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，這里就簡要介紹一下它的成像原理。

波長為2.0~1000μm的部分稱為熱紅外線。我們周圍的物體只有當(dāng)它們的溫度高達(dá)1000℃以上時(shí)，才能夠發(fā)出可見光。相比之下，我們周圍所有溫度在絕對零度(-273℃)以上的物體，都會(huì)不停地發(fā)出熱紅外線。所以，熱紅外線(或稱熱輻射)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、煙云等吸收可見光和近紅外線，但是對3~5μm和8~14μm的熱紅外線卻是透明的。因此，這兩個(gè)波段被稱為熱紅外線的“大氣窗口”。利用這兩個(gè)窗口，可以使人們在完全無光的夜晚，或是在煙云密布的戰(zhàn)場，清晰地觀察到前方的情況。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對物體進(jìn)行無接觸溫度測量和熱狀態(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3~5μm)或遠(yuǎn)紅外區(qū)域(波長8~12μm)。通過探測物體發(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。并將不可見的輻射圖像轉(zhuǎn)變?yōu)槿搜劭梢姷?、清晰的圖像。熱成像儀非常靈敏，能探測到小于0.1℃的溫差。

工作時(shí)，熱成像儀利用光學(xué)器件將場景中的物體發(fā)出的紅外能量聚焦在紅外探測器上，然后來自與每個(gè)探測器元件的紅外數(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，或記錄在錄像帶上。由于熱成像系統(tǒng)探測的是熱而不是光，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。

紅外探測器分為兩類：光子探測器和熱探測器。光子探測器在吸收紅外能量后，直接產(chǎn)生電效應(yīng);熱探測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)。

光子探測器非常靈敏，其靈敏度依賴于本身溫度。要保持高靈敏度，就必須將光子探測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。

熱探測器一般沒有光子探測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

紅外熱像儀是通過非接觸探測紅外熱量，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，并可以對溫度值進(jìn)行計(jì)算的一種檢測設(shè)備。紅外熱像儀能夠?qū)⑻綔y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，都是可見光成像。自然界中，一切物體都可以輻射紅外線，因此利用探測儀測定目標(biāo)的本身和背景之間的紅外線差并可以得到不同的紅外圖像，熱紅外線形成的圖像稱為熱圖。

目標(biāo)的熱圖像和目標(biāo)的可見光圖像不同，它不是人眼所能看到的目標(biāo)可見光圖像，而是目標(biāo)表面溫度分布圖像，換一句話說，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

簡單地講：紅外熱像儀就是利用某些特殊的材料對紅外光輻射能產(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，經(jīng)過調(diào)制后再轉(zhuǎn)變成圖象并測溫。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。市場上所謂的“制冷”和“非制冷”之分，實(shí)際上是指有無制冷器而言。

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外輻射紅外信號的特點(diǎn)，使之成為軍事價(jià)值極高的設(shè)備;第二，考慮到紅外線在空氣中衰減的幅度，作為高靈敏度探測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始，對它的技術(shù)保密級別及它的價(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)都在不停地向周圍空間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、煙云等吸收可見光和近紅外線，但是對3~5μm和8~14&μm的熱紅外線卻受影響較小。因此，這兩個(gè)波段被稱為熱紅外線的“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，它吸收所有波長的輻射能量，沒有能量的反射和透過，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，紅外熱像儀能否觀察到物體，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器本身的背景噪音如果為0.06℃時(shí)，后續(xù)處理所帶來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)廠家后續(xù)電子線路版塊的設(shè)計(jì)和處理能力了。這里值得說明的是：溫度分辨率和測溫精度是兩回事。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角，視場角是指鏡頭而言，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)。通常我們看到國內(nèi)外的紅外生產(chǎn)廠家在其產(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，這一般是指探測器聚焦平面陣列數(shù)，可以理解為：單元探測器的數(shù)量，那當(dāng)然是越多越好了。

這里要補(bǔ)充一點(diǎn)：現(xiàn)在國外有些廠家因受某些技術(shù)或條約的約束，還不能向中國出口高分辨率及高像素的紅外熱像儀或探測器，但出于資本的本能又希望進(jìn)入中國市場，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?，F(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，我國是有限制規(guī)定的。

順便插一段：所謂的“短波”紅外和“長波”紅外通常就是指探測波譜范圍為3～5μm和8～14μm的紅外熱像儀。兩者各有千秋。比如說：探測波譜范圍為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)域使用范圍的日見萎縮。而且，這些制冷儀器從開機(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)場工作中是很不方便的。更不用談制冷型紅外熱像儀相對比較重了;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。開機(jī)即用，成本較低，輕便小巧，維護(hù)方便，其探測器的穩(wěn)定性及分辨能力相對較差(由于科技的發(fā)展，其分辨率也越來越高了)。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)在市場時(shí)，為了和早期制冷型紅外熱像儀競爭，有些人士曾屢屢提到陽光干擾問題。有一種說法是：短波紅外熱像儀(3～5μm)易受陽光干擾，而長波紅外熱像儀(8～14μm)不受陽光干擾;因此，長波紅外可以在白天工作，而短波紅外熱像儀不行。的確，陽光是有干擾，但是，陽光照射物體表面發(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：陽光對兩者皆有干擾，輕重不同而已。誰也不敢說：拿長波紅外熱像儀白天檢測就能避免因陽光干擾而產(chǎn)生的誤判斷!否則，我國相關(guān)檢測規(guī)程中也不會(huì)建議：在使用紅外熱像儀進(jìn)行檢測時(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，陽光照射會(huì)使被檢測設(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，陽光照射對使用液晶屏作為顯像器的紅外來說，對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，對普及紅外熱像儀相關(guān)知識有一定的作用;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?(比如說人多而空間小、有空調(diào)、剛喝過熱水吃過飯、剛運(yùn)動(dòng)過、心情緊張等等)由于人有這些特性，即使你用相對溫差法或熱譜圖法也無法準(zhǔn)確判斷。

紅外熱像儀能測溫實(shí)際上是通過黑體恒溫(可調(diào))爐對紅外熱像儀先定標(biāo)它的溫度曲線，定標(biāo)的點(diǎn)越多，測溫相對越準(zhǔn)。也就是說：沒有哪一家(無論是國外的還是國內(nèi)的紅外廠家)，也無論你是高檔的紅外熱像儀還是低端紅外熱像儀，都不可能無限止地標(biāo)定無數(shù)個(gè)點(diǎn)，那樣是不現(xiàn)實(shí)也不經(jīng)濟(jì)的---這一點(diǎn)對于人工成本高的國外產(chǎn)品來說，也是個(gè)不好的消息。即：誰的測溫都不可能準(zhǔn)確。這種標(biāo)定是和每個(gè)探測器本身的特性相關(guān)，所以，每臺紅外熱像儀，只要你測溫，這道工序是不可避免的。最麻煩的是：紅外探測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，測溫曲線就得重新標(biāo)定，否則測溫就不可能準(zhǔn)確!雖然說非制冷焦平面號稱免維護(hù)機(jī)型，可以工作5萬或8萬小時(shí)，但這與測溫準(zhǔn)確性無關(guān)，是指成像而已。何況，空氣中的水分，CO，CO2、灰塵對，紅外線的衰減作用，誰也無法去量化---它是流動(dòng)的、非線性的且各區(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)廠家自己的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)吧!

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

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

從核心技術(shù)的角度來說，國內(nèi)工業(yè)紅外熱像儀行業(yè)根本沒有什么可以自豪的地方。因?yàn)榉侵评浣蛊矫嫣綔y器制造技術(shù)完全國外廠家手中，我們面臨的是長期的技術(shù)封鎖。