紅外熱成像儀的工作原理、構成、特點分析

紅外熱成像儀的工作原理、構成、特點分析

工程師飛燕 發表於 2018-06-20 10:49:37

在《一文讀懂紅外傳器》中，我們了解到，紅外熱成像儀是紅外傳感器的諸多應用中非常重要的一種應用，從最初僅限於作為軍用高科技產品，現在已經越來越普遍地走向工業和民用市場。

在電影《蒸發密令》裡有這樣一個鏡頭，施瓦辛格為了躲避持有熱成像儀的對手的追殺，跳進了裝滿水的浴缸裡，以便將自己的溫度和周圍保持一致，從而試圖遮蔽自己的紅外信號源，避免熱成像儀的偵查。

要想知道熱像儀為什麼這樣神奇，首先還得從它的工作原理說起。

紅外熱成像儀的工作原理

所有高於絕對零度（-273℃）的物體都會發出紅外輻射。利用某種特殊的電子裝置將物體表面的溫度分布轉換成人眼可見的圖像，並以不同顏色顯示物體表面溫度分布的技術稱之為紅外熱成像技術，這種電子裝置稱為紅外熱成像儀。

紅外熱成像儀是利用紅外探測器、光學成像物鏡和光機掃描系統接受被測目標的紅外輻射能量分布圖形反映到紅外探測器的光敏元上，在光學系統和紅外探測器之間，有一個光機掃描機構對被測物體的紅外熱像進行掃描，並聚焦在單元或分光探測器上，由探測器將紅外輻射能轉換成電信號，經放大處理、轉換或標準視頻信號通過電視屏或監測器顯示紅外熱像圖。

這種熱像圖與物體表面的熱分布場相對應，但實際被測目標物體各部分紅外輻射的熱像分布圖由於信號非常弱，與可見光圖像相比，缺少層次和立體感，因此，在實際過程中為更有效地判斷被測目標的紅外熱分布場，常採用一些輔助措施來增加儀器的實用功能，如圖像亮度、對比度的控制，實標校正，偽色彩描繪等高線和直方進行數學運算和處理等。

需要說明的是，同一目標的熱圖像和可見光圖像是不同的，它不是人眼所能看到的可見光圖像，而是目標表面溫度分布圖像，或者說，紅外熱圖像是人眼不能直接看到目標的表面溫度分布，變成人眼可以看到的代表目標表面溫度分布的熱圖像。

紅外熱成像儀的構成

紅外熱像儀的構成包5大部分：

1、紅外鏡頭: 接收和匯聚被測物體發射的紅外輻射；

2、紅外探測器組件: 將熱輻射型號變成電信號；

3、電子組件: 對電信號進行處理；

4、顯示組件: 將電信號轉變成可見光圖像；

5、軟體: 處理採集到的溫度數據，轉換成溫度讀數和圖像。

紅外熱成像儀的分類

紅外熱像儀按照工作溫度分為製冷型和非製冷性

製冷式熱成像儀：其探測器中集成了一個低溫製冷器，這種裝置可以給探測器降溫度，這樣是為了使熱噪聲的信號低於成像信號，成像質量更好。

非製冷式熱成像儀：其探測器不需要低溫製冷，採用的探測器通常是以微測輻射熱計為基礎，主要有多晶矽和氧化釩兩種探測器。

紅外熱像儀按照功能分為測溫型和非測溫型

測溫型紅外熱像儀：測溫型紅外熱像儀，可以直接從熱圖像上讀出物體表面任意點的溫度數值，這種系統可以作為無損檢測儀器，但是有效距離比較短。

非測溫型紅外熱像儀：非測溫型紅外熱像儀只能觀察到物體表面熱輻射的差異，這種系統可以作為觀測工具，有效距離比較長。

紅外熱成像儀的特點

與一般檢測設備相比，紅外熱成像儀具有以下鮮明特點：

1、熱成像儀可以對運動物體進行測溫，而普通測溫儀表很難做到這一點；

2、可以藉助顯微鏡頭對幾微米甚至更小的目標進行測溫；

3、可以快速地對設備進行熱診斷；

4、不會對所測量的溫度場產生幹擾；

5、測溫範圍大，根據型號的不同，一般可測量0℃—2000℃的範圍；

6、靈敏度高，根據型號不同，可分辨0.1℃甚至更小的溫差；

7、使用安全，由於測量的非接觸性，使得熱成像儀使用起來非常安全。

紅外熱成像儀的發展歷程

1800年，英國天文學家F.W.赫歇耳發現了紅外線。

上世紀70年代，熱成像系統和電荷耦合器件被成功應用。

上世紀末，以焦平面陣列（FPA）為代表的紅外器件被成功應用。

紅外技術的核心是紅外探測器，紅外探測器按其特點可分為四代：

第一代（1970s－80s）：主要是以單元、多元器件進行光機串/並掃描成像；

第二代（1990s－2000s）：是以4x288為代表的掃描型焦平面；

第三代：凝視型焦平面；

第四代：目前正在發展的以大面陣、高解析度、多波段、智能靈巧型為主要特點的系統晶片，具有高性能數位訊號處理功能，甚至具備單片多波段探測與識別能力。

目前非製冷焦平面探測器的主流技術為熱敏電阻式微輻射熱計，根據使用的熱敏電阻材料的不同可以分為氧化釩探測器和非晶矽探測器兩種。

非製冷焦平面陣列探測器的發展，其性能可以滿足部分的軍事用途和幾乎所有的民用領域，真正實現了小型化、低價格和高可靠性，成為紅外探測成像領域中極具前途和市場潛力的發展方向。

紅外熱成像儀的優點與缺點

紅外熱成像儀的優點

1、紅外熱成像技術是一種被動式的非接觸的檢測與識別，隱蔽性好。

由於紅外熱成像技術是一種對目標的被動式的非接觸的檢測與識別，因而隱蔽性好，不容易被發現，從而使紅外熱成像儀的操作者更安全、更有效。

2、紅外熱成像技術不受電磁幹擾，能遠距離精確跟蹤熱目標，精確制導。

由於紅外熱成像技術利用的是熱紅外線，因而不受電磁幹擾。採用先進熱成像技術的紅外搜索與跟蹤系統，能遠距離精確跟蹤熱目標，並可同時跟蹤多個目標，使武器發揮最佳效能。

紅外熱成像技術可精確制導，使制導武器具有較高的智能性和發射後不用管的能力，並可尋找最重要的目標予以摧毀，從而大幅度提高了彈藥的命中精度，使其作戰威力成幾十倍地提高。

3、紅外熱成像技術能真正做到24h全天候監控。

紅外輻射是自然界中存在最為廣泛的輻射，而大氣、煙雲等可吸收可見光和近紅外線，但是對3～5μm和8～14μm的紅外線卻是透明的，這兩個波段被稱為紅外線的「大氣窗口」。

因此，利用這兩個窗口，可以在完全無光的夜晚，或是在雨、雪等煙雲密布的惡劣環境，能夠清晰地觀察到所需監控的目標。正是由於這個特點，紅外熱成像技術能真正做到24h全天候監控。

4、紅外熱成像技術的探測能力強，作用距離遠。

利用紅外熱成像技術進行探測的能力強，可在敵方防衛武器射程之外實施觀察，其作用距離遠。

目前手持式及裝於輕武器上的熱成像儀可讓使用者看清800m以上的人體 ;且瞄準射擊的作用距離為2～3km; 在艦艇上觀察水面可達10km ; 在1.5km高的直升機上可發現地面單兵的活動 ;在20km高的偵察機上可發現地面的人群和行駛的車輛，並可分析海水溫度的變化而探測到水下潛艇等。

5、紅外熱成像技術可採用多種顯示方式，把人類的感官由五種增加到六種。

只有當物體的溫度高達1000℃以上時，才能夠發出可見光被人眼看見。而所有溫度在絕對零度(-273℃)以上的物體，都會不停地發出熱紅外線。如一個正常的人所發出的熱紅外線能量，大約為100W。

這些都是人眼看不見的，但物體的熱輻射能量的大小，直接和物體表面的溫度相關。熱輻射的這個特點使人們可以利用紅外熱成像技術對物體進行無接觸溫度測量和熱狀態分析，並可採用多種顯示方式顯示出來。

如對視頻信號進行假彩色處理，便可由不同顏色顯示不同溫度的熱圖像;若反視頻信號進行模數轉換處理，即可用數字顯示物體各點的溫度值等，從而看清人眼原來看不見的東西。所以可以說，紅外熱成像技術把人類的感官由五種增加到六種。

6、紅外熱成像技術能直觀地顯示物體表面的溫度場，不受強光影響，應用廣泛。

紅外測溫儀只能顯示物體表面某一小區域或某一點的溫度值，而紅外熱成像儀則可以同時測量物體表面各點溫度的高低，直觀地顯示物體表面的溫度場，並以圖像形式顯示出來。

由於紅外熱成像儀是探測目標物體的紅外熱輻射能量的大小，從而不像微光像增強儀那樣處於強光環境中時會出現光暈或關閉，因此不受強光影響。　　

紅外熱成像技術除主要應用軍事方面外，還可廣泛應用於工業、農業、醫療、消防、考古、交通、地質、公安偵察等民用領域。並且，還可將這種技術大量地應用到安防監控領域中，以方便實現智能安防監控。

紅外熱成像儀的缺點：

1、圖像對比度低，分辨細節能力較差

由於紅外熱成像儀靠溫差成像，而一般目標溫差都不大，因此紅外熱圖像對比度低，使分辨細節能力變差。

2、不能透過透明的障礙物看清目標，如窗戶玻璃。

由於紅外熱成像儀靠溫差成像，而像窗戶玻璃這種透明的障礙物，使紅外熱成像儀探測不到其後物體的溫差，因而不能透過透明的障礙物看清目標。

3、成本高、價格貴

目前紅外熱成像儀的成本仍是限制它廣泛使用的最大因素，但隨著非致冷紅外焦平面陣列的出現，提供了一種以低成本獲得高分辨力、高可靠性器件的有效手段。隨著科技的發展，關鍵技術的突破，並提高加工效率，今後的成本會大為降低的。

4、無法實現較遠距離的監控，且監控畫面只能判別是否有可疑人員進入，而無法看清楚人臉及外貌特徵

紅外熱像儀在軍事和民用方面都有廣泛的應用。隨著熱成像技術的成熟以及各種低成本適於民用的熱像儀的問世，它在國民經濟各部門發揮的作用也越來越大。

在工業生產中，許多設備常用於高溫、高壓和高速運轉狀態，應用紅外熱像儀對這些設備進行檢測和監控，既能保證設備的安全運轉，又能發現異常情況以便及時排除隱患。

同時，利用紅外熱像儀還可以進行工業產品質量控制和管理。此外，紅外熱像儀在醫療、治安、消防、考古、交通、農業和地質等許多領域均有重要的應用。

如建築物漏熱查尋、森林探火、火源尋找、海上救護、礦石斷裂判別、飛彈發動機檢查、公安偵察以及各種材料及製品的無損檢查等。

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