專家訪談:戶外狩獵和安防監控如何選擇紅外熱成像儀?

2021-01-10 紅外熱成像專家

紅外熱成像是將物體發出的不可見紅外的能量轉變為可見的熱圖像的高科技。

隨著科技的發展,以往只應用在高端軍事裝備上的紅外熱成像技術開始走入民間。戶外搜救,安防監控,汽車夜視,無人機、森林消防等等。

怎麼選擇一款熱成像儀呢?記者帶著這個問題走訪了紅外行業的幾位專家學者,整理如下:

一、選擇熱像儀,最重要的是心臟----紅外熱成像儀的核「芯」。電腦的心臟是CPU,熱像儀的心臟是紅外探測器。

探測器分為製冷和非製冷,非製冷體積小功耗低,目前民用市場主流採用的都是非製冷紅外焦平面探測器,而作為感知紅外輻射與輸出信號間的橋梁,「熱敏感元件則是紅外探測器的這個核心的核心。」

目前紅外領域,非製冷熱敏主流材料以氧化釩(VOx)和非晶矽(α-Si)為主。二者比較,由於材料特性,氧化釩的靈敏度比非晶矽高一倍以上,「同樣TCR條件下,非晶矽噪聲高於氧化釩2個數量級」,具體表現為非晶矽的圖像有蒙紗感,不夠銳利通透,非晶矽成像效果明顯遜於氧化釩探測器。

氧化釩探測器主要的優勢是測溫視域MFOV為1,溫度測量是精確到1個像素點。非晶矽測溫視域MFOV為9,即每點的溫度是基於3×3=9個像素點平均而獲得。氧化釩探測器的溫度穩定性好、壽命長,溫度漂移小。

氧化釩技術早期主要掌握在美國幾大軍工大公司手上,如大名鼎鼎的DRS、BAE、Raytheon等都是採用氧化釩方案,多應用於軍工國防等對成像質量要求比較高的領域。

國際商用市場上,氧化釩機芯目前以美國FLIR為主。

非晶矽比較有代表性的是法國Ulis,在一般民品市場,非晶矽以較低的成本和價格優勢擁有一定的市場份額。

「我們中國紅外起步較晚,起點高,國內可以研發製造紅外晶片的公司一共四家,其中有三家選擇了氧化釩」。

「所以,在成像要求不高的行業和場景,可以選用非晶矽探測器,如果對成像要求高,或者成像距離遠,選用氧化釩探測器。」

二、第二重要的是靈敏度NETD。

熱靈敏度是熱成像儀的核心指標,NETD是噪聲等效溫差,數值越低成像越清晰。靈敏度差,被觀測點就隱身了,「看不見」。

記者看了不同的熱像儀後提出一個疑問:為什麼熱像儀NETD數值一樣,但是成像效果差別很大呢?

專家指出,目前存在部分廠家虛標NETD情況,某些廠家以取到一個極限的NETD值,就把這個特定值當做常量來標註了。

「他的技術水平達不到,雖然把NETD調高了,但是成像全是噪聲,就像電視信號差時的雪花一樣,沒法看,慘不忍睹。」

「還有一個指標,MRTD,最小可分辨溫差,是一個主觀觀測指標,但是最真實不容作假的,軍品都是用這個指標」。

看來說到底,還是得拿肉眼看,拿幾個不同熱像儀成像的效果做對比。

三、第三重要的指標是探測器像素。

「一定不要混淆,探測器像素和目鏡的像素是兩碼事,有的商家經常混淆這兩個概念。」

民用紅外熱像儀中相對高端的產品像素為640×512,此高端紅外熱像儀拍攝的紅外圖片清晰細膩,500米外可分辨出野兔大小的物體;

中端紅外熱像儀的像素為384×288,此系列紅外熱像儀可在700米外可準確識別出行走的人體。

有的探測器像素是320*240,較為低端紅外熱像儀的像素為160*120。

在高端民用領域,國內廠家已經開發出1024×768像素級別的紅外熱像儀產品,最近更已經突破了百萬像素。

專家特意提醒,「384*288和160*120不是差了一倍,是差了將近6倍!」

四、第四個重要性能指標:幀頻。

幀頻是指1秒鐘內熱像儀處理圖像的數目。傳感器越快,內部電路處理速率越高,幀頻越大。高幀頻的熱像儀適合抓拍物體的高速移動。一般電視幀頻為25Hz。戶外觀瞄、要地監控、電力系統、醫療等領域所用的設備要採用高幀頻。

「好的紅外熱像儀的幀頻應該達到30HZ~50HZ,否則在很多場合無法作業。幀頻的高低,直接說明了紅外熱像儀的性能好壞和反應速度。由於美國政府管制,FLIR等公司出口的熱像儀產品都是低幀頻9HZ以下。」

五、第五個重要性能指標:像元間距。

非製冷紅外探測器在像元間距上,從35微米到25微米、20微米,現在的主流產品已經是17微米了,14微米也有開始有產品湧現。越小的像元間距帶來了更優化的光學系統,更低的功耗,也代表了產品更高的科技水平。

據專家透露,目前在非製冷紅外領域,國內已經研發成功12微米的產品了,而且像素級別打到了百萬級。

六、鏡頭、空間解析度、視場、辨識距離等一些輔助指標。

長焦鏡頭會提高遠距離的辨識率,但是會大大縮小視野。相反短焦鏡頭,大大提高視野範圍,但是會降低辨識率。一般的紅外熱像儀的鏡頭都可以更換。廠家標配一般都是一個20MM左右的鏡頭。這種焦距的鏡頭,基本上兼顧了視野大小和放大比例兩個方面的指標。一般客戶使用標準鏡頭就可以了。

空間解析度、視場、辨識距離這幾個指標是由探測器解析度和鏡頭焦距決定的。這些指標,很多品牌都在宣傳。其實紅外熱像儀的探測器解析度和鏡頭焦距固定了,這幾個指標就固定,所以選購時不用過多的關注。

所以紅外熱像儀最為重要的指標是心臟:探測器解析度,上面提及的其他指標,都可以通過鏡頭更換進行變化。

七、全溫區性能。

在戶外工作的熱成像設備要考慮環境溫度因素。

專家介紹,」正規熱像產品要經過嚴格的全溫區成像檢驗,很多小公司的設計沒有考慮特殊的環境溫度變化,行業不規範,有的小廠甚至連高低溫箱都沒有。」

全溫區這裡還有細分,分民品和軍品,民用探測器要求溫區是-40到60度,軍品叫做全軍溫,探測器指標要求是-40到85度。合格大廠的產品,要求在這個溫度區域內,保證成像的均勻性和一致性。

「目前國內出現一個怪現象,軍工企業生產的民品對外給出的指標都留很大保守餘量,而一些民企卻拼命往大了說」

八、質量保障。

紅外熱成像是高端精密儀器,想獲得有效的保障首選大公司,因為投資比較大,紅外熱像行業一般的公司註冊資本不會低於5000萬元。專業的紅外大廠商擁有健全的紅外產業鏈、質量控制能力。

第二看保障體系,紅外由於屬於國防高精尖科技,紅外領域大公司都是軍工企業,FLIR前身也是涉軍背景,軍轉民的。軍工體系有一套嚴格的質量標準,比通常的ISO9000系列要嚴格很多。這樣體系出來的民品的質量、穩定性和保障會高於普通民企。

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