防近红外光

防近红外光（共4篇）

防近红外光 篇1

0 前言

随着科学技术的发展和武器装备的现代化,从目视侦察发展到成像侦察,近红外照相、热红外成像、微光夜视、雷达成像、多光谱成像和激光探测等侦察探测手段相继问世,并迅速发展。目前,越来越多的光电侦察仪器遍布陆、海、空立体空间,大量携带可见光、红外光、电视摄影、摄像和遥感设备的光电侦察设备被应用于现代战场的各个角落。面对全方位、多层次、多频段、多手段的光电侦察,如何防备重要建筑如桥梁、大坝、仓库、营房、指挥所、雷达站及地面武器系统等军事目标免遭打击,已成为一个十分重要的问题。目前,常采取多种伪装或隐身方式,如天然隐蔽、伪装涂料、吸波涂料、诱饵等。其中,伪装涂料因成本较低、施工便利、对目标外形适应性强而广泛应用,日益成为现代防空的必选材料。在重要设施和建筑、军用装备和器材的涂装保护上具有广阔的应用前景[1]。

伪装即用隐藏真貌展示假相的方法使军事目标和武器装备的可见性减少到最低限度。它可以直接干扰和破坏敌方获取信息的准确性和及时性,降低敌方的侦察探测的效果和制导攻击的命中率,从而提高目标生存能力。伪装的理念源于仿生,伪装涂料主要涂覆在军用目标外表面,改变目标表面的光谱特性,并消除、降低目标与背景光学特征的差别,提高目标与背景的融合性。防可见光、近红外光侦视的伪装涂料可用来对抗紫外照相、近红外照相、微观夜视和电视制导等。

氟碳涂料以含氟树脂为主要成膜物质,它的主要特点是树脂中引入的氟元素电负性大,含有大量的F—C键,在受热、光(包括紫外线)的作用下,F—C键难以断裂,显示出超强的耐候性、耐热性及耐化学介质腐蚀性能,优于聚氨酯、有机硅、丙烯酸树脂等涂料,户外有长达20年的应用数据[2]。以氟碳树脂为主成膜物制伪装涂料可延长涂料的使用寿命,增强对目标物的保护功能。

1 伪装涂料的原理和要求

1.1 伪装涂料的原理

利用涂料实现光学隐身的基本要求是在可见光与近红外波段(0.4～1.5μm)内,涂层颜色最大可能地融入所处的环境背景(如植被、土壤、沙漠或海洋等)中,由于背景的复杂多样,通常要求采用各种颜色的涂料将目标涂覆成迷彩图案的形式,以达到模糊、分割目标外形轮廓的效果,在可见光范围内得以隐身。

如欲使被涂装的物体在近红外线的照射下得以隐形,这就要求涂层的光谱反射特性与背景一致,才能有效地模拟自然背景中物体的光谱反射曲线,即实现目标表面与背景的同色同谱,达到降低目标显著性或歪曲、分割目标外形轮廓的目的。

在通常情况下,防红外侦察的伪装涂料的重点是叶绿素伪装,要求防红外伪装涂料在可见光和近红外的范围内,不仅颜色与环境相似,还要求涂料与天然叶绿素有近似或相同的反射程度,即两者有近似相同的光谱曲线[2]。

1.2 伪装涂料的主要技术特性

1.2.1 耐候性、耐热性及附着力

伪装涂料主要应用于野外作业的装备,使用环境恶劣,尤其在阳光强烈直射、高风沙地区或沿海地区。为使涂料对目标物有更好的保护功能,伪装涂料不但需要良好的附着力,而且必须具有优良的耐候性、耐热性和耐腐蚀性[3]。

1.2.2 亮度对比与色差

防可见光、近红外伪装涂料必须在0.4～1.5μm光谱区内具有与环境背景近似或相同的反射程度和极低的红外线吸收率。伪装技术指标中最重要的是亮度对比与色差,实践表明,当目标与背景之间的亮度对比不大于0.2时,该目标的可探视的概率极低。因而伪装涂料要求色差ΔE≤3、可见光亮度对比Kv≤0.1、近红外光亮度对比KN≤0.2。

1.2.3 光泽度的确定

红外线是没有颜色的色彩差异,它发现目标的依据是其和背景的亮度差别。因此,研制防红外线侦视涂料的主要任务是设法减少或消除目标与背景间的亮度差别,这就要求涂层表面效果与背景协调,尽量避免镜面反射[4],所以60°光泽选择在10以下。

1.3 研制氟碳伪装涂料采用的技术路线

(1)选择适宜类型的三氟氯乙烯与多种烷基乙烯基醚(酯)的共聚物———氟碳树脂为主要成膜物,以使涂料具有优异的耐候性、耐热性和耐腐蚀性[5]。

(2)筛选多种颜料并科学配比、合理组合,以使涂层满足目标表面与背景的同色同谱的要求,达到光学隐身的目的。

(3)选择特种助剂和共混改性剂,以使涂膜具有良好的附着力,并保证综合理化性能达到使用要求。

2 原材料的选择

2.1 主要成膜物质的选择

国内已研制和生产的伪装涂料有丙烯酸树脂漆、醇酸树脂漆、过氯乙烯树脂漆、环氧树脂漆等,鉴于本项目研制的伪装涂料要求具有良好的耐老化性和优良的耐热性,故选用常温固化的氟碳树脂为涂料的主成膜物。目前市场上的FEVE氟碳树脂主要为三氟氯乙烯与烷基乙烯基酯的共聚树脂和四氟乙烯与烷基乙烯基酯(醚)的共聚树脂,耐热性较好[6]。我们通过试验选择树脂的类型和生产厂家。

测试用涂膜制备:在打磨成St3级的马口铁板上刷涂涂料1道,涂膜厚度为60～80μm。将试样放入电热鼓风干燥箱中,其中1#为丙烯酸树脂漆,2#为三氟氯乙烯-乙烯基酯共聚物漆,3#为四氟乙烯-乙烯基醚共聚物漆。恒温8 h取出试样,分别测试其热损失量和光泽、颜色变化情况。

2.1.1 树脂的恒温热空气老化试验

不同温度下FEVE氟碳涂料的热空气老化恒温质量损失见表1。

从表1可以看出,150℃时,3种涂料的损失质量均在1%～2%,基本相同,说明分子链结构都未发生破坏;200℃时,3种涂料损失质量均有所增大,说明分子结构均发生较明显变化,其中3#涂料的损失质量最小,2#的损失质量最大;250℃时,氟碳涂料均发生明显的裂解、断链等复杂的反应,导致热损失质量明显加剧,而3#的热损失质量较小,2#的热损失质量最大。

2.1.2 涂膜的热空气老化色差变化

经热空气老化后,测试涂膜的颜色变化及表面状态,结果见表2。

从表2可以看出,150℃时,3组涂膜的色差△E均小于1.5,变色0级,漆膜颜色基本不变;200℃时,1#和3#变色仍为0级,属于无变色范围,2#变色3级,属于明显变色;250℃时,所有涂膜都呈现严重变色,3#的变色相对轻微一些。

1#涂料由于玻璃化温度较高,250℃高温下涂膜发脆,出现开裂现象。

涂膜受热情况下的质量损失、变色和失光与高聚物的化学组成和分子链结构密切相关。四氟乙烯单体比三氟氯乙烯单体、乙烯基醚单体比醋酸乙烯酯单体热稳定性好。分子结构与试验结果均表明,四氟乙烯-乙烯基醚类型的FEVE氟碳涂料具有更加优异的耐热、保光、保色性能。

2.2 固化剂的选择

本项目选用的含羟基氟碳树脂,可用含异氰酸基的脂肪族异氰酸酯进行常温固化。常用品种有:甲苯二异氰酸酯(TDI)、4,4-二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)、异佛尔酮异氰酸酯(IPDI)、六次甲基二异氰酸酯(HDI)、脂环族异氰酸酯及其衍生物。考虑到三聚物或缩二脲固化剂比低分子醇类加成物耐候性好、耐光照射,故不用加成物类固化剂。其中HDI缩二脲是应用最为广泛的脂肪族多异氰酸酯固化剂。考虑到氟碳伪装涂料的特点,我们选择HDI三聚体。这是由于:(1)HDI三聚体的黏度比缩二脲低,适宜于伪装涂料中加入大量的颜料,有利于减少溶剂用量,可配制成高固含量的产品;(2)HDI三聚体的涂膜耐候、耐光性高于缩二脲,适宜用作野外设施的涂装;(3)HDI三聚体的制品硬度高,韧性与粘附力与缩二脲相近。

2.3 颜料的选择

对于防红外伪装涂料来说,许多在可见光范围内用于配色的传统颜料不能用于红外伪装涂料,单一颜料往往难以满足要求,必须选用适应的颜料并采用多种颜料的合理组合来实现。涂料中各组份颜料对漆膜反射率影响的程度取决于各自的特性,如着色力、细度、光散射吸收能力以及在混合体中所含的比例[7]。经过试验,制成的绿色氟碳迷彩面漆光谱反射曲线与天然绿色素的相接近(见图1)。

2.3.1 颜料品种的选择

在可见光和红外光区域反射率差别较小的情况下,用具有类似天然叶绿素反射曲线且价格较便宜的氧化铬绿来调配。但在2个区域反射率差别较大的情况下,例如DG0730,采用氧化铬绿和其它颜料的组合则无法同时满足防可见光和近红外光的伪装要求。这时可以使用绿色素、天蓝、永固紫等搭配来实现同色同谱的配制。

2.3.2 颜料搭配比例的控制

为了达到GJB 798—90《伪装涂料漆膜颜色》中规定的伪装色的要求,在颜料搭配过程中必须严格控制各颜料的比例。例如,碳黑、氧化铁黑能降低红外线反射率,是调配绿色伪装涂料的常用颜料。研制中发现,它具有很高的着色力和很低的光谱反射率,因此,在配方中碳黑和氧化铁黑的用量必须严格限制,否则易使伪装涂料的整体光谱反射率偏低。

根据经验认为,碳黑的用量一般小于0.5%,氧化铁黑的用量小于5%。参考资料和实验摸索,采用某紫色颜料可部分取代碳黑,或使用钴黑、铬黑等,可取得良好的效果。

2.4 树脂的共混改性

由于氟树脂具有低表面张力的特性,故对金属、陶瓷和玻璃等材料的结合性能较差,为改善涂层对底材的附着力,采用物理混拼法,考虑到本项目研制的伪装涂料的应用要求,混拼加入的物质不但应具有较好的附着力,而且应具有较高耐温性,可选择的物质有:丙烯酸树脂、环氧树脂、有机硅树脂、聚酰胺等以及金属氧化物、硅酸盐、低温陶瓷等,我们选用丙烯酸树脂。

2.5 助剂的选择

2.5.1 分散剂的选择

氟碳树脂对颜料的润湿分散性差,特别是在配制伪装涂料时,由于使用颜料较多,颜料的粒径和比重不同,极容易产生浮色发花。为此需加入润湿分散剂,但任何一种润湿分散剂不可能对所有的颜填料都具有很好的润湿分散效果,可根据所用颜填料的HLB值选择HLB值相当的润湿分散剂,一种分散剂很难满足多种颜料的需求,故选用2种分散剂搭配,并使整个润湿分散体系的HLB范围尽可能大于颜料组合的HLB值。试验对比结果见表3。

从表3可以看出,BYK-163和EFKA-64的分散性较好,制得的涂料分散均匀、稳定,存储稳定性好。试验中将两者复配使用。

2.5.2 流变防沉增稠剂的选择

溶剂型涂料中常用的防沉流变增稠剂有:有机膨润土、气相二氧化硅、触变性丙烯酸树脂、纤维素酯、聚酰胺蜡等。聚酰胺蜡常用在金属漆中,有机膨润土价格便宜,但它的耐候性不好,不能用于面漆中;气相二氧化硅的贮存稳定性和耐候性好,但它在使用时不易分散、易产生小颗粒、流平性也不好;纤维素酯综合性能佳,但需预制成浆,易起泡。综合考虑,选择气相二氧化硅、纤维素酯按一定的比例搭配使用。

此外,溶剂的选配应调节混合溶剂的挥发速率,尽可能匀速挥发。由于固化剂为异氰酸酯类,选择溶剂必须严格控制含水量,应用无水级或经除水处理。可选二甲苯、丙二醇甲醚乙酸酯、乙二醇乙醚乙酸酯、醋酸丁酯的混合溶剂,其配比根据不同季节的气候来调整。

3 试验

3.1 主要原材料

经试验确定选用以下原辅材料:氟碳树脂,大金公司;固化剂,拜耳公司;颜填料,杜邦公司、科勒公司;分散剂、流平剂,毕克化学、埃夫卡助剂公司;流变防沉剂,帝司巴隆、伊士曼公司;消光粉,格雷斯公司;混合溶剂,三木公司、联碳化工。均为工业级。

3.2 氟碳伪装涂料的基本配方(见表4)

3.3 氟碳涂料的制备工艺

双组分氟碳伪装涂料按甲组分与乙组分质量比8∶1配制。

3.3.1 甲组分(氟碳面漆)的生产工艺

(1)按配方称取氟碳树脂、丙烯酸树脂、分散剂、流平剂、消泡剂,低速搅匀;(2)加入颜填料等,中速(800 r/min)搅匀,然后进砂磨机研磨;(3)研磨至细度≤20μm后,再打入混料釜加入消光粉和配方中其它剩余物料,低速搅匀。取样检测,合格后过滤、包装。

3.3.2 乙组分(氟碳固化剂)的生产工艺

按配方投入HDI三聚体、无水醋酸丁酯,800 r/min搅拌30 min;取样检测,合格后过滤包装、入库。

4 产品性能

本产品经检测,其常规性能符合HG/T 3972—2005《交联型氟树脂涂料》要求,伪装性能符合GJB 1887—94《防可见光近红外溶剂型伪装涂料规范》及GJB 798—90要求。性能测试结果见表5。

5 结语

(1)氟碳涂料有优异的耐候性,优于聚氨酯、有机硅、丙烯酸树脂、环氧树脂等涂料,但氟碳树脂对颜料的润湿分散性较差、附着力差。通过试验选择了四氟乙烯-乙烯基醚类氟树脂,提高了涂膜的耐热性;通过共混树脂的改性改善了涂膜附着力,选择了复合分散剂、防沉剂等助剂,使涂料具有优异的耐候性、耐热性,良好的附着力和耐腐蚀性。

(2)常用颜料不适用于伪装涂料,而单一颜料也难以满足要求,本项目根据各颜料对漆膜反射率影响及各自的特性选择适宜的颜料,科学配比、合理组合使涂层的光谱性满足了目标表面与背景的同色同谱的要求。

(3)研制开发的氟碳伪装涂料的耐老化性大大超过其它伪装涂料,耐热性、耐腐蚀等指标,满足恶劣环境中的使用条件;而光谱性能达到了可见光、近红外波段内伪装要求,具有广阔的应用前景。

摘要：根据伪装涂料的伪装原理,介绍了以氟碳树脂为主成膜物,加入相适应的颜料助剂等研制防可见光及近红外侦察的伪装涂料的工艺、配方。探讨了树脂、颜料、助剂等对涂料性能的影响,并叙述了其应用特性。制备的防可见光近红外光氟碳伪装涂料的常规性能符合HG/T 3972—2005《交联型氟树脂涂料》要求,伪装性能符合GJB 1887—94《防可见光近红外溶剂型伪装涂料规范》及GJB 798—90《伪装涂料漆膜颜色》要求。

关键词：防可见光,防近红外光,伪装涂料,氟碳树脂,共混改性

参考文献

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防近红外光 篇2

迄今为止, 人们对光折变晶体中的光致折射率变化形成机制进行了大量深入的理论[1], [2]和实验研究[3,4,5,6,7], 研究的辐照光波长范围主要是集中在紫外光、可见光波段的蓝、绿和红光以及800μm附近的红外光3个波段, 对其光折变形成机制已做了许多探讨, 有了一定的研究成果。然而, 在光通信等应用领域中, 通常情况下所应用的光波范围是大于1μm的红外光。以往人们认为采用红外光辐照LiNbO3晶体不易发生光折变效应, 更难以实现全息存储, 因为红外光光子能量还不足以激发电子。目前, 在钛酸钡晶体中通过光子吸收超短波脉冲激光可以产生光折变效应[8];采用260GW/cm2高光强飞秒脉冲激光辐照掺铁铌酸锂晶体也可以产生光折变效应[9], 这些强光非线性的红外光折变实验现象已被人们观测到。2008年, 陈宝东采用毫瓦级的近红外光观到了光折变效应[10]。本章对近红外光为写入光的偏振方向和读出光的偏振方向对实验结果的影响进行了详细地实验研究, 分析了In:Fe:LiNbO3晶体在近红外弱光辐照下以近红外光作为写入光、可见光作为读出光时, 两者的偏振方向相互平行和相互垂直2种情况下的实验结果, 并与可见进行了比较, 发现了与可见光完全不同的实验结果。

2 实验装置及实验过程

如图1所示, 上半部分组成读出晶体折射率变化的实验装置。He-Ne激光器发出的红光经偏振片P, 可以调整读出光的偏振方向, 经过快门S, 通过平面反射镜M到达滤波、扩束和准直系统T, 分束棱镜BS将准直光束反射到晶体上, 再由成像透镜L2将晶体上待测部位的图像成像在CCD上, CCD将图像和数据传输到计算机并显示出来。下半部分为由光辐照写入晶体折射率变化的实验装置, YAG激光器发出的红外弱光作为辐照光, 辐照光强呈高斯分布, 如图2所示。辐照光经偏振片P可以调整偏振方向, 由会聚透镜L1经分束棱镜BS将辐照光束会聚在晶体前表面, 再由成像透镜L2将晶体被辐照部位的图像成像在CCD上, 通过计算机实时观察晶体的变化。

(a) —2D高斯分布图; (b) —3D高斯分布图 (a) —two-dimension gauss distribution; (b) —three-dimension gauss distribution

3 实验结果

3.1 正常偏振光 (o光) 的实验结果

调整偏振片P, 使得以正常偏振光 (o光) 辐照晶体。采用YAG倍频红外弱光脉冲激光器作为辐照光源, 波长为1.06μm, 高斯分布的细光束通过透镜会聚到晶体前表面时束腰宽度约为0.26mm, 中心光强值约200mW。红外弱光辐照在In:Fe:LiNbO3晶体的xy表面上, 沿z方向传播, 晶体中掺In浓度为2mol%, 掺Fe浓度为0.03wt%, 规格为x×y×z = 10.5mm×20mm×4.6mm, 晶体c轴水平即平行x轴。图3反映了以正常偏振光 (o光) 作为写入光束通过晶体后, 晶体的后表面光强分布图样随时间变化情况。

与图2 (a) 相比, 通过晶体的写入光束随着时间沿光轴方向分裂为2部分, 在t=120.0min时, 分裂图样不再发生变化, 即光折变效应发达到了饱和, 如图3 (g) 、 (h) 所示。然后分别用可见红光的正常偏振光 (o光) 和非常偏振光 (e光) 作为读出光束得到了如图4和如图5所示的结果。从图中可以看出:以正常偏振光 (o光) 写入一段时间以后, 再以正常偏振光 (o光) 读出, 得到了如图4 (b～d) 所示的结果, 即光辐照处中间变暗, 两端变亮;若以非常偏振光 (e光) 作为读出光束读出, 得到了如图5 (b～d) 的结果, 即虽然出现了光辐照处中间暗两端亮的现象, 但是读出图样却是如图所示的“8”字型。

(a) —放入晶体t=0.0min; (b) —放入晶体t=20.0min; (c) —放入晶体 t=40.0min; (d) —放入晶体t=60.0min; (e) —放入晶体t=80.0min; (f) —放入晶体t=100.0min; (g) —放入晶体t=120.0min; (h) —放入晶体t=140.0min (a) —input crystal t=0.0min; (b) —input crystal t=20.0min; (c) —input crystal t=40.0min; (d) —input crystal t=60.0min; (e) —input crystal t=80.0min; (f) —input crystal t=100.0min; (g) —input crystal t=120.0min; (h) —input crystal t=140.0min

(a) —未放入晶体时的读出图; (b～d) —以可见光的正常偏振光 (o光) 读出图

(a) —未放入晶体时的读出图; (b～d) —以可见光的非常偏振光 (e光) 读出图

3.2 非常偏振光 (e光) 的实验结果

调整偏振片的方向, 使得以非常偏振光 (e光) 辐照晶体, 其它实验参数不变。图6反映了以非常偏振光 (e光) 作为写入光束通过晶体后, 晶体的后表面光强分布图样随时间变化情况如下图所示。

同样, 以非常偏振光 (e光) 作为写入光束辐照晶体, 如图6所示, 在t=100.0min时, 分裂图样不再发生变化, 如图6 (f～h) 所示, 光折变效应达到了饱和。然后分别用可见红光的正常偏振光 (o光) 和非常偏振光 (e光) 作为读出光束得到了如图7 (b～d) 和如图8 (b～d) 所示的结果。从图中可以看出:以非常偏振光 (e光) 为写入光束, 非常偏振光 (e光) 读出, 此时得到的结果与以正常偏振光 (o光) 为写入光束、正常偏振光 (o光) 作为读出光束的结果是一样的, 如图7 (b～d) , 得到了类似于图4 (b～d) 的实验结果;再以正常偏振光 (o光) 作为读出光束, 此时的结果与以正常偏振光 (o光) 为写入光束、非常偏振光 (e光) 作为读出光束的结果是一样的, 如图8 (b～d) 所示, 类似于图5 (b～d) 的实验结果。

综上所述, 如果读出光与写入光的偏振方向是一样的, 就可以得到如图4 (b～d) 和图7的 (b～d) 所示的结果;如果读出光与写入光的偏振方向是垂直的, 得到了如图5 (b～d) 和图8的 (b～d) 的结果。

(a) —未放入晶体时的读出图; (b～d) —以可见光的非常偏振光 (e光) 读出的结果

(a) —未放入晶体时的读出图; (b～d) —以可见光的正常偏振光 (o光) 读出的结果

4 可见红光的实验结果

接下来我们用He-Ne激光器发出的红色可见光代替红外光源作为辐照光源, 以另一个He-Ne激光器为读出光源, 仍用图1的实验装置。实验结果如图9和10所示。

(a) —放入晶体t=0.0min; (b) —放入晶体t=1.0min; (c) —以可见光的e光读出; (d) —以可见光的o光读出

(a) —放入晶体t=0.0min; (b) —放入晶体t=1.0min; (c) —以可见光的e光读出; (d) —以可见光的o光读出

若以非常偏振光 (e光) 辐照晶体, 如图9 (a) 和 (b) , 然后分别以非常偏振光 (e光) 和正常偏振光 (o光) 作为读出光, 得到的读出图样如图9 (c) 和 (d) ;若以正常偏振光 (o光) 辐照晶体, 如图10 (a) 和 (b) , 分别以e光和o光读出, 如图10 (c) 和 (d) 。由此可以表明:在可见光范围内, 无论写入光束和读出光束的偏振方向如何, 得到的结果是一样的, 如图9 (c) 、 (d) 和图10 (c) 、 (d) 所示。

5 结论

综上所述, 通过实验观察, 对于近红外光的光折变效应来说, 若近红外写入光与可见读出光的偏振方向平行时, 读出时的图样为中间暗两端亮, 如图4和图7;近红外写入光与可见读出光的偏振方向垂直时, 读出的图样类似于“8”字型, 如图5和图8。而对于可见光来说, 无论写入光的偏振方向和读出光的偏振方向是平行还是垂直, 读出的结果是一样的, 如图9和图10。可见, 近红外光与可见光的实验结果是完全不一样的。

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防近红外光 篇3

1 资料与方法

1.1 一般资料

全部为生育年龄妇女, 年龄分布20~54岁;职业:在职职工890人, 全职家属540人, 自由职业596人。

1.2 检查方法

检查者在暗室进行, 患者取坐位, 稍前倾。裸露双乳, 以探头探照乳腺各个方向, 在屏幕上显示血管情况, 有无阴影, 阴影的大小, 灰度及阴影与血管的关系。

1.3 几种图像的特征

红外光扫描是利用透过乳房的强度不同的红外光而显示透光、暗亮及各种不同的灰度影。从而显示乳房肿物阴影。红外光对血红蛋白的敏感度较强, 由于癌血管丛生, 癌性充血以及癌组织周围血红蛋白的增加, 照射时大部分红外光被吸收产生吸光影。若红外光全部被吸收, 则产生黑色吸光团, 透过红外摄像机转换到监视屏上可以显示不同的灰阶度和血管阴影, 通过血管和不同灰阶的交叉作为评定病变性质的依据。

1.3.1 正常乳腺图

乳房呈均匀一致的浅灰色或透高色。血管分布于乳房内, 边界清楚, 走向连续。两侧对称。属于A级血管, 0灰阶度。

1.3.2 乳腺增生症

图像随内分泌环境变化而改变, 根据临床表现不同, 乳腺增生有以下特点: (1) 乳痛症:可扪及双乳散在小结节, 质软, 有压痛, 通常图像表现双侧乳腺透亮, 血管走向双侧相似, 可见云雾症或鱼网症。 (2) 乳腺囊性增生:根据囊内所含内容物不同而表现不同的影像。含清亮液体单个囊肿表现为孤立的中心高透亮区, 形态规则, 边缘锐利光滑, 无血管改变。多发性小囊肿, 肿块区灰影深浅不一, 密度不均匀, 似棉絮状, 血管反应灰影大小与肿块相似。 (3) 腺病:因腺病是乳管和腺泡的增生, 临床上可触及类似乳癌的肿块但扫描下肿块区无明确灰影, 既不显影又无血管改变, 或者可见浅灰色的、淡淡的、质均匀灰影, 不规则, 小于扪诊包块或与之相似, 血管改变不明显。

1.3.3 乳腺纤维瘤

肿瘤与附近组织透光情况相似, 将瘤体表面组织尽量推开或将其顶到皮下, 可依稀看到浅灰度均匀阴影, 瘤体边界光滑清晰, 部分病例可见血管环绕灰影行走, 推动肿块无血管同步移位现象, 若临床能扪及明显包块, 并有滑脱感, 而红外光透照看不到明显灰影者, 支持乳腺纤维瘤的诊断, 但较小的肿瘤应注意与早期乳癌相鉴别。

1.3.4 乳腺炎和乳腺脓肿

乳腺感染可见弥漫性的亮度降低, 发生脓肿时可见深灰或深黑色团块灰影, 对这种图像必须连续动态观察。图像可有明显动态变化。

1.3.5 乳腺导管内乳头状瘤

可见乳晕区的中灰或深灰色阴影, 吸光度较强, 可与乳头灰度相似, 为0.5~1cm。边界光滑清晰, 无血管环绕、中断现象。压迫阴影可见乳头有棕红色液体溢出。

1.3.6 乳腺导管扩张症

乳晕区的肿块灰影边界不清, 从乳晕朝向基底部散布, 灰影在非炎症急性期时其灰度差略高于乳癌, 接近于腺体组织, 血管反应小, 无明显血管中断。

1.3.7 乳癌

表现为血管数目增多, 粗大, 屈曲或小血管丛生, 有局限的灰阶影, 呈中度到深度灰阶。包块阴影较触诊大, 有时可见到血管穿过或绕过肿块或突然中断现象。

2 结果

乳腺增生1520人占70.03%, 其中乳痛症1020人占总人数的50.44%;纤维瘤4人, 占0.20%, 完全正常506人, 占29.97%。异常者经进一步检查确诊和两个月随访诊断符合率98%。

3 讨论

防近红外光 篇4

监控摄像 机成像依 靠的光学 成像传感 器主要是 感应外界光 线并转化 为电信号 ,在光线比 较暗甚至 没有光线情 况下一般 都是通过 拉大曝光 时间、放大 增益值来 看物体 , 但这时候 的图像噪 点很大 , 不能满足 安防监控 的要求。于 是给摄像 机所照环 境补光就 是最直接 的方法了 ,补光一般 是用红外 光 ,因为红外 光人眼不 易捕捉 ,但是摄像机 的光学成 像传感器 是能感应 红外光的 [1,2,3], 通过人为加 红外光相 当于增强 外界光线 ,这样甚至 能够达到外 界环境完 全无光的 情况下监 控。但是 目前在实 际应用中红 外球形摄 像机的补 光系统依 然存在着 以下两个问 题 :(1)补光灯一 般由多个 红外灯串 联而成 , 而且普通红 外球形摄 像机的红 外灯光强 是按最远 距离设计 的 ,一旦红外灯 开启 ,其工作电 流就会比 较大 ,功耗自然 就大 ,发热严重 , 长时间工 作会导致 红外灯寿 命下降 , 而红外灯的 寿命直接 决定了红 外球形摄 像机的寿 命 ;(2) 在监控近距 离物体时 会因为红 外灯亮度 过强、发光 角度过于集 中而产生 图像中心 过曝现象[4]。

本文在STM32F103微控制器 内部集成 的脉宽调 制器以及高 调光比LED恒流驱动 器PT4115相结合的 硬件平台上 设计了一 种亮度可 调的新型 红外球形 摄像机补光 系统 ,从而改善 红外球球 形摄像机 夜视监控 效果。

1 系统设计与硬件分析

如图1所示 , 本系统硬 件部分主 要由主控 芯片STM32F103、CCD摄像头、 电源驱动 芯片PT4115、红外灯板 以及控制 键盘等组 成。其中 电源、晶振 和STM32组成ARM单片机的 最小系统 , 控制键盘 通过RS485口实现对CCD摄像头的 控制 ,镜头安装 在红外灯 板中心。

1 . 1 PWM 发 生 模 块 设 计

PWM调光是一 种利用简 单的数字 脉冲 , 反复开关LED驱动器的 调光技术 。本系统 采用了意 法半导体 公司基于ARM Cortex—M3内核的STM32F103作为PWM发生器。STM32F103具有2个高级控 制定时器 、4个通用定时 器和2个基本定 时器 , 除了TIM6和TIM7之外 , 其他的定时 器都可以 用来产生PWM输出 [5], 本设计选 用通用定时 器TIM3, 由APB1总线提供 时钟 , 向上 ( 增 ) 计数 ,不同占空 比的取值 存储在每 个通道的 捕获比较 寄存器TIM3_CCR2中 , 编程时通 过改变该 寄存器的 值来改变PWM波的占空 比。在硬 件电路上 将STM32的PWM发生引脚PA7连接至PT4115芯片的DIM引脚。

1 . 2 红 外 灯 板 驱 动 模 块 设 计

红外灯驱 动芯片采 用了Pow Tech公司的PT4115, 该芯片是一 款连续电 感电流导 通模式的 降压恒流 源 ,采用6 ~ 30 V宽电压输 入 , 输出电流 可达1 . 2 A , 内置功率 开关 ,采用高端 电流采样 设置LED的平均电 流 , 可接受模拟 和PWM两种调光 方式 , 并且该芯 片还具有 过温、过压 、过流、LED开路保护 等多种功 能 ,非常适合 用于绿色照 明LED灯的驱动 电路[6]。

模块原理 图如图2所示 , 当在PT4115的DIM管脚输入可 变占空比 的PWM信号时就 可以实现 很宽范围 的调光 , 此时流过 串联红外LED灯的平均 电流由连 接在管脚VIN和CSN两端的电 阻Rs以及输入 的PWM信号占空比 决定。计 算公式如 下所示。

当脉冲电 平在2.5 V~5 V之间时 :

当脉冲电 平小于2.5 V时 ,则 :

为了保证LED输出电流 精度在5%左右 , 采样电阻的 精度必须 保证 , 本设计选 择了阻值 为0.2Ω、精度为1 % 的贴片电 阻。为了 减小输出 电流纹波 , 本设计在LED的两端并 联了一个 容量为220μF、耐压值 为35 V的铝电解 电容。为 了使恒流 的效果好 一些 ,在电流能 力满足要求 的前提下 , 电感则需 取得大一 些 , 本设计选 择的电感量 为67μH。

2 系 统软件实现

在夜晚或 光线暗淡 环境下 , 红外球形 摄像机为 获得更清晰 的监控效 果 ,随着被拍 摄物体距 离镜头越 远对红外灯 亮度的要 求就越高 。而由镜 头透射的 原理可知 摄像机为获 取图像的 最佳效果 ,当被拍摄 物体距离 越远则镜头 相应变焦 倍数就会 越大 ,即 :

式中 ,f表示镜头 的焦距 ,D为物距 ( 镜头与被 拍摄物体之 间的距离),h为CCD镜头成像 的高度 ,H为被摄物 体的高度。 那么根据 以上原理 可以设计 一个红外 灯亮度与镜 头倍率相 匹配的红 外球形摄 像机补光 系统。软 件实现流程 图见图3。

其中软件 实现部分 有两个关 键处 : 一是获取 监控镜头的 实时放大 倍数 , 为红外灯 亮度的改 变找到依 据 ;二是红外灯 亮度与镜 头倍率匹 配的曲线 选择。

2 . 1 获 取 CCD 镜 头 实 时 倍 数

CCD镜头通过RS232与电路主 板进行通 信 , 当主板串口 接收到对 镜头进行 放大或缩 小的控制 命令后 ,相应的标志 位进行置 位。通过 判断该标 志位就可 以实时查 询镜头的放 大倍数是 否已经改 变 ,而一旦镜 头放大倍 数改变 , 此时为了 使红外灯 亮度与之 匹配 , 就必须立 即获取当前 的镜头放 大倍数。

具体做法 : 以Sony FCB -EX480B机芯为例 , 根据Sony VISCA协议 , 通过串口向 机芯发送 查询代码8x 0904 47 FF , 其中x = 1 ~ 7 , 对应红外球 形摄像机 的地址 ,FF表示命令 包的结束 。为防止 发送的数 据丢失出 错 , 此处使用for循环语句 进行多次 重复发送 。然后接 收反馈代码 , 命令包为y0 50 0p 0q 0r 0s FF , 其中pqrs即为Zoom Position , 最后把此 值与机芯 数据手册 中焦距表 对应的放大 倍数进行 比较 ,从而获得 当前镜头 放大倍数 。

2 . 2 红 外 灯 亮 度 与 镜 头 倍 率 匹 配 曲 线 算 法 实 现

在实际应 用中 ,如果加在 红外灯两 端的平均 电流变化是 线性的 ,那么通过 人眼观察 会发现此 时红外灯 板亮度变化 非线性非 常严重 , 暗处变化 非常快 , 而亮处变 化很难察觉 。这正符 合韦伯-费西纳(Weber-Fechnet) 定律 ,该定律说 明人的一 切感觉 , 包括视觉 、听觉、 肤觉、味觉、嗅 觉、电击觉 等 ,都遵从感 觉不是与 对应物理 量的强度成 正比 ,而是与对 应物理量 的强度的 常用对数 成正比的[7],即 :

式中S是感觉强 度 ,R是刺激强 度 ,K为常数。 因此可根据 这一定律 ,相应地改 变红外灯 的亮度。 具体做法 :常数K值根据实 际调光分 级求出 , 在本设计 中由于所 选取的镜头型号 为SONY FCB-EX480B,它的光学 变倍为18倍 ,因此分成18级亮度,即S=18, PWM分辨率设为65 535(16位)即R=65 536,套用式 (4)可求出K值。然后 在已知常数K的前提下 , 对应每一 亮度即镜 头放大倍 数等级S,应用公式 计算出对 应的R值(即PWM值),如图4所示。

根据上述调光曲线图取得放大倍数相对应的PWM值后, 若出现镜头变倍信 号则更新相应 的捕获比 较寄存器TIM3_CCR2 , 至此整个PWM更新占空比过程结束。当计数器复位时,一个新的周期立即 开始,红外灯亮度也随 之立刻变化,从而实现了红外灯亮度与镜头倍率同步匹配。

3 实验结果与分析

为验证本 系统的实 际应用效 果 , 分别做了 两个实验 ,实验一是 对不同控 制方法下 的红外灯 板发热情 况进行数据 分析。本 实验采用 的红外灯 板由12个42 mil点阵式红外LED灯组成 , 在镜头2倍光学变 倍条件下 , 运行红外球 形摄像机2 h, 在此过程 中测量红 外灯板的 温升情况 ,外界温度 为21.6℃,具体数值 见表1。

由表1可见 ,总体而言 红外灯板 在前15 min温升比较快 ,之后温升 趋于平缓 。而对比 新旧控制 算法下的 红外灯板温 升情况 ,可以看出 本设计的 补光系统 红外灯板在 长时间运 行后温度 明显低于 旧的 ,差值大约 在19℃ ,而且温度 的下降也 表明相同 倍数下LED灯板能耗 的下降 ,因此该设 计不仅较 明显地改 善了红外 球机的发 热严重问题 ,也达到了 对红外球 机节能的 效果。

实验二是 测试近距 离低倍数 条件下采 集图像效 果实验。本 实验采用 的摄像头 型号为Sony FCB-EX480B ,具体参数 如下 : 图像传感 器为1/4 Inch Exview HADCCD , 18倍光学变 焦 , 光通量F = 1 . 4 ~ 3 . 0 , 像素为752 H×582 V ( dpi ) , 水平解析 度为480 TVL。实验条 件设置为 相同低照度 环境下 ,运行红外 球形摄像 机以相同 倍数采集同一物体, 摄像头其他参数默认设置一致。采集得到图5所示两幅 图像 ,其中左侧 图像为原 红外球形 摄像机在2倍光学变 焦下采集 得到图像 , 右侧是同 样倍数下 , 安装了新补 光系统的 红外球形 摄像机采 集到的图 像。对比 可明显看到 , 左侧图像 出现中心 过曝现象 , 导致箱子 表面文字图 案完全看 不清楚 ,而右侧图 像相对左 侧而言可 以明显看到 箱体表面 的图案 , 而且光线 亮度适中 , 整幅图中心 未出现光 晕现象。 由此可得 出运用了 新补光系 统的红外球 形摄像机 很好地避 免了图像 出现中心 过曝现象 。

4 结 论

本文设计 的红外球 形摄像机 补光系统 是基于红 外灯亮度与 镜头放大 倍数相匹 配而设计 的 ,在采集图 像时根据当 前放大倍 数 , 通过改变 相应的PWM占空比从 而改变流过 红外灯的 电流大小 ,与市面上 普通红外 球形摄像机 的补光系 统在任何 倍数下红 外灯输出 的都是最 大亮度相比, 本设计在相同倍数下降低了红外灯的亮度 ,有效地节约了能耗,特别是降低了红外灯 板的发热,并大大改善 了由于红 外灯亮度 在低倍数 下过亮而 造成的近 距离采集图 像中心过 曝现象。 最后通过 实验证明 该补光系统 效果理想 ,可应用于 多种安防 夜视监控 产品中。

摘要：为解决目前红外球形摄像机普遍存在的红外灯板发热严重、近距离采集图像容易出现中心过曝等问题,搭建了以STM32F103为主控芯片、以PT4115为红外灯调光芯片的硬件电路,设计了一种基于红外灯亮度与镜头倍率匹配算法的新型红外球形摄像机补光系统,实现了在红外灯板上对多个串联红外灯的PWM智能调光。通过实验证明,该设计可以有效节约功耗、降低发热,提高了红外灯板的稳定性,从而提高红外球形摄像机的夜视监控效果。