CN1149830C - 热成象系统和为扫描热成象系统产生参考温度的方法 - Google Patents
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Abstract
一种交流耦合并扫描工作的热成象系统(10)通过将景物(22)的红外辐射的变化叠加在发光二极管提供(28)提供的参考值上重建热图象。二极管(28)是一个正负发光器件；发射通量由电流控制，使其与在比环境冷或热的温度范围内黑体辐射相当。系统(10)在景物和二极管之间切换时产生的信号是平均景物温度和二极管的有效温度之间差值的度量。控制装置响应该信号，调节流经二极管(28)的电流以减小温差。随着这个过程的不断重复，参考温度向平均景物温度靠近。从而恢复绝对温度并消除一些图象缺陷。
Description
技术领域
本发明涉及一种热成象系统，其中景物是通过扫描成象的。
背景技术
在以前的技术中已有热成象系统。原则上，一个暖物体发射的红外辐射指向一个光导探测器上(例如，见J.M.Lloyd所著的ThermalImaging Systems，此书由Plenum出版社于1975年出版)，从电学响应中重建热图象。大景物区域的覆盖一般通过两种途径：成象仪同时对景物不同部分采样或对景物的各部分顺序成象。在前一种情况下，以“注视(staring)”模式使用探测器阵列，而在后一种情况下，机械扫描机构将景物的每个像素来的辐射定向至一个微小的探测器区域。注视阵列成象系统的优点在于其设计紧凑但受到很多其它问题的困扰。探测元件很少具有均匀的检测性能和响应性能，1/f噪声比较严重，而有效的冷却屏蔽又带来了其它问题。扫描热成象仪尽管更笨重，其显著优点在于所需要的探测器阵列更简单、更便宜。第三种选择是使用上述两种方法的组合，即将大景物区域机械扫描到小的探测器阵列上。各个景物像素可能被按顺序扫描到许多探测器上，探测器的信号经过时间延迟并集成成热图象，使得图象的灵敏度提高或以更快的扫描速度得到合格的灵敏度。此外，利用多个探测器，可以同时扫描数个像素。
在给与光子不同的热波长成象时，应该知道它们之间有显著的区别。首先，光学图象主要通过反射和反射率的差异生成，在此光谱范围内，地面物质倾向于具有良好的反射率。热图象是从自发辐射和辐射率的差异获得的，与地面背景辐射的对比小，因此精度比较差。应在提高热图象内的对比度方面投入更多的努力。其次，尽管探测到电磁辐射，热图象通常是以温度描述的。对景物中任何点测得的辐射都能方便地以该点的有效温度表示。此温度是以测得的强度发出辐射的理想黑体温度。
扫描热成象仪的主要优点在于探测器的信号可以被交流耦合到信号处理系统。通常一个景物被光栅扫描分割为一系列覆盖其面积的平行线。在探测器和放大器之间插入高通电路，消除信号中的直流分量，在扫描时沿一条线路只传输交变信号。这样做的优点是增强对比，消除不同探测器的直流偏压中的任何变化以及减小探测器1/f噪声的影响。然而出现的图象缺陷是：探测器的阶跃函数信号将因高通电路中的电容放电而失真，输出信号将下降，随之在输入阶跃函数回零时出现下冲。另外，高通电路的响应依赖于其以前的历史；在多元件探测器中通常所有这些电路不会接收到相同的平均信号，因此通道响应也将是不一致的。此外，消除直流分量也消去了景物的绝对温度。
恢复图象的绝对温度参考是有利的。例如，如果要看到地平线和以辐射测量监视制造过程，这就可能显得重要了。鉴于此并为了计算下降、下冲、通道不均匀等图象缺陷，前面的技术在扫描间隔中向探测器提供了参考信号。尽管可以使用有源信号源如加热条，然而典型的参考源为方便的无源景物如成象仪壳体的内部。然后以叠加在参考温度提供的直流电平上的景物内部高频的像素到像素的变化来显示图象。
如果参考温度不接于景物的平均温度，这种人工恢复直流的方法并不理想。当探测器在景物和参考源之间切换时，温度中将出现一个中间频率偏差，这不受下降和下冲的影响。此外，探测器的响应可能随照明强度而大范围变化，因此，使多探测器系统在参考温度处的响应一致并不保证在景物温度下也一致。不幸的是，这个问题不容易克服。使用热成象系统的情况千差万别。便携性是一个常见的主要问题，要提供象有可能成象的景物那样多的不同温度参考源是不现实的。有源参考源需要加热装置或更为笨重的冷却装置，并且达到希望的温度所需要的时间也使其不实用的。
美国专利申请NO.4,948,964公开的采用以前技术的多探测器扫描热成象仪，主要致力于解决探测器响应的不均匀性。利用一个遮光反射镜，使得在扫描复位阶段两个强度不同的光照投射在探测器阵列上。调节每个探测器的增益以便在强度(温度)变化时保证电压的响应相同。使用的热参考源为热电冷却器，如果有可能，将该冷却器调节至景物平均温度左右，以便在成象仪的动态范围内进行增益规范。冷却器提供的这个平均值还用作直流恢复时的钳制电平。
在美国专利申请4561786中和Bolgov等在Avtometriya，NO.4，pp85-88(1989)的“IR Sources With Barrier-Free Injection Mechanism”一文中，公开了另一种技术的辐射源，尽管在成象过程的正文中并未公开。前者公开了使用发光二极管(LED)提供参考信号，该信号与建立对测量目标表面特性不敏感的辐射计时特定波长的目标(景物)辐射亮度相当。Bolgov公开了一种带有本征InSb涂层并经刻蚀的晶片，使该晶片一面的载流子复合率(Smax)高，另一面的复合率(Smin)低。然后利用霍尔效应将载流子聚集在某一面上。当载流子聚集在Smin面上时，较低的复合率使该表面的载流子为超过平衡(above-equilibrium)分布并观测到发光辐射。相反，当载流子聚集在Smax面上时，会使晶体的电荷载流子耗尽，从Smin面上可观测到低于平衡(below-equilibrium)辐射。
发明内容
本发明的一个目的，是提供另外一种热成象系统。
本发明提供了一种热成象系统，包括一种热成象系统，包括一个扫描机构以将从被观测景物来的辐射顺序地线扫描到探测元件上，其特征在于：(1)所述热成象系统包括一个可变发光设备；(2)所述扫描机构和所述可变发光设备被安排用来在所述热成象系统的操作过程中向探测元件提供参考水平的照明；和(3)所述热成象系统还包括以下装置：(a)用于测量所述可变发光设备的输出辐射强度以获得第一强度测量值的装置，(b)测量从被观测景物来的平均辐射强度以获得第二强度测量值的装置，(c)比较所述第一强度测量值和所述第二强度测量值的装置，(d)调节所述可变发光设备的输出辐射强度使所述输出辐射强度接近和最终等于被观测景物的平均辐射强度的装置，使得如果所述被观测景物的平均辐射强度是恒定的，则所述探测元件接收到的平均辐射强度在所述热成象系统的所有操作阶段也是恒定的。
本发明的优点在于，它能够提供主动调节参考温度以与观察景物对应，以便恢复热图象的绝对温度并减少图象缺陷。
可变发光设备优选为可控制的，以便在小于10秒的稳定时间内，将辐射通量重新调节在10％稳态值内。可变发光设备可以电控，并能在小于1秒钟的稳定时间内，将辐射通量重新调节在1％稳态值内。如果可变发光设备是半导体设备，就有可能在这些限制范围之内工作，在一个优选实施方案中为红外发光二极管(IRLED)，可对此二极管加偏压，以提供相对于背景辐射水平而言为正和负的红外发光辐射，从而提供不受系统环境限制的有效参考温度。这就提供了迅速调节到IRLED给出的参考温度的能力。在将参考源调节到新温度所需的时间引起的很小限制下，可在必要的若干步中使参考温度朝景物温度主动靠拢。在以前的技术中，成象仪使用加热片或热电冷却器作为参考源，其调节参考温度所需等待的时间长得难以接受。
可从钙汞碲化物或铟锑基材料制取合适的IRLED。
切换装置优选地安排用来在监视景物的间隔内切换探测元件以监视可变发光设备。在一个实施方案中，切换装置可在来自观察景物的辐射投射在探测元件的第一配置和来自可变发光设备的辐射投射在探测元件的第二配置之间切换。这样所提供的优点在于，探测器的空闲时间，即既不在监视景物又不在监视参考源的时间，被减少为在两种配置之间切换仅需的时间。采用以前技术的成象仪所使用的独立温度参考，在找到最接近景物温度的参考温度时，需要在许多配置之间切换，因此切换时间相应增加。
切换装置优选地具有扫描能力。这样做的优点在于，由于景物的机械扫描和不连续的采样以及IRLED的观察配置只用了反射镜一个元件，因而变得方便。这样，这个成象系统更加便于携带。扫描是二维的，可以用一个反射镜进行，更常见的是用多个反射镜组成的复合反射镜系统进行，其转“轮”控制线扫描且一个平面反射镜控制帧扫描。
本发明的热成象系统可包括用来向可变发光设备提供偏置电流的控制装置。控制装置还被安排用来在系统从景物切换至发光设备观测时，产生与平均景物温度和有效发光设备温度之间的差对应的信号。响应该信号，它根据信号的幅值向着减少温度差的方向调节偏置电流亦即发光设备的有效温度。通过这种方法，自动利用反馈主动调节发光设备的输出信号，使其对应于景物的平均温度。这不需要人工输入或估计景物的温度。
更具体地说，探测元件可用来向用于储存直流分量的一个电容器提供输出信号。控制装置优先包括一个用来向可变发光设备供应偏置电流的控制电路，一个用来积分输入电流的积分器，以及用来在储存的直流分量改变时将电容器来的电荷流向积分器的第二切换装置。在此实施方案中，当成象系统从景物观测转为发光设备观测时，切换装置向控制电路提供了对应于景物平均温度和有效IRLED温度之间差值的信号。此外，每次从景物转换到发光设备的观测之后，控制电路可用来调节流经红外发光设备的电流。这就以最低的成本，提供了实现调节发光设备辐射所必须的反馈装置。
在另外一个实施方案中，成象系统优选地包括显示装置，用来显示叠加在可变发光设备的红外辐射所提供的温度值上的观测景物的交变温度变化，以便为图象提供恢复的绝对温度。这样确保易于表现热图象。
另一方面，本发明提供了一种为扫描热成象系统产生参考温度的方法，该方法包括以下步骤：
(a)用来自电控的半导体可变发光设备的参考强度的红外辐射照射探测元件；
(b)在景物观测状态和参考信号观测状态之间切换，由此产生对应于观测景物发出的红外辐射的平均强度和可变发光设备发出的红外辐射的强度之间差值的差值信号；
(c)调节流经可变发光设备的电流，使步骤(b)中产生的差值信号变小，从而使参考强度更接近于观测景物发出的红外辐射的平均值；以及
(d)通过将景物的温度变化叠加在可变发光设备提供的绝对参考值上，重建观测景物的热图象。
由此，所产生的参考温度主动向被观测景物的平均温度靠拢且绝对温度被恢复到景物的热图象中。此外，可周期性地重复步骤(b)和(c)，以便通过反馈机制，使可变发光设备的红外辐射的强度达到观测景物的平均辐射强度。
本发明的方法的优点，在于它恢复了景物热图象的绝对温度并消除了因下降、下冲和通道不均匀引起的某些图象缺陷。此外，它使自身能以快速、便携的成象仪来实现。
为了更全面地了解本发明，在此将参考附图对实施方案进行叙述。
附图说明
图1示意性地显示了利用负/正发光设备恢复热成象景物的绝对温度的建议工作模式的平面图；
图2示意性地显示了用扫描热成象仪给某个区域成象的顺序；
图3示意性地显示了一个每次扫描线后参考值被赋给成象仪时有效的复合景物；
图4代表根据光导探测器的输出信号重建热图象的热成象仪的信息处理系统；
图5提供了两个图，表示一个阶跃脉冲电压输入和与此对应的标准串联电阻-电容电路的输出；
图6图形化地表示了当包含该探测器的热成象仪交替接收参考信号和扫描景物且平均景物温度高于参考值时，与探测器交流耦合的RC电路电阻两端的输出电压；
图7显示了与图6相同的输出，但在该情况下，参考温度调节为与景物的平均温度一致；以及
图8表示本发明另外一个实施方案的信息处理系统，其中，绝对温度被恢复为当探测器阵列沿景物扫描时所产生的热图象。
具体实施方式
参照图1，所示为热成象系统的平面图，总地以10指示。系统10包括一个物镜L1，它将光线12、14和粗箭头16、18表示的红外辐射(IR)聚焦在红外光导探测器D1上。反射镜系统M1或者沿终点O1、O2(以灰色表示)在图所在平面中确定的观测位置范围内进行扫描，或者不连续地移至校准位置C(黑)。反射镜M1所进行的扫描是两维的，尽管为清楚起见，该反射镜或复合反射镜系统均未在此图中表示出来。成象景物的线性表示在22处表示，并强调了两个末端位置24、26。红外发光二极管(IRLED28)安装在Peltier冷却器/加热器设备30上。当反射镜M1处于其校准位置C时，如光路32、34所示，IRLED28发出的IR辐射从该反射镜反射到探测器D1上。探测器D1与电子处理电路35相连。计算机36处理从该电路接收到的信息并将信息传送给显示装置38。这些均为传统的红外成象器件，将不再进一步叙述。在图4中详细叙述分隔开的区域80中的系统元件。
图2表示将二维景物22分割成一系列扫描线。该视图是沿图1的光学系统的中心轴线截取的，并表示探测器D1通过反射镜M1向景物22突出。图1中的末端区域24、26实际上对应于景物22末端的平行线。在任何特定的时刻，图1的热成象仪10都给某个象素区域40成象。水平线42、44和46、48表示扫描线。第二单象素区域50表示连续扫描线中的重叠，以便对整个区域S1进行成象。
图3代表成象仪10的活动。象素60识别在任何特定时刻被成象景物的一小部分。箭头66代表成象仪10的扫描方向。该图示出了两个景物：温度T1的热参考源62和平均温度T2的被观测景物64。所示区域表示观测每个参考源所花费的部分时间。
图4更详细地表示了探测器D1和电子处理系统80。探测器D1的输出是包含一个耦合电容器C1和一个电阻R1的RC电路的输入。该电路的输出被传送给放大器82，然后再传送给计算机系统36，由计算机以与显示设备38相适应的形式重建图形。第二电阻R2的阻值远小于R1，因此，当开关84闭合时，电容器C1通过R2放电。电容器放电时，与R2相连的监视器86执行积分流经R2的电流的功能。控制电路88根据从监视器86接受到的信号强弱，调节流经IRLED的电流。使用过程中，探测器D1输出信号上升至C1和R1或R2之间的点90的电压，这将在以后叙述。
图5提供了两幅图形102、103，表示一个具体输入电压和对应的RC电路电阻两端的输出电压。线104表示强度为Vin、持续时间为τ的阶跃函数输入。线106表示最大值为Vout的输出电压。线106的108和110部分分别表示下降和下冲现象。
图6图形化地表示了开关84一直断开、成象仪10交替观测参考温度T1的tref时间和扫描平均温度Ts的景物的tscan时间时图4中点90处电压的行为。点90处的输出电压波形(Y轴)随时间(X轴)表示。假设Ts＞T1，电压曲线通常以120表示。每个输出阶跃122、124都是景物内的温度差叠加在下降的阶跃输出(图5中108)上的结果。
图7图形化表示了如下操作开关84、且成象仪10交替观察温度T1的参考源的tref时间和扫描平均温度Ts的景物的tscan时间时点90处的电压行为。在成象仪扫描景物的tscan时间内开关84是断开的，而在观测参考温度的tref时间内则是闭合的。随着IRLED28的IR辐射增加，连续扫描线140、144、148引起微小的电压不连续142、146，直到此IR对应于从平均温度Ts的景物发出的辐射为止。
下面将更详细地叙述本发明的工作模式。
再次参照图1，从景物22内位置24发射的红外辐射被位置O1的反射镜M1选中并通过箭头16和光线12、34所表示的光路聚焦。类似地，当反射镜M1位于O2位置时，景物22上的相反端26发出的红外辐射通过箭头18和光线14、34所表示的光路聚焦在探测器D1上。使用时，反射镜M1横置于范围O1和O2间，这使得景物内24和26之间所有位置来的辐射都能被透镜L1聚焦在红外探测器D1上。相应地，以景物为参考，成象仪10扫过位置24、26之间的景物22。
图2更完整地示出了此扫描过程。两维景物的覆盖是通过将其区域分割为一系列扫描线实现的。垂直方向的成象是不连续的，但由于扫描装置每个点的图形面积的有限尺寸，可以在垂直分布的象素如40、50间出现重叠。为实现此区域的分解，安排反射镜系统M1(未示出)产生从位置42到位置44的扫描，随后快速复位至位置46。重复这种运动，第二条扫描线从46延伸至位置48。然后，快速复位将IR辐射从景物边缘以下的位置定向至探测器D1上，重复整个扫描过程，直到区域S1被成象在探测器D1上为止。
在辐射平衡的位置，IRLED28向周围环境发出的辐射与它从周围环境吸收的辐射相同。然而，这种平衡状态因施加电流而打断。在这种情况下，IRLED28将为IR辐射的净发射器(正发光)或净吸收器(负发光)。负发光是一种已知的现象，以后不再进一步叙述，参见P.Berdahl等在Infrared Phys.29(2-4)667(1989)上的文章和Bolgov等人的文章，在此引入作为参考。IRLED的工作模式依赖于该设备是正向偏压还是反向偏压。IR辐射的发射强度依赖于偏置电流的大小。对于任何特定的偏置电流值和方向，IRLED28发射的IR辐射强度等于此特定温度Tref下黑体辐射的强度。如果IRLED28为正向偏压，那么Tref将比周围环境温度高，而如果IRLED28为反向偏压，那么Tref将比周围环境温度低。如果流经IRLED28的电流增加，那么在正向偏压情况下，辐射通量将等于更热物体的辐射通量，而在反向偏压的情况下，则等于更冷的物体的辐射通量。对IRLED28作校准，使得对于任何特定的电流值和任何偏压情况，都能知道IRLED发出或吸收的IR辐射的强度也就是相应的黑体温度。Peltier装置30用来将IRLED28的温度稳定在校准其IR辐射的温度处。或者，在成象仪的预期工作温度范围内校准IRLED28，这样，尽管校准过程变复杂了，但不必再使用Peltier装置30。
在扫描成象仪中，探测器通常是交流耦合的；这就是说，在扫描时，探测器之后的电路只响应和放大观测温度的变化。这种只有对比度的图象改善了分辨率但却失去了景物的绝对温度。为给图形恢复一些绝对温度参考，在扫描间隔向探测器提供参考信号。图1示出了当反射镜M1在位置C时成象系统10是如何观测IRLED28提供的参考信号的。图3示出了成象仪通过其视野内的象素60，交替观测热参考源62和对感兴趣的景物64主动扫描的顺序。热参考源是IRLED28，其IR辐射强度与温度T1相当，感兴趣景物的平均温度为T2，尽管成象仪10测出的只是该点附近的温度变化。
图4显示对探测器单元D1的信号输出进行处理。电容器C1和电阻R1形成衰减探测器D1输出电压的低频分量的高通滤波器，提供交流耦合。此信号的高频分量(对应于景物中象素与象素之间温度差)被传送给放大器82，然后到达计算机系统36，计算机系统以适合显示器38的形式重建图象。当成象仪10扫描热景物时开关84是断开的，而在观测来自IRLED28的参考信号时则是闭合的。电阻R2的阻值远小于R1，当开关84闭合时，流经R2的电流被积分并由积分器86保持。当系统从主动扫描景物切换为观测参考信号时有电流流过，此时电容器C1从对应于景物平均温度的电平放电(或充电)至对应于IRLED28有效温度的电平。如果IRLED28产生的IR通量对应于温度为T1的黑体辐射通量且景物的平均温度为Ts，那么，积分的电流就代表了景物和参考二极管的平均热通量之间的差，也就是Ts-T1的量值。控制电路88调节流经IRLED28的电流，使这种差别最小化。积分器86向电路88提供信号，该信号的幅值与两个温度之间的差成正比，其符号表示温度T1的参考源是比温度Ts的景物热还是冷。然后，控制电路88首先调节流经IRLED28的电流，如果有必要就调节偏压方向以便使参考温度等于平均景物温度。这样，IRLED28的正负发光能力都得到利用，且源和平均景物温度可以相等，不管景物比成象仪周围温度热或冷。
图5提供的图形显示了RC电路对阶跃函数输入电压102的响应103。理想的输入电压是从0阶跃到值Vin，维持不变τ时间后突然掉到0，如线104所示。在图4中电阻R1两端测出的输出电压响应输入阶跃Vin，迅速上升至最大值Vout，在时间τ内输入电压保持恒定，输出电压则随电容器C1(图4)以时间常数R1C1放电而逐渐下降，然后下降Vout掉至0值以下。线106表示了输出电压的这种行为。随着电压以R1C1时间常数降低的线106的108部分被称为下降，而低于0的输出电压110被称为下冲。下降和下冲都会降低图象质量。可以通过增加时间常数R1C1减少下降，但这有增加了下冲的持续时间。在本实施方案中，时间常数R1C1与扫描景物的一条线所需时间相比比较长，以便使下降最小。
考虑图4所示位于C1和R1或R2之间的点90。如果开关84保持断开且成象仪观测参考温度Ttref时间、观测平均温度Ts的景物tscan时间，那么点90的电压变化示于图6。该图图形化地表示了在点90测得的探测器D1输出电压(Y轴)与时间(X轴)的曲线。假设Ts＞t1，可如下解释通常由120表示的电压曲线。在成象仪10观测参考温度T1时，探测器D1输出电压没有变化，因此RC电路的输入没有交流分量。在时间tref内点90的电压为0。当成象仪开始扫描景物时，在RC电路的输入电压中出现对应于温度变化Ts-T1的不连续性。在扫描景物时，景物中的温差出现，它叠加在衰减阶跃输出(图5的108)上，如122所示。在扫描线的末端，成象仪再次观测参考IRLED28，在输入电压中出现另外一个对应于温度变化T1-Ts的不连续性。在时间tref内点90的电压相应地掉到0以下，直到成象仪开始第二条扫描线124为止。
如果开关84如下工作，那么可利用反馈机制控制IRLED28的IR辐射强度。图7以与图6相同的方式图形化地表示了点90处的电压。然而，在这种情况下，已将使IRLED的IR辐射和景物的平均辐射相等的反馈效应考虑在内。在第一条扫描线140内，开关84是断开的。在该扫描线结束后，开关闭合且电流流过电阻R2，使点90处的电压降至0。积分的电流(或电荷)即142是差值Ts-T1的量度，并通过电压下降损失一部分。该信号被控制电路88用来调节流经IRLED28的电流，使得参考温度从T1增加至T1′。下一个扫描线144之后，温差以及点90处的压降将减少为Ts-T1′，146，再次由于电压下降而使损失电荷。这个过程继续进行，直到IRLED28提供的参考温度等于被观测景物的平均温度，148。从图7的连续扫描140、144和148中可以看出，在每个循环中，电压下降在测得的压降中引入的误差是减小的。
计算机36接收来自电路35的描述景物温度变化的信息，电路35处理探测器D1的信号。计算机还从相同的源接收输入IRLED28的偏置电流信息。显示器用来显示叠加在IRLED参考提供的绝对温度上的景物变化，由于IRLED28的性能经过校准，它可从偏置电流导出。当IRLED28发出的参考IR通量和景物22发出的平均通量的差被最小化时，不管被观测景物的温度如何，景物的绝对温度都被恢复给热图形，并减少了因下降和下冲引起的图象缺陷。
图8与本发明的第二实施方案有关。该图图形化地表示了作为探测器阵列(未示出)一个组件的探测器D1，以及有关的电子处理电路80。D1类型的每个探测器都与包含耦合电容器C1和电阻R1的RC电路相连。该电路的输出是放大器82的输入。计算机94接收来自放大器82和(以箭头93表示)许多其它放大器(未示出)的信号，每个放大器都与所示相当的探测阵列的各个探测元件和电路相连。计算机94的信号输出被传送给单个显示装置38。第二电阻R2的阻值远低于R1，当开关84闭合时，电容器C1通过R2放电。流经R2的电流被积分并由积分器86所保持。求和电路92将从功能与86相同的各个积分器接收到的信号平均，并将结果信息传送给控制电路88。控制电路88根据它从求和电路92接收到的信号强度调节流经IRLED28的电流。
在该实施方案中，扫描机构(未示出)将来自感兴趣景物(未示出)的红外辐射定向在D1类型的探测器阵列上。大量类似的元件执行与图4相同的功能。然而，为了重建热图象，计算机94不仅处理来自放大器82的信号，还处理来自其它放大器的信号，每个放大器都以实例所示的方式与探测器阵列的一个探测元件相连。来自不同探测器的信号被计算机94合并，被计算机利用并传送给单个显示装置38。单个求和电路92接收来自每个积分器如86的信号，每个积分器都与一个探测器单元如D1相连。相同的扫描线完成后产生的信号在传送给控制电路88之前，被求和电路92所平均。每个信号都对应于景物被采样部分的平均温度和IRLED参考源温度之间的差。调节流经IRLED28的电流以使探测器阵列中所有探测器测得的平均温差最小。
本发明的另一个实施方案采用了数字处理，通过反馈调节IRLED的强度。景物信息被数字化：每个探测器D1的输出通过一个放大器和一个复用器交流耦合到一个模/数(A/D)转换器。A/D转换器的输出被送到一个帧储存器。当成象仪观测参考IRLED28时，电压输出被沿景物的一条线从储存的电压输出中除去。这就提供了一种手段，使得可以调节流经IRLED的电流以便使观察景物时探测器的平均输出等于观察IRLED的输出。该实施方案提供了更大的灵活性，因为它能够使IRLED的输出只与景物的部分区域匹配，而不是与整个区域的平均辐射一致。
Claims (18)
1.一种热成象系统(10)，包括一个扫描机构以将从被观测景物来的辐射顺序地线扫描到探测元件(D1)上，其特征在于
(1)所述热成象系统包括一个可变发光设备(28)；
(2)所述扫描机构和所述可变发光设备被安排用来在所述热成象系统的操作过程中向探测元件(D1)提供参考水平的照明；和
(3)所述热成象系统还包括以下装置(D1、R2、86、88)：
(a)用于测量所述可变发光设备的输出辐射强度以获得第一强度测量值的装置，
(b)测量从被观测景物来的平均辐射强度以获得第二强度测量值的装置，
(c)比较所述第一强度测量值和所述第二强度测量值的装置，
(d)调节所述可变发光设备的输出辐射强度使所述输出辐射强度接近和最终等于被观测景物的平均辐射强度的装置，使得如果所述被观测景物的平均辐射强度是恒定的，则所述探测元件接收到的平均辐射强度在所述热成象系统的所有操作阶段也是恒定的。
2.根据权利要求1的成象系统，其特征在于可变发光设备(28)是电流激活的，它与一个控制其电流的控制电路相连接，以便在小于10秒的稳定时间内将发射通量的强度重新调节到稳态值的10％以内。
3.根据权利要求1或2的成象系统，其特征在于它包括切换装置，安排用于在监视景物和监视可变发光设备(28)之间切换探测设备(D1)，并且设备的监视是在景物监视的间隔内进行的。
4.根据权利要求3的成象系统，其特征在于切换装置可在来自被观察景物的辐射投射在探测元件(D1)上的上述成象系统的第一光学元件结构和来自可变发光设备(28)的辐射投射在探测元件的上述成象系统的第二光学元件结构之间切换。
5.根据权利要求4的成象系统，其特征在于第一光学元件系统中的切换装置还具有扫描能力。
6.根据权利要求5的成象系统，其特征在于扫描能力是两维的。
7.根据权利要求1的成象系统，其特征在于可变发光设备(28)可电控并能在小于1秒的稳定时间内将发射通量的强度重新调节到稳态值的1％以内。
8.根据权利要求7的成象系统，其特征在于可变发光设备(28)用于至少提供正负发光中的一个。
9.根据权利要求8的成象系统，其特征在于可变发光设备(28)为红外发光二极管，可给它加偏压，以提供正的和负的红外发光辐射，从而提供不受系统环境限制的有效参考温度。
10.根据权利要求7的成象系统，其特征在于成象系统(10)包括安排用来在监视景物和监视红外发光二极管之间周期性地切换探测元件(D1)的切换装置，还包括安排用来向可变发光设备(28)提供偏置电流的控制装置，其中，控制装置还被安排用来在系统从景物切换至发光设备观测时，产生与平均景物温度和发光设备有效温度之间的差对应的信号，并且响应该信号，根据信号的幅值向着减少温度差的方向调节偏置电流亦即发光设备的有效温度。
11.根据权利要求10的成象系统，其特征在于探测元件(D1)被安排用于向储存直流分量的一个电容器(C1)提供输出信号；控制装置包括一个安排用来向可变发光设备(28)供应偏置电流的控制电路(88)，一个用来积分输入电流的积分器(86)，以及用来在储存的直流分量改变时将电容器(C1)来的电荷流向积分器(86)的第二切换装置(84)；其中，当成象系统(10)从景物观测转为发光设备(28)观测时，上述第二切换装置(84)工作，向控制电路(88)提供对应于景物平均温度和有效发光设备温度之间差值的信号。
12.根据权利要求11的成象系统，其特征在于每次从景物转换到发光设备的观测之后，控制电路(88)被安排用来调节流经红外发光设备(28)的电流。
13.根据权利要求12的成象系统，其特征在于它包括了显示装置(38)，安排用来显示叠加在可变发光设备红外辐射提供的温度上的被观测景物的交流温度变化。
14.根据权利要求1或2的成象系统，其特征在于可变发光设备(28)为钙汞碲化物或铟锑基材料制成的红外发光二极管。
15.一种为扫描热成象系统(10)产生参考温度的方法，该方法包括以下步骤：
(a)用来自电控的半导体材料可变发光设备(28)的红外辐射以参考强度照射探测元件(D1)；
(b)在景物观测状态和参考信号观测状态之间切换，由此产生对应于被观测景物发出的红外辐射平均强度和可变发光设备发出的红外辐射强度之间差值的差值信号；
(c)调节流经可变发光设备(28)的电流，使步骤(b)中产生的差值信号变小，从而使参考强度更接近于被观测景物发出的红外辐射的平均值；以及
(d)通过将景物的温度变化叠加在可变发光设备提供的绝对参考值上，重建观测景物的热图象；
由此，所产生的参考温度主动向观测景物的平均温度靠拢且绝对温度被恢复到景物的热图象中。
16.根据权利要求15的产生参考温度的方法，其中，可周期性地重复步骤(b)和(c)，以便通过反馈机制，使可变发光设备(28)红外辐射的平均强度达到被观测景物的平均辐射强度。
17.根据权利要求15或16的产生参考温度的方法，其中，所述可变发光设备(28)为红外发光二极管，可给它加偏压，以提供正的和负的红外发光。
18.根据权利要求17的产生参考温度的方法，其中，所述可变发光设备(28)为钙汞碲化物或铟锑基材料制成的红外发光二极管。
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