第２９卷第６期 ２００７年６月 红外技术 Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 、，０ｌ１．２９ Ｎｏ．６ Ｊｕｎｅ ２ｏ０７ 周期（Ｓ）。用面积表示为： Ｔ／Ａ ｏｏ％ 元的开始曝光和结束曝光尽量同步，即曝光相位尽量 一致，这就是所谓的“推扫”。调制器的推扫性能越 好，探测器输出信号的均匀性就越好，信号处理电路 式中： 为曝光效率， ｌ为总曝光面积（ｍｍ ），Ａ２ 的非均匀性校正就越容易。根据经验，当输出信号的 非均匀性≤２０％时是可以校正的。 １．４同步信号的产生 同步信号是协调铁电型非制冷红外焦平面探测 器积分与读出动作和信号处理电路进行信号处理的 为调制器圆面积（ｍｍ ）。不同热时间常数的探测器 所要求的曝光效率不同，一般在５０％左右。 １．２调制频率 调制频率即调制器对光信号进行调制的频率，它 等于调制器转速与调制器调制周期数之积。用公式表 示为： ｆ－－ｎ×Ｒ （３） 式中：．厂为调制频率（Ｈｚ），ｎ为调制周期数，尺为调 制器转速（转／ｓ）。 例如对于调制周期数为６、转速１５００ ｒｐｍ的调制 器，调制频率为１５０ Ｈｚ。为了保证探测器有足够的积 分时间，调制频率要小于或等于探测器的最高工作频 率。 １．３推扫性能 单元探测器或探测元总数不多的多元探测器不 存在推扫要求的问题，哪边先曝光都可以，因而它的 调制器结构比较简单，主要有直边式和圆孔式两种形 式。直边式调制器如图１所示，圆孔式调制器如图２ 所示。调制器叶片在电机驱动下旋转起来后，红外辐 射被周期性地遮挡和通过实现调制，单元探测器用直 边式调制器就可以了，多元探测器尤其是二维的小面 阵探测器最好采用圆孔式调制器。对于列阵规模比较 大的凝视型探测器，还要考虑调制器的推扫性能即调 制器扫过时同一行内探测元的同步曝光性能，上述两 种形式的调制器显然都不合适。在调制器工作条件 下，铁电型非制冷红外焦平面探测器的信号读出只能 采用逐行读出（ｒｉｐｐｌｅ）方式，整帧读出（ｓｎａｐｓｈｏｔ） 方式已不适用。逐行读出即按照探测器各行的曝光顺 序从前至后依次读出，这就要求调制器在扫过铁电型 非制冷红外焦平面探测器表面时，同一行内所有探测 图１直边式调制器 ＠ 图２圆孔式调制器 结构示意图 结构示意图 Ｆｉｇ．１ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ Ｆｉｇ．２ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｌｉｎｅ—ｔｙｐｅ ｃｈｏｐｐｅｒ ｏｆ ｈｏｌｅ—ｔｙｐｅ ｃｈｏｐｐｅｒ ３３４ 控制信号，二者协调一致才能完成成像。同步信号主 要分为帧同步信号，行同步信号，帧标识信号三种。 帧同步信号的作用是启动帧读出，将探测器上的信号 从第一行到最后一行逐行读出。行同步信号一般由探 测器的驱动电路给出。帧标识信号是告诉信号处理电 路当前帧的编号或位置，这个信号一般在多帧图像合 成过程中使用，如微扫描技术中的图像合成。 ２调制器的设计方法 如果采用直边式调制器，在调制器尺寸与探测器 尺寸相近的情况下，无论采用何种位置关系，调制器 都不能“推扫”探测器上的所有行，最多只能有一行； 对于行列直线排列的凝视型探测器，圆孔式调制器不 能形成推扫，为此调制器的线形发展成阿基米德螺旋 线形式。在螺旋线参数选取合适时，这种形式的调制 器可以近似“推扫”红外焦平面探测器上的所有行。 阿基米德螺旋线的定义为：一动点沿着一条射线 做匀速直线运动，同时该射线绕着自己的端点作匀速 圆周运动，该动点的运动轨迹就是阿基米德螺旋线， 用公式表示为： ｖ／ａ） （４） 式中：肭比例系数（ｍｍ／ｒａｄ），ｖ为动点沿直线匀速 运动的速度（ｍｍ／ｓ）， 直线绕端点匀速旋转的角 速度（ｒａｄ／ｓ）。设极坐标系下动点坐标为（ｒ＇ ），根据 定义可得： ｒ＝ｖ ｘｔ ×式（５）、式（６）中：ｔ为运动时间（ｓ）。 从式（５）、（６）中求出ｖ和 表达式后代入式（４）， 得： ＝ｒ｜９ 式中：肭表征阿基米德螺旋线形状的参数，即极径ｒ 与极角ｏｆｆ１比例系数。 常见的表现形式为： ｒ－－－ｚＯ （８） 由阿基米德螺旋线定义推出的极坐标系下的表 维普资讯 http://www.cqvip.com 第２９卷第６期 ２００７年６月 Ｖｂ１．２９ ＮＯ．６ 吴新社等：铁电型非制冷红外焦平面探测器的调制器设计 Ｊｕｎｅ ２００７ 达式（８）可以看出，阿基米德螺旋线的形状只与这个比 例系数 关，与极径ｒ和极角既关；而阿基米德螺 旋线的曲率与它们三者都有关系，即它不仅与比例系 数 大小有关，还与极角 极径ｒ的取值有关。对 于确定几何尺寸的探测器，并不是随意一条阿基米德 螺旋线都可以，有一个最佳值，因此求解最适合的阿 基米德螺旋线参数是调制器设计的核心问题。 ２．１红外焦平面探测器与调制器的位置关系 系，可以知道螺旋线的曲率 随极角稍增大而减小， 如图３所示，横坐标为极角０（单位为度），纵坐标为 螺旋线曲率Ｋ（单位为１／ｍｍ）。为了获得好的推扫效 果，红外焦平面探测器应安装在极角较大的区间段， 考虑到调制器尺寸不能太大，故极角一般不大于 １８０。；进一步对阿基米德螺旋线的切线斜率分析可知 它在（０，９０。）内曲率变化很大，所以探测器放在（９０。， １８０ｏ）的范围内即直角坐标系中的第二象限内比较合 由式（８）得阿基米德螺旋线的直角坐标系中的表 示形式： ｆＹ＝ｚＯｓｉｎ０ （９） 【Ｘ＝ｚＯｃｏｓ０ （１０） 式（９）、式（１０）中：Ｘ，Ｙ为坐标，妫参数。阿基米德 螺旋线的一阶导数为： ｄｖ ｓｉｎ０＋０ｃｏｓ０ ．．．：—．＝一 ｄｘ ＣＯＳ０——Ｏｓｉｎ０ 再一次求导得到阿基米德螺旋线的二阶导数： ｄ２ｙ２ ＋８２ ＝ （１２） （ｃ０ｓ 一 ｓｉｎ ） 最后由式（１１）、式（１２）得到阿基米德螺旋线的曲率： 斋 ， 这是一个只与极角 口比例系 关的量，继续 求导得到螺旋线曲率 相对于极角 变化率： ｄＫｄ １ ＝ （１４） （＋ １ ０ ） 通过在（０，１８０。）内分析曲率与旋转角度的关 、 ＼ ＼ ＼ ＼ ＼ 、—～ ‘Ｄｅｇ｜ｅｅ） 图３极角与阿基米德螺旋线曲率的关系 Ｆｉｇ＿３ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ Ａｒｃｈｉｍｅｄｅｓ ｓｐｉｒａｌ’Ｓ ｐｏｌａｒ ａｎｇｌｅｓ ａｎｄ ｉｔｓ ｃｕｒｖａｔｕｒｅｓ 适，如图４所示。 ２．２ 阿基米德螺旋线的比例系数求解 阿基米德螺旋线的作用是将调制器叶片的旋转 运动转化为类似于直线运动的“推扫”。以螺旋线为 考察对象时，其表达式为式（８），以红外焦平面探测器 为考察对象时，其表达式就转化为： Ｚ＞￣ＡｒｌＡＯ （１５） 式中：△ｒ表示极径方向扫过的长度，△骧示扫过的 角度。只有符合这个条件的阿基米德螺旋线才能完成 对红外焦平面探测器的推扫任务。 如图４所示，设铁电型非制冷红外焦平面探测器 的光敏面长度为ａ，宽度为ｂ，且探测器左上角顶点Ａ 与调制器边缘重合，调制器逆时针方向旋转。调制器 在扫过探测器光敏面时极径的变化量△ｒ为探测器左 上角顶点Ａ到右下角顶点Ｂ的距离，即探测器光敏面 对角线长度。又设调制器的调制周期数为ｎ，则每份 所占角度为ｘ／ｎ。 由题设可知： 『ＡＯ＝Ｉｒ／ｎ （１６） １△ｒ：√ （１７） 由此求得阿基米德螺旋线的参数（取正值）为： ｎ Ｉ — Ｌ 一 一 ＋ Ａ ／／ ‘、＼＼ ｂ／ 爝嚣 ＼ ＼ ／厂 、 ｊ 图４探测器与调制器位置关系 Ｆｉｇ．４ Ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｒｅｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｄｅｔｅｃｔｏｒ ｔｏ ｃｈｏｐｐｅｒ ３３５ 维普资讯 http://www.cqvip.com 第２９卷第６期 ２００７年６月 红外技术 Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖ＿０１．２９ Ｎｏ．６ Ｊｕｎｅ ２Ｏ０ｒ７ 理电路按程序工作。 ＾ Ａｔ９ ＝一＝一： ： ／／＂ 堡 （ｆ１ｌ８Ｘｌ） 、 曝光效率和调制频率根据探测器的工作帧频而 定，其中调制频率通过调整调制器转速实现，曝光效 例如，对于一支中心距为５０ Ｕｍ的３２０×２４０铁 电型非制冷红外焦平面探测器，光敏面尺寸为１６￣１２ 率通过设计调制器结构实现。 最后按照电机的选择方法选好驱动电机，配上连 ｍｍ，在调制周期数为３时，阿基米德螺旋线的参数 ≈１９ｒｎｎｇｒａｄ。 即便这样，求得的阿基米德螺旋线也不是真正意 义上的平行“推扫”，实际上中间的探测元先曝光两 边的探测元后曝光，但滞后时间相对于整个曝光时间 来说很小，经过计算不到４％。 ２．３推扫效果分析 如图４所示，假设调制器对探测器的推扫沿Ｙ轴 方向，将式（９）两边同时对时间ｔ求导，得： ： （ｓｉｎ０＋Ｏｃｏｓ 一ｄＯ （１９） ｄｆ — ｄｆ 式中：ｄｙ／ｄｔ为Ｙ轴方向上的推扫的线速度（ｍｍ／ｓ）， ｄ６Ｖｄｔ为调制器的角速度（ｒａｄ／ｓ）。竖直方向推扫速度 与旋转角度的关系曲线如图５所示，横轴为旋转角度 （。），竖轴为推扫速度（ｍ／ｓ）。由图５可以看出，在 ６０。时速度达到最大值，然后开始减速直到１８０ｏ，整 个下降过程近似线性。推扫角度不大于６Ｏ。，完全可 以将它放在这个负的线性区间，这样有利于调制效果 的设计计算。 ２．４同步信号、曝光效率和斩波频率 同步信号是协调铁电型非制冷探测器信号读出 和信号处理电路动作的控制信号，实现方法比较简 单。如图４所示，在探测器曝光结束位置设置～对光 耦合器，当调制器周期性地运动到这个位置时光耦合 器就给出一个脉冲信号，通知信号处理电路，信号处 图５竖直方向推扫速度与极角的关系曲线 Ｆｉｇ．５ Ｒｅｌａｔｉｏｎ ｃｕｒｖｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｐｏｌａｒ ａｎｇｌｅ ａｎｄ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｓｐｅｅｄ ｉｎ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ ３３６ 接部件，整个调制器的设计工作就完成了。 ３结论 本文从铁电型非制冷探测器的推扫要求和阿基 米德螺旋线的定义出发，通过分析阿基米德螺旋线的 物理意义推导出多调制周期调制器叶片形状的设计 公式，解决了调制器设计的核心问题，对非制冷红外 成像技术尤其是微扫描技术的发展具有重要意义。 参考文献： ［１】何玉青，金伟其，刘广荣，等．铁电型型热成像系统的调制调制器技 术［Ｊ】．红外技术．２００２，２４（５）：５～１０． ［２】何玉青，金伟其，高稚允，等．铁电型型非制冷焦平面热像仪调制调制 器的分析——调制器的曝光效率［Ｊ】．红外与毫米波学报．２００４，２３（４）： ２４６￣２５０． ［３】 郑康，荣德康．铁电型红外摄像机斩波调制电路的设计［Ｊ】．光电子技 术．１９９６，ｌ６（３）：２４０￣２４５． ［４】贾正根．微型调制器［Ｊ】．光电子技术．１９９９，ｌ９（１）：６９￣７３． ［５】Ｈｅｌｍｕｔ Ｂｕｄｚｉｅｒ，ａｎｄ Ｇｕｅｎｔｅｒ Ｈｏｆｍａｎｎ．Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｎｏｎｉｄｅａｌ ｃｈｏｐｐｅｒ ｄｅｓｉｇｎ ｏｎ ｎｏｎｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙ ｉｎ ｕｎｃｏｏｌｅｄ ｐｙｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｓｔａｒｉｎｇ ａｒｒａｙ ｓｙｓｔｅｍｓ［Ａ］．Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥＩｎｔ．Ｓｏｃ．Ｏｐｔ．Ｅｎｇ［Ｃ］．１９９５，２５５２：６２４． ［６】Ｆｒａｎｋ Ｃｏｏｋｅ．Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ ｓｔｅｅｌ ｃｈｏｐｐｅｒ ｗｈｅｅｌ［Ｊ］．Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ．１９８２， ２１（１５）：２８５９．
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