光机扫描红外热像仪自20世纪60年代开始使用，经过不断应用和发展，其体积、重量和功耗不断减少，制冷方式不断改进，性能也不断提高和完善，因而得到了使用者的认同。但由于其机构复杂，体积和重量始终不能令人满意，使用和维修多有不便。随着技术的飞速进步，在20世纪的90年代初，推出了一种性能优良、使用方便的非扫描红外热像仪，这就是被称之为“第二代”的红外热像系统，也就是把视场内的景物聚焦成像在一片集成电路上的焦平面热像仪。

       1．光机扫描红外热像仪

       (1)基本工作原理

      被测物体表面的温度分布借助于红外辐射发射到红外热像仪的光学系统，它被光学系统接收后又被光机扫描机构在探测器上扫描成像，再由红外探测器转换成视频信号，经过放大后送到显示终端，显示出被测物体的热图像。

       (2)显示物体热图像的基本原理

       红外探测器在任意瞬间只能探测被测物体表面的一小部分，这一小部分被称为“瞬时视场”，当探视到瞬时视场时，只要探测器的响应时间足够快，就会立即输出一个与接收的辐射通量成正比的电信号。瞬时视场一般只有零点几到几个毫弧度，为了使一个具有数十度乘以数十度视场的物体成像，则需要对整个被测物体进行光机扫描，光机扫描的实质是把物体表面在空间的垂直和水平两个方向按一定规律分成很多个小的单元，扫描机构使光学接收系统对物体表面作二维扫描，即依次扫过各个小单元。红外探测器在此过程中的任一瞬间只接收物体表面一个小单元的辐射，它是随着光学接收系统按时间先后依次接收二维空间中物体各小单元的辐射信息的。在整个扫描过程中，探测器的输出是一连串与扫描顺序中各瞬时视场的辐射通量相对应的电信号，即把空间二维分布的红外辐射信息变成为一维的时序电信号，此后再经放大，与同步信号合成，最终就组合成为整个物体的表面热图像。

       (3)基本构成

       光机扫描像仪的主要构成部分如下，它的基本构成原理方框图如图1-1所示。

 
                                    图1-1  光机扫描热像仪基本构成原理框图

       ①光系系统（透镜）用于接收被测物体的红外辐射，根据视场大小和像质的要求而由不同红外光学透镜组成，起着对红外辐射汇聚、滤波和聚焦等作用。

       ②光机扫描机构将被测物体观测面上各点的红外辐射通量按时间顺序排列。

       ③红外探测器能量（或信息）转换器，可以把红外辐射转换成电信号。

       ④前置放大器将红外探测器输出的微弱信号放大。

       ⑤信号处理器将被测物体反映出的电信号处理转换成视频信号。

       ⑥显示器采用CRT显示器或电视兼容的监视器，用于显示被测物体的热图像。

       ⑦记录装置记录被测物体的热图像，可以使用磁带、磁卡和各种照相设施。      ⑧外围辅助装置包括电源、同步装置、图像处理系统等。

       2.非扫描型红外热像仪—焦平面热像仪

       焦平面热像仪革除了光机扫描热像仪复杂的光机扫描装置，它的红外探测器呈二维平面形状，自身具有电子自扫描功能，被测目标的红外辐射只需通过简单的物镜，就与照相原理相似地将目标聚焦在底片上曝光成像，被测目标聚焦成像在红外探测器的阵列平面上，“焦平面阵列”即此含意。非扫描型焦平面热像仪的成像机理如图1-2所示。

 
                                         图1-2  焦平面热像仪成像机理简图

       焦平面红外探测器由数以万计的传感元件组成阵列，传感元件响应率的均匀性较好，尺寸以微米计，功耗极小，分为制冷型和非制冷型两大类。

       (1)制冷型焦平面探测器

       目前，锑化锢电荷注入（CID）阵列、碲镉汞焦平面阵列和硅化铂肖特基势垒基平面探测器都已是实用的、性能良好的制冷型焦平面红外探测器。例如，硅化铂焦平面探测器是由数以万计被切割成5.6～6.0μm大小的传感元件组成，其结构还可分为单层阵列和混成阵列。

       (2)非制冷型焦平面探测器

       非制冷型焦平面探测采用微型辐射热量探测器，这种热探测器的工作原理类似热敏电阻，即探测器通过吸收入射的红外辐射致使自身的温度升高，从而导致探测器阻值发生变化，在外加电压的作用下可以产生电压信号输出。

       由于辐射热探测器中半导体型比金属型的响应率高得多，故非制冷型焦平面探测器经常采用半导体制作，其单元探测器的尺寸可小到50μm×50μm。

    3.焦平面热像仪的工作原理

       由于焦平面探测器分为制冷型和非制冷型两类，所以焦平面热像仪也相应地分为制冷型焦平面热像仪和非制冷型焦平面热像仪。

       (1)制冷型红外焦平面热像仪的工作原理

       红外焦平面热像仪也是由红外摄像头、图像处理及显示器等各部分组成，如图1-3所示。

 
                                    图1-3  制冷型红外焦平面热像仪原理框图

       红外摄像头结构简单，其内装有带制冷的硅化铂红外电荷耦合器件、成像镜头、红外CCD驱动板。全套仪器重量仅2kg左右，携带使用十分方便。硅化铂红外CCD输出视频信号，经钳位和放大等预处理后，由A/D转换变成8bit或12bit的数字图像信号，然后由固定图形噪消除电路和响应率非均匀性校正后，存入帧图像存储器中。图像信号混合了标尺和字符等数据后，经伪彩色编码和D/A转换后，在显示器上显示。显示模式具有黑白、伪彩色和等温区等种方式，并能定时地读出图像所对应的物体表面温度。

       (2)非制冷型红外焦平面热像仪的工作原理

       非制冷型红外焦平面热像仪是利用类似热敏电阻的原理工作的。在图12-巧所示的桥式电路中，R1为内置探测器，R2为工作探测器，R3、R4是桥式平衡电路的标准电阻，E是取样电压信号。R1和R2两个探测器的位置摆放很近，R1被屏蔽不露，而作为工作探测器的R2暴露在外以接收红外辐射。当工作探测器没有外来辐射照射时，电桥电路保持平衡，没有电压信号输出，此时E=0;而当红外辐射照射到工作探测器时，将使R2的温度变化，从而引起该探测器的电阻阻值随温度变化，桥式电路的平衡被打破，使信号输出电路的两端产生电压差，输出电压信号。      4.红外热像仪的图像处理系统

       随着计算机技术的不断发展，红外热像仪的图像处理系统性能也得到不断的提高。该系统可用于增加热像仪的测温精度和分析显示功能。

       热像仪所配置的图像处理系统档次不同，性能相差很多，但总体上可分为两种类型，一种是以微处理机的形式构成整个智能化热像仪的一个组成部分，另一种是作为一个独立系统形成热像仪的外围辅助设备。

       (1)热像仪微处理机

       智能化热像仪的微机理的原理结构如图1-4所示。

 
                                     图1-4  非制冷型红外焦平面热像仪工作原理

       由红外摄像头输出的热图像信号经过信号处理以恢复信号直流电平，再由A/D转换器转换成数字信号。数字信号由DMA（直接存储器存取）接口向CPU（计算机中央处理装置）请求后经总线存入图像缓冲区。图像缓冲区具有双通道结构，分别与输出DMA接口和CPU接通。热图像的输出显示采用高速DMA方式，输出DMA按电视扫描频率从图像缓冲区读出与电视制式兼容的图像信号。

 
                                       图1-5  热像仪微处理机原理结构框图

       (2)红外图像处理系统

      作为红外热像仪的外围辅助设备，红外图像处理系统既能与热像仪联机使用，也可以单独在实验室内处理现场记录的热图像信息。红外图像处理系统通常由微型计算机、相应的硬件和软件及辅助设备构成。它的功能主要有：被测目标的实时观察、测量、分析，进行对热图像的采集、存储、增强、滤波去噪、伪彩色显示、几何变换、图像运算、传送和输出打印等。

      热图像处理和分析系统的主要硬件包括制式转换器、帧捕获器和图像输出设备等三部分，其硬件构成框图如图1-6所示。

 
                                                图1-6  红外图像处理系统结构框图