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红外探测器热成像技术的发展过程及发展趋势分析(组图)

   日期:2022-06-28 13:01:15     来源:网络整理    作者:热成像仪网    浏览:714    评论:0    
核心提示:红外热成像技术在军事和民用上都得到了迅猛发展。三、红外热成像的军事应用随着热成像技术的发展,使它在国民经济、生产建设、科学研究以及国防军事等众多方面有着广泛的应用,其在军事上应用也已涉及到红外警戒、跟踪、瞄准以及制导的各个方面,以下就红外焦平面列阵器件在世界先进军事技术中的重要应用作一简述。

自二战期间德国首先研制和使用红外技术装备以来,红外技术在军事上的应用越来越普及,尤其是红外热成像技术在军事上有着重要的应用,已成为现代战争中的关键技术。国内外都非常重视红外成像技术的发展。半个世纪以来,红外成像技术在侦察、监视、瞄准、射击指挥和制导等方面的应用要求越来越高。许多国家都在加强自身的防御能力,改进夜战。不仅将热成像技术作为现代先进武器装备的一项重要技术纳入国防发展战略,还加大了研发经费。红外热成像技术在军用和民用领域发展迅速。

一、红外热成像技术

1、概念:

红外热成像技术检测从场景本身各部分辐射出来的红外线,利用场景本身各部分辐射的差异来获取图像的细节。其本质是一种波长转换技术,即把红外辐射图像转换成可见光图像的技术,同时由大气的红外透过率和目标自身的辐射量决定。红外热成像技术通常工作在 3-5 µm 和 8-14 µm 两个波段。

2、特点:

热成像技术不仅克服了主动红外夜视需要依靠人工热辐射,容易自曝的缺点,而且克服了被动微光夜视完全依赖环境自然光的缺点没有光就无法成像;红外热成像仪器和系统具有穿越烟、雾、尘、雪、识别伪装的能力。它们在战场上不受强光强光的影响,可以进行远距离、全天候的观察。这些特性使其特别适用于军事应用。正因为如此,一些技术发达国家,特别是美、英、法、俄等国,都在竞相研究热成像技术,投入巨大的人力物力进行开发,发展非常迅速。

二、红外探测器

热成像技术的发展过程与红外探测器的发展密切相关。可以说,红外探测器是热成像技术的核心,探测器的技术水平决定了热成像的技术水平。

1、典型尺寸:

目前,红外探测器通常分为三代:第一代主要是离散型的,元件数量在103元以内。有柱状和小面阵结构,代表产品有:美国60元、120元、180元光电导器件;法国5×11元光伏装置; 4个(或8个)英国扫地式设备;第二代是扫描型和凝视型焦平面结构,在美国LADAⅠ、LADAⅡ、LADAⅢ阵列应用的基础上开发的焦平面阵列,规模103~106元,代表产品4×240元、4×480元和256×256元、320×240元等;第三代主要是凝视型,规模在106元以上,强调双波长(双色)或多波长(多色)响应和更强的智能逻辑处理特性,以及更便宜的非制冷焦平面阵列等 30 多年来,红外探测器技术经历了从第一代到第二代的演进。目前正从第二代阵列技术向第三代小型化高密度高性能红外焦平面阵列技术发展。着眼于未来市场需求,国内外相关公司的研究机构纷纷将目光投向了第三代红外焦平面阵列探测器的研发。

2、第三代红外探测器:

从以上规模可以看出,探测器已经发展到先进的第三代成像探测器,性能指标均较高。按照西方第三代成像传感器系统的概念,红外探测器的性能大致可以分为3类:

A.微型探测器:

(1) 像素大小: 像素时为 25 µm, 像素时为 17um;

(2)阵列大小:320×240像素,可开发到640×512像素和1024×768像素;

红外成像 拦阻索 特种甲板钢 特种钢_红外望远镜成像实拍图_红外热成像仪的应用

(3)噪声等效温差:

(4) 输入功率:

(5)质量:

(6) 尺寸:

(7)费用:一次性使用。

B.高性能非制冷探测器:

(1)像素大小:25 µm×25 µm;

(2) 数组大小:1 000×1 000 像素;

(3)噪声等效温差:

C,百万像素,多色冷却探测器:

(1) 光谱波段:SW/MWIR、MW/MWIR(热电冷却至 180 K);SW/LWIR、MW/LWIR、LW/LWIR(冷却至 180 K)120 K); SW/MW/LW IR(冷却至 120 K);

(2) 像素尺寸:18 µm×18 µm;

(3) 数组大小:1 000×1 000 像素、1 000×2 000 像素、2 000×2 000 像素;

(4)噪声等效温差:

(5)电子阱容量为109;

(6) 自适应帧率(最高 480 Hz);

(7)片上A/D转换和非均匀性校正,空间非均匀性

3、新探测器:

从以上第三代探测器的性能指标可以看出,百万像素级、多色制冷探测器、高性能非制冷探测器、低成本微型非制冷探测器是重要的发展方向。

A,冷却 (MCT) 焦平面探测器

冷却 (MCT) 焦平面探测器具有 1 024×1 024 像素设备。当前的开发重点是多色(或多波段)焦平面探测器。多色阵列采用单片二维阵列。每个红外像素由两个或多个相互重叠或相邻的感光元件组成。正在研制的多色焦平面探测器由GaAs/III-V族材料制成的MCT红外探测器和量子阱红外探测器组成。探针 (QWIP)。

多波段焦平面探测器的优点是提高系统检测真假目标的能力,降低探测器质量,减少光学系统和复杂的精度和稳定的校准系统,但多波段的成本频段也是当前应用程序的一个问题。

B、非制冷焦平面探测器

非制冷焦平面探测器的发展非常迅速,许多国家都取得了技术突破,实现了产品化。目前的技术发展呈现出以下特点:

(1) 320×240像素非制冷焦平面。通过提高探测器灵敏度和减小探测器尺寸红外热成像仪的应用,适用于小型武器瞄准具、红外导引头、手持红外观测器等单兵装备。推广应用中的重要作用;

(2) 160×120像素非制冷焦平面。目前很多公司都推出了自己的小阵列非制冷焦平面探测器,它们的重要应用是制导传感器和分布式传感器系统。降价可以扩大了系统的应用领域,但与320×240像素非制冷焦平面的价格差异并没有达到预期的目的;

红外热成像仪的应用_红外望远镜成像实拍图_红外成像 拦阻索 特种甲板钢 特种钢

(3) 640×480像素非制冷焦平面。探测和识别更小或更远的目标,可以探测到3900米左右的行人,可以为未来的作战系统配备高端瞄准具。

三、红外热成像的军事应用

随着热成像技术的发展,在国民经济、生产建设、科研和国防军事等领域有着广泛的应用。其军事应用还涉及红外预警、跟踪、瞄准和制导。下面简要介绍红外焦平面阵列器件在世界先进军事技术中的重要应用。

1、弹道导弹防御:

弹道导弹防御

美国弹道导弹防御(BMD)计划是当前国际社会的热点问题。采用不同的特点、不同的方法,建立多层次、全流程的拦截系统。在该拦截系统中,红外焦平面阵列成像技术发挥着核心作用,主要表现在以下三个方面。

A.全球监控。在敌方导弹发射初期,对其位置和数量进行探测,主要依靠部署在太空的预警卫星。

B.跟踪和识别。在敌方导弹发射的初始阶段和弹道飞行阶段,识别真假目标并跟踪其轨迹。

C.识别和指导。在己方发射的拦截导弹上,通过红外成像实现目标识别和精确制导,击毁敌方炸弹。

2、常规导弹武器:

使用红外成像制导,可以使导弹获得更远的全向探测范围和识别,以及抵抗红外诱饵等人为干扰的能力,大大提高了导弹的威力,也使其成为“杀手锏” “对抗隐形飞机。热成像技术是军事应用的重中之重。

A、典型的红外热成像导弹

随着红外成像技术的飞速发展,世界各国相继研制出多种红外成像导弹。如美国改装(Post和RMP)、Slam远程攻击导弹、苏联和法国改装、美国JB/F空对地、空对舰导弹、法国MICA导弹(红外)、英国导弹,德国IRIS-T导弹和美国AIM-9x导弹。其中,美国AIM-9x短程空空导弹是美国最新研制的空空导弹。

凝视红外焦平面阵列成像技术应用的典型代表是德英法联合研制的远程导弹、美国的标枪便携式反坦克导弹和战区高空防空导弹萨德。

B.先进的反装甲导弹系统:

在红外焦平面技术发展的早期,第一个成功应用的领域是反装甲导弹系统的热瞄准具和精确制导导引头。美国和欧洲的一些主要先进反装甲导弹计划现在都在装备,服役阶段主要有美国的“标枪”导弹系统,欧洲的第三代远程反坦克导弹(-L ,也称为ATGW-3),美国的“地狱火”导弹()。

3、军用红外热像仪

红外热像仪是应用最广泛的红外设备,但在热像技术发展初期,只能开发基于单元设备的热像仪,场频低,仅限于小规模应用。直到1970年代中长波碲化镉汞(MCT)材料和光电导多元线性器件技术成熟,红外热像仪才开始量产并为军用装备,发展迅速种类繁多。第一代军用红外热像仪大多采用MCT的60、120和180元素线系列“通用元件”制造前瞻红外系统,即FLIR,占红外的50%以上军事应用,到1990年代,性能更高的第二代热像仪SADA应运而生,即美国陆军标准的先进杜瓦组件。4)长波MCT TDI扫描焦平面,使用的二代热像仪使用180元通用元件的一代热像仪检测距离翻倍,如果是凝视型焦平面热像仪它具有体积小、坚固、可靠、省电、灵敏度高等优点。 640×480元InSb凝视焦平面热像仪的检测距离是一般元件的4倍。

SADA II 已广泛应用于各种机载、舰载和车载热成像和搜索跟踪系统,如战车、M1 坦克、装甲和美国超级战斗机 F-22、V-22 和 F- 18个都使用凝视型焦平面热像仪。

4、空间红外热成像

目前,红外热成像的空间应用主要有三种:全球地表监测、行星与空间探测、军事事件监测。自1960年第一颗气象卫星发射并发射到美国最先进的太空红外望远镜上,红外热成像技术在太空中的应用也得到了充分发挥。

四、红外热像仪的发展趋势

红外热成像技术的发展以红外探测器的发展为标志,从红外探测器的发展可以推断其发展趋势:在不久的将来,“第二代”焦平面阵列应该是实用的,批量生产,并配备大量设备。重点解决不同功能需求的图像处理、智能化和自动化问题红外热成像仪的应用,提升非制冷焦平面阵列的规模和水平,与应用紧密合作,解决应用中的问题;发展应围绕“第三代”重点。平面阵列,专注于基础技术问题的研究与解决,包括大规模高密度器件外延材料生长技术、非均匀性校正、可在低温下工作的信号处理电路、互连与耦合技术、测试与评估技术、图像处理和智能技术 关键问题是减小整机尺寸并增强功能;进一步探索新材料和器件的研发,从能带工程入手,设计和研究新型焦平面阵列材料和器件;成像技术的应用领域及应用价值。

总之,热成像技术将借助探测器技术的发展迅速发展。经过多年的发展,红外热成像技术已经从最初的机械扫描机构发展到今天的全固态、小型化、全电子化、自扫描凝视相机,尤其是非制冷技术,使红外热成像技术从长期以来的术语主要军事目的。应用于工业监控测温、执法缉毒、安全防犯罪、医疗保健、遥感、设备早期故障诊断与维护、海上救援、天文探测、车辆、飞机等广泛的民用应用以及配备夜视增强观察者的船舶驾驶员等。在该领域,红外热成像技术正走向辉煌。同时,我们应该清醒地认识到,红外热成像技术,即第三代红外探测器,已经走上了一条充满挑战的发展道路。要想发展,就必须解决很多问题。提高灵敏度、增加识别范围、降低成本并为未来作战部队提供新优势的问题。

 
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