1、第三章 基于紅外線象的制導系統 §1 引言 紅外線象又稱熱成象。熱成象系統攝取目標和物景發射出的紅外輻射，并將其轉換成圖象。早在四十年代就已開始了熱成象的研究工作，但直到1952年才制成第一臺熱象記錄儀。隨著探測器性能不斷改進創新，掃描技術CCD軟件、光學設計、信息處理技術等方面不斷發展，尤其是近一些年來微處理機的開發應用飛速躍進，使熱成象系統的應用研究十分廣闊。熱象儀的應用研究工作在整個紅外應用研究方面目前幾乎處于主導地位，它在工業、地資勘探、環境保護、交通管理、醫療、公安、軍事等方面獲得了廣泛的應用。 紅外成象在攝像機上的應用一、熱象儀的組成 熱象儀景物經熱象儀的光學系統成象在接

2、受面上。熱象儀能顯示出景物熱圖的關鍵是要先將景物按一定規律進行分割，即將所觀察的整個景物空間按水平及垂直兩方向分割成若干個小的空間單元，接受系統依次掃過各空間單元并將各空間單元的信號再組合而成為整個景物空間的圖象。熱象儀的組成如圖31所示。 探測器在某一瞬時實際上只接受一個景物空間單元的信息。掃描機構依次使接受系統對景物空間進行二維掃描，于是接受系統將按時間先后依次接受到二維空間的各景物單元的信息。這個信息經放大處理后成為一維時序視頻信號。接受系統將景物的視頻信號送到顯示器。這個一維時序視頻信號與由同步機構送來的同步信號合成后顯示出完整的景物圖象。對景物空間的分割有三種方式，即光機掃描、電子束

3、掃描和固體自掃描。 圖3-1采用光機掃描方式的熱象儀原理結構如圖32所示。單元探測器與物空間單元相對應，當光學系統作方位偏轉及俯仰偏轉時，單元探測器所對應的物空間單元也在方位方向上及俯仰方向作相應移動，光學系統偏轉角的大小決定了掃描的空間范圍(即觀察的空間范圍)。這 種使光學系統偏轉而探測器僅有很少接受范圍的掃描方式稱為光機掃描。 圖3-2采用電子束掃描方式的熱象儀主要是指熱釋電攝象儀，其原理結構如圖33所示。景物空間的整個觀察區域一起全都成象在熱釋電攝象管的靶面上，圖象信號是通過電子束檢出的，只有電子束所觸及的那一小單元區域才能有信號輸出。攝象管的偏轉線圈控制電子束沿靶面掃描，這樣便能依次拾

4、取整個觀察區域的圖象信號。接受系統對整個景物進行觀察，然后再通過電子束掃描去分割景物的掃描方式稱為電子束掃描。 圖3-3固體自掃描系統是通過面陣探測器來實現的如圖34所示。面陣中的每一個探測器單元對應于景物空間的一個相應單元，整個探測器面陣對應一整個觀察區域空間。通過采樣換接技術，使各探測器單元所感受到的景物信號依次送出。這種利用面陣探測器大面積攝象，通過采樣而對圖象進行分割的方法稱為固體自掃描，也稱作凝視式系統。若面陣探測器是CCD形式的，則采樣換接方式變成了CCD的信號電荷轉移的方式，探測器上各單元的信號電荷在轉移脈沖的作用下迅速依次轉移，直至輸出至器件外部。圖3-4從目前情況來看，光機掃

5、描熱象儀由于工藝條件較成熟，性能較好，在應用中占優勢地位；熱釋電攝象儀結構簡便，具有中等水平的性能指標也相當普通地適用某些民用部門；紅外CCD攝象儀結構更加 的簡便，性能指標也好，隨著紅外CCD制造工藝的不斷完善，最終將成為熱象儀中占主導地位的品類。 可見光圖象主要是霉景物反射本領的差別而形成的。而熱象儀對景物成象則是基于景物各部分溫度的差異及發射率的差異。目前可以區辨的景物溫差(溫度分辨率)，約為0.005，可區辨的最小景物單元(空間分辨率)，約為0.06mrad。熱成象系統與可見光電視攝象系統從原理上看實質上是相同的，只是工作波段不一樣(熱成象系統工作在紅外波段，而電視攝象系統工作在可見光

6、波段)，所以熱成象系統亦或稱作紅外電視。 二、熱成象系統的特點 一般的紅外搜索跟蹤系統要獲取目標的方位信息，并對目標進行跟蹤，通常情況下是將目標當作點源進行處理的。熱成象系統則要求對景物成象，根據熱象的特征進而確定景物的某些特性，因此熱成象系統所觀察的景物為面輻射源。這是兩者的基本區別。從這個基本考慮出發，可進一步分析熱成象系統的一些特點。 1目標 熱成象系統所敏感的是景物各部分的溫差及發射率(及反射率)的差異，而不是單純的目標輻射強度的強弱。 2成象 熱成象系統要求在較寬的視場范圍內成象，象質清晰，否則熱圖會模糊不清，因此熱成象系統的光學系統象質要求較一般的探測系統為高。對電子束掃描和固體自

7、掃描的熱成象系統來說，系統視場即為所觀察的空間范圍；對光機掃描熱成象系統來說，瞬時視場較小(如1mrad 或更小)，但所需觀察的空間范圍卻較大，因此光學系統需要對空間進行掃描。掃描的光學系統亦應保證足夠好的象質。 3探測器 為了提高熱成象系統的性能，探測器常采用多元器件，用作多元并掃或多元串掃。單元探測器的熱象儀常用于對靈敏度要求不太高的民用部門。 4信息處理 除了低噪聲放大以外，還有很多關于景物視頻信號處理的特殊問題(如延時疊加、多路傳輸及作各種模式的顯示等)。由于成象系統的景物信息量較非成象系統的景物信息量豐富得多，所以可以利用信號處理電路盡可能的檢出景物的固有信息，以完成多種跟蹤任務，成

8、象跟蹤便是應用的一個例子。 5顯示 顯示器應與人眼的視覺特性相適應，且能方便地顯示景物的各種特征。近年來又將顯示與觀代圖象識別技術相結合進一步提高了熱象儀的效能與應用范圍。 6熱像儀的基本技術參數 在敘述紅外信息檢測的多元檢測及掃描搜索跟蹤系統時曾陸續提到過有關的技術參數。這些技術參數完全適用于成象系統。現在為了便于了解熱象儀的各部分具體結構及設計原則，將熱象儀的基本技術參數重新分述于下： 1光學系統通光口徑和焦距它們是決定熱像儀性能和體積的關鍵因素。 2瞬時視場瞬時視場由單元探測器尺寸a,b及光學系統焦距決定，它的大小通常表示熱象儀的空 間分辨率的高低。 (3-1) 通常以mrad為單位。

9、3觀察視場A,B 觀察視場由所需觀察的景物空間的大小和光學系統焦距決定。 4幀時和幀速F 圖3-5在掃描速度受到限制的情況下，為了提高掃過每一場畫面的時間，有時將畫面分成兩場或若干場。圖35為隔行掃描情況。掃過完整的一幀所需的時間稱為幀時，以秒為單位。完成一幀圖象的速度稱為幀速F。顯然下面關系式成立： (1/s) (3-2) 在隔行掃描時，掃過一幀畫面的時間為場時的兩倍，這時幀速則為場速的一半。 5掃描效率 掃描機構對景物掃描時，掃描機構實際掃過的空間范圍往往比景物所張的空間角要大。掃過完整的景物所張空間范圍一次所需的時間與掃描機構實際掃描一周所需的時間之比稱為掃描效率。通常空間掃描都是由方位

10、掃描和俯仰掃描兩者合成的，所以掃描效率也分成方位掃描效率和俯仰掃描效率兩種 ，即 (3-3)6滯留時間物空間一點掃過探測器所需時間稱為滯留時間。若掃描機構掃過的景物空間為A×B， 單元探測器的張角為，則與景物空間相應的探測器單元數n應為 (3-4)掃過一幀的時間為，或幀速為F，則當掃描效率時，滯留時間為 (3-5)當掃描效率<1時，滯留時間應為 (3-6)熱象儀的綜合性能參數則是在以上各基本參數的基礎上作進一步綜合分析得出的。 §2 光機掃描攝象頭 目前正在使用及正在研制中的熱象儀絕大多數均屬于光機掃描類型。光機掃描攝象頭是光機掃描熱象儀的關鍵部分，它由光學接受系統和

11、掃描機構兩大部分組成。關于紅外光學系統的一般結構這里不作專門敘述，可參見諸有關書籍。這里主要敘述掃描機構結構類型及其性能。 圖3-6圖3-7掃描機構有兩種掃描方式，即平行光束掃描器和會聚光束掃描器。圖3-6是一種最簡單的平行光束掃描器。入射的平行光束直接經可擺動的平面反射鏡掃描后再進入探測器聚焦系統。這種掃描機構是直接對由物方來的光線進行掃描的，所以又稱作物掃描系統。圖3-7為最簡單的會聚光束掃描器。入射光束光經光學系統會聚，在會聚光路中插入可擺動的平面反射鏡，使其對會聚光束掃描。這種掃描機構是對象方光線進行掃描的，所以又稱作象掃描系統。圖3-8也屬于平行光束掃描器的類型，它將物方光束經望遠鏡

12、頭壓縮頭光束寬度后再由掃描機構掃描，然后再經探測器光學系統會聚成象，這各種掃描機構也稱作偽物掃描系統。 圖3-8光機掃描機構中的掃描部件有下面幾種： 1擺動平面鏡； 2旋轉多面鏡； 3旋轉折射棱鏡； 4旋轉光楔； 5擺動透鏡； 6旋轉V型反射鏡； 最常用的為前面三種。擺動平面鏡既可以用作平行光束掃描，也可以用作會聚光束掃描(見圖3-9)。旋轉多面鏡和擺動平面鏡具有相同的基本特性，因此它也可以作平行光束掃描或會聚光束掃描。旋轉折射棱鏡只能使光線平移而不改變其前進方向，所以它只用作會聚光束掃描。 圖3-9現僅將其主要工作特性扼要敘述于后。對掃描機構來說，其主要的工作特性為 1擺動機構轉角與物空間轉

13、角的關系； 2掃描機構掃描時對系統象差的影響； 3掃描效率； 4掃描部件尺寸。 一、擺動平面反射鏡 對平面反射鏡來說，若入射光線保持不動，當鏡面轉角為時，出射光線方向的轉角將為鏡面轉角的一倍，即 (3-7)當平面反射鏡用作平行光束掃描時，掃描機構轉角與物空間轉角的關系即由(37)決定，顯然為線性關系。在這種情況下，平面反射鏡只將入射的平行光束轉折一個方向，對系統象差沒有任何影響。反射鏡面所需的最大尺寸與入射光束的寬度及鏡面轉角有關。 (3-8)圖3-10平面反射鏡用作會聚光束掃描時，其光路圖如圖310。在鏡面初始位置M上，入射光線自c點沿a+b光程至D，當鏡面轉動角至M位置后，為要保持象點位置

14、D不變，則入射光線應轉動角，這時光程為。顯然 (3-9)可以推得與的關系為 當和都較小時，近似地有 (3-10) 因為平面鏡轉動后光程有了變化，所以會因散焦而增大系統象差。 對平面反射鏡而言，掃描效率由所需觀察的空間角度與鏡面擺動角度之比決定。鏡面擺動角度可根據所需觀察空間角度設計，使空程盡量小。擺動平面鏡一般不作正程使用，回程不用，所以平面反射鏡的掃描效率一般均小于50(通常因往復運動的慣性，掃描效率只能達到40)。也有特意將回程掃描速度提高以提高掃描效率的。在某些場合也可用回程掃描以提高掃描效率，這時需對系統的視頻信號進行回程相位補償以使正程、回程圖象協調一致。 擺動平面鏡是周期性往復運動

15、的，因為機構有一定慣量，所以擺動速度不能太大，因而在熱象儀中擺動平面鏡通常用作幀掃描。 在行掃描器中有將平面反射鏡傾斜45安置而繞水平軸旋轉的掃描裝置(見圖311)常用于機載或星載多光譜掃描儀中。這種掃描機構屬于平行光束物掃描系統，旋轉一周往往只有是有效掃描角，其余輪空，因此掃描效率很低。 圖3-11二、旋轉反射鏡鼓旋轉多面鏡)圖3-12反射鏡鼓是由n個矩形面鏡組成的棱柱，它繞棱柱軸轉動，如圖312所示。矩形鏡面寬為，矩形面對中心張角為，棱柱外接圓半徑為，顯然有 (3-11) (3-12)若鏡鼓面數n增大，遇鏡面夾角就減小；當鏡鼓動半徑為定值時，鏡面寬度就減小，因而允許的入射光束寬度也就減小。

16、旋轉反射轉鼓的掃描效率與鏡面夾角直接相關。若觀察視場為2W，則掃描效率為 (3-13)由上式可知，為了提高掃描效率，應增大轉鼓面數n，這時為了保證入射光束寬度為定值，必然要增大轉鼓半徑，所以轉鼓的掃描效率與入射光束的允許寬度以及轉鼓尺寸三者相互制約。 擺鏡擺動時鏡面只能轉動不發生位移；轉鼓轉時，鏡面除轉動外還有位移。若入射光束寬度為定值，則當鏡鼓轉動時因鏡面唯一可能會使掃描區邊緣部分的入射光束不能全部進入視場而產生漸暈現象。在平行光束掃描情況下，為保證不發生漸暈現象，當入射光束寬度為定值時，反射鏡鼓半徑應滿足下述關系式： (3-14)上式中為入射光束相對于鏡面的平均入射角。為鏡面的有效轉角(2

17、=2W)。 從(3-14)式中可知，反射鏡的有效轉角不能取得過份接近，否則-的值小而的值將相當大。掃描效率 (3-15) 從掃描效率角度考慮當和差得較多時，掃描效率又將受較大影響。 旋轉反射鏡鼓與擺動平面鏡的工作狀況基本是一致的，因此轉角關系和象差情況也基本相同。 旋轉反射鏡鼓一般用于平行光束掃描作行掃描器用；在作會聚光束掃描器用時，應注意象差校準。 三、旋轉折射棱鏡 圖3-13旋轉折射棱鏡為正n面棱柱，繞棱柱中心軸轉動，如圖313所示。入射光線透過棱柱后出射。棱柱為正n面體，若入射光束為平行光束，則出射光束仍為平行光束且方向與入射光束方向相同。當棱柱轉動時，出射光束方向隨之平移，但成象位置不

18、變，因而旋轉折射棱鏡不能作平行光束掃描；在會聚光路中，棱鏡將焦點沿軸向后移，移動距離為Z；隨著棱鏡轉動，焦點位置同時作橫向移動，移動距離為Y。 圖3-14圖314是圖313的簡化情況，只畫了一條主光線。棱鏡厚度為t，折射率為n，棱鏡的轉角為，入射光線對棱鏡鏡面的入射角為，折射角為。可以推得焦點位置的橫向移動量Y為 (3-16) 當()及值均較小時，(3-16)式近似為 (3-17)由上式可見，在小角度范圍內，棱鏡轉動產生近似的線性掃描。 對于旁軸光線，因此(3-16)式所表示的Y值為 (3-18)所以 (3-19)由此可見，在棱鏡轉角為一般值時焦點位置橫向偏移量Y與呈較復雜的非線性關系。 會聚

19、光束通過折射棱鏡后，焦點位置的縱向位移Z也可推算出，在近軸光線()情況下為 (3-20) 入射光線通過折射棱鏡后，導致象點的縱向及橫向位移，所以了必然相應地引起附加的球差、慧差、象散和色差。因此在選用折射鏡作掃描部件時，對光學系統的消象差問題應特別注意。 旋轉折射棱鏡的掃描效率與棱鏡面數n及棱鏡的有效轉角有關： (3-21)計算棱鏡的有效轉角時，可由有效視場2W、系統焦距、棱鏡厚度t，用光路追跡算出象點橫向偏移量Y，然后再根據(3-16)、(3-17)或(3-18)式算出。對旋轉折射棱鏡來說，可以有較高的效率。旋轉折射棱鏡只用于聚光束掃描，所以尺寸可以做得較小，棱鏡厚度又與掃描效率及系統焦距有

20、關，且棱鏡的面數n越多則棱鏡厚度值t應越大。 §3 紅外CCD攝象頭 電荷耦合器件CCD是同MOS電容器集戒的移位寄存器。將紅外探測器陣列和電荷藕合器件組成在一起，可以用來接收景物紅外輻射，并將所得的多路信號依次傳輸出去，這種器件稱為紅外電荷耦合器件(IRCCD)。用紅外電荷耦合器件做成的紅外攝象頭結構如圖315所示。圖3-15IRCCD為多元陣列，有線陣的和面陣的兩類。IRCCD攝象頭的掃描方式主要有串聯掃描、并聯掃描、串并聯掃描及凝視等幾種，線陣的IRCCD用于串聯掃描及并聯掃描，面陣的IRCCD則用于串并掃描 以及凝視。IRCCD攝象頭中的串聯掃描、并聯掃描或串并聯掃描還是要由

21、光機掃描機構來完成，這和一般的多元探測器系統沒有任何不同。IRCCD攝象頭的主要特色 是在多元信號處理方面。一般的多元探測器輸出的信號必須要經過信號延遲積分或者多路信號采樣等環節才能夠得到視頻景物信號，這樣結構繁復，可靠性也就差。IRCCD可根據使用要求選擇適當的結構形式并由驅動電路的時鐘脈沖驅動，信號可直接輸出而得到視頻景物信號，省去了延遲積分電路或 者多路信號采樣等環節，既簡化了結構，又提高了工作性能和可靠性，因此它特別受到人們的重視。 CCD芯片 在本節中，首先敘述CCD的一般工作原理及其主要特性。 一、CCD的工作原理 CCD是由若干個MOS電容器陣列組成的集成器件。它是N型或P型硅襯

22、底上生長成一層很薄的二氧化硅層，然后再在二氧化硅層上蒸發多個間距很小的并排鋁電極，這樣便形成了 由金屬電極、氧化層和半導體襯底組成的多個MOS電容器陣列結構。如圖316所示。 圖3-16現在從電荷的貯存，電耦合(轉移)、信號電荷的輸入和輸出這幾個方向來敘述電荷耦合器件的工作原理。 1電荷貯存 (a) (b) (c)圖3-17圖317(a)是一個MOS結構單元，在金屬電極上加上一定極性的電壓(對P型半導體>0，對N型半導體<0)后，半導體內部的載流子分布即會發生變化。以P型半導體為例，電極上所加的電壓把空穴推離裝置半導體與氧化層之間的界面。因而在半導體表面形成了耗盡區，表面能帶呈現彎

23、曲。在0<<的情況下見圖317(b)，表面勢還較小，本征費米能級始終大于費米能級，這時只呈現出一般耗盡狀態，耗盡區厚度正比于外加電場；當>后，表面勢增大(見圖317(c)，這時本征費米能級與費米能級相交，MOS器件處于深耗盡狀態，在相交點與界面之間逐漸形成一個反型層。在反型層內，半導體內的熱生少數載淀子(電子)被吸引到這個區域內(半導體由P型變為N型，為強反型開始的門限電壓值)。這時若有信號電荷(電子)注入，則可貯存在深耗盡區域內，信號電荷與半導體內熱生載流子共同形成反型層(當CCD正常工作時，的變化頻率足夠高，以致于熱生載流子與信號電荷相比完全可以忽略)。這種能貯存少數載流

24、子的區域稱為勢阱。外加電壓越高，勢阱深度也越大，因而貯存電荷的容量也越大。勢阱內存入少數載流子后，表面勢要有所下降。 2電荷耦合 圖3-18若在電荷耦合器件中兩個相鄰MOS單元上分別加上大小不同的值，則形成兩個相鄰的深淺各異的勢阱。若在勢阱MOS單元中貯存有電荷包，則它會自動向深勢阱MOS單元轉移耦合。在CCD中各MOS單元上加上按一定規律變化的周期性時鐘脈沖，則輸入的信號電荷便會在CCD中傳輸。圖318(a)為三個相鄰排列的MOS單元，在電極上各加上三相時鐘脈沖，其波形如圖318(b)所示。當時，電極1下面有很深的勢阱，電極2、3下面的勢阱都比較淺，因此電荷包貯存在單元1中；當時，單元1中的

25、勢阱變淺了，單元2的勢阱變得很深，因此單元1勢阱中貯存的電荷包向單元2的勢阱流動；當時，單元1和單元3的勢阱一樣淺，而單元2的勢阱很深，因此電荷包全部存入其中。當時，將重復的過程，電荷包將由單元2的勢阱向單元3的勢阱流動。時鐘脈沖變化為一個周期，電荷包將移位3個MOS單元。在時鐘脈沖的不斷驅動下，電荷包將作持續的定向移動。電荷的傳輸機理有三種： 自感生漂移 勢阱中貯存的少數載流子濃度的差異會在勢阱之間生成表面電場，由于自感生電場的作用，促位少數載流子向勢阱較深的勢阱中漂移。這種傳輸過程在電荷開始轉移時起主要作用。 熱擴散 熱擴散的作用是使少數載流子從濃度高的區域向濃度低的區域擴散，使少數載流子

26、分布趨于平衡。在電荷傳輸的初始階段，電荷密度相當大，這時主要是靠自感生電場傳輸電荷；在電荷傳輸中的后期，電荷密度較小，電荷的傳輸逐漸靠熱擴散進行；如果最初存貯的電荷量就很少，那么自感生電場也很小，于是熱擴散就成為主要的傳輸機構。 邊緣場漂移 兩電極之間由于靜電場強的差異形成了另一種表面電場邊緣場，方向與自感生電場相同，因而也促使電荷轉移。即使在少數載流子濃度極低的情況下，少數載流子也會在邊緣場的作用下不斷轉移。電荷傳輸中的最后一部分信號電荷是在邊緣場作用下轉移的。 3信號電荷的輸入和輸出 電荷輸入方式 在這里討論的是電注入方法，光生電荷的注入方法將在以后敘述。電荷輸入方法有表面電勢平衡法，表面

27、電勢設定法和電流積分法等多種方式，其中性能較好、應用較為普遍的是表面電勢平衡法。表面電勢平穩法的原理如下：如圖319是這種輸入法的原理圖。輸入機構包括輸入二極管、輸入柵、以及控制、偏置電路。圖中只繪出一個轉移柵，其余的轉移柵，省去未繪。輸入柵上加固定偏置電壓以便在該電極下的半導體表面形成導電溝道(n溝道)。輸入信號電壓加在輸入柵上。輸入二極管在一般輸入情況下為反向偏置，當控制脈沖(負脈沖)作用時轉為正偏。圖319(b)為加在，各級上的信號波形。當時，各級下，面的勢阱如圖319(a)中的所示。 圖3-19這時處于正向偏置，下面的勢阱變淺，源區的電荷將通過下面的導電溝道注入下面的勢阱，直到、下面的

28、表面勢與下面n區的表面勢相等為止。當時，控制脈沖消失，輸入二極管回到反偏狀態，n區形成深勢阱，下面的過量電荷向n區倒流，直到電極下面不再有電荷為止，見圖319(a)中。當時，轉移柵上的電壓值較大，下面形成深勢阱，因此下面深勢阱的信號電荷向下的勢阱中轉移。由于信號電荷量與、電極下面的勢阱深度成正比，是固定偏置的，下面的勢阱深度隨外加信號電壓變化，所以注入的電荷量與輸入信號大小成線性關系。 電荷輸出方法 圖3-20電荷輸出方法包括電流輸出法、浮置擴散輸出法、浮置柵輸出法等很多種，其中以浮置擴散輸出法應用最為廣泛。浮置擴散輸出法的原理如圖320所示。輸出機構包括輸出柵、浮置擴散區FD、復位柵、復位漏

29、區D，以及輸出場效應管電路和偏置電路。浮置擴散區、復位柵和復位漏區構成 了一個場效應管。設是CCD的最后一個轉移柵。輸出柵上加直流偏置以便在該電極下形成導電溝道(n溝道)。復位漏區反偏，以便形成收集電荷的深勢阱；復位柵上加上周期性的正脈沖。當正脈沖到達時，復位柵下面形成導電溝道(n溝道)，信號電荷可從浮置擴散區向復位漏區轉移；在復位脈沖消失后，浮置擴散區和復位漏區之間被復位柵下面的勢壘所隔斷。浮置擴散區無直流偏置，其電位處于浮置狀態，它的大小取決于復位漏區和復位柵表面勢以及浮置擴散區自身所有的電荷量。在復位脈沖消失期間，轉移柵上的時鐘脈沖由大變小時，轉移柵勢阱變淺，其中貯存的信號電荷Q將通過下

30、面的導電溝道轉移到浮置擴散區，這時浮置擴散區的電位變化量為 (3-22)式中為與浮置擴散區有關的總電容。 這個電壓變量經源極跟隨器后成為輸出信號。二、CCD的結構 前面在敘述CCD的工作原理時都是以三相分離電極為例來說明的。實際上使用的CCD結構有三相、二相和四相多種結構形式，電極式樣也發展有多種式樣；驅動時鐘脈沖波形除上面所述的不對稱結構式樣外，也有直接采用方波形式的。結構形勢的發展是從CCD的性能要求、工藝繁簡程度、簡化驅動電路等幾方面綜合考慮的。圖3-21圖3-22前面所述的單層分離電極結構固然簡單，但有一個嚴重的缺點，就是在電極之間的間隙處要形成很高的勢壘而阻礙電荷的轉移。為了降低電極

31、間的勢壘而發展起來的電極有多種交疊柵結構，常用的有三層硅柵結構(圖321)硅-鋁交迭結構(圖322)等。采用這些結構形式的電極能較好地控制溝道區的表面勢，因而電極之間的間隙可以做得稍寬些，并且由于電極間隙不裸露在外面，所以器件的穩定性也比較好。圖3-23圖3-24為了簡化驅動電路而發展起來的結構有階梯氧化層電極(圖323)和離子注入兩相CCD結構(圖324)等結構形成。對這類結構的CCD而言，雖然所加的矩形脈沖是對稱的，但是電勢分布卻是不對稱的(見圖)，因此可實現電荷包的定向位移。 此外，還有為減少界面態損失而采用的埋溝結構CCD(BCCD)，這里不予敘述。 三、CCD的主要特性 1電荷負載能

32、力 當CCD電極上加上電壓后便建立起一定深度的勢阱，電荷可以貯存于勢阱中，電荷存于勢阱后，該勢阱單元表面勢變低。當電荷存入量達到使得該勢阱單元的表面勢和相鄰勢阱單元的表面勢相等時，便不能再存入電荷了。勢阱從空阱到填滿電荷的總存入電荷量稱為電荷負載能力，它決定 了CCD的動態范圍。的值為 (3-23)式中 絕緣層電容； 有效的外加電壓值； 半導體的介電常數和真空中的電容率； 電子電荷； 襯底摻雜濃度； 貯滿電荷時表面勢(或穩態時的表面勢)。 通常>>，所以有 (3-24)因此，為加大電荷負載能力，絕緣層電容及外加電壓都要較大，對一些類型的CCD來說，其電荷負載能力的典型數據是：硅CC

33、D為；InSbCCD為；HgCdTeCCD為。 下一頁 §4 信息處理與顯示 攝象頭對景物攝象時，首先將景物進行空間分割，然后依次將這個單元空間的景物溫度轉換成相應的電信號，最后輸出的是與整個空間景物溫度分布相應的連續的時序視頻信號。無論是光機掃描類型的攝象頭，熱釋電類型的攝象頭或者是固體自掃描類型的攝象頭所得出的視頻信號都具有相同的性質，只是因空間分割的方法不同，時序視頻信號也有不同的形式。視頻信號所反應的是景物的空間溫度分布信息，所以信息的處理與顯示的基本任務就是要根據景物的視頻信號標示出景物各部分的溫度，并顯示出景物的熱圖象，這屬于圖象信號的讀出與顯示問題。在實際應用中還有將圖

34、象信號加以進一步處理的，如圖象增強、圖象修復、圖象相關、運動景物的示跡等則屬于圖象處理范疇，我們不再加以介紹。本節主要敘述溫度標示和熱圖象顯示兩個基本問題。 一、溫度信號的處理 從攝象頭輸出的信號往往須要經過預處理、放大和線性化后才能讀出與景物溫度相應的溫度值。現將這些方面的問題分述于下。 1信號的預處理 從攝象頭輸出的信號有些是單一的景物圖象視頻信號，如光機掃描的單元探測器系統及熱釋電攝象管；有些則是在攝象器件中內部經過預處理以后再輸出的，如光機掃描的Sprite探測器的輸出信號、CCD的輸出信號等，這類信號也是景物圖象的視頻信號；有些從攝象器件中輸出的信號卻須要經過再處理才能成為景物的視頻

35、信號，如一般的光機掃描多元探測器系統，它須經過延遲積分或者取樣后才能成為單一的視頻信號。 多元探測器串聯掃描系統輸出的信號須要 經過延遲積分，然后變成增強了的視頻信號。 多元探測器并聯掃描系統輸出的信號須要經過取樣處理才能成為單一的視頻信號。一種取樣方法是用專門的取樣電路對多元并聯輸出信號進行取樣，如圖331(a)所示。另一種取樣方法是用CCD進行取樣，如圖331(b)所示。這種CCD取樣方法和混合式IRCCD實質是完全相同的。 圖3-31取樣電路中的主要問題是取樣頻率問題。根據取樣定理，取樣頻率應大于2倍信號頻譜限，則取樣后的信號有可能還能還原成原信號。也就是說，在每一瞬時視場內要對所有各元

36、件至少取樣兩次。設探測器為n元，則要在滯留時間內至少取2n次樣。因此取樣的時間為 (3-28)取樣頻率為 (3-29)若，n=50,則 由此可見取樣頻率較高，成了并聯掃描的關鍵問題。 2.通頻帶 從攝象器件輸出的信號往往是相當微弱的，因此需要放大。關于放大倍數的要求涉及成象系統的動態范圍，留待系統設計中去討論。這里只敘述放大器的通頻帶問題。攝象器輸出的信號是一系列脈沖。放大器的通頻帶應使輸入的脈沖信號經放大后基本上不失真。放大器的通頻帶由高端頻率及低端頻率決定。 .高端頻率由信號脈沖寬度即滯留時間決定，即 (3-30)如=5，=。 低端頻率的確定要從兩個因素考慮。一方面要使信號失真不太大；另一

37、方面又不要使過低，因頻率越低則噪聲越大。 若選用RC濾波器，出脈沖信號經RC濾波器后總會有平頂下跌(直流下落)的。平頂下 跌量即反映信號失真量的大小。圖332中為輸入脈沖信號的幅值，V為經RC濾波器后的輸出值，則平頂下跌量即為 (3-31) 式中為脈沖寬度。 上式可近似為 (3-32)若一個大目標充滿著整個觀察視場，則所得信號脈沖寬度為最寬的了，這時的信號脈沖寬度即為掃描一行的時間。設平頂下跌按3考慮，則從(3-32)式中可得 RC濾波器的特征頻率即為低端頻率，即 因此可得 若，則=8Hz 3信號的耦合方式 在探測器與前放之間若采用直流藕合方式，信號固然可以不失真，但基于下列三方面考慮，通常都

38、采用交流耦合方式。這三個方面是： 抑制大面積的背景干擾； 消除探測器上直流偏置電位的影響； 削弱噪聲的影響。 采用交流耦合時也存在兩個較大的問題，即一方面信號直流分量被濾去了，因而通過的信號便不再具有溫度絕對值的意義；另一方面由RC組成的高通交流耦合電路在對目標進行掃描時會產生下面三種圖象缺陷。 對中等溫度差異的大目標來說，耦合前的信號和矩形波，耦合后信號失真，產生直流下跌和負尖峰，因此目標圖象亦發生畸變(如圖333)。在某些情況下，這種圖象畸變會掩蓋掉其它目標。 圖3-33對高溫小目標來說，由于線路輸出的平均值為零，所以輸出信號在正信號響應之后，將伴隨一個振幅較低但持續時間較長的負信號響應。

39、從圖象來看會發生嚴重的黑色拖尾現象(見334)。 圖3-34多元掃描時，每個通道中在開始掃描前(t< 0)所積存的電荷量不一定都是相同的，這個積存的電荷量將影響開始掃描后的信號大小。如圖335(a)，通道1是從冷背景到溫目標的探測，通道2是從熱背景到同一溫目標的探測；顯然通道1對溫目標的響應大于通道2對同一溫目標的響應，見圖335(b)；因此最終的目標圖象成了圖335(c)的樣子，原來為同一溫度的溫目標，結果通道1顯示的圖象較亮，通道2顯示的圖象較暗。 圖3-35為了測量出溫度的絕對值及減少圖象缺陷，要對交流耦合電路進行直流恢復。圖336為一種直流恢復方案。探測器對空間掃描時，在有效視場

40、內掃過有效的空間區域；當掃出有效視場后，聽掃過的空間區域便為無用空間區域，在這無用空間區域內設置一個參考黑體，并使這個參考黑體的溫度與環境溫度相當。這樣當探測器掃描到參考黑體時，便輸出與環境溫度相當的恒定信號。因此不管在有效空間區域內所掃過的景物溫度為何值，當掃到無用空間區域時，探測器信號一律箝位到與參考黑體溫度相應的電壓信號值上。見圖337。也可以在掃到參考黑體時，首先將原來探測器的信號一律箝位到零電平，然后再將與環境溫度相應的一個直流電平疊加在經過箝位的探測器信號上以進行環境溫度補償。這樣經過箝位(或箝位補償)后的信號便具有絕對值的意義了。最簡單的實施辦法是將參考黑體做成無源的。參考黑體用

41、紫銅板 制成，板面涂上黑色無光漆。黑體本身不加熱，在熱平衡狀態，黑體溫度便等于環境溫度。環境溫度信號通過一只放在參考黑體內的熱敏電阻測出。 圖3-36圖3-374溫度信號的線性化 由探測器輸出的信號電平是目標溫度的函數。這個函數由目標輻射特性、熱象儀的光譜透過特性、敏感元件的光譜響應特性等決定。顯然，這個函數是非線性的。但是為了熱圖象顯示判讀方便以及直接進行溫度的數值顯示，要求將送到顯示端的溫度信號與目標溫度成線性關系。因此要將探測器測出的電壓信號進行線性化變換和校正，使其與溫度成線性關系。通常線性變換和校正是在箝位和溫度補償之后進行的。 環境溫度的補償是用熱敏元件測出的，它的信號電平與溫度近

42、似的成線性關系，但是將它 送去進行溫度補償時，被補償的溫度信號與溫度的關系卻是非線性性的。因此要將這個線性的環境溫度信號進行非線性化處理，使其與原溫度信號的非線性化規律一致，然后再進行補償。另外顯象管的輝度與控制電壓之間存在著非線性關系，因此也需要進行校正，以便使控制電平線性地顯示出相應的灰度。 線性化電路可以用非線性電位計制做，也可由二級管、電阻網絡構成。 5顯示中心溫度及顯示溫度范圍的選擇 熱圖象的中心溫度及整個熱圖象的溫度變化范圍因觀察對象不同而有所不同，因此要求顯示的中心溫度及顯示的溫度范圍也是可調節的。顯示中心溫度應連續可調，其調節范圍應該是整機的測量范圍。顯示溫度范圍即為儀器的靈敏

43、度。如儀器具有1、2、3、5、7、10、15、20、30、50十擋靈敏度。如對最靈敏的一擋靈敏度1而言，因測量范圍為1，顯示器具有十級灰度，所以每級灰度相當0.1的溫差，即儀器可顯示精度為0.1。 中心溫度的調節及顯示溫度范圍的選擇可用改變電子通道內某一放大器放大倍數的方法來實觀。二、熱圖象顯示 經過放大、處理及線性化后的視頻信號可以線性地反應景物各部分的溫度值，但視頻信號是個時序信號。要將時序視頻信號轉換成二維空間的景物圖象還要經過同步復掃描過程。同步復掃描有兩種方式，即光學復掃描方式和陰極射線管(CRT)方式。對熱圖象顯示的基本要求是圖象清晰及能按要求進行判讀。因此，對熱圖象顯示來說要討論

44、的基本問題是熱圖象的形成、圖象的清晰度和圖象的顯示模式。 1發光二極管顯示 圖3-39圖339為發光二極管顯示的原理圖。入射輻射經光學掃描器和聚焦系統成象在探測器上，探測器產生的景物視頻信號送到發光二極管處。發光二極管由探測器送來的視頻信號激勵而發光。發光二極管發出的光束經過原光學掃描器進行復掃描后傳到目鏡處。在目鏡處所觀察到的發 光二極管的圖象便是一幅掃描圖象，是一幅與景物完全相當的圖象。圖339中所示的光學掃描器為二維擺動的平面反射鏡，鏡子兩面都涂有反射膜，正面作入射輻射掃描鏡，反面作為復掃描鏡。至于其它類型的光學掃描器也可作相應處理以同時作入射輻射掃描及復掃描用。由于復掃描和原掃描合用一

45、套掃描機構，所以就很自然地解決了同步問題。對復掃描成象有兩個問題應予以注意： 復掃描機構的類型和原掃描機構的類型應相同，即同為平行光束掃描或同為會聚光束掃描，這樣在結構設計上便于統一安排，圖552所示即同為平行光掃描的情況。 若只是由目鏡觀察熱圖象，則毋需直流恢復及線性變換、校正等裝置；若須讀出溫度值，則可以在攝象機的線路中加入直流恢復以及線性變換、校正等信號。至于其它顯示模式的控制信號也都在攝象機加入。 發光二極管的亮度應能根據視頻信號電壓的大小而變化。也可采用控制發光管工作電流的方法去改變發光管的亮度。 圖339上所示的探測器及其放大電路、發光二極管及其激勵電路都是單元的，這是為了說明發光

46、二極管顯示的基本原理。 應用更普遍的是多元探測器陣列和多元發光二極管陣列的情況。如多元并掃情況(見圖340)，發光二極管陣列與探測器陣列一一對應，每個探測器的輸出信號大小直接控制相應發光二極管亮度的強弱。因為是并掃，所以光學掃描器只須作一維行掃。這種方法的特點在于對多路信號的處理是采取光電多路直接顯示的方法，而不是象小節所說的那樣對多路信號用采樣方法變成單一的視頻信號。這種光電多路顯示的方法結構簡單，適用于簡單的熱成象系統。多路信號采樣在頻率很高時(如10MHz以上)，實現就很困難，而光電多路顯示則不受此限。 圖3-402.圖象顯示中的同步和消隱 同步 采用陰極射線管顯示時，輸入的視頻信號用來

47、控制電子束的強弱，進而控制熒光屏上的光點亮度。電子束的偏轉則是一種復掃描過程。電子束的偏轉方式應和原掃描方式完全相同。無論原掃描采用的方式是光機掃描式或電子束掃描式或固體自掃描式，都應如此。這樣在顯示器上便可顯示和景物相應的熱象。 掃描機構有行掃描和幀掃描兩部分，所以同步機構也應有行同步機構和幀同步機構兩部分。 同步機構有光敏觸發、磁敏觸發和機械觸發等類型，由原掃描機構觸發產生的信號經過放大整形后成為符合一定要求的脈沖信號，然后控制顯象管的電子束與原掃描機構作同步偏轉。每掃完一行及每掃完一幀后，傳送一個行同步信號和一個幀同步信號，使顯示器和掃描機構協調地工作。 消隱 顯象管的電子束在有效掃描時

48、間內發關送圖象信號，而在回掃及其他非有效掃描時間內，為了不影響畫面的清晰度，要停止發送圖象信號，因此須加入一個脈沖信號來關掉電子束，這種脈沖信號就叫消隱信號。它也有行消隱和幀消隱兩種。消隱信號也有光敏觸發、磁敏觸發和機械觸發等類型的。觸發后的信號同樣要經過放大整形成為符合一定要求的脈沖信號后才能使用。將消隱信號加以各種變換可以配合作各種模式顯示。 §5 成象跟蹤原理 一、引言 對擴展源來說，應該用成象裝置對其進行檢測。所謂擴展源泛指所觀察空間的一切景物。成象裝置的攝象頭攝取景物空間的圖象，并測量出各個景物在視場中的位置。當其中的某些景物(目標)相對于攝象頭作某種運動時，攝象頭若能對作

49、相對運動的景物(目標)進行跟蹤，則這種具有跟蹤能力的成象裝置稱為成象跟蹤器。 成象跟蹤器的組成方框圖如圖341所示。 圖3-41成象跟蹤器對目標的跟蹤原理和前面第二章所述的跟蹤原理完全相同。對成象跟蹤器而言，首先應測出面目標在視場中的位置。圖342中觀察視場為A×B，視場中心為O，目標圖象在視場中的位置如圖所示。測量目標圖象位置的方法有測量目標圖象的邊緣、測量目標圖象的矩心以及測量目標圖象的相關度等幾種。用這些不同的測量方法構成的跟蹤器分別為邊緣跟蹤器、矩心跟蹤器及相關跟蹤器。由攝象頭輸出的目標視頻信號送到圖象信號處理器，目標視頻信號經過處理后檢出與目標位置相應的誤差信號。誤差信號控

50、制伺服機構使攝象頭跟隨目標。對成象跟蹤器而言，主要的問題是當觀察目標作相對運動時將目標視頻信號處理成誤差信號的設計問題，也就是圖象信號處理器的設計問題。對邊緣跟蹤及矩心跟蹤來說，都要設置一個波門。波門的尺寸略大于目標圖象，波門緊緊套住目標圖象(如圖342所示)。波門是隨目標圖象視頻信號而產生的。在波門以內的信號當作感興趣的信號予以檢出而摒除波門以外的其它信號；也可以針對視場中出現的苦干個目標面同時設置幾個波門，分別檢出各個波門中的信號。從整個視場中檢出波門內的信號的方法屬于選通技術的范疇。利用選通技術可以對目標進行有選擇的跟蹤，同時也可以非常有效地排除背景干擾。相關跟蹤是用測量兩幅圖象之間的相

51、關度的方法去計算目標的位置變化的。用預存的目標圖象去和實時攝取的目標圖象求取相關值稱為圖象匹配技術；有先后相鄰的兩幀實時攝取的圖象求取相關值則稱為動目標跟蹤技術。在相關跟蹤的誤差信號處理中對相關度的取值有一定要求(在乘積相關算法中取最大值，在MAD算法中取最小值)，所以相關跟蹤器對與選定的跟蹤目標圖象不相似的其他一切景物都不敏感，因此相關跟蹤器具有極好的選通跟蹤能力的抗背景干擾能力。圖3-42從上面的敘述可知，由于成象跟蹤器利用了目標圖象的形狀及其亮度分布狀況等作為跟蹤信息，所以信息量比較豐富。非成象跟蹤系統只是利用目標的輻射強度作為跟蹤信息。因此象跟蹤器比非成象跟蹤器要優越得多，可對各種目標和背景進行鑒別而實行選擇跟蹤，跟蹤精度也較高。 對成象跟蹤系統來說，其基本性能要求應從成象和跟蹤兩個方面同時考慮，如成象性能為溫度分辨率、空間分辨率及掃描速率(或速高比)；跟蹤性能為跟蹤角速度、跟