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(guó)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(guó)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(guó)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(lái)，中國(guó)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(cè)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(wàn)個(gè)乃至數(shù)十萬(wàn)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(wú)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(cè)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(cè)目標(biāo)的溫度高低和熱分布場(chǎng)提供了客觀的基礎(chǔ)。利用這一特性，通過(guò)光電紅外探測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)器陣列的各光敏元上，探測(cè)器將紅外輻射能轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，由探測(cè)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(cè)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(guò)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(guò)電視屏或監(jiān)視器顯示被測(cè)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(cè)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(cè)器探測(cè)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(cè)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(cè)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(guò)引線焊接將兩部分連在一起 ; 平面混合式采用銦柱將探測(cè)器陣列正面的每個(gè)探測(cè)器與多路傳輸器一對(duì)一地對(duì)準(zhǔn)配接起來(lái) ; 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(lái)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(cè)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(jiǎn)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。