張麗君第8章紅外熱成像系統(tǒng)光電成像原理與技術(shù)紅外熱成像系統(tǒng)的概念能夠攝取景物紅外輻射分布圖像，并將其轉(zhuǎn)換為人眼可見(jiàn)圖像的裝置，稱為紅外熱成像系統(tǒng)，或簡(jiǎn)稱紅外熱像儀。實(shí)現(xiàn)景物紅外熱成像的技術(shù)稱為紅外熱成像技術(shù)，綜合利用紅外物理、半導(dǎo)體、微電子、真空、低溫制冷、精密光學(xué)機(jī)械、電子學(xué)、信號(hào)處理、計(jì)算機(jī)、系統(tǒng)工程等獲取景物紅外熱輻射圖像，并將其轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，再用處理后的電信號(hào)驅(qū)動(dòng)顯示器，產(chǎn)生可供人眼觀察的熱圖像。所有高于絕對(duì)零度的物體都會(huì)發(fā)射紅外輻射，并且溫度越高，紅外輻射越強(qiáng)，因此紅外熱成像系統(tǒng)可以對(duì)常規(guī)存在的所有事物進(jìn)行完全被動(dòng)的成像，具有非常廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。通常所說(shuō)的紅外熱成像系統(tǒng)包括短波紅外（1μm~3μm）、中波紅外（3μm~5μm）和長(zhǎng)波紅外（8μm~14μm）成像系統(tǒng)。8.1紅外熱成像系統(tǒng)的構(gòu)成2025/8/14N型焦平面等效噪聲源焦平面前置放大及處理均勻性校正及視頻合成視頻信號(hào)后處理顯示器光學(xué)系統(tǒng)人眼掃描器4N掃描型二代焦平面熱成像系統(tǒng)的基本組成熱成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)探測(cè)器組件等效噪聲源前置放大器視頻信號(hào)后處理顯示器聚焦光學(xué)系統(tǒng)人眼掃描器第一代通用組件熱成像系統(tǒng)前置望遠(yuǎn)系統(tǒng)一代通用組件熱成像系統(tǒng)的基本組成光機(jī)掃描型紅外熱成像系統(tǒng)熱成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)光機(jī)掃描型紅外熱成像系統(tǒng)的共同點(diǎn)：需要掃描成像光機(jī)掃描型紅外熱成像系統(tǒng)組成框圖熱成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)光機(jī)掃描型紅外熱成像系統(tǒng)組成框圖二代凝視型焦平面熱成像系統(tǒng)：不僅不再需要光機(jī)掃描系統(tǒng)，同時(shí)探測(cè)器前置放大電路與探測(cè)器合一，集成在位于光學(xué)系統(tǒng)焦平面的探測(cè)器陣列上，這也正是所謂的“焦平面”含義所在。8.2紅外熱成像系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)紅外光學(xué)系統(tǒng)作為光學(xué)系統(tǒng)的一個(gè)類別，與其它可見(jiàn)光光學(xué)系統(tǒng)相比，在光能接收、傳遞、成像等光學(xué)概念上沒(méi)有原則上的區(qū)別。由于紅外光學(xué)系統(tǒng)工作波長(zhǎng)在中、長(zhǎng)波段紅外區(qū)域，因此不能使用普通的透可見(jiàn)光材料，而需要使用透中、長(zhǎng)波紅外光波的單晶鍺、單晶硅等特殊材料。紅外熱成像系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)8.2.1紅外熱成像對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的要求紅外熱成像對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的要求（1）紅外熱成像的輻射波段波長(zhǎng)大于1μm，但是普通光學(xué)玻璃無(wú)法透過(guò)波長(zhǎng)2.5μm以上的紅外輻射。在所有可透紅外波段的材料中，只有幾種材料具有必需的機(jī)械性能，并可獲得一定的尺寸規(guī)模，這大大限制了透鏡系統(tǒng)在紅外光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，因此，反射式和折反射式光學(xué)系統(tǒng)占有比較重要的地位。（2）紅外熱成像系統(tǒng)使用離散型的紅外探測(cè)器進(jìn)行成像，系統(tǒng)的分辨率主要受限于紅外探測(cè)器的像元尺寸，為了不限制系統(tǒng)整體的分辨率性能，通常要求紅外光學(xué)系統(tǒng)的分辨率要高于紅外探測(cè)器的分辨率。紅外熱成像對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的要求（3）由于紅外成像系統(tǒng)在很多應(yīng)用場(chǎng)景中需要對(duì)遠(yuǎn)距離目標(biāo)成像，作用距離遠(yuǎn)，并且能量微弱，因此要求光學(xué)系統(tǒng)的口徑盡可能大，以盡可能多地收集輻射能量；同時(shí)由于衍射極限的影響，要得到高分辨率的紅外熱成像系統(tǒng)也必須有大的通光孔徑，因此紅外光學(xué)系統(tǒng)通常采用大相對(duì)孔徑（小F數(shù)）的光學(xué)系統(tǒng)，但是大口徑紅外光學(xué)系統(tǒng)會(huì)使紅外熱成像系統(tǒng)的重量加大，成本提高。紅外熱成像對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的要求（4）從能量的角度來(lái)說(shuō)，為了在探測(cè)器的光敏面上獲得更大的輻照度，希望光學(xué)系統(tǒng)的焦距小一些，在口徑相同的條件下，F(xiàn)數(shù)就要小一些，但F數(shù)的減小會(huì)增大加工工藝的難度和像差校正的難度。（5）紅外輻射有比較強(qiáng)的熱效應(yīng)，而光學(xué)鏡片的折射率和熱膨脹系數(shù)會(huì)受到溫度的影響而發(fā)生變化，因此在紅外光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中除了要考慮消像差，還需要消熱差或無(wú)熱化設(shè)計(jì)，以保證系統(tǒng)在溫度變化時(shí)成像的參數(shù)和像質(zhì)不受到影響。8.2.2典型紅外熱成像光學(xué)系統(tǒng)及其分析兩種反射式紅外光學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)成2025/8/1典型紅外熱成像光學(xué)系統(tǒng)及其分析1、反射式光學(xué)系統(tǒng)

從成像質(zhì)量上來(lái)看，反射系統(tǒng)和其他傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)相比，優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在沒(méi)有色差，因?yàn)樗峭ㄟ^(guò)反射鏡成像的。但是，反射系統(tǒng)對(duì)其它的像差的校正能力較弱，只能同時(shí)消除兩種像差，如同時(shí)消除球差和彗差。

廣泛使用反射式光學(xué)系統(tǒng)的有：輻射計(jì)、前視紅外熱成像儀、激光雷達(dá)、大孔徑望遠(yuǎn)鏡以及導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)等。2025/8/1

離軸三反光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是基于高斯光學(xué)理論，求取共軸三反光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)作為初始結(jié)構(gòu)，通過(guò)光闌離軸或視場(chǎng)離軸，或者二者相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中心的無(wú)遮擋。

離軸三反系統(tǒng)具有大視場(chǎng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化等一系列優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)，國(guó)外開(kāi)始在成像光譜儀望遠(yuǎn)系統(tǒng)中使用三反鏡像散結(jié)構(gòu)。典型紅外熱成像光學(xué)系統(tǒng)及其分析1、反射式光學(xué)系統(tǒng)三片式的折射光學(xué)系統(tǒng)2025/8/12、折射式光學(xué)系統(tǒng)

折射式光學(xué)系統(tǒng)適于口徑比較小、視場(chǎng)比較大、波段比較窄的光學(xué)系統(tǒng)需求。目前諸如紅外搜索/跟蹤系統(tǒng)、光電轉(zhuǎn)塔、紅外吊艙、紅外導(dǎo)引頭等，都有對(duì)較大空間進(jìn)行方位/俯仰搜索的要求，尤其需要小型化、輕量化的紅外光學(xué)系統(tǒng)與之配套。通過(guò)采用折射系統(tǒng)三次成像，可設(shè)計(jì)出相應(yīng)的結(jié)構(gòu)緊湊型的光學(xué)系統(tǒng)。典型紅外熱成像光學(xué)系統(tǒng)及其分析兩種常用的紅外折反系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2025/8/1典型紅外熱成像光學(xué)系統(tǒng)及其分析3、折反式光學(xué)系統(tǒng)

因馬克蘇托夫系統(tǒng)的光闌和厚透鏡位置接近于主鏡的球心，故產(chǎn)生的軸外像差很小。如果適當(dāng)?shù)母淖兺哥R和主鏡的光焦度分配，還可以利用間隔的變化來(lái)校正正弦差。

為探測(cè)遠(yuǎn)距離的目標(biāo)，紅外光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)具有大口徑、長(zhǎng)焦距、高分辨率的特點(diǎn)。相對(duì)于折射系統(tǒng)口徑不能做得很大的缺點(diǎn)，折反系統(tǒng)可用于大口徑、長(zhǎng)焦距的紅外光學(xué)系統(tǒng)，如紅外導(dǎo)引頭的抗干擾設(shè)計(jì)、坦克目標(biāo)跟蹤識(shí)別紅外光學(xué)系統(tǒng)等。折射透鏡色散示意圖衍射透鏡色散示意圖折衍混合透鏡消色差示意圖2025/8/14、折衍混合式光學(xué)系統(tǒng)典型紅外熱成像光學(xué)系統(tǒng)及其分析

將衍射光學(xué)元件與折射光學(xué)元件結(jié)合起來(lái)的光學(xué)系統(tǒng)。衍射光學(xué)元件(DOE)是在透鏡的某個(gè)表面蝕刻上二元光學(xué)圖形，構(gòu)成一種折射-衍射雙面透鏡。與普通的光學(xué)元件相比，DOE能很好地消除熱差和色差，在很多工作環(huán)境溫度變化范圍比較大的紅外熱成像系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。(a)普通衍射元件（p=1）(b)諧衍射元件（p≥2）對(duì)于多波段或?qū)挷ǘ渭t外成像系統(tǒng)，普通DOE的平均衍射效率較低，大大限制了其在混合光學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用。為此，人們提出了諧衍射元件(HDOE)。2025/8/15、雙視場(chǎng)光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)透鏡組軸向移動(dòng)式雙視場(chǎng)紅外光學(xué)系統(tǒng)

切換式（插入式）通過(guò)改變參與成像的透鏡組來(lái)達(dá)到改變光學(xué)系統(tǒng)焦距的目的。這類光學(xué)系統(tǒng)的特點(diǎn)是小視場(chǎng)光路中沒(méi)有光學(xué)運(yùn)動(dòng)元件、光軸穩(wěn)定性好、系統(tǒng)切換時(shí)間短、透過(guò)率高，但透鏡組的切入需要較大的空間，因而光學(xué)系統(tǒng)的橫向尺寸較大，整體結(jié)構(gòu)不緊湊，而且多次的透鏡組切入易使兩個(gè)視場(chǎng)光軸的一致性變差，因而對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)以及電子上控制精度要求較高。隨著衍射元件的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，可將衍射元件引入紅外雙視場(chǎng)光學(xué)系統(tǒng)中，以簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減輕重量，使整機(jī)系統(tǒng)小型化、輕量化。

透鏡組軸向移動(dòng)式

通過(guò)透鏡組軸向間隔的變化來(lái)改變系統(tǒng)的焦距，這樣既不會(huì)占用橫向的尺寸空間，又避免了反復(fù)切換視場(chǎng)導(dǎo)致光軸一致性的偏移，具有更好的使用優(yōu)勢(shì)。雙視場(chǎng)光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖如圖9-12所示。雙視場(chǎng)光學(xué)系統(tǒng)通常由前固定組、變倍組、后固定組組成。其中前固定組為正透鏡，變倍組為負(fù)透鏡，后固定組為正透鏡。通過(guò)改變變倍組的軸向位置，可改變整個(gè)系統(tǒng)的焦距，并保證變焦時(shí)像面位置不變。典型紅外熱成像光學(xué)系統(tǒng)及其分析8.3紅外熱成像系統(tǒng)中的制冷技術(shù)與制冷器光子型紅外探測(cè)器多為窄帶半導(dǎo)體材料器件，室溫或較高溫度下會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲，影響紅外熱成像系統(tǒng)的性能。為了降低紅外探測(cè)器的噪聲，獲得較高的信噪比，通常要為光子型紅外探測(cè)器配備制冷器，使其工作在低溫甚至極低溫狀態(tài)下。獲得低溫的方法有物理方法和化學(xué)方法兩大類，在紅外探測(cè)器制冷中目前多采用物理方法，根據(jù)使用場(chǎng)合和所要求的制冷溫度不同，可利用不同的原理制成合適的制冷器。紅外熱成像系統(tǒng)中的制冷技術(shù)與制冷器8.3.1相變制冷和杜瓦瓶2025/8/1小型杜瓦瓶結(jié)構(gòu)杜瓦瓶：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制冷溫度穩(wěn)定，冷量充足。制冷物質(zhì)多為液氮77K。相變：液氮

氮?dú)庀嘧冎评浜投磐咂?.3.2焦耳-湯姆遜(J-T)效應(yīng)制冷和氣體節(jié)流式制冷器2025/8/1實(shí)用的焦-湯制冷器高壓氮?dú)庥扇肟谶M(jìn)入熱交換器，通過(guò)節(jié)流小孔節(jié)流膨脹并降溫；降溫的氮?dú)馔ㄟ^(guò)回路返回?zé)峤粨Q器，與高溫高壓氮?dú)鈸Q熱，使節(jié)流前的高壓氮?dú)鉁囟冉档?，然后?jīng)排氣口排出。于是，在更低的溫度下進(jìn)行節(jié)流膨脹，溫度進(jìn)一步下降。此過(guò)程繼續(xù)下去，使高壓氮?dú)庠谠絹?lái)越低的溫度下節(jié)流膨脹，膨脹后的溫度越來(lái)越低，最終可使一部分氮?dú)庠谥评淝恢幸夯@得近于77K的低溫。焦耳-湯姆遜(J-T)效應(yīng)制冷和氣體節(jié)流式制冷器焦－湯致冷器的特點(diǎn)：制冷物質(zhì)為高壓氮?dú)?。制冷部件體積小，重量輕，無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，機(jī)械噪聲小，使用方便。缺點(diǎn)：氣源可得性差，高壓氣瓶較重，對(duì)工作氣體純度要求苛刻，雜質(zhì)不能超過(guò)0.01%，否則節(jié)流孔堵塞會(huì)停止工作。8.3.3氣體等熵膨脹制冷和斯特林循環(huán)制冷器2025/8/1斯特林致冷器的特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕，制冷溫度范圍寬(77K~10K)，啟動(dòng)時(shí)間短，效率高，壽命長(zhǎng)，操作簡(jiǎn)單，可長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作。缺點(diǎn)：冷頭有高速運(yùn)動(dòng)的活塞，機(jī)械振動(dòng)大，容易引起器件噪聲的增大，分置式可減小這一問(wèn)題。氣體等熵膨脹制冷和斯特林循環(huán)制冷器斯特林致冷器的結(jié)構(gòu)及原理:再生器填料為低溫下有較大熱容(c=dQ/dT)的不銹鋼網(wǎng)或鉛粒。再生器把壓縮腔和致冷膨脹腔連接起來(lái)，致冷工務(wù)(氯氣或氫氣)可自由流通，構(gòu)成閉合循環(huán)系統(tǒng)。a

b等溫壓縮，壓縮熱由冷卻器帶走;b

c等容降溫，壓縮氣體通過(guò)再生器降溫;c

d等溫膨脹致冷，壓縮氣體在恒溫下膨脹吸熱；d

a等容升溫，低壓低溫氣體由膨脹活塞推過(guò)再生器復(fù)溫，完成致冷循環(huán)。斯特林循環(huán)制冷器原理2025/8/1分置式斯特林制冷器集成式斯特林制冷器集成式斯特林制冷器分置式斯特林制冷器J-T制冷器288

4焦平面探測(cè)器探測(cè)器與不同制冷器組件的組合氣體等熵膨脹制冷和斯特林循環(huán)制冷器8.3.4半導(dǎo)體帕爾帖效應(yīng)制冷和半導(dǎo)體制冷器2025/8/1帕爾帖效應(yīng)：是塞貝克效應(yīng)的逆過(guò)程，如果把任何兩種導(dǎo)電特性不同的物體連接成電偶對(duì)，構(gòu)成閉合回路，則當(dāng)有直流電流通過(guò)時(shí)，電偶對(duì)的一端發(fā)熱，另一端變冷。一般物體的帕爾帖效應(yīng)不明顯，如果用N型和P型兩塊半導(dǎo)體作電偶對(duì)時(shí)，在外電場(chǎng)作用下，一接頭處的電子與空穴產(chǎn)生做分離運(yùn)動(dòng)，吸收能量而變冷，在另一接頭處產(chǎn)生復(fù)合，放出能量而變熱，在冷端會(huì)產(chǎn)生非常明顯的帕爾帖效應(yīng)，冷端便可用于探測(cè)器制冷。塞貝克效應(yīng)帕爾帖效應(yīng)半導(dǎo)體帕爾帖效應(yīng)制冷和半導(dǎo)體制冷器三級(jí)半導(dǎo)體制冷器2025/8/1半導(dǎo)體致冷器的特點(diǎn)：制冷能力取決于半導(dǎo)體材料的性質(zhì)和回路中電流的大小。目前一級(jí)半導(dǎo)體致冷器可產(chǎn)生60℃的溫差，為達(dá)到更冷，可將n個(gè)熱電偶串接起來(lái)。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，壽命長(zhǎng)，可靠性高，體積小，重量輕，無(wú)機(jī)械振動(dòng)和沖擊噪聲，維護(hù)方便，只耗電能。缺點(diǎn)：制冷深度不夠深(一般在-120℃以內(nèi))。半導(dǎo)體制冷器半導(dǎo)體帕爾帖效應(yīng)制冷和半導(dǎo)體制冷器8.3.5輻射熱交換制冷和輻射制冷器歐洲ESA衛(wèi)星的輻射制冷器輻射致冷器的特點(diǎn)：耗能極少，甚至不需要能源的被動(dòng)式致冷器。使用壽命長(zhǎng)，不需外加制冷功率，無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，更不會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)、沖擊噪聲，可靠性高。缺點(diǎn)：要求衛(wèi)星的軌道和姿態(tài)得到控制，保證輻射致冷器式中對(duì)準(zhǔn)超低溫的宇宙空間，不允許太陽(yáng)光、地球等紅外輻射直射到致冷器的輻射器上。輻射熱交換制冷和輻射制冷器8.4紅外熱成像系統(tǒng)的性能參數(shù)從系統(tǒng)整體的角度關(guān)注紅外成像系統(tǒng)的性能參數(shù)。紅外熱成像系統(tǒng)不同于普通的白光成像系統(tǒng)，反映其灰度對(duì)比度的因素主要來(lái)自目標(biāo)與背景的溫差，除其他成像系統(tǒng)的四類性能參數(shù)外，紅外熱成像系統(tǒng)還可以用特有的三個(gè)參數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)：噪聲等效溫差（NETD）、最小可分辨溫差（MRTD）和最小可探測(cè)溫差（MDTD）等。除此之外，還可以使用調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）總體評(píng)價(jià)紅外熱成像系統(tǒng)的性能。紅外熱成像系統(tǒng)的性能參數(shù)8.4.1噪聲等效溫差（NETD）2025/8/1角尺寸為W×W，溫度為Tt的均勻黑體目標(biāo)，位于溫度為Tb的均勻黑體背景中(Tt>Tb)，構(gòu)成測(cè)試圖案，使用熱像儀對(duì)測(cè)試圖案進(jìn)行觀察，當(dāng)系統(tǒng)的基準(zhǔn)電子濾波器輸出的信號(hào)峰值與噪聲電壓均方根值之間的比為1時(shí)，黑體目標(biāo)和黑體背景的溫差為熱像儀系統(tǒng)的噪聲等效溫差NETD。通常測(cè)量時(shí)，為獲得良好效果，讓目標(biāo)尺寸W遠(yuǎn)大于系統(tǒng)瞬時(shí)視場(chǎng)，目標(biāo)與背景的溫差超過(guò)NETD數(shù)十倍，使信號(hào)遠(yuǎn)大于均方根噪聲電壓，然后用右式計(jì)算。黑體背景Tb黑體目標(biāo)TtwwNETD測(cè)試圖案噪聲等效溫差（NETD）2025/8/1

NETD作為系統(tǒng)的性能指標(biāo)有一定局限性，因?yàn)閷?shí)際使用中，目標(biāo)和背景往往不是黑體，且大部分電路的噪聲及顯示器的噪聲都沒(méi)有考慮，但由于物理意義清晰，又是最早被確定和使用的，故至今仍廣泛采用。黑體背景Tb黑體目標(biāo)TtwwNETD測(cè)試圖案探測(cè)器組件等效噪聲源前置放大器視頻信號(hào)后處理顯示器聚焦光學(xué)系統(tǒng)人眼掃描器第一代通用組件熱成像系統(tǒng)前置望遠(yuǎn)系統(tǒng)一代通用組件熱成像系統(tǒng)的基本組成噪聲等效溫差（NETD）8.4.2最小可分辨溫差（MRTD）2025/8/1使用不同空間頻率、高寬比為7:1的四條帶黑體目標(biāo)圖案處于均勻黑體背景中，目標(biāo)與背景溫度差逐漸增大，觀察者使用熱像儀在顯示屏上對(duì)之進(jìn)行無(wú)限長(zhǎng)時(shí)間觀察，在確定空間頻率下，觀察者剛好(50%概率)能分辨出四條帶圖案時(shí)的溫差為該空間頻率下熱像儀的最小可分辨溫差MRTD(f)。黑體背景Tbf2f1f3MRTD測(cè)試四條帶圖案最小可分辨溫差（MRTD）2025/8/1是綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)溫度分辨與空間分辨力的重要參數(shù)。但由于需要人判讀，因此評(píng)價(jià)中加入了主觀因素。黑體背景Tbf2f1f3MRTD測(cè)試四條帶圖案焦平面探測(cè)器等效噪聲源焦平面前置放大及處理均勻性校正及視頻合成視頻信號(hào)后處理顯示器光學(xué)系統(tǒng)人眼二代凝視焦平面熱成像系統(tǒng)的基本組成最小可分辨溫差（MRTD）8.4.3

最小可探測(cè)溫差（MDTD）2025/8/1黑體背景Tbf2f1當(dāng)觀察者的觀察時(shí)間不受限制時(shí)，在顯示屏上恰好能分辨出一塊一定尺寸的方形或圓形黑體目標(biāo)及其所處的位置時(shí)，黑體目標(biāo)與背景之間的溫差稱為最小可探測(cè)溫差。MDTD是目標(biāo)張角的函數(shù)MDTD測(cè)試圖案焦平面探測(cè)器等效噪聲源焦平面前置放大及處理均勻性校正及視頻合成視頻信號(hào)后處理顯示器光學(xué)系統(tǒng)人眼二代凝視焦平面熱成像系統(tǒng)的基本組成最小可探測(cè)溫差（MDTD）2025/8/1黑體背景Tbf2f1MDTD是評(píng)價(jià)熱成像系統(tǒng)的一個(gè)重要參數(shù)，它既反映了熱靈敏度特性，也反映了系統(tǒng)的空間分辨力與MRTD相同處：同時(shí)反映溫度與空間分辨特性；與MRTD相異處：MRTD是空間頻率的函數(shù)；MDTD是目標(biāo)尺度的函數(shù)。由于需要觀察者主觀判讀，因此引入主觀因素。MDTD測(cè)試圖案最小可探測(cè)溫差（MDTD）8.4.4紅外熱成像系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)2025/8/1黑體背景Tbf2f1當(dāng)觀察者的觀察時(shí)間不受限制時(shí)，在顯示屏上恰好能分辨出一塊一定尺寸的方形或圓形黑體目標(biāo)及其所處的位置時(shí)，黑體目標(biāo)與背景之間的溫差稱為最小可探測(cè)溫差。MDTD是目標(biāo)張角的函數(shù)MDTD測(cè)試圖案焦平面探測(cè)器等效噪聲源焦平面前置放大及處理均勻性校正及視頻合成視頻信號(hào)后處理顯示器光學(xué)系統(tǒng)人眼二代凝視焦平面熱成像系統(tǒng)的基本組成紅外熱成像系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)根據(jù)線性濾波理論，對(duì)于一系列具有一定頻率特性（線性的、空間不變的和穩(wěn)定的系統(tǒng)）的分系統(tǒng)所組成的熱成像系統(tǒng)，只能逐個(gè)求出分系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，其乘積就是整個(gè)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。上式中下標(biāo)o、d、e、m、om標(biāo)識(shí)的MTF(f)分別代表光學(xué)系統(tǒng)、探測(cè)器、電子學(xué)、顯示器及系統(tǒng)振動(dòng)的傳遞函數(shù)。焦平面探測(cè)器等效噪聲源焦平面前置放大及處理均勻性校正及視頻合成視頻信號(hào)后處理顯示器光學(xué)系統(tǒng)人眼二代凝視焦平面熱成像系統(tǒng)的基本組成紅外熱成像系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)8.5紅外熱成像系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)紅外熱成像系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)的最終目的是使紅外熱成像系統(tǒng)總體性能達(dá)到規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)，滿足使用要求。包括：總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要包括：總體技術(shù)指標(biāo)、方案論證、設(shè)計(jì)計(jì)算分析、誤差分配、總體結(jié)構(gòu)及布局的設(shè)計(jì)、探測(cè)器及制冷器的選擇和設(shè)計(jì)等。信息處理，主要包括：目標(biāo)及背景的特性分析、信號(hào)檢測(cè)及處理、視頻輸出格式及顯示方式、可靠性等。紅外熱成像系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)8.5.1紅外熱成像系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)2025/8/1分析和確定總體性能指標(biāo)作用距離的確定：與目標(biāo)環(huán)境特性、實(shí)際工作狀況、輔助光源作用距離等都相關(guān)的綜合指標(biāo)。視場(chǎng)的確定：搜索、捕獲、跟蹤。溫度分辨力的確定：NETD/MRTD。空間分辨力的確定：系統(tǒng)的瞬時(shí)視場(chǎng)/還和溫度分辨力相關(guān)。幀頻的確定：用途不同，頻率不同。角速度和角加速度的確定：搜索、跟蹤，由戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)決定。發(fā)現(xiàn)概率的確定：警戒系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)>50%；瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，識(shí)別>50%，跟蹤裝置跟蹤概率>90%?？傮w技術(shù)指標(biāo)與技術(shù)方案的確定紅外熱成像系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)2025/8/1確定總體技術(shù)方案總體構(gòu)想：確定光學(xué)系統(tǒng)類型、景物分解形式、熱圖像的顯示方式分析目標(biāo)和背景的輻射特性，確定合適的工作波段，選擇和確定探測(cè)器的結(jié)構(gòu)類型、性能參數(shù)、致冷方式設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和性能參數(shù)，包括紅外望遠(yuǎn)鏡及掃描光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。根據(jù)初步確定的系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)，計(jì)算系統(tǒng)的傳遞函數(shù)MTF，NETD，MRTD和作用距離，看是否滿足總體設(shè)計(jì)要求，修改有關(guān)參數(shù)，直到滿足總體技術(shù)指標(biāo)要求?？煽啃栽O(shè)計(jì)——預(yù)測(cè)和分析系統(tǒng)的平均無(wú)障礙時(shí)間，分配各子系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)，并依據(jù)分析結(jié)果，從可靠性和質(zhì)量控制的角度對(duì)總體設(shè)計(jì)提供實(shí)施途徑和方法。紅外熱成像系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)總體技術(shù)指標(biāo)與技術(shù)方案的確定8.5.2紅外熱成像系統(tǒng)的信號(hào)處理紅外熱成像系統(tǒng)的信號(hào)處理信號(hào)處理系統(tǒng)的組成：前置放大器、主放大器、自動(dòng)增益控制、限制帶寬、檢波、濾波、鑒幅、線性變換、多路傳輸。前置放大器的設(shè)計(jì)原則電路系統(tǒng)帶寬的確定直流的隔離與恢復(fù)溫度信號(hào)的線性化2025/8/1前放的設(shè)計(jì)原則：因?yàn)樘綔y(cè)器輸出信號(hào)微弱，故前放必須是低噪聲(要保持盡可能高的信噪比)，高增益(把微弱信號(hào)放大到一定電平，以便進(jìn)一步的處理與顯示)。應(yīng)測(cè)試計(jì)算探測(cè)器、偏置電路的總噪聲，確定源電阻，按照噪聲匹配原則選擇前置放大器的管種；在此基礎(chǔ)上，選擇低噪聲的元件后，盡可能提高第一級(jí)前放的電壓放大倍數(shù)，以便使總的噪聲系數(shù)近似于第一級(jí)的噪聲系數(shù)；反復(fù)修改，直至前放在噪聲系數(shù)、增益、帶寬、穩(wěn)定性和阻抗匹配等方面均達(dá)到指標(biāo)要求。紅外熱成像系統(tǒng)的信號(hào)處理2025/8/1系統(tǒng)帶寬的確定：－系統(tǒng)輸出的噪聲功率與系統(tǒng)帶寬成正比。當(dāng)信號(hào)帶寬確定后，系統(tǒng)的工作帶寬就確定了，信號(hào)的最佳帶寬取決于信號(hào)的頻譜特性；系統(tǒng)的帶寬必須大于信號(hào)的帶寬，信號(hào)在失真允許范圍內(nèi)通過(guò)系統(tǒng)；假定信號(hào)是一個(gè)寬度為駐留時(shí)間的矩形脈沖信號(hào)：Δf=1/2τd,輸出信噪比最大；Δf<1/2τd,脈沖峰值幅度減小，脈沖寬度增加；Δf>1/2τd,峰值幅度不變，脈沖形狀更接近矩形；Δf=5/2τd,輸出信號(hào)可以近似復(fù)現(xiàn)矩形脈沖形狀。脈沖響應(yīng)特性

系統(tǒng)的最佳帶寬將受到失真度、分辨力和信噪比三種因素的限制。綜合考慮這些因素，當(dāng)需要保證最大的輸出信噪比時(shí)，就要少考慮脈沖的精確形狀。紅外熱成像系統(tǒng)的信號(hào)處理2025/8/1直流的隔離與恢復(fù)：在信號(hào)處理前用隔離直流的方法去除信號(hào)中直流成分，可以使處理簡(jiǎn)單，抑制背景，消弱1/f噪聲。交流耦合也有問(wèn)題：信號(hào)不再具有絕對(duì)值意義；RC組成的高通交流耦合電路帶來(lái)系列問(wèn)題：對(duì)中等溫差的大目標(biāo)，產(chǎn)生直流下跌，負(fù)尖峰；高溫小目標(biāo)，由于電路輸出的平均值為零，會(huì)使輸出信號(hào)在正信號(hào)響應(yīng)后，伴隨一個(gè)振幅較低、持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的負(fù)信號(hào)響應(yīng)，從而會(huì)在圖像上出現(xiàn)嚴(yán)重的黑色拖尾。直流下跌和負(fù)尖峰對(duì)圖像的影響紅外熱成像系統(tǒng)的信號(hào)處理

高溫小目標(biāo)的圖像拖尾2025/8/1直流的隔離與恢復(fù)：在信號(hào)處理前用隔離直流的方法去除信號(hào)中直流成分，可以使處理簡(jiǎn)單，抑制背景，消弱1/f噪聲。交流耦合也有問(wèn)題：信號(hào)不再具有絕對(duì)值意義；紅外熱成像系統(tǒng)的信號(hào)處理

多元掃描系統(tǒng)的圖像缺陷RC組成的高通交流耦合電路帶來(lái)系列問(wèn)題：對(duì)中等溫差的大目標(biāo)，產(chǎn)生直流下跌，負(fù)尖峰；高溫小目標(biāo)，由于電路輸出的平均值為零，會(huì)使輸出信號(hào)在正信號(hào)響應(yīng)后，伴隨一個(gè)振幅較低、持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的負(fù)信號(hào)響應(yīng)，從而會(huì)在圖像上出現(xiàn)嚴(yán)重的黑色拖尾。多元探測(cè)器掃描時(shí)，各通道在開(kāi)始掃描前t<0所積累的電荷量不一定相等，將出現(xiàn)針對(duì)同一溫度目標(biāo)，在不同通道中產(chǎn)生不同亮暗的圖像。2025/8/1直流恢復(fù)的一種方案直流恢復(fù)：在系統(tǒng)中設(shè)置熱參考源，在掃描周期的無(wú)效部分掃描熱參考源，這一溫度信號(hào)稱為箝位信號(hào)，將溫度信號(hào)通道箝位在零電平上，然后，再將與溫度信號(hào)相應(yīng)的一個(gè)直流電平疊加在經(jīng)過(guò)箝位的溫度信號(hào)上，進(jìn)行環(huán)境溫度補(bǔ)償，這樣經(jīng)過(guò)箝位和環(huán)境溫度補(bǔ)償后的溫度信號(hào)就有了絕對(duì)意義。紅外熱成像系統(tǒng)的信號(hào)處理直流的隔離與恢復(fù)：采用直流恢復(fù)解決或減少上述圖像缺陷2025/8/1溫度信號(hào)的線性化信號(hào)與溫度并非線性關(guān)系(由目標(biāo)輻射特性、紅外成像系統(tǒng)光譜透過(guò)特性、探測(cè)器的光譜響應(yīng)特性決定)，而要求顯示圖像的亮暗與溫度成線性關(guān)系，要使用非線性電位計(jì)、二極管、電阻網(wǎng)等構(gòu)成線性化電路。環(huán)境溫度的補(bǔ)償通常用熱敏元件測(cè)出，它的信號(hào)電平與溫度近似成線性關(guān)系。但是，將這個(gè)電平信號(hào)送去進(jìn)行溫度補(bǔ)償時(shí)，被補(bǔ)償?shù)妮椛湫盘?hào)與溫度的關(guān)系卻是非線性的，故要進(jìn)行非線性化處理，再進(jìn)行補(bǔ)償。對(duì)于不帶溫度傳感器的熱成像系統(tǒng)，通常采用實(shí)際可調(diào)溫的黑體進(jìn)行標(biāo)定，得到圖像信號(hào)與目標(biāo)溫度的關(guān)系，并作為查詢表保留在系統(tǒng)中，測(cè)溫時(shí)由查詢表進(jìn)行溫度確認(rèn)。紅外熱成像系統(tǒng)的信號(hào)處理8.6基于光學(xué)讀出的紅外熱成像技術(shù)結(jié)合微結(jié)構(gòu)形變等采用普通光學(xué)方式實(shí)現(xiàn)紅外熱成像；光學(xué)讀出方式的紅外探測(cè)器的優(yōu)點(diǎn)在于：（1）光學(xué)讀出系統(tǒng)不會(huì)在探測(cè)器上產(chǎn)生附加的熱量；（2）光學(xué)的讀出方式不需要探測(cè)單元之間在腿部進(jìn)行金屬連接，探測(cè)單元與基底之間有良好的熱隔離，使每個(gè)像素的熱隔離更接近輻射極限；（3）探測(cè)器單元的制作與現(xiàn)有MEMS硅制作工藝兼容，降低了開(kāi)發(fā)和制作成本；（4）光學(xué)的讀出方式不需要在像素之間進(jìn)行交叉布線和掃描電路，更容易制作大面陣的FPA；（5）無(wú)電能消耗?；诠鈱W(xué)讀出的紅外熱成像技術(shù)8.6.1基于MEMS微懸臂梁的紅外熱成像技術(shù)雙材料微懸臂梁非制冷紅外焦平面探測(cè)器（FPA）是一種熱機(jī)械的非制冷紅外探測(cè)器，它利用了機(jī)械力學(xué)性質(zhì)探測(cè)紅外輻射。當(dāng)FPA單元吸收入射的紅外輻射產(chǎn)生溫升時(shí)，由于組成微懸臂梁的雙材料熱膨脹系數(shù)不同，懸臂梁會(huì)產(chǎn)生彎曲變形。通過(guò)光學(xué)方法檢測(cè)這種熱致變形便可進(jìn)而轉(zhuǎn)化為紅外圖像?；贛EMS微懸臂梁的紅外熱成像技術(shù)無(wú)硅基底雙材料微懸臂梁?jiǎn)卧靶巫兪疽鈭D

微懸臂梁FPA電鏡圖基于MEMS微懸臂梁的紅外熱成像技術(shù)這種光學(xué)讀出的雙材料微懸臂梁陣列不需要在每一個(gè)感熱像素上集成高靈敏度的讀出電路，降低了紅外焦平面陣列的制作難度。非接觸式光學(xué)讀出方法不引入電流，因而不會(huì)產(chǎn)生附加熱量；微梁?jiǎn)卧突字g不需要金屬連接，因而有良好的熱隔離效果；像素之間不需要布線和掃描電路，更容易實(shí)現(xiàn)大面陣FPA的制作。光學(xué)讀出非制冷紅外FPA的理論探測(cè)靈敏度可以達(dá)到μK量級(jí)。雙材料微懸臂梁陣列干涉式光學(xué)讀出系統(tǒng)及成像效果8.6.2基于熱光閥（TLV）的紅外熱成像技術(shù)基于熱光閥（TLV）的紅外熱成像技術(shù)熱光閥：來(lái)自景物的長(zhǎng)波紅外輻射成像在熱敏光閥上并被加以吸收，加熱陣列上的熱像元，導(dǎo)致每個(gè)像元的最小反射波長(zhǎng)隨入射的熱能產(chǎn)生偏移，每個(gè)像元都起到了被動(dòng)輻射波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器的作用。2025/8/1基于熱光閥（TLV）的紅外熱成像技術(shù)熱光閥的TLV像元結(jié)構(gòu)及其高低溫反射形成的對(duì)比光讀出系統(tǒng)剖視圖8.7典型的目標(biāo)背景特性與紅外熱成像系統(tǒng)8.7.1典型目標(biāo)及景物的輻射特性2025/8/1微光與紅外熱成像系統(tǒng)能探測(cè)和識(shí)別所觀察的目標(biāo)，不僅取決于系統(tǒng)本身的性能，還與景物自身的反射、輻射特性密切相關(guān)。

成像過(guò)程中的目標(biāo)和背景是相對(duì)的，一輛卡車既可能是系統(tǒng)要探測(cè)的目標(biāo)，又可能是另一目標(biāo)的背景。

自然輻射源既可以是景物的照明源，也可能會(huì)形成對(duì)系統(tǒng)探測(cè)目標(biāo)的干擾，自然環(huán)境輻射及其在目標(biāo)上的反射。典型目標(biāo)及景物的輻射特性1、典型軍事目標(biāo)輻射空中目標(biāo)海上目標(biāo)地面目標(biāo)炮口閃光人體輻射2、自然輻射源太陽(yáng)地球月球星球大氣輝光夜天空輻射2025/8/11、典型軍事目標(biāo)輻射空中目標(biāo):目標(biāo)速度快、體積小，溫度高能發(fā)射很強(qiáng)的紅外輻射。海上目標(biāo):目標(biāo)排氣筒部分溫度較高，其余部分溫度低，目標(biāo)與背景輻射特性差異大。地面目標(biāo):目標(biāo)溫度低,輻射能量小,且輻射多集中在8~14μm。典型目標(biāo)及景物的輻射特性2025/8/11、典型軍事目標(biāo)輻射飛機(jī)的輻射：尾噴管、排出氣流、蒙皮的熱輻射。典型目標(biāo)及景物的輻射特性渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)示意圖2025/8/11、典型軍事目標(biāo)輻射飛機(jī)的輻射：尾噴管、排出氣流、蒙皮的熱輻射。典型目標(biāo)及景物的輻射特性軍事目標(biāo)輻射源－飛機(jī)噴口的輻射強(qiáng)度角分布噴氣流輻射強(qiáng)度在前半球的分布1、典型軍事目標(biāo)輻射飛機(jī)的輻射：尾噴管、排出氣流、蒙皮的熱輻射。2025/8/1典型目標(biāo)及景物的輻射特性波音707排出氣體流的等溫線飛機(jī)蒙皮溫度變化關(guān)系：Ta：環(huán)境溫度M：飛機(jī)速度（馬赫）γ：約為1.4β：0.75~0.982025/8/11、典型軍事目標(biāo)輻射海上目標(biāo)的輻射：軍艦和運(yùn)輸船只的煙囪是較強(qiáng)的紅外輻射源，從煙囪冒出來(lái)的煙霧也具有很高的溫度。艦船越大，煙霧的溫度越高。小噸位軍艦煙霧的溫度約為200℃，煙囪外殼經(jīng)廢氣加熱后溫度升高，一般具有水冷設(shè)備的煙囪外殼溫度為40℃。煙霧和煙囪外殼的輻射能量大部分集中于2～20μm波段，峰值波長(zhǎng)約在8μm附近。艦體的溫度雖然與海水溫度相近，但二者的輻射發(fā)射率差異很大，海水的輻射發(fā)射率隨海浪大小不斷變化，這種輻射差異增加了目標(biāo)與背景的對(duì)比度，正好可為紅外熱成像系統(tǒng)所利用。典型目標(biāo)及景物的輻射特性2025/8/11、典型軍事目標(biāo)輻射地面車輛輻射：車輛的排氣管最熱，其次是發(fā)動(dòng)機(jī)外殼，運(yùn)動(dòng)中車輛的傳動(dòng)裝置、輪胎等。典型目標(biāo)及景物的輻射特性2025/8/11、典型軍事目標(biāo)輻射炮口閃光：出膛的熱燃?xì)饧芭诳诨鹧嫘纬奢椛?。右圖是60m距離上測(cè)量155mm口徑火炮炮口閃光得到的相對(duì)光譜曲線典型目標(biāo)及景物的輻射特性2025/8/11、典型軍事目標(biāo)輻射人體的輻射：在2μm以上的波段輻射與黑體基本一致，峰值波長(zhǎng)在8~14μm波段典型目標(biāo)及景物的輻射特性2025/8/12、自然輻射源太陽(yáng)：射至地球的太陽(yáng)輻射功率、光譜分布與太陽(yáng)高度、大氣狀態(tài)關(guān)系很大。典型目標(biāo)及景物的輻射特性在平均地-日距離上的太陽(yáng)光譜分布2025/8/12、自然輻射源太陽(yáng)：射至地球的太陽(yáng)輻射功率、光譜分布與太陽(yáng)高度、大氣狀態(tài)關(guān)系很大。典型目標(biāo)及景物的輻射特性太陽(yáng)在地球表面的照度太陽(yáng)中心的實(shí)際高度角(°)地球表面的照度(103lx)陰影處和太陽(yáng)下之比陰天和太陽(yáng)下之比無(wú)云太陽(yáng)下無(wú)云陰影處密云陰天510152030405055607080904915233958768510211312012434679121415____23469121516____0.750.440.400.300.220.210.180.18____0.500.330.270.260.230.210.200.19____2025/8/12、自然輻射源地球：主要由反射和散射的太陽(yáng)光以及自身熱輻射組成，有兩個(gè)光譜峰值：0.5μm（來(lái)自太陽(yáng)）10μm處的自身輻射。典型目標(biāo)及景物的輻射特性典型地物的光譜輻亮度2025/8/12、自然輻射源月球：主要包括反射的太陽(yáng)輻射和自身的輻射，近似于400K黑體，峰值在7.24μm典型目標(biāo)及景物的輻射特性2025/8/12、自然輻射源月球：主要包括反射的太陽(yáng)輻射和自身的輻射，近似于400K黑體，峰值在7.24μm典型目標(biāo)及景物的輻射特性月球中心的實(shí)際高度角(°)不同距角φe下地平面照度E(lx)φe=180(滿月)φe=120°φe=90°(上弦或下弦)φe=60°－0.8°(月出或月落)9.74×10－42.73×10－41.17×10－43.12×10－50°1.57×10－34.40×10－41.88×10－45.02×10－510°2.34×10－26.55×10－32.81×10－37.49×10－420°5.87×10－21.64×10－27.04×10－31.88×10－330°0.1012.83×10－21.21×10－23.23×10－340°0.1434.00×10－21.72×10－24.58×10－350°0.1835.12×10－22.20×10－25.86×10－360°0.2196.13×10－22.63×10－2……70°0.2436.80×10－22.92×10－2……80°0.2587.22×10－23.10×10－2……90°0.2677.48×10－2…………月光所形成的地面照度2025/8/12、自然輻射源星球：其輻射量對(duì)地球很小，用星等來(lái)描述星的亮度。以在地球大氣層外所接收的星光輻射產(chǎn)生的照度來(lái)衡量。規(guī)定星等相差五等，照度比為100倍，即相鄰兩星等的照度比為2.512倍。規(guī)定零等星的照度為2.65×10-4lx，比零等星亮的星等為負(fù)。典型目標(biāo)及景物的輻射特性2025/8/12、自然輻射源大氣輝光：產(chǎn)生于70km以上的大氣層中，是夜天輻射的主要組成部分，由不能到達(dá)地面的太陽(yáng)紫外輻射在高層大氣中激發(fā)原子并于分子發(fā)生低幾率碰撞，是其產(chǎn)生的原因。典型目標(biāo)及景物的輻射特性由于1~3μm短波紅外波段具有較高的大氣輝光，加之處于大氣窗口以及1.54μm激光器的使用，使1~3μm成為新的夜視成像波段。夜天空輻射：由上述各種自然輻射共同構(gòu)成，除可見(jiàn)光外包含大量豐富的紅外輻射，正是微光夜視系統(tǒng)所利用的波段。2025/8/12、自然輻射源典型目標(biāo)及景物的輻射特性夜天空輻射：由上述各種自然輻射共同構(gòu)成，除可見(jiàn)光外包含大量豐富的紅外輻射，正是微光夜視系統(tǒng)所利用的波段。2025/8/12、自然輻射源不同自然條件下地面景物照度典型目標(biāo)及景物的輻射特性天氣條件景物照度(lx)天氣條件景物照度(lx)無(wú)月濃云無(wú)月中等云無(wú)月晴朗(星光)1/4月晴朗半月晴朗滿月濃云滿月薄云2×10－45×10－41×10－31×10－21×10－12~8×10－27~15×10－2滿月晴朗微明黎明黃昏陰天晴天2×10－11101×1021×1031×104短波紅外：在1.5～1.7μm光譜范圍內(nèi)的大氣輝光輻亮度比滿月光的輻亮度還要強(qiáng)，因此夜間使用短波紅外成像輔助夜視可以得到更好的觀察效果；其次，相比于可見(jiàn)光和近紅外，短波紅外波長(zhǎng)更長(zhǎng)，因此具有穿透煙霧、雨雪、沙塵進(jìn)行成像等可見(jiàn)光成像不具備的能力，另一方面，與中波紅外和長(zhǎng)波紅外對(duì)比，短波紅外波長(zhǎng)更短，擁有更高的細(xì)節(jié)分辨能力。第三，短波紅外主要是利用目標(biāo)的反射輻射進(jìn)行成像，很多物質(zhì)在短波紅外波段有獨(dú)特的反射光譜特征，因此可以使用短波紅外成像識(shí)別特殊物質(zhì)和成分分析。在軍事上可應(yīng)用于偽裝識(shí)別、可見(jiàn)-短波紅外雙波段成像夜視、短波-熱紅外圖像融合夜視、紅外成像制導(dǎo)和激光雷達(dá)等；在空間探測(cè)領(lǐng)域成功應(yīng)用于深空探測(cè)；在空間遙感方面應(yīng)用于土地資源調(diào)查、海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)、土壤水分和植被含水量監(jiān)測(cè)、大氣成分分析、植被物種探測(cè)分析、農(nóng)作物長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)和估產(chǎn)及防災(zāi)減災(zāi)等方面；此外，商業(yè)領(lǐng)域和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域越來(lái)越多地涌現(xiàn)出來(lái)。2025/8/12、各波段紅外熱成像系統(tǒng)的特點(diǎn)典型目標(biāo)及景物的輻射特性中波紅外和長(zhǎng)波紅外：相比于短波紅外，中波紅外和長(zhǎng)波紅外的波長(zhǎng)更長(zhǎng)，能更好地穿透霧霾，受不良天氣影響小。因?yàn)橹胁t外和長(zhǎng)波紅外波段既包含太陽(yáng)的輻射能量，也包含地球上目標(biāo)和景物的自身的輻射能。因此，中波紅外和長(zhǎng)波紅外熱成像系統(tǒng)能夠獲得更多的目標(biāo)景物信息。在光學(xué)系統(tǒng)口徑和MTF一定的條件下，中波紅外波長(zhǎng)更短，可以獲得比長(zhǎng)波紅外更高的空間分辨率。中波紅外和長(zhǎng)波紅外波段各自的成像特性，除了與波長(zhǎng)有關(guān)，還與目標(biāo)溫度、大氣狀態(tài)以及光學(xué)系統(tǒng)和探測(cè)器等有關(guān)。對(duì)于火焰、飛機(jī)、導(dǎo)彈等高溫目標(biāo)，中波紅外比長(zhǎng)波紅外能夠獲得更高的信號(hào)強(qiáng)度，而對(duì)于常溫和低溫目標(biāo)，長(zhǎng)波紅外比中波紅外波段的信號(hào)更強(qiáng)；在干冷大氣環(huán)境中，長(zhǎng)波紅外比中波紅外波段透過(guò)率更高，而濕熱大氣環(huán)境中，中波紅外比長(zhǎng)波紅外波段透過(guò)率更高；在充滿霧氣、煙塵的大氣環(huán)境，長(zhǎng)波紅外比中波紅外波段穿透力更強(qiáng)。此外，在白天成像時(shí)，中波紅外熱成像系統(tǒng)接收的能量有一部分來(lái)自目標(biāo)反射的太陽(yáng)光輻射，會(huì)影響目標(biāo)溫度反演。由此可見(jiàn)，中波紅外和長(zhǎng)波紅外波段各有優(yōu)勢(shì)，要根據(jù)目標(biāo)與背景特性以及觀測(cè)要素等，通過(guò)綜合考慮確定探測(cè)波段。2025/8/12、各波段紅外熱成像系統(tǒng)的特點(diǎn)典型目標(biāo)及景物的輻射特性（a）可見(jiàn)光

（b）短波紅外

（c）中波紅外

（d）長(zhǎng)波紅外不同波段成像效果及分辨率的對(duì)比2025/8/12、各波段紅外熱成像系統(tǒng)的特點(diǎn)典型目標(biāo)及景物的輻射特性目前，更多的研究在探索采用“雙譜段”成像，以獲取目標(biāo)在2個(gè)譜段的信息，從而提高對(duì)目標(biāo)的探測(cè)和識(shí)別能力。2025/8/12、各波段紅外熱成像系統(tǒng)的特點(diǎn)典型目標(biāo)及景物的輻射特性美國(guó)碲