红外热成像技术中的红外焦平面阵列的研究
基于CPLD的非致冷红外焦平面阵列驱动电路的设计
（ｏ ｅｅｏ ｏ ｕ ｉ ｔ ｎａｄＩｆ ｍ ｔ ｎＥ ｇ ｅＤ ｇ Ｃ ｏｇ ｉ ｎｖｒｉ ｆ ｏｔ Ｃ ｌｇ ｆ ｍｍ ｎｃ ｉ ｎ ｏ ａｉ ｎ ｉ ｅ ｎ ， ｈ ｎ ｑ ｇＵ ｉ ｓ ｏ ｓ ｌ Ｃ ａｏ ｎ ｒ ｏ ｎ ｎ ｅ ｔ Ｐ ｓ ｙ ａｄＴｌ ｏ ｎ ｅ ｃｍｍｕ ｉ ｔ ｎ， ｈ ｎ ｑ ｇ ４ ０６， ｈ ａ ｅ ｎｃ ｉ ｓ Ｃ ｏｇ ｉ ００５ Ｃ ｉ ） ａｏ ｎ ｎ
热成像 仪 的基础 ，成像 电路性 能 的优 劣可 直接 决 定其最终 的成像效 果 。 因此， 设计优 秀的红外
成像 电路有 着十分重 要 的意义 。 本 系统 中的非致冷红 外焦平面 阵列 （ Ｆ Ａ ＵＰ） 选 用 Ｕ Ｉ 公 司的 ３４ ２８ 非致冷微测 辐射热 ＬＳ ８ｘ８ 元 计。 Ｕ Ｐ 该 Ｆ Ａ具有高性能 、 高稳定性 小巧轻便、 低输 入功率等特 性 ， 由微 测辐射热 计焦平面 阵
Ｋ ｅ ｗ ｏ ｄｓ ｕ ｃ ｏ ｅ ｎ ｒ ｒ ｄ ｆ ｃ ｌ ｐ ａ ｅ ａ ｒ ｙ ｒｖ ｉｃ ｉ ；ｃ ｍｐｌｘ ｐ ｏ ｒ ｍ ｍａ ｌ ｏ ｉ ｅ ｉ ｅ ｙ ｒ ： ｎ ｏ ｌ ｄ ｉ ｆ ａ ｅ ｏ ａ ｌ ｎ ｒ ａ ；ｄ ｉ ｅ ｃｒ ｕ ｔ ｏ ｅ ｒｇａ ｂｅ ｌｇｃ ｄ ｖ ｃ ；
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红外焦平面探测器
红外焦平面探测器介绍红外焦平面探测器（Infrared Focal Plane Array Detector，以下简称IRFPA）是一种用于探测红外辐射的器件，可广泛应用于航天、军事和民用领域。
它能够实时、高效地探测并转换红外辐射能量为电信号，从而实现红外图像的获取和处理。
工作原理IRFPA的工作原理基于红外辐射与物体表面的相互作用。
当红外辐射照射在IRFPA上时，它会导致IRFPA内的感光元件产生电子-空穴对。
感光元件通常由半导体材料制成，如硒化铟（InSb）、硫化镉汞（CdHgTe）等。
这些电子-空穴对随后在感光元件中分离并转换为电信号。
IRFPA的关键组件是焦平面阵列（Focal Plane Array，以下简称FPA），它由大量排列成矩阵的感光元件组成。
每个感光元件都对应于焦平面上的一个像素，因而整个FPA可以同时探测多个红外像素。
这些像素的信号经过放大和处理后，可以生成红外图像。
型号和特性IRFPA的型号和特性各不相同，取决于其应用领域和需求。
以下是一些常见的IRFPA型号和相应的特性：1.分辨率：IRFPA的分辨率指的是其能够探测到的最小单位像素数量。
一般而言，分辨率越高，探测到的红外图像越清晰。
常见的分辨率有320x240、640x480等。
2.帧率：IRFPA的帧率是指其每秒能够获取和处理的红外图像数量。
较高的帧率可以捕捉到快速移动的物体，对于一些动态场景非常重要。
3.波段范围：不同的IRFPA可以探测不同波长范围的红外辐射，如近红外（NIR），短波红外（SWIR），中波红外（MWIR）和长波红外（LWIR）。
选择适当波段范围的IRFPA取决于具体的应用需求。
4.灵敏度：IRFPA的灵敏度是指其能够探测到的最小红外辐射强度。
较高的灵敏度意味着IRFPA可以探测到较微弱的红外辐射，对于一些低信噪比场景非常重要。
应用领域IRFPA在多个领域具有广泛的应用。
以下是一些常见的应用领域：1.热成像：IRFPA可以通过探测物体表面的红外辐射，用于热成像和温度分布检测。
红外图像非均匀性校正
改进的红外图像神经网络非均匀性校正算法摘要：红外焦平面阵列（IRFPA）像元响应存在不一致性，会严重影响红外成像系统成像的质量，实际应用中需要采用响应的非均匀性校正（NUC）技术。
传统的神经网络校正算法在校正结果中存在图像模糊和伪像的问题，影响人们对于目标的观察。
在分析了传统的神经网络性校正算法所出现问题原因的基础上，提出了有效的改进算法：用非线性滤波器代替传统算法中使用的均值滤波器。
算法改进之后所得到的校正图像，不仅在清晰度方面有明显的改善，而且有效的消除了传统算法中存在伪像的问题。
关键词：非均匀性；神经网络；模糊；伪像中图分类号：TN215 文献标识码：AImproved infrared image neural network non-uniformitycorrection algorithmAbstract：The responsive of infrared focal plane arrays (IRFPA) is different; it will affect the quality of imaging system seriously. Non-uniformity correction technology will need in practical application. The calibrated images have the problems of blurring and existing ghost artifacts when use the traditional neural network correction algorithm. And it is bad for the observation of the target. After analysis the reasons for the problems in the traditional neural network correction algorithm，proposed the improved algorithm. Replace the mean filter, which used in the traditional algorithm, by the nonlinear filter. The corrected image by the improved algorithm not only a marked improvement in clarity, but also effectively eliminate the problem of artifacts in traditional algorithms.Keywords：Non-uniformity; Neural network; Blurring; Ghosting artifacts0引言红外技术是20世纪初新出的一种不可见光技术，目前已被广泛应用于军事和民事领域，如红外探测，红外监视等。
非制冷红外焦平面探测器技术及应用解决方案
个人消费市场
个人红外成像，如消费级无人机红外成像载荷，安全视觉、狩猎、户外观等; 个人视觉系统应用：护目镜、安全视觉、狩猎、户外观察 智能家电应用：空调、微波炉等家居应用，采用低成本、小面阵传感器 家庭安防：红外成像不泄漏家庭隐私，可以实现家庭24小时安全监控 手机型工具类热像仪
8
国内红外成像市场发展
LOCKHEED MARTIN
1996 BOEING
准Байду номын сангаас天候
作用距离远
可穿透烟雾、雾霾、云雾成像， 在恶劣天气条件下的成像效果 几乎不受影响。
探测能力强：一般长焦热成 像仪能观测3千米以上的人员 和6千米以上的车辆。
辨伪能力强
可识别迷彩等伪装，分辨人体 车辆能力强
红外成像能穿透烟雾看到后面的人 红外成像能看到树丛后的人员
5
红外成像典型应用
夜视成像
国防装备、汽车夜间辅助驾驶、安 防监控、消防救援、城市安全、执 法、个人消费电子、
非制冷红外成像技术流派
20世纪90年代末，非制冷红外焦平面探测器的技术流派基本定型，下图是现今市场上仍保 持占有率的两类micro-bolometer技术（VOx和a-Si ）及其承袭关系。
VOx
α-Si
Honeywell
1990~1994
LORAL
ROCKWELL AMBER HUGHES
1996
3
不同波段红外成像特征
SWIR
• 可使用常规可见光 镜头，可透过玻璃 成像
• 可探测1.06μm及 1.55μm激光
• 可复现可见光图像 细节
MWIR
• 在高温、潮湿的海 洋大气条件下，中 波红外的传输优于 长波红外
• 如舰船发动机等高 温目标中波红外特 征明显
红外相机工作原理
红外相机工作原理
红外相机工作原理是基于红外辐射的检测和成像技术。
红外辐射是指在电磁波谱中，波长较长于可见光但较短于微波的辐射。
红外相机利用感光元件（通常为红外焦平面阵列）和图像处理系统来探测和记录物体所发射或反射的红外辐射，从而实现物体的热成像和热变化的监测。
红外相机的主要组件包括红外感光器件、镜头、滤光器、信号处理和显示系统等。
红外感光器件是红外相机的核心部件，它能够将接收到的红外辐射转换成电信号。
常见的红外感光器件有热电偶和焦平面阵列。
热电偶利用红外辐射使两种不同金属的接触点产生温差，从而产生电压信号。
焦平面阵列则由许多微小的红外感光器件组成，每个感光器件负责一个像元，能够直接生成像素级的红外图像。
镜头在红外相机中起到聚焦红外辐射的作用，使其能够在感光器件上形成清晰的红外图像。
为了增强红外图像的质量和可用性，通常还会添加滤光器，用于选择性地透过特定波长范围的红外辐射。
信号处理和显示系统负责将感光器件获取的红外图像进行处理和显示。
在图像处理过程中，常见的操作包括噪声去除、图像增强、温度校正等。
处理后的图像可以通过显示系统以图像或视频的形式呈现给用户。
红外相机工作原理实际上是通过检测物体释放的热能来实现成像。
由于不同物体的温度不同，因此它们会发射不同强度和频
率的红外辐射。
红外相机能够将这种辐射转化为电信号，并经过处理后形成清晰的红外图像。
这种技术在军事、安防、医学和工业等领域有着广泛的应用。
红外焦平面阵列盲元检测及补偿算法
红外焦平面阵列盲元检测及补偿算法
陈大川;刘缠牢;郑阳光
【期刊名称】《激光与红外》
【年(卷),期】2008(38)12
【摘要】为了消除非制冷红外焦平面阵列图像盲元、改善成像质量,利用红外焦平面阵列盲元相应特性和相邻像元的相关性,提出了一种基于阈值+相邻像元检测及加窗中值补偿算法.结果表明,阈值+相邻元检测算法实现盲元误检率低、快速查找等优点;利用加窗中值的盲元补偿算法,可以使盲元图像得到明显改善,保持图像信息的完整性,同时,算法易于硬件实现.
【总页数】3页(P1215-1217)
【作者】陈大川;刘缠牢;郑阳光
【作者单位】西安工业大学光电工程学院,陕西,西安,710032;西安工业大学光电工程学院,陕西,西安,710032;西安工业大学光电工程学院,陕西,西安,710032
【正文语种】中文
【中图分类】TN214
【相关文献】
1.一种新的红外焦平面阵列盲元检测与补偿方法 [J], 黄英东;安建波;曹礼宝
2.红外焦平面阵列盲元检测与补偿算法研究 [J], 张小龙;赵桂芳;崔瑞清
3.基于线性外推理论的红外焦平面阵列盲元检测算法 [J], 赵春晖;刘振龙
4.一种新的红外焦平面阵列盲元检测算法 [J], 李丽萍;袁祁刚;朱华;王旭;周慧敏
5.基于滑动窗口的红外焦平面阵列盲元检测算法研究 [J], 郑骁;葛志雄;赖永安
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CMOS摄像器件和红外焦平面器件课件
有源像素结构APS（Active Pixel Structure )
光电二极管型有源像素（PP－APS）1994，哥伦比亚大学
在像元内引入缓冲器或放大器， 可改善像元性能，称为有源像素传 感器。功耗小，量子效率高。每个 像元有3个晶体管。大多数中低性 能的应用 。
光栅型有源像素结构（GP－APS）
辐射对比度——背景温度变化1K所引起光子通量变 化与整个光子通量的比值，它随波长增长而减小。
IRFPA工作条件：高背景、低对比度
2 、IRFPA的分类
按照结构可分为单片式和混合式 按照光学系统扫描方式可分为扫描型和凝视型 按照读出电路可分为CCD、MOSFET和CID等类型 按照制冷方式可分为制冷型和非制冷型 按照响应波段与材料可分为
1. 1~3μm波段 代表材料HgCdTe—碲镉汞 2. 3~5μm波段 代表材料HgCdTe、InSb—锑化铟、
PtSi—硅化铂
3. 8~12μm 波段 代表材料HgCdTe
表：一些典型的各波段探测器。
波段（波长） 近红外（0.7~1.1μm）
工作在该波段的典型红外光 子探测器
硅光电二极管 （Si）
主要有三种类型
非本征硅（P型）单片式IRFPA， 缺点：需制冷、响应度均匀性差。
本征单片式IRFPA ， 缺点：转移效率低、响应均匀性差，存储容量 较小。
肖特基势垒单片式IRFPA， 响应均匀性好，但量子效率较低。
混合式IRFPA
探测器阵列采用窄禁带本征半导体材料制成， 电荷转移部分用硅材料。如何建立联系？
1、CMOS像素结构
无源像素型（PPS）和有源像素型（APS）
无源像素结构，1967，Weckler
由一反向偏置光 敏二极管和一个开关 管构成，开关管开启， 二极管与垂直列线连 通，信号电荷 读出。
远红外热感成像 原理
远红外热感成像原理
远红外热感成像技术，也称为热红外成像或红外热成像，其工作原理基于自然界中所有温度高于绝对零度（-273.15℃）的物体都会不断向外发射红外辐射这一物理现象。
不同温度的物体发出的红外辐射强度和波长各不相同，其中远红外波段主要涵盖了8-14微米的长波红外区域。
具体原理包括以下几点：
1. 红外辐射与温度关系：
- 物体温度越高，其发出的红外辐射能量越强。
- 根据维恩位移定律，物体辐射出的红外光峰值波长与其绝对温度呈反比关系。
2. 探测转换过程：
- 热像仪利用敏感元件（如焦平面阵列，FPA）来捕捉这些红外辐射，并将其转换为电信号。
- 电信号经过放大、处理后形成数字信号，进而生成代表温度分布的图像。
3. 图像显示：
- 将不同的温度对应不同的颜色等级，在显示器上以伪彩色热图的形式呈现出来，使得肉眼可以直观地看到被测物体表面温度的分布差异，也就是所谓的“热像图”。
4. 应用优势：
- 远红外热成像技术能够实现非接触式、全天候的温度测量
和监控，尤其在黑暗、烟雾等视线受限环境中仍能有效工作，因此广泛应用于军事侦察、工业检测、医疗诊断、建筑节能、消防救援等领域。
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红外与激光工程：光电子器件技术第３５卷
应波段４～１８“ｍ，中心距２５～２８恤ｍ。
国内方面，中科院上海技术物理所报道了研制的１２８×１元的ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ多量子阱扫描型红外焦平面【６】以及６４×６４元的ＧａＡｓ脚ＧａＡｓ长波红外焦平面【７】，中国科学院半导体研究所纳米光电子实验室与中国电子科技集团第十一研究所合作研究的１２８×１６０元ＧａＡｓ／舢ＧａＡｓ多量子阱长波红外焦平面阵列，在７７Ｋ时，器件的平均黑体响应率为足，＝２．８ｌ×１０７Ｖ脚，平均峰值探测率为Ｄ，＝１．２８×１０１０ｃｍ．Ｗ～．Ｈｚ抛，峰值波长为厶＝８．１ｕｍ，器件的盲元率达到了１．２２％【８】。
３．２双波段和多波段阵列
双色和多色红外焦平面阵列是该技术发展的一个重要方向，属于新一代的阵列技术，在军事方面具有极为重要的意义。
在上世纪９０年代中期，发展多色焦平面阵列（ＭｓＦＰＡｓ）的概念得到了美国军方的高度重视，投入了大量资金开展其技术研究。
近年来第三代红外焦平面技术进展得非常快，其主要特点是大面阵和多色。
图３显示了单色与双色结构的不同，其中双色结构中的波段２光敏层是一个在波段１光敏层上的环形结构。
在多色探测方面，双色碲镐汞红外焦平面也已达到了实验室演示的水平【９】，并开始进入工程化应用。
ＧａＡｌＡｓ，ＧａＡｓ量子阱红外光电探测器焦平面由于其具有光谱吸收窄、热分辨率好以及１矿噪声和固定图形噪声低等优点，特别适用于涉及几个大气透射波段的热成像应用，成为该技术的代表。
图３单色双层平面异质结构与瞬时单极多光谱集成技术结构
Ｆ培．３Ｓｉｎｇｌｅ－ｃｏｌｏｒｄｕａｌ－ｌａｙｅｒｓｐｌ觚ｅｈｅｔｅｍｇｅｎｅｏｕｓ（ＤＬＰ岣ｓｔｎｌｃｎＨ℃觚ｄ譬ｐｏｔｕｎｉｐｏｌ牡
枷ｌ垃一ｓｐｃｃ咖ｍｉｎｔｃｇｒａｔｅｄｔｅｃｌｌＩｌｉｑｕｅ（ＳＩＭｍｓ饥ｌｃ眦
ＮＡＳＡ，丁ＰＩ，的６４０×５１２四色焦平面器件为当前多色器件的最高研制水平【ｌｏ】，响应波段为４～５．５姗ｎ，８．５～１０ｍｎ，１０～１２ｍｎ，１３～１５．５Ｕｍ，由四个１２８器件构成。
器件性能：３００Ｋ背景温度下，．厂数为２．４５Ｋ的工作温度，各探测器的探测率均大于１×１０１１ｃｍ．Ｈｚ抛．ｗ～，可操作像元数９９．９％。
其双波段的阵列规模已达到６４０×５１２单元，而目前一些大公司和研究所正在合作研发１０２４×１０２４单元阵列，如ＮＡＳＡ的喷气推进实验室（ＪＰＬ）和麻省理学院林肯实验室合作研发的１０２４×１０２４元水平集成四色ＱＩＷ口
阵列，目前工作温度约为７７Ｋ，未来将有可能达到１２０Ｋ，像素尺寸２０～２５岫。
２０００年法国ｋｔｉ／Ｌ瓜公司研制出了短波／中波双色焦平面器件，ＤＲＳ公司用“ｖｉａ．ｈｏｌｅ”的独特技术获得了双色探测器，而Ｌｅｔ潞ｏｆ硼ｉａ公司也获得了碲镉汞双色探测器焦平面列阵，法国原子能委员会Ｕｍ红外研究室在红外双波段焦平面阵列也做了很多研究工作，研制出中波／中波异质双色焦平面阵列。
４红外焦平面阵列的发展趋势
目前红外焦平面阵列的很多工艺技术已趋于成熟，高性能和低功耗的红外传感系统必定得到快速发展，使其像素更小，灵敏度更高，阵列更大，而且集成度也会更高，包括阵列与电路的集成、杜瓦与制冷的集成、
红外热成像技术中的红外焦平面阵列的研究
作者：万瑾， 黄元庆， WAN Jin， HUANG Yuan-qing
作者单位：厦门大学机电工程系,福建,厦门,361005
刊名：
红外与激光工程
英文刊名：INFRARED AND LASER ENGINEERING
年，卷(期)：2006,35(z5)
被引用次数：1次
1.BALLET P;NOEL F Dual-band infrared detectors made on high-quality HgCdTe epilayers grown by molecular beam epitaxy on CdZnTe or CdTe/Ge sub-strates[外文期刊] 2004(06)
2.SU Yan-mei;CHONG Ming;ZHANG Yah-bin A 128×160 pixel GaAs/A1GaAs multi-quantum well long-wavelength infrared photodetector focal plane array[期刊论文]-Chinese Journal of Semiconductors 2005(10)
3.LI Ning;LI Na;LU Wei Development of 64×64 GaAs/A1GaAs MQW long-wave infrared FPAs 1999(06)
4.WAN Ming-fang;OU Hai-jiang;LU Wei Infrared imaging by128×1GaAs/ A1GaAs MQW infrared FPAs 1998(01)
5.GUNAPALA S D;BANDARA S V;LIU J K1024×1024 pixel mid-wavelength and long-wavelength infrared QWIP focal plane arrays for imaging applications[外文期刊] 2005(5)
6.BANDARA S V;GUNAPALA S D;LIU J K four-band quantum well infrared photodetector array 2003
7.BANDARA S V;GUNAPALA S D;LIU J K Four-band quantum well infrared photodetector array 2003
8.GUNAPALA S D;BANDARA S V;LIU J K Quantum well infrared photodetector research and development at jet propulsion laboratory 2001
9.LI Qiong-hua;YANG Jia-de The characteristics and application of uncooled staring infrared focal plain array 2003(01)
10.YU Xia-bin The application of miniature dewar and cooler in infrared system[期刊论文]-Journal of Applied Optics 2000(z1)
1.郭世勇.陈钱.韩邦杰红外焦平面空间积分抽样噪声分析[期刊论文]-电光与控制 2011(1)
2.郭世勇.陈钱.韩邦杰红外焦平面空间积分抽样噪声分析[期刊论文]-电光与控制 2011(1)
本文链接：/Periodical_hwyjggc2006z5011.aspx。