紅外焦平面探測(cè)器技術(shù)的發(fā)展

1焦平面探測(cè)器的快速響應(yīng)特性紅外焦耳三維勘探的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用極大地提高了紅外熱成像系統(tǒng)的性能，主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：（1）系統(tǒng)的熱度靈活水平顯著提高，可以通過(guò)理論上提高到單元探測(cè)器（nh）的1.2倍，其中nh指的是焦平面矩陣單元的數(shù)量，nv指的是一系列單元的數(shù)量。（2）它最大地利用了探測(cè)器的快速響應(yīng)功能。理論上，使用焦平面勘探系統(tǒng)的紅色外熱圖像系統(tǒng)的景觀輻射響應(yīng)時(shí)間僅受探測(cè)器時(shí)間和掃描次數(shù)的限制，不受掃描機(jī)構(gòu)和掃描速度的影響，保證了紅外熱圖像系統(tǒng)的高視頻操作。除此之外,紅外焦平面探測(cè)器的使用還簡(jiǎn)化了紅外熱成像系統(tǒng)的光機(jī)掃描機(jī)構(gòu),縮小了系統(tǒng)的體積,減輕了系統(tǒng)的質(zhì)量。總之,紅外焦平面探測(cè)器的研制和使用進(jìn)一步增加了紅外熱成像系統(tǒng)的靈敏度和可靠性,擴(kuò)展了應(yīng)用范圍。2成像系統(tǒng)的視場(chǎng)性質(zhì)和運(yùn)動(dòng)速度在水下活動(dòng)的潛艇,由于水分子對(duì)紅外輻射的吸收,其本身所發(fā)出的紅外輻射很難被處于水面上的紅外熱成像系統(tǒng)探測(cè)到。但是,潛艇在水下的一切活動(dòng),包括潛艇推進(jìn)中表面與海水的摩擦、各種設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)甚至人員的活動(dòng)等,都需要消耗能量。從能量轉(zhuǎn)化和守恒定律的觀點(diǎn)來(lái)看,所有消耗的能量最終都轉(zhuǎn)化為熱能的形式,并不可避免地要耗散到周圍的環(huán)境也就是海水中,從而使?jié)撏е車暮Ｋ疁囟壬摺囟壬叩暮ＫS著對(duì)流到達(dá)海面,并維持一小段時(shí)間。這樣,在水下潛艇剛經(jīng)過(guò)的地方,海面上的水溫與周圍的海水溫度有細(xì)小的差異,所以其紅外輻射也存在差異,紅外熱成像系統(tǒng)可以將海面海水的這種紅外輻射差異轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并形成可見(jiàn)光圖像,從而顯示出潛艇的航跡。當(dāng)然,要探測(cè)到海面上水溫的這一極小差異,紅外熱成像系統(tǒng)必須具有極高的靈敏度才可以做到,理論計(jì)算和分析表明,采用焦平面列陣探測(cè)器的紅外熱成像系統(tǒng)具有極高的靈敏度,可以在一定距離外探測(cè)到海面上水溫的這一細(xì)小差異。利用紅外熱成像系統(tǒng)進(jìn)行反潛探測(cè)一般用飛機(jī)作為承載平臺(tái),下視搜索目標(biāo),這時(shí)無(wú)疑需要很大的視場(chǎng),但是現(xiàn)有的紅外焦平面列陣探測(cè)器其列陣一般都還比較小,覆蓋的視場(chǎng)也不會(huì)很大(一般為3~5°),所以在反潛探測(cè)中紅外熱成像系統(tǒng)還必須采用某種掃描方式來(lái)覆蓋大視場(chǎng)。在實(shí)際使用中,基于焦平面探測(cè)器的紅外熱成像系統(tǒng)一般采用一種稱為“分級(jí)凝視掃描”的方式來(lái)覆蓋大視場(chǎng),如圖1所示。在這種方式下,紅外熱成像系統(tǒng)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(xiàn)階段一般可做到100Hz。由此可見(jiàn),當(dāng)紅外熱成像系統(tǒng)的凝視視場(chǎng)角取為5°時(shí),“分級(jí)凝視掃描”的角速度最高可達(dá)500(°)/s,紅外熱成像系統(tǒng)也不會(huì)丟失掃描區(qū)域的圖像信息。作為紅外熱成像系統(tǒng)承載平臺(tái)的飛機(jī)在海面上的飛行則構(gòu)成了紅外熱成像系統(tǒng)的推掃結(jié)構(gòu),如圖2所示。為了保證紅外熱成像系統(tǒng)在推掃過(guò)程中不丟失掃描區(qū)域的信息,對(duì)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度有一定限制。假設(shè)平臺(tái)處于海面上空1.5km處,“分級(jí)凝視掃描”的視場(chǎng)角為120°,由此可以計(jì)算出在500(°)/s的掃描角速度下一次“分級(jí)凝視掃描”所需時(shí)間為0.24s,而“分級(jí)凝視掃描”視場(chǎng)的最窄處此時(shí)為130m(如圖2所示),所以平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度必須小于130/0.24=541m/s才能保證紅外熱成像系統(tǒng)在推掃過(guò)程中不丟失掃描區(qū)域的信息,這一速度對(duì)一般飛機(jī)而言是一個(gè)很高的速度,所以一般情況下,紅外熱成像系統(tǒng)在推掃過(guò)程中也不會(huì)丟失掃描區(qū)域的信息。從以上分析可以看出,當(dāng)平臺(tái)在1.5km高空時(shí),紅外熱成像系統(tǒng)“分級(jí)凝視掃描”可覆蓋的海面寬度大約為5.2km,再加上平臺(tái)高速運(yùn)動(dòng)的推掃結(jié)構(gòu),紅外熱成像系統(tǒng)可以以成像方式快速掃描大片海面,比較適合反潛探測(cè)的需要。3初始噪聲信號(hào)轉(zhuǎn)換首先推導(dǎo)焦平面探測(cè)器中的某個(gè)探測(cè)單元輸出的計(jì)算公式。假設(shè)目標(biāo)是溫度為T0的絕對(duì)黑體,與紅外成像系統(tǒng)的距離為D,其光譜輻射出射度為Meo(λ,T)。對(duì)于朗伯輻射源,光譜輻射出射度與亮度之間的關(guān)系為:Le(λ)=1πMeo(λ,T)(1)Le(λ)=1πΜeo(λ,Τ)(1)若目標(biāo)輻射表面與視線垂直,則在入瞳內(nèi)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(guò)率;Aob——進(jìn)入紅外熱成像系統(tǒng)單元視場(chǎng)內(nèi)的目標(biāo)面積;Ω0=A0/D2——目標(biāo)輻射對(duì)面積為A0的光學(xué)系統(tǒng)入瞳所張的立體角。則對(duì)光譜靈敏度為Sn(λ)的輻射接收器,其輸出端的信號(hào)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(xué)系統(tǒng)的光譜透過(guò)率,在探測(cè)器敏感的紅外波段內(nèi)可假設(shè)其光譜透過(guò)率為常數(shù),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(hào)(V);D*(λ)——比探測(cè)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(hào)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(biāo)一般為灰體,發(fā)射率小于1,所以假設(shè):在光譜工作范圍內(nèi)目標(biāo)的光譜發(fā)射率為常數(shù),即ε0(λ,T)=ε0,則讀出放大器輸出端的信號(hào)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(duì)應(yīng),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(biāo)對(duì)應(yīng)的探測(cè)單元的輸出電壓信號(hào);Ub——背景對(duì)應(yīng)的探測(cè)單元的輸出電壓信號(hào);Um——輻射接收器的等效噪聲電壓信號(hào)。代入公式(6),則紅外圖像的信噪比計(jì)算公式可寫(xiě)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(yīng)用中,紅外熱成像系統(tǒng)的目標(biāo)和背景都是海水,所以有ε0=εb=0.96。紅外熱成像系統(tǒng)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(cè)器峰值比探測(cè)率為1×1011cmHz1/2W-1,幀頻100Hz,探測(cè)器積分時(shí)間為10μs,系統(tǒng)凝視視場(chǎng)角5°,光學(xué)系統(tǒng)入瞳孔徑為5cm,f/D=1.5,透過(guò)率為0.8。除以上參量之外,可由LOWTRAN7計(jì)算出大氣的光譜透過(guò)率τa(λ)。這時(shí)可設(shè)海水處于常溫,即293K,而水下有潛艇經(jīng)過(guò)時(shí),其海面水溫升高了0.2K,即目標(biāo)區(qū)海面水溫為293.2K,在某些情況下,如對(duì)具有特別重要戰(zhàn)略意義的核潛艇,因?yàn)橐〞r(shí)排放所積聚的高溫?zé)崴?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(jì)算出紅外熱成像系統(tǒng)輸出圖像的信噪比:當(dāng)目標(biāo)區(qū)出現(xiàn)在平臺(tái)正下方時(shí),輸出圖像的信噪比為5.8;當(dāng)目標(biāo)區(qū)出現(xiàn)在“分級(jí)凝視掃描”區(qū)的邊緣時(shí),輸出圖像的信噪比為5.3。對(duì)于當(dāng)前的自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別系統(tǒng),在圖像信噪比大于4的情況下,其單幀探測(cè)概率大于90%,所以基于焦平面探測(cè)器的紅外熱成像系統(tǒng),在溫差有0.2K情況下提供的圖像是可以滿足反潛探測(cè)需要的。可以預(yù)言,隨著焦平面紅外探測(cè)器的進(jìn)一步發(fā)展,其靈敏度會(huì)更高,可以分辨的海面溫差會(huì)更小,實(shí)際上,在國(guó)外已經(jīng)研制成功比計(jì)算中靈敏度更高、面陣更大的焦平面探測(cè)器,