PDF《红外测温中检测强噪声下微弱信号的新途径》

红外测温中检测强噪声下微弱信号的新途径 刘建科 张海宁 马毅(西北轻工业学院自动控制工程系, 咸阳 ! # $ % ) ( &

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年#月'

日收到;

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年(月 )日收到修改稿) 就 * + , - .

$ $ 型便携式电脑红外测温仪的研制从理论和实践角度介绍了以下内容: !提高红外光学系统信噪 比的方法和途径;

提高红外探测器输出信号的方法和途径;

#在探测器输出信号处理电路中滤除广白噪声、 有效 提取并放大深埋在强噪声中微弱目标信号的方法和途径/ 从而使该红外测温仪性能得到了最大限度地提高, 实验 结果和理论分析值相符, 达到了设计要求/ ! # # : '

# ! 引言 *+,-.$$ 型红外测温仪是以前我们研制的

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1 - ( 型红外测温仪 (该仪器 &

% )年已投入生 产, 各项性能指标均优于当时进口产品, 为国家节省 了大量外汇, 并获省、 部级奖励多项) 的换代产品, 可 广泛用于非接触测温的所有领域/ 与

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1 - ( 型红 外测温仪相比, 主要从以下几方面作了改进/ # 提高红外光学系统信噪比的途径 由红外系统理论 [ ] 知, 对于扩展源目标, 红外 系统信噪比方程为 !2

3 ! #$ $4 $ % #! # &

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3 / ( ) 式中 $4 和#$ 是红外光学系统的数值孔径和有效 孔径;

# 是透镜的瞬时视场, 由透镜的焦距'

、 探测 器的接收面积及测试距离决定;

$ 和 % 分别为光 学系统及传输路径上大气的光谱透射比;

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分别是噪声等效宽度和目标的辐射亮度;

#! 是探 测器的比探测率 (#!是探测器视场的函数, 是一个 不依赖于探测器面积和测量带宽的参数, 即描述探 测器在给定功率下输出信号的一个参量) ( ( ) 式中, 在决定目标辐射强度的测试距离和大气透射比一定 的条件下, 提高红外系统信噪比!2 3的主要措施在 于比探测率#! 和辐射窗口即光学透镜的选材上( 为此在 * + , ) . $ $ 型红外测温仪中选用比探测率 #!较高的薄膜热电堆探测器和菲涅耳透镜作为其 光学系统, 这是基于: ( ) 薄膜热电堆探测器是一种由热电系数较高 的材料经多结集成化而构成, 为绝大多数国内外非 接触测温仪所采用, 是非接触测温仪的理想接收元 件( 因该器件正向响应快 (弛豫时间可达十几

5 6 ) , 集成度高, 工作稳定可靠;

又因温度辐射是一种直流 或低频信号, 而热电堆的典型特征是能对这一信号 直接响应而无需使用调制系统/ 该仪器中采用热电 堆作为接收元件, 探测器的视场由菲涅耳透镜光学 系统决定/ 探测器的输出信号是目标辐射及探测器 工作温度的函数, 当探测器的工作温度确定时, 信号 仅与目标辐射有关, 而工作温度变化所引起的偏离 可通过放大器电路给予补偿/ 所以热电堆属于受辐 射而直接产生电压的器件, 无需偏压, 从而避免了因 电源所引起的干扰, 并可在常温下稳定工作而无需 制冷, 最终达到仪器小型化、 大大降低成本的目的/ ( # ) 一般情况下, 红外光学系统中的棱镜、 透镜、 窗口、 滤光片等重要元件都是由一系列光学材料构 成/ 本仪器的红外光学系统在选材时考虑了以下几 个方面的特点: !当辐射源的温度在常温下变化时 光谱透射比要求大于( $ 7;