無基底焦平面陣列的紅外成像優(yōu)化及應(yīng)用研究.pdf

1、紅外成像除了軍事用途外，近些年隨著非制冷紅外成像技術(shù)的長足發(fā)展，已經(jīng)越來越廣泛的應(yīng)用到諸如工業(yè)、醫(yī)療、汽車、監(jiān)控等領(lǐng)域。在非制冷紅外成像技術(shù)中，本課題組設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種新型光學(xué)讀出非制冷紅外成像系統(tǒng)。本文在課題組研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了讀出光路方面的優(yōu)化研究、大氣環(huán)境下無基底FPA（焦平面陣列）的熱機(jī)械性能研究、光讀出紅外圖像的復(fù)原優(yōu)化研究等工作。
　　首先進(jìn)行了讀出光路方面的優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)考慮讀出光路中LED（發(fā)光二極管）光源的實(shí)際尺寸

2、時(shí)，仍將LED光源簡化為理想點(diǎn)光源會引起較大誤差。因此本文建立了面光源模型，解釋了光學(xué)檢測靈敏度并沒有隨著FPA反光板尺寸的降低而出現(xiàn)大幅降低的難題（理想點(diǎn)光源模型認(rèn)為應(yīng)該是線性降低）。通過夫瑯禾費(fèi)衍射理論，研究了面光源影響下的光學(xué)檢測靈敏度，發(fā)現(xiàn)了光學(xué)檢測靈敏度隨光源半徑和焦平面陣列反光板長度的變化關(guān)系，提出了面光源影響下的光源尺寸、反光板長度、透鏡焦距、讀出光源波長的優(yōu)化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
　　詳細(xì)分析了光讀出中關(guān)鍵

3、參數(shù)——刀口的最佳濾波位置，發(fā)現(xiàn)最佳濾波位置與光強(qiáng)的關(guān)系，并通過一系列步驟計(jì)算找到最佳刀口濾波位置，設(shè)計(jì)并加工制作了自適應(yīng)的刀口濾波系統(tǒng)，解決了通過手工調(diào)節(jié)刀口濾波位置帶來的精度差、參數(shù)難量化、重復(fù)性差的問題。
　　分析了大氣環(huán)境下無基底FPA的熱機(jī)械性能，通過分析無基底FPA的結(jié)構(gòu)，通過電學(xué)模型類比無基底FPA在大氣環(huán)境下的三個(gè)熱交換機(jī)制，得出無基底FPA在大氣環(huán)境下仍然具有一定的紅外成像的能力，其NETD（噪聲等效溫差）雖然會

4、有一定程度的降低，但有基底FPA則完全無法熱成像。
　　對光學(xué)讀出紅外圖像進(jìn)行了優(yōu)化研究，不同于電學(xué)讀出每個(gè)測量單元下都集成了一個(gè)微讀出電路，光讀出是通過可見光讀出光路測量FPA反光板吸收紅外輻射的轉(zhuǎn)角變化，這樣很難保證FPA上的一個(gè)像元正好對應(yīng)讀出光路中CCD(電荷耦合器件)上的一個(gè)像元，本文研究了FPA上的一個(gè)像元與采集CCD上一個(gè)像元之間的關(guān)系，通過滿足一定的成像判定條件，將CCD上采集的圖像進(jìn)行了一比一圖像重構(gòu)。同時(shí)對無基

5、底FPA自身熱串?dāng)_復(fù)原進(jìn)行了研究，通過有限元模擬熱串?dāng)_的幅度和尺度，建立了熱串?dāng)_復(fù)原模型。通過一比一重構(gòu)和無基底FPA熱串?dāng)_復(fù)原模型，第一次還原了光讀出圖像和電讀出圖像的不同，能夠?qū)⒐庾x出圖像化歸為目前廣泛使用的電讀出圖像進(jìn)行處理。
　　對紅外熱像儀進(jìn)行了的相關(guān)開發(fā)應(yīng)用，集成化、小型化光讀出紅外熱像儀的研制開發(fā)中，最重要的是進(jìn)行FPA芯片的真空封裝、可見光讀出光路的小型化集成、后端圖像采集系統(tǒng)的研發(fā)和光讀出紅外成像軟件的開發(fā)。針對

6、光讀出紅外成像自身的特點(diǎn)，考慮到光讀出紅外圖像的重構(gòu)和熱串?dāng)_復(fù)原，并集成分區(qū)校正（分均勻校正）、數(shù)字圖像細(xì)節(jié)增強(qiáng)、LED光源亮度、擋板機(jī)構(gòu)等外設(shè)調(diào)節(jié)，開發(fā)了光讀出非制冷紅外熱像儀分析軟件。
　　目前紅外無損檢測的發(fā)展很快，基于鎖相的紅外無損檢測以其不需要很高的采集幀頻和很高的探測精度是未來紅外無損檢測實(shí)用化、工程化的首選。本文還進(jìn)行了鎖相紅外無損探傷裝置的研究和開發(fā)，設(shè)計(jì)了鎖相紅外裝置并成功用于實(shí)驗(yàn)，通過理論分析和實(shí)驗(yàn)對比，取得了