光学读出非制冷红外成像的最新进展

针对以前红外成像中红外图像的噪声等效温度差（NETD）较大和空间分辨率不高的问题，本文在制作工艺改善的基础上，设计了一个单元尺寸分别是50μm×50μm和60μm×60μm的红外焦平面阵列（FPA），它是由0．5μm厚的SiNX和0．2μm厚的Au构成的双材料微悬臂梁阵列构成。微梁单元倾斜角的变化利用在谱平面刀口滤波的光学方法测量。FPA是利用基于体硅的表面微加工工艺制作的，利用制作的FPA的60μm×60μm单元区域和12bit CCD，得到了室温物体的热像。讨论了60μm×60μm单元区域的性能，给出了NETD在100mK左右。和以前的工作相比，红外图像的温度分辨率和空间分辨率都得到了明显改善。     

基于极端学习机背景预测的红外小目标检测算法

为自适应检测复杂环境中的红外小目标,提出了基于极端学习机背景预测的红外小目标检测算法。首先,依据灰度值分布设计局部边缘敏感平滑滤波器,在相近的灰度范围内,使中心像素的灰度值等于邻域内多数灰度值的融合,对红外图像进行滤波,能够去除大量噪声并突出图像主要结构;其次,利用极端学习机对滤波后的图像建立回归模型,以邻域像素值为输入,以中心像素值为输出训练模型,并对背景进行预测,得到的图像与滤波后的图像做差,得到小目标显著图;最后,利用图像块对比特性对显著区域处理,使小目标区域均匀突出,抑制背景区域,并经过简单阈值操作,实现对红外小目标的检测。实验结果表明:与其他检测算法相比,在复杂背景下,本文算法检测结果的局部信噪比增益最高,单帧检测时间为0.18 s。本文算法对背景进行学习,发掘背景与目标的差异,提高了算法的适应能力,并且能够有效检测小目标。     

光学读出室温物体红外成像

光学读出式红外成像系统是近年来提出的一种新型红外成像技术,它是基于探测双材料微悬臂梁吸收红外辐射后的变形。本文采用了谱平面刀口滤波方法,将双材料(SiNx/Au)微梁阵列接收热像后的转角变形转化为像平面上微梁阵列的像所对应的光强变化,并设计制作了无基底单层膜结构微梁阵列(100×100pixels,微梁尺寸200×200μm2,厚2μm)。用该阵列在光学读出系统中,获得了室温下人体的热图像。该系统在室温时(300K)噪声等效温度差(NETD)达到0.2K。     

基于可见光与红外图像特征融合的目标跟踪

针对单一图像源下目标跟踪精度不高的问题,利用跟踪状态下的目标存在于可见光与红外图像中的特征对连续自适应均值移动跟踪算法做出改进。首先选取可见光图像的“颜色梯度背投影”作为改进的目标模型,选取红外图像的“灰度梯度背投影”作为改进的目标模型;然后根据可见光序列图像和红外序列图像各自进行连续自适应均值移动跟踪算法得到的对应的qi系数判定两种图像跟踪的效果,对两种图像的权重进行自适应调整,得到这两种图像的特征级融合图像和跟踪结果。实验结果表明,对于320像素×240像素的可见光和红外图像,基于可见光与红外图像特征融合的目标跟踪算法在复杂背景下能够较准确的跟踪目标,目标跟踪精度为0.5像素,跟踪速度为30~32 ms/帧。     

基于MEMS的光力学红外成像

非制冷红外成像仪以其优良的性价比和高可靠性而倍受关注。近期 ,非制冷的热机械型红外成像仪有望发展成为新的低价格高性能的红外成像设备。本文提出了一种新型光学读出的红外探测仪。此红外探测仪的核心器件焦平面阵列 (FPA)由无硅基底结构的微悬臂梁阵列构成。每个微悬臂梁独立地把入射的红外热辐射转化为被光学系统探测的热变形。它不需要读出电路、真空腔和制冷装置 ,其理论上的噪声等效温度差接近致冷型红外成像系统 ,而制作成本和难度将大幅降低。制作的无硅基底单层膜结构的FPA ,其单元尺寸为 2 0 0 μm× 1 0 0 μm ,阵列大小为 1 5 0× 1 0 0像素数。实验制作的系统探测到温度为 5 0 0K左右的热物体像 ,热像采样频率为 1 2幅 /秒。     

联合行稀疏与l_(1/2)-范数稀疏表示的红外小目标检测算法

针对红外图像的小目标检测问题,提出了一种联合行稀疏与l_(1/2)-范数稀疏表示的小目标检测算法。首先采用滑动窗口对原始红外图像进行分块,构建分块图像矩阵;然后,根据稀疏与低秩表示理论建立行稀疏与l_(1/2)-范数稀疏表示的模型,并利用交替方向乘子算法求解得到稀疏矩阵和低秩矩阵;最后,通过图像重构,得到小目标的图像,并采用阈值分割的方法确定小目标的真实位置。实验结果表明,算法可以实现对不同背景红外图像中的小目标准确检测,与红外块图像建模算法相比,检测后的图像信杂比接近的情况下,检测速度提升了约1倍。     

光机械式红外探测器中镜面弯曲对探测灵敏度的影响(英文)

光学读出式红外成像技术是近年来研究的热点,本文讨论了镜面弯曲对光学检测灵敏度的影响。由双材料微悬臂梁组成的非致冷焦平面阵列通过体刻蚀工艺加工而成,由于残余应力的影响,制成的焦平面阵列将会发生弯曲,应力导致的镜面弯曲将会降低光学探测灵敏度。本文通过傅立叶光学模拟了镜面弯曲对光学探测灵敏度的影响,并通过实验验证了该模型。实验和模拟结果表明,在镜面曲率为0 .1mm-1时,光学探测灵敏度将会降低到理想情况的40 %。最后我们用这个模型评价了通过表面修饰来提高光学性能的效果。     

光机械式红外探测器中镜面弯曲对探测灵敏度的影响

光学读出式红外成像技术是近年来研究的热点,本文讨论了镜面弯曲对光学检测灵敏度的影响.由双材料微悬臂梁组成的非致冷焦平面阵列通过体刻蚀工艺加工而成,由于残余应力的影响,制成的焦平面阵列将会发生弯曲,应力导致的镜面弯曲将会降低光学探测灵敏度.本文通过傅立叶光学模拟了镜面弯曲对光学探测灵敏度的影响,并通过实验验证了该模型.实验和模拟结果表明,在镜面曲率为0.1mm-1时,光学探测灵敏度将会降低到理想情况的40%.最后我们用这个模型评价了通过表面修饰来提高光学性能的效果.     

光机械式红外探测器中镜面弯曲对探测灵敏度的影响

光学读出式红外成像技术是近年来研究的热点，本文讨论了镜面弯曲对光学检测灵敏度的影响。由双材料微悬臂梁组成的非致冷焦平面阵列通过体刻蚀工艺加工而成，由于残余应力的影响，制成的焦平面阵列将会发生弯曲，应力导致的镜面弯曲将会降低光学探测灵敏度。本文通过傅立叶光学模拟了镜面弯曲对光学探测灵敏度的影响，并通过实验验证了该模型。实验和模拟结果表明，在镜面曲率为0．1mm-1时，光学探测灵敏度将会降低到理想情况的40％。最后我们用这个模型评价了通过表面修饰来提高光学性能的效果。     

光学读出微梁阵列红外成像性能分析与优化

系统响应率是光学读出微梁焦平面阵列(Focal Plane Array,FPA)红外成像的关键性能参数。在刀口滤波光学读出技术中,系统响应率的主要组成部分——光学读出灵敏度与微梁反光板的长度密切相关,并受到反光板弯曲变形的严重影响。由于残余应力在制作过程中不可避免地存在,微梁反光板都有弯曲变形,膜厚相同的反光板具有相同的变形曲率半径。本文利用傅里叶光学分析了反光板长度和弯曲变形对光学读出灵敏度的影响,构建并实验验证光学读出灵敏度理论模型。根据该模型,分析了系统响应率与反光板长度之间关系,理论分析与实验结果相符。结果表明,通过减薄SiNx厚度并使反光板处于该厚度下的最优长度,不仅能提高红外成像的系统响应率,而且能同时提高红外成像的空间分辨率。     

ANALYTICAL SOLUTION FOR RESPONSE OF FERROELECTRIC THIN FILM TO INFRARED RADIATION

Micro-bolometer pixel is an essential element in the infrared focal plane array(IRFPA) of infrared detectors.Its response to infrared radiation is analyzed in this paper.The pixel structure is modeled as a composite laminate thin plate whose sides are measured with the thickness from 0.1-1 μm.Its middle ply is a ferroelectric thin film.Its top surface is covered with a gold or platinum infrared absorber,while the bottom surface is deposited with platinum or lanthanum-nickel.Meanwhile both surfaces are a pair of electrodes.The top surface receives infrared radiation pulses successively.For the very tiny micro bolometer pixel,it is assumed that the infrared radiation is uniformly distributed on the plate.Furthermore,as the ratio of the side length to the thickness of the plate is dramatically large,it is assumed that heat transfer only takes place across the thickness of the plate.The thermal-electric-mechanical coupling governing equations are solved in a form of Fourier series.Results of the displacement,temperature variation and electric output signals of the micro bolometer pixel structure under infrared radiation are obtained,analyzed and compared with experimental data.     

SUS304钢表面粗糙度对红外图像的影响

为提高红外热像仪图像及测温精度,根据红外热像仪的测温原理和红外辐射原理,通过使用红外热像仪、CCD相机以及激光表面形状测量显微镜,研究了SUS304钢在单轴拉伸塑性变形过程中表面粗糙度与目标发射率的关系;并用热电偶和红外热像仪对塑性变形过程中的温度分布进行了测量。研究结果表明,目标发射率随表面粗糙度成比例增大,造成红外热像仪测定的塑性变形区域比实际变形区域大;通过预先设定材料的表面粗糙度,以提高有效目标发射率,能得到较好的红外图像和测温精度。     

Fluid surface imaging using microlens arrays

 The paper describes a new technique for measuring surface slopes at the air–water interface. A microlens array is employed to optically sample the fluid surface at a large number of measurement points in parallel. The focal plane image of the lenslet array is recorded by a standard video camera, generating a data set of typically 4000 candidate samples for each video frame. The displacement of the focal spots is analyzed using a cross-correlation technique augmented by a topological identification algorithm which makes use of the hexagonal structure of the lenslet array. Surface height profiles are computed by integrating the surface slope field. Received: 19 March 1997 / Accepted: 5 January 1998     

铁电薄膜在红外辐射作用下的动力响应

本文研究了红外探测器中红外焦平面列阵的象元———铁电薄膜微桥在红外辐射作用下的输出信号。用层合板壳作为微桥结构的力学模型,中间一层为压电材料,上下两层为金属材料电极。采用了力-电-热耦合的控制方程和变分原理,考虑了铁电薄膜的惯性力,推导出了基于Mindlin假设的压电材料层合板有限元公式。以红外探测器在夜间从飞机上探测地面的坦克为例,用有限单元法模拟了铁电薄膜微桥在红外辐射作用下的力、热、电输出信号,并对结果作了分析比较。     

锚固体红外温度场与应力场特性研究

为了研究锚固体力-热耦合机制,分别对不同类型的锚固体加载变形破坏过程进行试验研究。应用红外热像技术,获得红外温度场,同时对锚固体进行应力场数值分析。结果显示:中心位置布置单根锚杆的锚固体;应力峰值前,随着荷载的增加,红外温度场呈现整体均匀性升温变化;应力峰值后,在锚杆周围形成一个由多条不同等温线组成的区域,其形状是以锚杆为中心的近似圆形区域,由内向外,温度逐步降低;有锚杆一侧围岩红外温度高于无锚杆一侧,锚杆周围形成一个近似"喇叭"状的等温线图,高温等温线对应高应力区,低温等温线对应低应力区,红外温度场与应力场之间存在空间分布对应关系。     

锚固体变形破坏过程中红外温度场与应力场的分析与比较

应用红外热像技术分别对不同类型的锚固体加载变形破坏过程进行了试验研究。试验结果表明,对于中心位置布置单根锚杆的锚固体:应力峰值前,随着荷载的增加,红外温度场呈现整体均匀性升温变化;应力峰值以后,在锚杆周围形成一个由多条不同等温线组成的区域,其形状是以锚杆为中心的近似圆形区域,由内向外温度逐步降低。有锚杆一侧围岩红外温度高于无锚杆一侧,锚杆周围形成一个近似"喇叭"状的等温线图;高温等温线对应高应力区,低温等温线对应低应力区;红外温度场与应力场的空间分布存在对应关系。     

旋转弹体表面红外辐射干扰补偿模型

针对地球红外辐射姿态测试方法中弹体表面红外辐射干扰较大的问题,建立旋转弹体自身红外辐射补偿模型,从而提高弹体姿态测量精度。首先,采用瞬态热平衡微分方程推导出旋转弹体表面温度变化曲线,获取弹体自身红外辐射亮度。然后,根据地球红外辐射及其在大气中的传播规律,建立了弹体自身红外辐射补偿数学模型。最终结合红外传感器输出和所推导的补偿模型,估算红外辐射补偿参数。结果表明补偿后姿态角解算误差显著降低,俯仰角和横滚角解算误差最终分别保持在±0.2°和±0.4°以内。本方法对姿态测量误差的减小具有显著效果,补偿方法简单有效,对旋转弹体的红外姿态测试技术的研究具有借鉴意义。     

锚杆与围岩加载过程的红外热像模拟实验研究

应用红外热像技术，对锚杆与围岩加载变化破坏过程中的红外辐射现象进行 了实验研究. 结果表明： 无锚杆试块红外辐射温度随着荷载增加，呈现整体均匀升温变化；试块布置锚杆后其承载能 力增加，红外辐射温度也明显升高，应力峰值后，在锚杆周围形成一个由不同等温线组成的 区域，由内向外温度逐步降低，锚杆周围红外温度场与应力场，在形状和空间分布上有很好 的相似性，红外热像高温区和低温区分别对应高应力区和低应力区.     

无基底焦平面阵列结构优化设计及性能分析

基于光学读出非制冷红外成像技术,本文作者提出并成功设计制作了无基底焦平面阵列结构(Focal Plane Array,FPA),不仅简化了制作工艺,而且大幅提升了成像性能。但由于其为单层膜结构,固有频率值低,可能会引起热机械振动噪声(NETDTM),导致噪声等效温度差(NETD)上升。为解决这一问题,本文提出两种改进的加强梁结构,借助有限元简化模型和激光位移传感器,通过数值模拟和实验验证,证实这两种结构可以大幅度提高FPA固有频率值(分别从74Hz提升至835Hz和404Hz),NETDTM降低约两个数量级,从而实现了对FPA的优化设计。     

Deformation analysis of laser spectra based on S-R decomposition theorem

ＭｏｄｅｒｎｏｐｔｉｃａｌｔｈｅｏｒｙｈａｓｓｈｏｗｎｔｈａｔｔｈｅｆａｒｆｉｅｌｄｏｒＦｒａｕｈｏｆｅｒｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎｅｑｕｉｐｍｅｎｔｉｓｉｄｅｎｔｉｃａｌｔｏｔｈｅＦｏｕｒｉｅｒｓｐｅｃｔｒａａｎａｌｙｚｅｒ．ＩｎｔｈｅＦｏｕｒｉｅｒｓｐｅｃｔｒａｌａｎａｌｙｚｅｒｔｈｅＦｏｕｒｉｅｒｓｐｅｃｔｒａｏｒｔｈｅＦｒａｕｎｈｏｆｅｒｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎｐａｔｔｅｒｎｏｆａｎｉｍａｇｅｉｓｆｏｒｍｅｄｏｎｔｈｅｂａｃｋｆｏｃａｌｐｌａｎｅｗｈｅｎａｌａｓｅｒｂｅａｍｉｓｄｉｒｅｃｔｅｄ…