紅外熱成像技術(shù)及在智能視頻監(jiān)控中的應(yīng)用

七十年代，中國有關(guān)單位已經(jīng)開始對(duì)紅外熱成像技術(shù)進(jìn)行研究。八十年代末，中國已經(jīng)研制成功了實(shí)時(shí)紅外成像樣機(jī)，其靈敏度、溫度分辨率都達(dá)到很高的水平。進(jìn)入九十年代，中國在紅外成像設(shè)備上使用低噪聲寬頻帶前置放大器，微型致冷器等關(guān)鍵技術(shù)方面有了發(fā)展，并且從實(shí)驗(yàn)走向應(yīng)用。如用于部隊(duì)的便攜式野戰(zhàn)熱像儀，反坦克飛彈、防空雷達(dá)以及坦克、軍艦火炮等。

近幾年來，中國的紅外成像技術(shù)得到突飛猛進(jìn)的發(fā)展，與西方的差距正在逐步縮小，有些設(shè)備的先進(jìn)性也可同西方同步。如目前己能生產(chǎn)面積小于30μm2的1000×1000像素的探測器陣列，由于采用了基于銻化銦的新器件，目前己達(dá)到了分辨率小干0.01℃的溫差，使對(duì)目標(biāo)的識(shí)別達(dá)到更高的水平。

紅外熱成像儀，可以分為致冷型和非致冷型兩大類。紅外電視產(chǎn)品和非致冷焦平面熱成像儀是非致冷型產(chǎn)品，其他為致冷型紅外熱成像儀。

前一代的熱像儀主要由帶有掃描裝置的光學(xué)儀器和電子放大線路、顯示器等部件組成，已經(jīng)成功裝備部隊(duì)，并己用于夜間的地面觀察、空中偵查、水面保險(xiǎn)等方面。

目前，新的熱成像儀主要采用非致冷焦平面陣列技術(shù)，集成數(shù)萬個(gè)乃至數(shù)十萬個(gè)信號(hào)放大器，將芯片置于光學(xué)系統(tǒng)的焦平面上，無須光機(jī)掃描系統(tǒng)而取得目標(biāo)的全景圖像，從而大大提高了靈敏度和熱分辨率，并進(jìn)一步地提高目標(biāo)的探測距離和識(shí)別能力。

三、最新的紅外熱成像系統(tǒng)的組成及工作原理

紅外熱成像技術(shù)是一種被動(dòng)紅外夜視技術(shù)，其原理是基于自然界中一切溫度高于絕對(duì)零度（-273℃）的物體，每時(shí)每刻都輻射出紅外線，同時(shí)這種紅外線輻射都載有物體的特征信息，這就為利用紅外技術(shù)判別各種被測目標(biāo)的溫度高低和熱分布場提供了客觀的基礎(chǔ)。利用這一特性，通過光電紅外探測器將物體發(fā)熱部位輻射的功率信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后，成像裝置就可以一一對(duì)應(yīng)地模擬出物體表面溫度的空間分布，最后經(jīng)系統(tǒng)處理，形成熱圖像視頻信號(hào)，傳至顯示屏幕上，就得到與物體表面熱分布相對(duì)應(yīng)的熱像圖，即紅外熱圖像。

非致冷焦平面紅外熱成像系統(tǒng)由光學(xué)系統(tǒng)、光譜濾波、紅外探測器陣列、輸入電路、讀出電路、視頻圖像處理、視頻信號(hào)形成、時(shí)序脈沖同步控制電路、監(jiān)視器等組成。

系統(tǒng)的工作原理是，由光學(xué)系統(tǒng)接受被測目標(biāo)的紅外輻射經(jīng)光譜濾波將紅外輻射能量分布圖形反映到焦平面上的紅外探測器陣列的各光敏元上，探測器將紅外輻射能轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，由探測器偏置與前置放大的輸入電路輸出所需的放大信號(hào)，并注入到讀出電路，以便進(jìn)行多路傳輸。高密度、多功能的CMOS多路傳輸器的讀出電路能夠執(zhí)行稠密的線陣和面陣紅外焦平面陣列的信號(hào)積分、傳輸、處理和掃描輸出，并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，以送入微機(jī)作視頻圖像處理。由于被測目標(biāo)物體各部分的紅外輻射的熱像分布信號(hào)非常弱，缺少可見光圖像那種層次和立體感，因而需進(jìn)行一些圖像亮度與對(duì)比度的控制、實(shí)際校正與偽彩色描繪等處理。經(jīng)過處理的信號(hào)送入到視頻信號(hào)形成部分進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換并形成標(biāo)準(zhǔn)的視頻信號(hào)，最后通過電視屏或監(jiān)視器顯示被測目標(biāo)的紅外熱像圖。

紅外焦平面陣列的工作性能除了與探測器性能如量子效率、光譜響應(yīng)、噪聲譜、均勻性等有關(guān)外，還與探測器探測信號(hào)的輸出性能有關(guān)，如輸入電路中的電荷存儲(chǔ)、均勻性、線性度、噪聲譜、注入效率，讀出電路中的電荷轉(zhuǎn)移效率、電荷處理能力、串?dāng)_等。

焦平面陣列結(jié)構(gòu)有四種類型:單片式、準(zhǔn)單片式、平面混合式和Z型混合式。單片式焦平面陣列是指在同一芯片上即含有探測器又含有信號(hào)處理電路的Si器件;準(zhǔn)單片式焦平面陣列器件是將探測器和讀出線路分別制備，然后把它們裝在同一個(gè)襯底上，通過引線焊接將兩部分連在一起 ; 平面混合式采用銦柱將探測器陣列正面的每個(gè)探測器與多路傳輸器一對(duì)一地對(duì)準(zhǔn)配接起來 ; Z型混合式則將許多集成電路芯片一個(gè)一個(gè)地層疊起來以形成一個(gè)三維的電路層疊結(jié)構(gòu)。平面混合和Z型混合方法的優(yōu)點(diǎn)是由于將多路傳輸器與探測器直接混合，因而具有很高的封裝密度，較快的工作效率，并使總的設(shè)計(jì)得以簡化。由于信號(hào)處理是在焦平面陣列中進(jìn)行的，所以減少了器件的引線數(shù)目，光學(xué)孔徑和頻譜帶寬也得以減小。