紅外熱像儀成像的原理

紅外熱像儀的使用范圍比較廣泛，適合黑夜或者大霧、陰霾天氣。比如軍事、安防、攝影等都有它的身影。前面剛好有提到它在海港碼頭的應(yīng)用案例，這里就簡(jiǎn)要介紹一下它的成像原理。

波長(zhǎng)為2.0~1000μm的部分稱(chēng)為熱紅外線(xiàn)。我們周?chē)奈矬w只有當(dāng)它們的溫度高達(dá)1000℃以上時(shí)，才能夠發(fā)出可見(jiàn)光。相比之下，我們周?chē)袦囟仍诮^對(duì)零度(-273℃)以上的物體，都會(huì)不停地發(fā)出熱紅外線(xiàn)。所以，熱紅外線(xiàn)(或稱(chēng)熱輻射)是自然界中存在最為廣泛的輻射。熱輻射除存在的普遍性之外，還有另外兩個(gè)重要的特性。

1.大氣、煙云等吸收可見(jiàn)光和近紅外線(xiàn)，但是對(duì)3~5μm和8~14μm的熱紅外線(xiàn)卻是透明的。因此，這兩個(gè)波段被稱(chēng)為熱紅外線(xiàn)的“大氣窗口”。利用這兩個(gè)窗口，可以使人們?cè)谕耆珶o(wú)光的夜晚，或是在煙云密布的戰(zhàn)場(chǎng)，清晰地觀(guān)察到前方的情況。正是由于這個(gè)特點(diǎn)，熱紅外成像技術(shù)軍事上提供了先進(jìn)的夜視裝備并為飛機(jī)、艦艇和坦克裝上了全天候前視系統(tǒng)。這些系統(tǒng)在海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中發(fā)揮了非常重要的作用。

2.物體的熱輻射能量的大小，直接和物體表面的溫度相關(guān)。熱輻射的這個(gè)特點(diǎn)使人們可以利用它來(lái)對(duì)物體進(jìn)行無(wú)接觸溫度測(cè)量和熱狀態(tài)分析，從而為工業(yè)生產(chǎn)，節(jié)約能源，保護(hù)環(huán)境等等方面提供了一個(gè)重要的檢測(cè)手段和診斷工具。

現(xiàn)代的熱成像裝置工作在中紅外區(qū)域(波長(zhǎng)3~5μm)或遠(yuǎn)紅外區(qū)域(波長(zhǎng)8~12μm)。通過(guò)探測(cè)物體發(fā)出的紅外輻射，熱成像儀產(chǎn)生一個(gè)實(shí)時(shí)的圖像，從而提供一種景物的熱圖像。并將不可見(jiàn)的輻射圖像轉(zhuǎn)變?yōu)槿搜劭梢?jiàn)的、清晰的圖像。熱成像儀非常靈敏，能探測(cè)到小于0.1℃的溫差。

工作時(shí)，熱成像儀利用光學(xué)器件將場(chǎng)景中的物體發(fā)出的紅外能量聚焦在紅外探測(cè)器上，然后來(lái)自與每個(gè)探測(cè)器元件的紅外數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的視頻格式，可以在標(biāo)準(zhǔn)的視頻監(jiān)視器上顯示出來(lái)，或記錄在錄像帶上。由于熱成像系統(tǒng)探測(cè)的是熱而不是光，所以可全天候使用;又因?yàn)樗耆潜粍?dòng)式的裝置，沒(méi)有光輻射或射頻能量，所以不會(huì)暴露使用者的位置。

紅外探測(cè)器分為兩類(lèi)：光子探測(cè)器和熱探測(cè)器。光子探測(cè)器在吸收紅外能量后，直接產(chǎn)生電效應(yīng);熱探測(cè)器在吸收紅外能量后，產(chǎn)生溫度變化，從而產(chǎn)生電效應(yīng)。溫度變化引起的電效應(yīng)與材料特性有關(guān)。

光子探測(cè)器非常靈敏，其靈敏度依賴(lài)于本身溫度。要保持高靈敏度，就必須將光子探測(cè)器冷卻至較低的溫度。通常采用的冷卻劑為斯太林(Stirling)或液氮。

熱探測(cè)器一般沒(méi)有光子探測(cè)器那么高的靈敏度但在室溫下也有足夠好的性能，因此不需要低溫冷卻。

紅外與熱成像什么關(guān)系

紅外熱像儀是通過(guò)非接觸探測(cè)紅外熱量，并將其轉(zhuǎn)換生成熱圖像和溫度值，進(jìn)而顯示在顯示器上，并可以對(duì)溫度值進(jìn)行計(jì)算的一種檢測(cè)設(shè)備。紅外熱像儀能夠?qū)⑻綔y(cè)到的熱量精確量化，能夠?qū)Πl(fā)熱的故障區(qū)域進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別和嚴(yán)格分析。照相機(jī)成像得到照片，電視攝像機(jī)成像得到電視圖像，都是可見(jiàn)光成像。自然界中，一切物體都可以輻射紅外線(xiàn)，因此利用探測(cè)儀測(cè)定目標(biāo)的本身和背景之間的紅外線(xiàn)差并可以得到不同的紅外圖像，熱紅外線(xiàn)形成的圖像稱(chēng)為熱圖。

目標(biāo)的熱圖像和目標(biāo)的可見(jiàn)光圖像不同，它不是人眼所能看到的目標(biāo)可見(jiàn)光圖像，而是目標(biāo)表面溫度分布圖像，換一句話(huà)說(shuō)，紅外熱成像使人眼不能直接看到目標(biāo)的表面溫度分布，變成人眼可以看到的代表目標(biāo)表面溫度分布的熱圖像。

淺談紅外熱像儀

簡(jiǎn)單地講：紅外熱像儀就是利用某些特殊的材料對(duì)紅外光輻射能產(chǎn)生某些物理量的變化的特性，然后把這種變量轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，經(jīng)過(guò)調(diào)制后再轉(zhuǎn)變成圖象并測(cè)溫。這些特殊的材料多為：碲鎘汞、銻化銦、鉑化硅、氧化釩、硅摻雜(或多晶硅)等等。市場(chǎng)上所謂的“制冷”和“非制冷”之分，實(shí)際上是指有無(wú)制冷器而言。

紅外熱像儀本身并不發(fā)射紅外，它只是被動(dòng)地吸收而已。這有兩重含義：第一，這種特征加上自然界任何物體都對(duì)外輻射紅外信號(hào)的特點(diǎn)，使之成為軍事價(jià)值極高的設(shè)備;第二，考慮到紅外線(xiàn)在空氣中衰減的幅度，作為高靈敏度探測(cè)器材料的要求是何等的高!尤其是要考慮紅外熱像儀本身也有紅外輻射的干擾時(shí)。因此，從紅外熱像儀誕生那天開(kāi)始，對(duì)它的技術(shù)保密級(jí)別及它的價(jià)格都非常的高。這里，我們還姑且不談紅外探測(cè)器的生產(chǎn)工藝的難度和成品率。

我們知道：自然界一切溫度在絕對(duì)零度-273.15°C以上的物體，由于自身的分子熱運(yùn)動(dòng)都在不停地向周?chē)臻g輻射包括紅外波段在內(nèi)的電磁波，其光譜范圍比較廣。分子和原子的運(yùn)動(dòng)愈劇烈，輻射的能量愈大，反之輻射的能量愈小。而現(xiàn)階段的紅外熱像儀都只能對(duì)其中某一小段光譜范圍的紅外光產(chǎn)生反應(yīng)。比如：3～5μm或8～14μm，也就是所謂的“大氣窗口”---大氣、煙云等吸收可見(jiàn)光和近紅外線(xiàn)，但是對(duì)3~5μm和8~14&μm的熱紅外線(xiàn)卻受影響較小。因此，這兩個(gè)波段被稱(chēng)為熱紅外線(xiàn)的“大氣窗口”。同時(shí)，物體向外發(fā)射的輻射強(qiáng)度取決于目標(biāo)物體的溫度和物體表面材料的輻射特性。同一種物質(zhì)在不同的狀況下(表面光潔度、環(huán)境溫度、氧化程度等等)，向外輻射紅外能量的能力都不同，這種能力與假象中的黑體的比值就是該物質(zhì)在該溫度下的發(fā)射率。(黑體是一種理想化的輻射體，它吸收所有波長(zhǎng)的輻射能量，沒(méi)有能量的反射和透過(guò)，其表面的發(fā)射率為1。)應(yīng)該指出，自然界中并不存在真正的黑體。

也就是說(shuō)，紅外熱像儀能否觀(guān)察到物體，取決于該紅外熱像儀的溫度分辨率和空間分辨率以及被測(cè)物體表面的紅外輻射強(qiáng)度和面積，我們甚至可以大略地理解為：溫度分辨率即是最小可辨溫差的能力，空間分辨率是顯示這種溫差的能力?，F(xiàn)階段溫度分辨率是以NETD實(shí)驗(yàn)條件下，環(huán)境溫度為30℃時(shí)探測(cè)器的最小可辨溫差，而不是熱像儀整機(jī)的溫度分辨率。因?yàn)樘綔y(cè)器本身的背景噪音如果為0.06℃時(shí)，后續(xù)處理所帶來(lái)的背景噪音疊加后肯定要高于0.06℃，至于能達(dá)到多少，那就要看各個(gè)廠(chǎng)家后續(xù)電子線(xiàn)路版塊的設(shè)計(jì)和處理能力了。這里值得說(shuō)明的是：溫度分辨率和測(cè)溫精度是兩回事。前者是最小可辨溫差的能力;后者是重復(fù)測(cè)量的平均溫差。剛接觸紅外熱像儀的朋友通常會(huì)混淆這兩個(gè)概念?？臻g分辨率不能等同于視場(chǎng)角，視場(chǎng)角是指鏡頭而言，空間分辨率實(shí)際是指紅外熱像儀整機(jī)的分辨能力，它與探測(cè)器、電路、鏡頭有關(guān)，是個(gè)綜合指數(shù)，以mrad為單位，1.0mrad即千分之一弧度。

這里，還要介紹一下像素?cái)?shù)。通常我們看到國(guó)內(nèi)外的紅外生產(chǎn)廠(chǎng)家在其產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)上標(biāo)明：320*240、160*120、120*120甚至是382*288、640*480，這一般是指探測(cè)器聚焦平面陣列數(shù)，可以理解為：?jiǎn)卧綔y(cè)器的數(shù)量，那當(dāng)然是越多越好了。

這里要補(bǔ)充一點(diǎn)：現(xiàn)在國(guó)外有些廠(chǎng)家因受某些技術(shù)或條約的約束，還不能向中國(guó)出口高分辨率及高像素的紅外熱像儀或探測(cè)器，但出于資本的本能又希望進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)，于是，采取了插值算法以提高顯示像素?cái)?shù)，同時(shí)又不違反所謂的條約。與此應(yīng)注意“幀頻”指標(biāo)，即掃描速度。現(xiàn)在市面上出現(xiàn)了一些幀頻為9HZ的進(jìn)口紅外熱像儀，在某些行業(yè)的紅外熱像儀應(yīng)用上，我國(guó)是有限制規(guī)定的。

順便插一段：所謂的“短波”紅外和“長(zhǎng)波”紅外通常就是指探測(cè)波譜范圍為3～5μm和8～14μm的紅外熱像儀。兩者各有千秋。比如說(shuō)：探測(cè)波譜范圍為3～5μm短波紅外熱像儀通常為制冷型紅外熱像儀，材料一般為：碲鎘汞、銻化銦、鉑化硅等，多用于軍事及測(cè)高溫領(lǐng)域。分辨率一般較高。但由于制冷元件的成本高，導(dǎo)致價(jià)格貴。也正是制冷元件的故障率較高及制冷效果的衰退，導(dǎo)致其在工業(yè)領(lǐng)域使用范圍的日見(jiàn)萎縮。而且，這些制冷儀器從開(kāi)機(jī)到能夠使用，通常要等10分鐘左右---制冷器正常工作后，這在現(xiàn)場(chǎng)工作中是很不方便的。更不用談制冷型紅外熱像儀相對(duì)比較重了;非制冷紅外熱像儀的材料一般為：氧化釩、硅摻雜(或多晶硅)，多為8～14μm的紅外熱像儀。開(kāi)機(jī)即用，成本較低，輕便小巧，維護(hù)方便，其探測(cè)器的穩(wěn)定性及分辨能力相對(duì)較差(由于科技的發(fā)展，其分辨率也越來(lái)越高了)。被廣泛應(yīng)用于電力、化工、消防等領(lǐng)域。

這里，還有一個(gè)有趣的故事：當(dāng)初非制冷紅外熱像儀剛出現(xiàn)在市場(chǎng)時(shí)，為了和早期制冷型紅外熱像儀競(jìng)爭(zhēng)，有些人士曾屢屢提到陽(yáng)光干擾問(wèn)題。有一種說(shuō)法是：短波紅外熱像儀(3～5μm)易受陽(yáng)光干擾，而長(zhǎng)波紅外熱像儀(8～14μm)不受陽(yáng)光干擾;因此，長(zhǎng)波紅外可以在白天工作，而短波紅外熱像儀不行。的確，陽(yáng)光是有干擾，但是，陽(yáng)光照射物體表面發(fā)生發(fā)射或衍射時(shí)，其光譜范圍跨越了3～5μm的同時(shí)也跨越了8μm的范圍，也就是說(shuō)：陽(yáng)光對(duì)兩者皆有干擾，輕重不同而已。誰(shuí)也不敢說(shuō)：拿長(zhǎng)波紅外熱像儀白天檢測(cè)就能避免因陽(yáng)光干擾而產(chǎn)生的誤判斷!否則，我國(guó)相關(guān)檢測(cè)規(guī)程中也不會(huì)建議：在使用紅外熱像儀進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，盡量在“日出之前、日落之后”或陰天。其實(shí)，這種干擾還包含另外兩個(gè)因素：第一，陽(yáng)光照射會(huì)使被檢測(cè)設(shè)備本身升溫，該溫升與設(shè)備故障部位的溫升有可能疊加，造成漏檢或誤判斷;第二，陽(yáng)光照射對(duì)使用液晶屏作為顯像器的紅外來(lái)說(shuō)，對(duì)人的肉眼是有很大的干擾的。紅外熱像儀除了能顯示物體表面的熱狀態(tài)分布圖之外，還有一個(gè)特點(diǎn)：非接觸測(cè)溫。這個(gè)功能，在當(dāng)年的“非典”中應(yīng)用是非常廣泛的。

但是，筆者認(rèn)為：紅外在“非典”中的應(yīng)用，對(duì)普及紅外熱像儀相關(guān)知識(shí)有一定的作用;可在某些地方的應(yīng)用方式上卻是有待商榷的。我們知道：人體是個(gè)恒溫體，傳統(tǒng)測(cè)溫所采取的部位是：腋窩、口腔、直腸。其中，直腸的溫度最高也最接近人體內(nèi)部溫度。體表呢?---要知道紅外熱像儀只能測(cè)量表面的熱輻射(體表的不同位置溫度也不一定相同，但多在26度到31度左右)，而人又分男女、老少，每個(gè)人在體表熱輻射上都有差異，同時(shí)，同一個(gè)人在24小時(shí)內(nèi)的體表溫度也是有差異的。你怎么能排除人受環(huán)境的影響?(比如說(shuō)人多而空間小、有空調(diào)、剛喝過(guò)熱水吃過(guò)飯、剛運(yùn)動(dòng)過(guò)、心情緊張等等)由于人有這些特性，即使你用相對(duì)溫差法或熱譜圖法也無(wú)法準(zhǔn)確判斷。

紅外熱像儀能測(cè)溫實(shí)際上是通過(guò)黑體恒溫(可調(diào))爐對(duì)紅外熱像儀先定標(biāo)它的溫度曲線(xiàn)，定標(biāo)的點(diǎn)越多，測(cè)溫相對(duì)越準(zhǔn)。也就是說(shuō)：沒(méi)有哪一家(無(wú)論是國(guó)外的還是國(guó)內(nèi)的紅外廠(chǎng)家)，也無(wú)論你是高檔的紅外熱像儀還是低端紅外熱像儀，都不可能無(wú)限止地標(biāo)定無(wú)數(shù)個(gè)點(diǎn)，那樣是不現(xiàn)實(shí)也不經(jīng)濟(jì)的---這一點(diǎn)對(duì)于人工成本高的國(guó)外產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，也是個(gè)不好的消息。即：誰(shuí)的測(cè)溫都不可能準(zhǔn)確。這種標(biāo)定是和每個(gè)探測(cè)器本身的特性相關(guān)，所以，每臺(tái)紅外熱像儀，只要你測(cè)溫，這道工序是不可避免的。最麻煩的是：紅外探測(cè)器在工作或放置一段時(shí)間后，其材料的老化也是不可避免的---不管你是氧化礬還是硅摻雜(或多晶硅)或者別的什么材料，材料的特性發(fā)生改變，測(cè)溫曲線(xiàn)就得重新標(biāo)定，否則測(cè)溫就不可能準(zhǔn)確!雖然說(shuō)非制冷焦平面號(hào)稱(chēng)免維護(hù)機(jī)型，可以工作5萬(wàn)或8萬(wàn)小時(shí)，但這與測(cè)溫準(zhǔn)確性無(wú)關(guān)，是指成像而已。何況，空氣中的水分，CO，CO2、灰塵對(duì)，紅外線(xiàn)的衰減作用，誰(shuí)也無(wú)法去量化---它是流動(dòng)的、非線(xiàn)性的且各區(qū)域在不同時(shí)間內(nèi)是變化的。于是，關(guān)于“環(huán)境參數(shù)自動(dòng)校正”“大氣穿透率自動(dòng)校正:”等參數(shù)就出現(xiàn)在我們面前了。那估計(jì)是各個(gè)廠(chǎng)家自己的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)吧!

相關(guān)人士在談及該問(wèn)題時(shí)，開(kāi)玩笑說(shuō)：“紅外熱像儀測(cè)溫是絕對(duì)不準(zhǔn)的，發(fā)現(xiàn)相對(duì)溫差的能力是一流的?！碑?dāng)然，這只是和接觸式測(cè)溫相比而言。應(yīng)該說(shuō)紅外熱像儀測(cè)溫雖然有誤差，但還是比較準(zhǔn)確的。

另外，我們國(guó)家有些行業(yè)已制訂的檢測(cè)規(guī)則中規(guī)定：用紅外熱像儀檢測(cè)帶電、高溫的設(shè)備的方法是：1，熱譜圖法2，相對(duì)溫差法。

從核心技術(shù)的角度來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)工業(yè)紅外熱像儀行業(yè)根本沒(méi)有什么可以自豪的地方。因?yàn)榉侵评浣蛊矫嫣綔y(cè)器制造技術(shù)完全國(guó)外廠(chǎng)家手中，我們面臨的是長(zhǎng)期的技術(shù)封鎖。