基于fpga的非制冷红外焦平面图像采集系统研究

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1、哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第1章绪论1.1课题来源红外热像系统是一种可探测目标的红外辐射，通过光电转换、信号处理[1-2]等手段，将目标物体的红外辐射特性转换成视频图像的设备。广泛应用于气象观测、资源调查和环境监测、海洋遥感、精确的空间摄影测量、空间侦察与预警和空间目标的搜索等领域，是集光、机、电等尖端技术于一体的高新技术产品，其相关技术处于目前世界各国的科技前沿。[3]传统红外热像系统的核心部件是需要低温致冷的光子型器件(在低温77K附近工作)，其中以碲隔汞(HgCdTe)器件(工作在3~5μm或8~1

2、4μm波段)和锑化铟(InSb)器件(工作在3~5μm波段)为典型代表。这类器件的光电性能优良，该系统的缺点是必须采取相应制冷措施，保证探测器周围的温度在其工作温度范围之内，对工作环境要求苛刻、造价高、可靠性低，其应用领域受到很大的限制。非制冷焦平面探测器的出现，使红外热成像系统省去了复杂的制冷机构，实现红外热像系统的小型化、轻量化，拓宽了红外热像系统的[4-6]应用领域。近几年，我国在红外热成像技术的研究上投入了很大的精力，各高校及科研院所纷纷对红外热成像技术展开研究，尤其是非制冷红外热成像技术，更是备受军

3、方的关注。本课题正是以非制冷红外探测器机芯组件的研究重点为来源而展开的。本课题的主要目的就是完成基于非制冷红外焦平面探测器的图像采集系统的设计。由上可知，开展本课题的研究，对提高我国红外热成像技术具有重要而深远的意义，不论是对提高红外成像制导技术水平，还是对提高红外遥感系统的探测水平都具有巨大的推动作用。1.2非制冷红外热成像技术发展现状非制冷红外热成像系统的核心是非制冷红外焦平面探测器，其发展水平直接决定了非制冷热成像系统的发展。从1978年非制冷红外热成像系统首次研制成功，到非制冷红外热像系统装备到部队，

4、已有近30年的发展历史。世-1-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文界各国都在竞相开展非制冷红外焦平面的研究，并将其研究成果应用于军事、航空等各个领域，其中美国、英国、法国等国家处于领先地位。探测器像元已由原来的单元结构发展到目前的大规模面阵，并逐步向超大规模阵列发展，像素尺寸也在明显减小。1.2.1国外非制冷热成像技术发展现状非制冷红外探测器的研究居世界领先水平的国家主要有美国、法国、英国和日本。MCTα−SiandBSTUncooledVOxTexasinstrumentsHoneyWellCooledHugh

5、esAmberRockheedLoralTechnictransfer2001cooledUncooled19961996VOx1996DRSBoeingLockheedα−SiBST1997Martin2001RaytheonRaytheonCommercialIR-dallasVisionsystemBAEsystemIndigo图1-1美国非制冷红外探测器发展过程Fig.1-1Developmentofun-cooledIRdetectorinUSA(1)美国是世界上最早展开对非制冷红外探测器研究的国家

6、，美国非制冷红外探测器的发展过程可用图1-1来描述。第一款非制冷红外热成像系统是[7]由美国的TexasInstrμments研制成功的，红外材料为α:Si与BST。1983年美国Honeywell开始研制室温下的热探测器，使用了硅微型机械加工技术，提供较好的热隔离，降低生产成本。DRS公司采用VOx电阻型探测器生产的U3000/U4000已经作为武器热瞄具装备美国陆军，焦平面像元尺寸为51μm，响应波段为8~12μm，NETD(NoiseEqualTemperatureDifference-噪声等效温差)(

7、U3000)为64~75mK，质量约为1.36kg。2001年DRS公司报道的以640×480焦平面为核心的热像仪U6000，像元尺寸为25.4μm。Raytheon公司采用BST铁电探测器生产的W1000系列产品，其质量为1.7kg，探测距离可达550m，像元尺寸50μm的320×240焦平面阵列的NETD可以达到47mK，可用于轻型武器-2-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文热瞄具、驾驶员视力增强器、手持式热像仪和车载式驾驶仪。2003年9月，Raytheon公司向美国陆军交付的武器热瞄具可以探测并识别200

8、m以外的行人。其各项参数如表1-1所示。表1-1SpecterIR热瞄具的各项参数Table1-1TheparameterofspecterIRthermalvisionNEDT<0.1℃Internalpower3AAALiBatteryFOV6.8°°(V)×8.6(H)ExternalpowerSelectableMagnification1.8XStart-time<10sOperating