红外热成像系统的结构与特性分析
红外热成像摄像机原理分析以及应用
红外热成像摄像机原理分析以及应用随着技术的进步，监控系统已经在各个领域得到了广泛的应用。
目前的视频监控系统主要采用可见光摄像机和人工监视、录像相结合的方式进行日常的安全防护，但由于可见光摄像机在恶劣天气或照度较低的条件下，很难滤除干扰得到有用的视频图像，因此使得整个安防系统在夜间或恶劣天气条件下的防范能力大打折扣。
同时，由于现在的视频监控系统仍然依托于人工监视，安保人员需要对监控画面进行24小时不间断的监视、人为对视频图像进行分析报警，否则系统就起不到实时报警的功能，而更多的只是事发后取证的作用。
从整体上来说，目前的视频监控系统还处于在半天时、半天候和半自动状态。
在伊拉克战争中，美军平均每个士兵拥有1.7台红外热像仪产品一项统计数据表明，世界上47%的暴力犯罪案件发生在晚6点到早6点之间。
原因很简单，在夜幕的笼罩下，犯罪分子容易隐蔽，犯罪场面也不容易被看见——黑暗掩盖了犯罪行为。
即使安装了一般的视频监控系统，也有可能让犯罪分子逃之夭夭。
因此，如何提高在“夜黑风高”的案件高发时间段的自动报警防范能力，成为安防系统当成亟待解决的难题之一。
在这种情况下，红外热成像技术以其作用距离远、穿透能力强、能识别隐蔽目标等优势被引入安防领域，成为监控领域的一份子。
热成像摄像机的监控原理在自然界中一切温度高于绝对零度(-273.16摄氏度)的物体都不断地辐射着红外线，这种现象称为热辐射。
红外线是一种人眼不可见的光波，无论白天黑夜，物体都会辐射红外线，但红外线不论强弱，人们都看不到。
热成像摄像机(又叫热像仪)就是利用红外探测器、光学成像物镜接收被测目标的红外辐射信号，经过红外光学系统红外探测器的光敏源上利用电子扫描电路对被测物的红外热像进行扫描转换成电信号，经放大处理、转换或标准视频信号通过电视屏或监测器显示红外热图像。
利用这种原理制成的仪器为热成像摄像机。
它通过探测微小的温度差别，将温度差异转换成实时的视频图像，显示在监视器上。
红外成像系统
目录一、概论 (11、热像仪构成 (12、热成像功能: (13、热成像技术的优点 (14、红外成像阵列与系统分类 (15、热成像技术的划代 (16、典型技术特点 (27、制冷红外成像阵列与系统的发展 (47、非制冷红外成像阵列与系统的发展 (48、红外成像探测器的发展趋势 (5二、工作原理与结构 (51、串扫型热像仪 (62、并扫型热像仪 (73、串并扫型热像仪 (8四、常见的光机扫描机构 (91、旋转反射镜鼓做二维扫描 (92、平行光路中旋转反射镜鼓与摆镜组合 (103、平行光路中反射镜鼓加会聚光路中摆镜 (104、折射棱镜与反射镜鼓组合 (115、会聚光路中两旋转折射棱镜组合 (126、两个摆动平面镜组合 (12五、热成像系统基本技术参数 (121、光学系统的通光口径0D 和焦距0f (122、瞬时视场角α、β (123、观察视场角H W 、V W (134、帧时f T 和帧速∙F (135、扫描效率η (136、滞留时间d τ (13六、红外成像系统综合性能参数 (141、噪声等效温差NETD (142、最小可分辨温差MRTD (153、最小可探测温差MDTD (18红外成像系统一、概论能够摄取景物红外辐射分布,并将其转换为人眼可见图像的装置,就是红外热成像系统(简称热像仪。
实现景物热成像的技术称为热成像技术。
1、热像仪构成✓接收和汇聚景物红外辐射的红外光学组件;✓既实现红外望远镜大视场与红外探测器小视场匹配,又按显示制式的要求进行信号编码的光学机械扫描器(当使用探测元数量足够多的红外焦平面探测器时,光学机械扫描器可以省去;✓将热辐射信号变成电信号的红外探测器组件;✓对电信号进行处理的电子学组件;✓将电信号转变成可见光图像的显示器;✓进行信号处理的算法和软件。
2、热成像功能:✓将人眼的观察范围扩展到光谱红外区;✓极大地提高人眼观察的灵敏度;✓获得了客观世界与热运动相关的信息。
3、热成像技术的优点✓环境适应性优于可见光,尤其是在夜间和恶劣天候下,具有较好的穿透烟雾和尘埃的能力;✓隐蔽性好,比雷达和激光探测安全且保密性强,不易被干扰;✓识别伪装目标的能力优于可见光,具有较强的反隐身能力;✓具有较远的作用距离;✓与雷达系统相比,体积小,重量轻,功耗低。
红外热成像仪原理与应用分析
原理阐述
红外热成像仪利用红外探测器接收目标物体发射的红外能量，并将其转化为电 信号。这些电信号经过处理和解析，最终形成可供观察和分析的热图像。红外 热成像仪能够检测到目标物体温度的微小变化，因此可用于监测设备的运行状 态、检测疾病病变以及监控安全等领域。
设备介绍
红外热成像仪主要由红外探测器、光学系统、电子处理系统和显示终端等组成。 其中，红外探测器是核心部件，它能够将红外能量转化为电信号。光学系统则 用于聚焦和传输红外能量至红外探测器。电子处理系统则对探测器输出的电信 号进行处理，以便在显示终端上显示出热图像。
未来展望
红外热成像无损检测技术在未来将得到更广泛的应用和推广。随着科学技术的 发展，该技术将不断优化和创新，提高检测的灵敏度和准确性，扩大应用范围。 例如，在医疗领域，红外热成像无损检测技术可用于医学诊断和疾病监测；在 能源领域，该技术可应用于太阳能电池板的无损检测。
结论
红外热成像无损检测技术是一种基于红外热成像技术的无损检测方法，具有非 接触、非破坏、快速、高灵敏度等优点。本次演示介绍了红外热成像无损检测 技术的原理及其应用，包括发动机无损检测、金属材料质量检测、建筑质量检 测等。随着科学技术的发展，该技术在未来将得到更广泛的应用和推广，为各 个领域的无损检测和监测提供强有力的技术支持。
红外热像仪图像分析系统组件在多个领域都有广泛的应用，以下是几个主要的 应用领域：
1、工业检测：红外热像仪图像分析系统可以用于工业生产中的产品质量检测、 设备故障检测等。通过分析物体发出的红外辐射，可以快速、准确地检测出产 品的缺陷和设备的故障点，大大提高了生产效率和产品质量。
2、医疗诊断：红外热像仪图像分析系统在医疗领域也有着广泛的应用。例如， 可以利用该系统对皮肤疾病进行诊断，通过分析病变部位发出的红外辐射，可 以判断出疾病的类型和严重程度。此外，还可以用于中医诊断等领域。
制冷型红外热像仪的相关结构介绍
制冷型红外热像仪的相关结构介绍概述红外热像仪是一种能够通过检测物体的红外辐射来实现热成像的设备。
制冷型红外热像仪是在普通红外热像仪的基础上加入了制冷装置，能够在低温环境下工作，从而提高了灵敏度和分辨率。
本文将介绍制冷型红外热像仪的结构。
主要结构制冷型红外热像仪主要由以下四部分组成：1.光学系统2.探测器3.制冷装置4.信号处理与控制系统光学系统光学系统是制冷型红外热像仪的核心部分。
它的主要作用是将被检测物体的红外辐射聚焦到探测器上，形成图像。
光学系统由凸透镜、反射镜和滤光片等组成。
其中，凸透镜和反射镜一般采用硒化锌(SiZn)或氟化镉(InZnCd)等单晶体材料，具有良好的光学性能和机械强度。
滤光片则可以根据需要选择不同的波段，例如3-5μm和8-12μm。
探测器探测器也是制冷型红外热像仪的重要组成部分。
探测器可以将物体发射的红外辐射转换为电信号，并将其传送到信号处理与控制系统进行处理。
常见的探测器有铟锗(InGaAs)探测器和汞锗(HgCdTe)探测器。
铟锗探测器可以工作在3-5μm的波段，汞锗探测器则可以工作在8-12μm的波段。
制冷装置制冷装置是制冷型红外热像仪的关键部件。
由于探测器的工作需要在低温条件下进行，制冷装置的主要作用就是降低探测器的温度。
常见的制冷装置有制冷电路和制冷机。
其中，制冷电路采用热电偶作为制冷源，可以将探测器的温度降低至-50℃左右。
而制冷机则可以将温度降低至-100℃以上，但是由于体积和功耗等因素的限制，目前大多数制冷型红外热像仪采用的是制冷电路。
信号处理与控制系统信号处理与控制系统是制冷型红外热像仪的数据处理和控制核心。
主要负责将探测器采集的信号进行放大、滤波等处理，并将处理后的数据传输到显示器或电脑上进行显示或记录。
同时，控制系统还可以控制制冷装置的开关和温度等参数，确保制冷型红外热像仪的正常工作。
总结制冷型红外热像仪是一种高灵敏度、高分辨率的热成像设备。
它主要由光学系统、探测器、制冷装置和信号处理与控制系统四部分组成。
红外线热成像仪的原理
红外线热成像仪的原理红外线热成像仪是一种非接触式的温度测量仪器，其原理基于物体的红外辐射特性。
红外线热成像仪利用光学系统将物体的红外辐射聚焦到探测器上，然后通过电子系统处理信号，最终在显示器上呈现物体的热图像。
一、红外辐射原理所有物体都会发出红外辐射，这是由于物体内部的微观粒子的振动和运动产生的。
温度越高，物体发出的红外辐射的强度越高。
红外线热成像仪通过测量物体发出的红外辐射强度来推断物体的温度。
二、工作原理红外线热成像仪由光学系统、探测器和电子系统三部分组成。
1.光学系统光学系统的作用是将目标物体的红外辐射聚焦到探测器上。
它通常由透镜或反射镜组成，具有过滤和聚焦的功能。
通过过滤器，光学系统只允许特定波长的红外辐射进入，以减少其他干扰信号的影响。
2.探测器探测器是红外线热成像仪的核心部分，负责接收和测量目标物体的红外辐射。
探测器通常由一系列的热电偶或热电阻组成，能够将红外辐射转换为电信号。
探测器的性能决定了红外线热成像仪的灵敏度和精度。
3.电子系统电子系统负责处理探测器输出的信号，将其转换为可显示的图像。
电子系统通常包括放大器、信号处理器和显示器等组件。
放大器将探测器输出的微弱电信号放大，信号处理器对信号进行进一步处理和修正，最后在显示器上呈现目标物体的热图像。
三、特点及应用红外线热成像仪具有非接触、快速、高精度和高灵敏度等特点，广泛应用于军事、工业、医疗等领域。
在军事领域，红外线热成像仪用于夜视侦查和瞄准目标；在工业领域，红外线热成像仪用于设备故障检测和产品质量检测；在医疗领域，红外线热成像仪用于疾病诊断和治疗监测。
总之，红外线热成像仪是一种基于物体红外辐射特性的温度测量仪器，其工作原理主要包括光学系统、探测器和电子系统三部分。
由于具有非接触、快速、高精度和高灵敏度等特点，红外线热成像仪在军事、工业、医疗等领域得到了广泛应用。
随着技术的不断发展，红外线热成像仪的应用前景将更加广阔。
红外热成像技术在建筑结构检测中的应用
红外热成像技术在建筑结构检测中的应用引言建筑结构的安全性和稳定性对于人们的生活至关重要。
然而，由于长期受到自然环境和外界因素的影响，建筑结构可能会存在一些隐患和潜在的风险。
因此，快速、准确地检测和诊断建筑结构的问题变得尤为重要。
红外热成像技术作为一种无损检测方法，已经在建筑结构的检测中得到广泛应用，并取得了显著的效果。
一、红外热成像技术的原理和特点红外热成像技术是利用物体发射的红外热辐射对其进行无损检测的方法。
在建筑结构检测中，红外热成像技术可以通过捕捉建筑物表面的红外热辐射图像，以反映建筑物内部的温度分布和热传导情况。
该技术有以下几个特点：1. 非接触性：红外热成像技术不需要与被测物体接触，可以在远距离内获得可靠的检测结果。
2. 实时性：红外热成像技术采集数据的过程非常迅速，几乎可以实时获取建筑结构的热分布情况。
3. 高灵敏度：红外热成像技术对温度变化非常敏感，可以检测到微小的热异常。
4. 高分辨率：现代红外热成像仪器可以提供高分辨率的热成像图像，使得捕捉建筑结构的热分布情况更加精确。
二、1. 检测隐蔽性缺陷：建筑结构中常常存在一些隐蔽性缺陷，如水渗透、空气泄漏等。
红外热成像技术通过检测表面温度的变化，可以帮助人们发现这些隐蔽性缺陷，并及时采取相应的修复措施。
2. 评估热桥效应：热桥效应是指建筑结构中较热的区域与较冷的区域连通的情况。
这种情况会导致能量损失和热条件不佳，从而影响建筑物的节能性能。
红外热成像技术可以迅速识别和评估热桥效应，以指导设计和改进建筑结构。
3. 检测结构变形：在建筑使用过程中，由于各种原因，建筑结构可能出现一定的变形，如裂缝、变形等。
红外热成像技术可以通过检测表面温度的分布，来评估建筑结构的变形程度，从而指导维修和改造工作。
4. 火灾预警：红外热成像技术具有极高的灵敏度和实时性，在火灾预防和监测中发挥着重要的作用。
通过检测建筑物表面的温度异常，可以及早发现火灾隐患，并及时采取相应措施，保障人们的生命安全和财产安全。
红外成像系统
• 大气对 1～15µm红外线的透过率曲线
大气透过率/%
100 80 60 40 20
2
4
6
8
10
12
14
16
18
• 大气窗口: 1～2.5 µm 、 3～5 µm , 8～14 µm
20 波长/ µm
§ 1 红外辐射的基本概念
六、红外辐射在介质中的传输
• 红外光学材料的透过率曲线
§ 1 红外辐射的基本概念
一、黑体－－理想的辐射体：全部吸收或全部辐射
红外电磁波的辐射率、吸收率与波长、表面温度无关，并且等于1 。
• 一般物体的辐射率和吸收率都小于1
• 物体的比辐射率 ： ε = I / Ib
石墨及黑色漆面：ε ≈ 0.98； 抛光的铝表面： ε ≈ 0.05 砖、混凝土： ε ≈ 0.92～0.93 人体 : ε ≈ 0.98 水、冰: ε ≈ 0.96
§ 1 红外辐射的基本概念
• 可见光：＝ 0.38～0.78 µm • λ< 0.38 µm: 紫外辐射、x 射线、γ射线和宇宙射线， • λ>0.78 µm: 红外辐射、微波和无线电波。 • 红外的三个区域：
近红外: 0.78～3.0 µm 中红外: 3.0～20 µm 远红外: 20～1000 µm • 任何高于绝对零度的物体都在不停地发生红外辐射。
露。
绿色草木
粗糙混凝土
100
80
暗绿色漆
பைடு நூலகம்
60
40
20
反射比/%
0.2
0.4
0.6
0.8 1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
红外热成像仪的原理特征
（红外热成像仪的适用范围、运用原理、特征）什么是红外热成像？红外线，又称红外辐射，是指波长为0.78~1000微米的电磁波。
其中波长为0.78~2.0微米的部分称为近红外，波长为2.0~1000微米的部分称为热红外线。
照相机成像得到照片，电视摄像机成像得到电视图像，都是可见光成像。
自然界中，一切物体都可以辐射红外线，因此利用探测仪测定目标的本身和背景之间的红外线差并可以得到不同的红外图像，热红外线形成的图像称为热图。
目标的热图像和目标的可见光图像不同，它不是人眼所能看到的目标可见光图像，而是目标表面温度分布图像，换一句话说，红外热成像使人眼不能直接看到目标的表面温度分布，变成人眼可以看到的代表目标表面温度分布的热图像。
红外热成像用红外热成像技术，探测目标物体的红外辐射，并通过光电转换、信号处理等手段，将目标物体的温度分布图像转换成视频图像的设备，我们称为红外热成像仪。
我们人眼能够感受到的可见光波长为：0.38—0.78微米。
通常我们将比0.78微米长的电磁波，称为红外线。
自然界中，一切物体都会辐射红外线，因此利用探测器测定目标本身和背景之间的红外线差，可以得到不同的红外图像，称为热图像。
同一目标的热图像和可见光图像是不同，它不是人眼所能看到的可见光图像，而是目标表面温度分布图像，或者说，红外热图像是人眼不能直接看到目标的表面温度分布，变成人眼可以看到的代表目标表面温度分布的热图像。
红外热成像的特点自然界所有温度在绝对零度（-273℃）以上的物体都会发出红外线，红外线（或称热辐射）是自然界中存在最为广泛的辐射。
大气、烟云等吸收可见光和近红外线，但是对3~5微米和8~14微米的红外线却是透明的。
因此，这两个波段被称为红外线的“大气窗口”。
我们利用这两个窗口，可以在完全无光的夜晚，或是在烟云密布的恶劣环境，能够清晰地观察到前方的情况。
正是由于这个特点，红外热成像技术可用在安全防范的夜间监视和森林防火监控系统中。
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5 空间频率
空间频率定义为单位空间上目标条纹的周期数。在热成像系统中
常用单位毫弧度中的周期数来表示(cyc/mrad)。设有等宽度的
亮暗条纹图案，相邻条纹中心距为lx，称为空间周期(单位为
mm)，若观察点O与图案之间的距离为R (单位为mm)，则θ=lx
/R(
mrad ) 称 为 角 周 期 ， 其 倒 数 即 为 空 间 角 频 率
fx=1/θ=R/lx( cyc/mrad ) 对于二维图像可以定义二维空间
角频率(fx , fy)。
11.1.3 热成像系统的基本参数与概念
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11.1.1 热成像原理
图以最简单的单元探测器光机扫描说明了热成像系统 如何将景物的温度和辐射发射率差异转换成可见热图 像。红外光学系统将景物发出的红外辐射通量分布聚 焦成像位于光学系统焦平面的探测器光敏面上；位于 聚焦光学系统和探测器之间的光机扫描器包括垂直和 水平两个扫描镜组，当扫描器工作时，从景物到达探 测器的光束随之移动，从而在物空间扫出像电视一样 的光栅；
α=a/f′,β=b/f′
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11.1.3 热成像系统的基本参数与概念
2
系统扫过一幅完整画面所需的时间Tf称为帧周期，单位为s,系统一秒 钟扫过画面的帧数fp称为帧频或帧速，单位为Hz 。fp和Tf 为
fp =1/T
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11.1.3 热成像系统的基本参数与概念
3
(ηscan )
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11.1.2 热成像系统的类型和组成
热释电红外成像系统(也称为热电视)也属于凝视型热成像系统，其 采用热释电材料作靶面，制成热释电摄像管，勿需光机扫描，直接 利用电子束扫描和相应的处理电路，组成电视摄像型热像仪。由于 结构简化，不需要制冷，成本低，虽然性能不及光机扫描型热成像 系统，但仍有一定的市场应用。
热成像系统对景物扫描时，由于同步扫描、回扫、直流恢复等要占 时间，在这个时间内不产生视频信号，称为空载时间，表示为Tf。 帧周期与空载时间之差(Tf-T′f)称为有效扫描时间。有效扫描时 间与帧周期之比称为系统的扫描效率，即
ηscan=(Tf-T′f)/T
4 空间角频率
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11.1.3 热成像系统的基本参数与概念
要的发展方向。根据目前探测器的水平，实际热成像系统大致采用
如下设计思想：在近程或低成本应用中一般采用非制冷探测器技术
，在中、
PtSi、InSb、HgCd一页
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11.1.3 热成像系统的基本参数与概念
1.瞬时视场( IFOV )
瞬时视场指的是探测器线性尺寸对系统物空间的两维张角，它由探 若探测器为矩形，尺寸为a×b，则瞬时视场的平面角α、β为
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11.1.2 热成像系统的类型和组成
此外，西方进一步提出了三代成像传感器系统的概念，热成像传感 器按照战技术性能可大致
1 2 3 兆像素级、
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11.1.2 热成像系统的类型和组成
以上几种传感器均为焦平面器件，从中可以看出兆像素级、多色制
冷探测器，高性能非制冷探测器以及低成本微型非制冷探测器是重
§11.1 热成像系统类型与基本参数
11.1.1 11.1.2 11.1.3
热成像原理 热成像系统的类型和组成 热成像系统的基本参数与概念
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11.1.1 热成像原理
自然界中的一切物体，只要它的温度高于绝对零度，总 是在不断地发射辐射能。因此，从原理上讲，只要能收 集并探测这些辐射能，就可通过探测器信号的采集和处 理形成与景物辐射分布相对应的热图像。这种热图像再 现了景物各部分的辐射起伏，能显示出景物的特征。
第十一章 红外热成像系统的结构与特性 分析
§11.1 §11.2 §11.3 §11.4 §11.5 §11.6 §11.7
热成像系统类型与基本参数 光机扫描系统 制冷器工作原理与分类 信号的处理与显示 热成像系统的性能与作用距离模型 热成像系统的实验室评价 热成像系统总体设计的基本考虑
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11.1.2 热成像系统的类型和组成
1997 ① 将由光机扫描器与单元或多元探测器所构成的热成像系统称为 ② 扫描型热像仪称为第二代热像仪 ③ 凝视型热像仪称为第三代热像仪 ④具有先进的信号处理功能，工作波段覆盖可见光、近红外、中红 外和远红外区域的灵 巧焦平面阵列称为第四代热成像系统。
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11.1.1 热成像原理
当扫描器以电视光栅形式使探测器扫过景物时，探测器将 逐点接收的景物辐射转换成相应的电信号序列，或者说， 光机扫描器构成的景物图像依次扫过探测器，探测器依次 把景物各部分的红外辐射转换成电信号，经过视频处理的 信号，在同步扫描的显示器上显示出景物的热图像。
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11.1.2 热成像系统的类型和组成
光机扫描型热成像系统方框图所示 凝视型热成像系统利用焦平面探测器面阵，使探测器中的每个单元 与景物中的一个微面元应。图所示为凝视型热成像系统的方框图， 凝视焦平面热成像系统取消了光机扫描系统，同时探测器前置放大 电路与探测器合一，集成在位于光学系统焦平面的探测器阵列上， 这也是所谓“焦平面”的含义所在。近年来，凝视焦平面热成像技 术的发展非常迅速.
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11.1.2 热成像系统的类型和组成
光机扫描器使单元或多元阵列探测器依次扫过景物视场，形成景物的 二维图像。在光机扫描热成像系统中，探测器把接收的辐射信号转换 成电信号，通过隔直流电路把背景辐射从场景电信号中消除，以获得 对比度良好的热图像。光机扫描型热成像系统由于存在光机扫描器， 系统结构复杂、体积较大 、可靠性降低、成本也较高，但由于探测器 性能的要求相对较低，技术难度相对较低，成为20世纪70年代以后国 际上主要的实用热成像类型，目前仍有一些重要的应用。
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11.1.2 热成像系统的类型和组成
根据红外探测器的原理，热成像系统可以分为制冷型 和非制冷型。按照成像方式，热成像系统可分为光机 扫描型和凝视型两种热成像系统 图所示为光机扫描型 热成像系统方框图，整个系统主要包括红外光学系统、 红外探测器及制冷器，电子信号处理系统和显示系统 四个组成部分。