紅外焦平面探測器技術的發展

1焦平面探測器的快速響應特性紅外焦耳三維勘探的開發和應用極大地提高了紅外熱成像系統的性能，主要體現在兩個方面：（1）系統的熱度靈活水平顯著提高，可以通過理論上提高到單元探測器（nh）的1.2倍，其中nh指的是焦平面矩陣單元的數量，nv指的是一系列單元的數量。（2）它最大地利用了探測器的快速響應功能。理論上，使用焦平面勘探系統的紅色外熱圖像系統的景觀輻射響應時間僅受探測器時間和掃描次數的限制，不受掃描機構和掃描速度的影響，保證了紅外熱圖像系統的高視頻操作。除此之外,紅外焦平面探測器的使用還簡化了紅外熱成像系統的光機掃描機構,縮小了系統的體積,減輕了系統的質量。總之,紅外焦平面探測器的研制和使用進一步增加了紅外熱成像系統的靈敏度和可靠性,擴展了應用范圍。2成像系統的視場性質和運動速度在水下活動的潛艇,由于水分子對紅外輻射的吸收,其本身所發出的紅外輻射很難被處于水面上的紅外熱成像系統探測到。但是,潛艇在水下的一切活動,包括潛艇推進中表面與海水的摩擦、各種設備的運轉甚至人員的活動等,都需要消耗能量。從能量轉化和守恒定律的觀點來看,所有消耗的能量最終都轉化為熱能的形式,并不可避免地要耗散到周圍的環境也就是海水中,從而使潛艇周圍的海水溫度升高。溫度升高的海水隨著對流到達海面,并維持一小段時間。這樣,在水下潛艇剛經過的地方,海面上的水溫與周圍的海水溫度有細小的差異,所以其紅外輻射也存在差異,紅外熱成像系統可以將海面海水的這種紅外輻射差異轉換為電信號并形成可見光圖像,從而顯示出潛艇的航跡。當然,要探測到海面上水溫的這一極小差異,紅外熱成像系統必須具有極高的靈敏度才可以做到,理論計算和分析表明,采用焦平面列陣探測器的紅外熱成像系統具有極高的靈敏度,可以在一定距離外探測到海面上水溫的這一細小差異。利用紅外熱成像系統進行反潛探測一般用飛機作為承載平臺,下視搜索目標,這時無疑需要很大的視場,但是現有的紅外焦平面列陣探測器其列陣一般都還比較小,覆蓋的視場也不會很大(一般為3~5°),所以在反潛探測中紅外熱成像系統還必須采用某種掃描方式來覆蓋大視場。在實際使用中,基于焦平面探測器的紅外熱成像系統一般采用一種稱為“分級凝視掃描”的方式來覆蓋大視場,如圖1所示。在這種方式下,紅外熱成像系統本身是處于凝視的工作方式,所以可以在很高幀頻下工作,現階段一般可做到100Hz。由此可見,當紅外熱成像系統的凝視視場角取為5°時,“分級凝視掃描”的角速度最高可達500(°)/s,紅外熱成像系統也不會丟失掃描區域的圖像信息。作為紅外熱成像系統承載平臺的飛機在海面上的飛行則構成了紅外熱成像系統的推掃結構,如圖2所示。為了保證紅外熱成像系統在推掃過程中不丟失掃描區域的信息,對平臺的運動速度有一定限制。假設平臺處于海面上空1.5km處,“分級凝視掃描”的視場角為120°,由此可以計算出在500(°)/s的掃描角速度下一次“分級凝視掃描”所需時間為0.24s,而“分級凝視掃描”視場的最窄處此時為130m(如圖2所示),所以平臺的運動速度必須小于130/0.24=541m/s才能保證紅外熱成像系統在推掃過程中不丟失掃描區域的信息,這一速度對一般飛機而言是一個很高的速度,所以一般情況下,紅外熱成像系統在推掃過程中也不會丟失掃描區域的信息。從以上分析可以看出,當平臺在1.5km高空時,紅外熱成像系統“分級凝視掃描”可覆蓋的海面寬度大約為5.2km,再加上平臺高速運動的推掃結構,紅外熱成像系統可以以成像方式快速掃描大片海面,比較適合反潛探測的需要。3初始噪聲信號轉換首先推導焦平面探測器中的某個探測單元輸出的計算公式。假設目標是溫度為T0的絕對黑體,與紅外成像系統的距離為D,其光譜輻射出射度為Meo(λ,T)。對于朗伯輻射源,光譜輻射出射度與亮度之間的關系為:Le(λ)=1πMeo(λ,T)(1)Le(λ)=1πΜeo(λ,Τ)(1)若目標輻射表面與視線垂直,則在入瞳內的光譜輻射通量為:Φe(λ)=τa(λ)Ie(λ)Ω0=τa(λ)Le(λ)AobΩ0=(2)1πτa(λ)AobΩ0Meo(λ,T)Φe(λ)=τa(λ)Ιe(λ)Ω0=τa(λ)Le(λ)AobΩ0=(2)1πτa(λ)AobΩ0Μeo(λ,Τ)式中τa(λ)——大氣光譜透過率;Aob——進入紅外熱成像系統單元視場內的目標面積;Ω0=A0/D2——目標輻射對面積為A0的光學系統入瞳所張的立體角。則對光譜靈敏度為Sn(λ)的輻射接收器,其輸出端的信號等于:Uc=∫λ2λ1Φe(λ)τ0(λ)Sn(λ)dλ=1πAobA0D2∫λ2λ1τa(λ)τ0(λ)Sn(λ)Meo(λ,T)dλ(3)Uc=∫λ1λ2Φe(λ)τ0(λ)Sn(λ)dλ=1πAobA0D2∫λ1λ2τa(λ)τ0(λ)Sn(λ)Μeo(λ,Τ)dλ(3)式中τ0(λ)為光學系統的光譜透過率,在探測器敏感的紅外波段內可假設其光譜透過率為常數,記為τ0。由Sn(λ)的定義,可得:Sn(λ)=UmD?(λ)/AnΔfe????????√(4)Sn(λ)=UmD*(λ)/AnΔfe?(4)式中Um——噪聲信號(V);D*(λ)——比探測率(cmHz1/2W-1);An——單元輻射接收器的面積(cm2);Δfeφ——讀出放大器的等效噪聲帶寬(Hz)。由此可得讀出放大器輸出端的信號為:Uc=τ0πAobUmA0D21AnΔfe?√×∫λ2λ1τa(λ)D?(λ)Meo(λ,T)dλ(5)Uc=τ0πAobUmA0D21AnΔfe?×∫λ1λ2τa(λ)D*(λ)Μeo(λ,Τ)dλ(5)考慮到目標一般為灰體,發射率小于1,所以假設:在光譜工作范圍內目標的光譜發射率為常數,即ε0(λ,T)=ε0,則讀出放大器輸出端的信號電壓為:Uc=τ0πAobUmA0D21AnΔfe?√×∫λ2λ1τa(λ)D?(λ)ε0Meo(λ,T)dλ(6)Uc=τ0πAobUmA0D21AnΔfe?×∫λ1λ2τa(λ)D*(λ)ε0Μeo(λ,Τ)dλ(6)為了與圖像處理中信噪比的定義相對應,可定義原始紅外圖像的信噪比如下:SNR=|Uc?Ub|Um(7)SΝR=|Uc-Ub|Um(7)式中Uc——目標對應的探測單元的輸出電壓信號;Ub——背景對應的探測單元的輸出電壓信號;Um——輻射接收器的等效噪聲電壓信號。代入公式(6),則紅外圖像的信噪比計算公式可寫為:SNR=τ0πAobA0D21AnΔfe?√×∫λ2λ1D?(λ)τa(λ)(ε0Meo(λ,To)?εbMeo(λ,Tb))dλ(8)SΝR=τ0πAobA0D21AnΔfe?×∫λ1λ2D*(λ)τa(λ)(ε0Μeo(λ,Τo)-εbΜeo(λ,Τb))dλ(8)應用中,紅外熱成像系統的目標和背景都是海水,所以有ε0=εb=0.96。紅外熱成像系統的主要參量有:128元×128元,單元大小為50μm×50μm,工作波段為8~10.6μm,探測器峰值比探測率為1×1011cmHz1/2W-1,幀頻100Hz,探測器積分時間為10μs,系統凝視視場角5°,光學系統入瞳孔徑為5cm,f/D=1.5,透過率為0.8。除以上參量之外,可由LOWTRAN7計算出大氣的光譜透過率τa(λ)。這時可設海水處于常溫,即293K,而水下有潛艇經過時,其海面水溫升高了0.2K,即目標區海面水溫為293.2K,在某些情況下,如對具有特別重要戰略意義的核潛艇,因為要定時排放所積聚的高溫熱水,很有可能在海面上形成這樣的紅外軌跡。在此情況下,可由公式(8)計算出紅外熱成像系統輸出圖像的信噪比:當目標區出現在平臺正下方時,輸出圖像的信噪比為5.8;當目標區出現在“分級凝視掃描”區的邊緣時,輸出圖像的信噪比為5.3。對于當前的自動目標識別系統,在圖像信噪比大于4的情況下,其單幀探測概率大于90%,所以基于焦平面探測器的紅外熱成像系統,在溫差有0.2K情況下提供的圖像是可以滿足反潛探測需要的。可以預言,隨著焦平面紅外探測器的進一步發展,其靈敏度會更高,可以分辨的海面溫差會更小,實際上,在國外已經研制成功比計算中靈敏度更高、面陣更大的焦平面探測器,