热释电红外探测器报警与成像原理的分析研究

摘 要：通过对热释电红外探测器的性能分析，说明热释电红外探测器应用报警原理与成像机理；对热释电红外探测器结构及光（热）电转换原理分析，说明斩波式热释电红外成像的工作过程。

关键词：热释电；斩波；DTGS；灵敏度；分辨率

1 热释电红外探测器的性能分析

在某些绝缘物质中，当温度变化时，介质的固有电极化强度将发生变化，使屏蔽电荷失去平衡，多余的屏蔽电荷被释放出来的现象称为热释电效应。能产生热释电效应的晶体称为热释电体，又称热电元件。热电元件常用的单晶材料有钽酸锂LiTaO3、氘化的硫酸三甘肽DTGS等。当温度变化时，晶体结构中的正、负电荷重心产生相对位移，晶体极化值就会发生变化，在晶体表面就会产生电荷。在热电元件两端并联上电阻，将电流信号转换成电压信号，将该电压信号进行放大、滤波、延迟、比较，即可实现红外报警功能；若将该电压信号处理放大在显示器上变成光信号，可实现成像功能。热释电红外探测器由传感探测元、干涉滤光片和场效应管匹配器三部分组成，设计时应将高热电材料制成一定厚度的薄片，并在它的两面镀上金属电极，然后加电对其进行极化，这样便制成了热释电探测元。其内部的热电元由高热电系数的硫酸三甘钛（TGS）配合滤光镜片窗口组成，其极化强度随温度梯度的变化而变化。

2 热释电红外报警器的结构原理

热释电红外报警器又称被动式红外报警器，主要由光学系统（菲涅尔透镜）、热释电红外探测器、信号滤波和放大、信号处理和报警电路等几部分组成。菲涅尔透镜可以将入侵目标辐射的红外线聚焦到热释电红外探测元上，同时也产生交替变化的红外辐射高灵敏区和盲区，以适应热释电探测元要求信号不断变化的特性；热释电红外探测器是报警器设计中的核心器件，它可以把入侵目标的红外信号转换为电信号以供信号处理部分使用。信号处理主要是把探测器输出的微弱电信号进行放大、滤波、延迟、比较，最后由驱动电路实现声光报警功能。在该探测技术中，所谓“被动”是指探测器本身不发出任何形式的能量，只是靠接收被测物体能量或能量变化来完成探测目的。被动红外报警器的特点是能够响应入侵者在所防范区域内移动时所引起的红外辐射变化，并能使监控报警器产生报警信号，从而完成报警功能。

当入侵目标辐射的红外线通过菲涅尔透镜被聚焦在热释电红外探测器的探测元上时，电路中的探测器将输出电压信号，然后使该信号先通过一个由R、C组成的带通滤波器。由于热释电红外探测器输出的探测信号电压十分微弱（通常仅有1mV左右），而且是一个变化的信号，同时菲涅尔透镜的作用又使输出信号电压呈脉冲形式（脉冲电压的频率由被测物体的移动速度决定，通常为0.1～10Hz左右），所以必需对热释红外探测器输出的电压信号进行放大。可运用集成运算放大器来进行多级放大，以使其获得足够的增益。当探测器探测到人体辐射的红外线信号并经放大后送给窗口比较器时，若信号幅度超过窗口比较器的上下限值，系统将输出高电平信号；无异常情况时则输出低电平信号。这就是实现热释电红外报警功能的原理，用热释电红外探测器设计的监控报警系统具有结构简单、成本低等优点。

3 热释电红外成像

3.1 热释电摄像管的结构与工作过程

热释电红外探测器近20年广泛地用于辐射和非接触式温度测量、激光参数测量、工业自动控制、空间技术、红外成像技术中。热释电红外探测器其温度响应率达到4～5μA/℃，可分辨温差小于0.05℃，信号灵敏度高，图像清晰度和抗强光干扰能力也较高。所以热释电红外成像技术的应用的前景尤其看好。图1是热释电管的结构示意图。

热释电摄像管主要由两部分组成：（1）换能元件组成的光学成像面（即光电变换元件）——靶面。热释电靶的厚度约为30um，它的电极化轴垂直于表面。（2）电信号扫描读出机构——电子抢。扫描电子枪由电子束发射源、电子束聚焦偏转系统组成。热释电靶面即热释电红外探测元，采用热释电材料氘化的硫酸三甘肽。投射到热释电靶面上的红外辐射（热图像）使靶面上各点的极化的程度与靶面各点温度改变的大小成正比，因而靶面上产生一个与所接收的辐照度分布完全对应的极化电荷分布。该电荷分布经电子枪的电子束偏转扫描系统一行行、一场场读出电荷信号，这样，热分布像就转换成为电荷分布的电学像，电学像再在显示器显示可见灰度等级图像。即光（远红外线）-电-光（可见光）的转换过程。

3.2 热释电摄像管的工作电路设计思想

3.2.1 锁相电路与正、负场视频处理电路

热释电摄像管的工作过程分为热图像的写入和视频信号的读出两个过程。由于热释电靶面上的电荷是静电荷，如果靶温不变，靶面电荷被扫描电子束着靶中和后，就不能再产生新的电荷密度，这样就要求对输入的辐射进行调制，使输入辐射必须是变化量。一般来说，调制的方式有两种，一种是平移式（摄像时将摄像机相对被摄物体作平移运动或原地转动），一种是斩波式（在摄像管前方安装机械调制器，该调制器周期性地截止、打开输入辐射）。斩波调制式的热像和视场是稳定的，但由于斩波器的打开和关闭产生的图像信号极性相反，所以需要设计斩波锁相控制电路，同时需设计正、负场视频处理电路。

3.2.2 热释电探测器红外成像的工作过程（原理框图）如图2

图2

3.2.3 热释电探测器红外成像的技术参数

热释电探测器红外成像的主要性能参数有分辨率、灵敏度、响应光谱、惰性等。分辨率是电视图像的一个重要指标，热传导会使电视图像的分辨率降低，在斩波模式中，将热扩散的有效的减少到了斩波时间（即斩波周期）。对于一个斩波频率为30Hz的TGS材料，对应一个1英寸摄像管300线的分辨率。灵敏度的定义为S=I/AE，I为信号电流，A为靶面扫描面积，E为靶面上的照度。光谱响应是指响应率与入射光波长的关系，热释电成像的光谱响应由靶面材料、窗口材料、镜头的透射光谱特性来确定。热释电探测器光敏感层上的照度突然改变时，信号的电流并不能立即跟上这个变化，而是有一定的时间滞后（包括电滞后和热滞后），这种现象称之为惰性。

以上几个方面说明了无论是探测器的设计生产工艺还是电路设计思路都要充分考虑影响上述技术参数的因素。

4 结束语

热成像系统经历了从单元到多元、制冷型到非制冷并举的发展过程，非制冷焦平面探测器的出现，使热成像系统得到很大的发展并迅速推广到各个领域。热成像系统多采用中波红外3～5μm或长波红外8～14μm作为工作波段，但随着光电对抗技术的发展，为提高系统的抗干扰以及探测和识别能力，多波段探测技术成为热成像技术发展的重要方向。本论文的研究分析成果不仅具有理论意义，而且对中国目前正在进行的非制冷焦平面探测器技术研究以及日益广泛的应用具有积极的指导意义。

参考文献

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