近些年来,随着红外辐射探测技术的发展及其制作成本的降低,其应用范围已经从军事领域向工业、医疗、气象以及诸如汽车夜视和安全监控在内的民用领域等方向发展。新兴的光学读出非制冷红外成像技术因其制作成本低、理论极限温度分辨率高,成为近年来红外成像研究的一个热点。课题组以此技术为核心,设计制作了无基底多回折腿结构双材料微悬臂梁红外成像阵列,并成功实现了大气压下人体的红外成像。本文在课题组已有工作基础之上,改进了原有的基于恒温基底的理论分析模型,并且以响尾蛇的颊窝器官为样本,对无基底红外焦平面阵列进行了仿生分析。具体内容如下：(1)无基底FPA的等效电学模型的提出。课题组通过有限元分析发现,无基底FPA的支撑框架为变温结构,像素单元吸收的红外辐射以热传导的方式影响其周边像素单元,原有的基于恒温基底假设的理论分析模型已经不再适用。本文从无基底FPA整体热响应出发,全面考虑无基底FPA的三种热传导方式,提出无基底FPA的整体热学模型来描述反光板、微悬臂梁、支撑框架与外框之间在收到外界红外热辐射时相互之间的热影响；由于无基底FPA外框的热导远大于单个像素的热导,所以将外框和真空腔内端面一起视为恒温基底之后,采用电学比拟的方法,将热流等效为电学中的恒流源,热阻等效为电阻,恒温基底等效为接地,得到了无基底FPA的等效电学模型。经过理论模拟之后等到了无基底FPA的NETD值的理论表达式,并在课题组设计制作的阵列为240pixel×240pixel、像素单元尺寸为50μm×50μm的无基底FPA上进行实验验证。实验结果表明,无基底FPA在大气条件下拥有卓越的成像性能,其NETD值仅仅比真空环境下增加了数倍,实验结果与使用等效电学模型分析结果一致,证明该模型是有效的、可信的。(2)无基底FPA的红外仿生研究。颊窝器官由三个部分组成：内腔、外腔以及纹孔膜,其纹孔膜从生物基底分离,其间有一层厚度约为一毫米的空气夹层。本文对响尾蛇颊窝结构进行了解剖,建立了颊窝器官无基底结构的有限元分析模型,同时假设了一个有基底颊窝器官的有限元模型。采用中心热加载和周期性热加载两种方式分别分析了纹孔膜在有基底和无基底情况下的红外热成像性能,并进行了红外热成像模拟。然后,对课题组设计制作的无基底FPA以及传统的有基底FPA分别建立了有限元模型,同样采用中心热加载和周期性热加载的方式对其真空封装下红外成像性能进行分析,分析表明课题组设计制作的无基底FPA完全能够满足以探测目标物体红外轮廓为主要目的的红外探测需求,有基底FPA也能够实现真空环境下红外热成像。对比响尾蛇的颊窝器官在大气压下的红外成像探测灵敏度,进一步分析了无基底FPA以及有基底FPA在非真空情况下的等效总热导和热响应时间,结果表明有基底结构很难实现大气压环境下的红外成像。最后,使用无基底FPA实现了大气压环境下人体的红外成像。(3)基于锁相红外技术的囊体材料热合缺陷检测。浮空器囊体材料通常由复合纤维材料热合粘贴而成,在其制作过程中会出现气泡、杂质以及虚热合等缺陷。本文针对囊体材料在热合过程中出现的这些缺陷,结合红外检测方法与锁相激励技术,提出了囊体材料热合缺陷检测方法并研制了实验检测仪器。文中首先介绍了系统的检测原理以及设计方案；然后,根据待测囊体的材料和参数,建立了参考相位图的标准数据库,实际检测相位图与之比较之后可以确定相位差,从而判定缺陷的位置、大小和类型等。同时确定了最佳检测频率以达到最佳检测灵敏度；最后,对两种预制缺陷类型的囊体布进行检测,检测结果显示,该装置能够根据相位差的不同确定缺陷的位置、大小以及类型,成功实现了囊体布的热合缺陷检测,并且其检测可靠性较高,抗干扰能力强。但是,因为预先制作参考相位图标准数据库和确定最佳工作频率需要花费大量的时间,所以在现有的计算能力之下仍然无法实现实时缺陷检测。另外,作者在攻读博士学期期间还从事了其他方面的研究,主要包含：(1)三维数字图像相关技术形貌测量精度研究。三维DIC方法的测试精度研究一直是国内及国外学者普遍关心的一个话题,本文搭建了双相机的三维DIC测试系统,选用一元硬币作为测试对象,采集其散斑图计算之后重建其表面三维形貌,并且选择其局部特征与游标卡尺测量结果和台阶仪测试结果分别进行了比较,结果表明：三维DIC方法测形貌测量精度较高,30mm×30mm视场下其精度可达到3μm,即三维DIC方法的形貌测量精度可达到测量视场的1/10000。(2)三维数字图像相关教学设备研制。本文针对高校教学的实际需求,结合实验室之前的工作,提出了三维数字图像相关技术教学设备。设备包含三维应变光学测量装置、教学实验加载装置和2维-3维数字图像分析教学软件：配套的悬臂梁、三点弯以及半圆环等典型教学实验,将测量物体表面三维形貌、位移以及应变场的基本过程展现给学生；通过试件表面散斑的人工制备、系统的标定、图像采集和图像数据分析等标准操作步骤,让学生深入的理解数字图像相关方法的基本原理；相关计算之后,结果通过三维云图的方式动态显示,直观的展现整个加载过程中试件表面的全场变化；软件还引入了散斑图质量评价功能以及标定结果评价因子,客观的给学生展示出人为操作因素对计算结果和计算精度的影响。(3)基于声光调制技术的微悬臂梁阵列生化传感装置的研发。本文设计制作了基于声光调制技术的微悬臂梁阵列生化传感器,并通过“系统温度敏感性测量实验”和“瘦肉精浓度检测实验”对装置的有效性进行了验证。