部分只停留在制作一些外圍設備和開發軟件的業務上，最核心的機芯部分都是從國外進口。國內具有較強研發實力、擁有自主知識產權、能夠獨立開發紅外熱像儀后續電路和圖像處理軟件的民用企業主要為武漢德高紅外股份有限公司，浙江大立科技和廣州颯特電力紅外技術有限公司等。這三家公司占據了60%的中國民用市場份額，產業集聚現象比較明顯。近日，中國航天科技集團公司九院771所非制冷紅外熱像儀產品化技術研究項目順利通過結題驗收，標志著該所從技術、工藝可實現性方面掌握了便攜式紅外熱像儀系統設計方法。該所組織研發團隊通過所內立項的方式進行非制冷紅外熱像儀產品化關鍵技術攻關。該項目此次通過驗收為今后以傳感器為核心的光電系統研發奠定了堅實的基礎，也為后續相關產品的開發開拓了更廣闊的天地。根據非制冷紅外熱像儀的市場需求，未來非制冷紅外熱成像技術的主要發展方向為：（1）發展高性能的非制冷紅外焦平面陣列。主要用于滿足軍事裝備的需要。其性能要求如下：1)相同性能條件下進一步減小像素的尺寸；2）響應時間短，滿足目標搜索的需要；3）低功耗；4）高分辨率；5）發展大陣列；6）進一步縮小系統體積；（2）發展低成本的非制冷紅外焦平面陣列。適用于對分辨率要求不太高的場合，主要市場在民用領域。其性能要求如下： 1)提高探測器的靈敏度，采用新的光學材料； 2)發展小陣列； 3）要易于操作； 4）在封裝上，采用集成干膠片技術。2 非制冷紅外熱像儀的測溫原理及其理論基礎紅外熱像儀的測溫方式相比于其他測溫方式相比在以下兩種情況下具有明顯的優勢[3]：(1)溫度分布不均勻的大面積目標的表面溫度場的測量；(2)在有限的區域內快速確定過熱點或過熱區域的測量。而非制冷紅外熱像儀更是在此基礎上大量地降低了成本、提高了使用率。 紅外熱像儀的測溫原理及理論基礎紅外熱成像技術是在紅外波段3μm~6μm和8μm~14μm兩個大氣窗口，利用場景中物體本身的熱輻射，將熱目標的紅外圖像轉換為可見光圖像。其轉換過程為[4]：熱像儀對準目標時其瞬時視場將物體的表面看作一個個像元，然后通過內部機構將含有像元溫度的輻射能量匯聚到探測器上，從而探測器的輸出電信號幅度與輸入的輻射能量大小成正比，最后經信號處理在顯示器上顯示出對應于物體表面溫度分布的熱像圖。在整個過程中，熱像儀陣列的每個傳感器接受對應于目標上的一個像元，每個像元對應的輸入輻射在焦平面上成像，隨后通過置于焦平面的光電或是熱電系統將每個像元含有的輻射能轉換為電信號，再經過后置電路的放大及去噪顯示在顯示器上。紅外熱成像的理論基礎是斯忒藩——玻爾茲曼定律。該定律指出黑體表面單位面積所發射的各種波長的總輻射功率與其熱力學溫度的四次方成正比。即[5] （）式中，為黑體表面單位面積所發射的各種波長的總輻射功率，為其對應的熱力學溫度，為斯忒藩常數， 。而在紅外波長范圍內實際物體的熱輻射可近似看作灰體輻射，灰體接近黑體輻射的程度被稱為灰體的發射率，且該參數不隨波長的改變而改變。換言之，發射率能夠說明物體的輻射本領與同溫度同測量條件下黑體的輻射本領之比。如果將輻射功率看成是波長和對應熱力學溫度的函數，那么紅外波長范圍下的物體表面單位面積所發射的各波長的總輻射功率與黑體表面單位面積所發射的各波長的總輻射功率可分別表示為 （）和 （）又根據發射率的定義，有 （）而紅外波長范圍的物體發射率不隨波長而改變，故可得到 （）所以 （）上述四個公式中，為紅外波長范圍下的物體表面單位面積所發射的各波長的總輻射功率，為紅外波長范圍下的物體表面單位面積所發射的單一波長的輻射功率，為黑體表面單位面積所發射的各波長的總輻射功率，為黑體表面單位面積所發射的單一波長的輻射功率，為被測物體的發射率，為所測量輻射對應的熱力學溫度，為斯忒藩常數。在實際的測量過程中，紅外熱像儀所接收到的輻射包括[4]：(1)被測物體表面本身的輻射能量；(2)被測物體表面反射的環境輻射能量；(3)被測物體表面透射的環境輻射能量。所以探測器接收到的溫度不是真實溫度，在實際測溫時通常要先用高精度黑體對熱像儀進行標定，找出物體表面的輻射溫度與其真實溫度二者之間的關系，并對此進行修正，這樣才能在最終的成像顯示結果中得到被測物體的真實溫度。物體表面的輻射溫度與其真實溫度二者之間的對應關系如下[5]。假設被測物體表面本身的輻射能量為，被測物體表面反射的環境輻射能量為，被測物體表面透射的環境輻射能量，紅外熱像儀所接收到的輻射能量為，則有 （）又設被測物體的發射率為，反射率為，透射率，環境輻射能量為，與被測器件表面相同的黑體輻射能量為，則有 （） （）和 （）根據式（）有 （）又根據，有 （）設被測物體表面的輻射溫度為，物體真實溫度為，環境溫度為，環境的發射率為則結合式（）和式（）可得 （）即 （）這樣就找到了被測物體表面的輻射溫度和其真實溫度之間的關系，從而可根據此關系式對紅外熱像儀進行標定。若考慮大氣與環境溫度不一致。 紅外熱像儀熱輻射示意圖圖中，1—環境，2—被測物體，3—大氣，4—紅外熱像儀，為