紅外熱成像技術(shù)

1672年，牛頓使用分光棱鏡把太陽(yáng)光(白光)分解為紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫等各色單色光，證實(shí)了太陽(yáng)光(白光)是由各種顏色的光復(fù)合而成。1800年，英國(guó)物理學(xué)家F.W.赫胥爾從熱的觀點(diǎn)來(lái)研究各種色光時(shí)，偶然發(fā)現(xiàn)放在光帶紅光外的一支溫度計(jì)，比其他色光溫度的指示數(shù)值高。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，這個(gè)所謂熱量最多的高溫區(qū)，總是位于光帶最邊緣處紅光的外面。于是他宣布：太陽(yáng)發(fā)出的輻射中除可見(jiàn)光線外，還有一種人眼看不見(jiàn)的“熱線”，這種看不見(jiàn)的“熱線”位于紅色光外側(cè)，叫做紅外線。這種紅外線，又稱紅外輻射，是指波長(zhǎng)為0.78～1000μm的電磁波。其中波長(zhǎng)為0.78～1.5μm的部分稱為近紅外，波長(zhǎng)為1.5～10μm的部分稱為中紅外，波長(zhǎng)為10～1000μm的部分稱為遠(yuǎn)紅外線。而波長(zhǎng)為2.0～1000μm的部分，也稱為熱紅外線。紅外線輻射是自然界存在的一種最為廣泛的電磁波輻射，它在電磁波連續(xù)頻譜中的位置是處于無(wú)線電波與可見(jiàn)光之間的區(qū)域。這種紅外線輻射是，基于任何物體在常規(guī)環(huán)境下都會(huì)產(chǎn)生自身的分子和原子無(wú)規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，并不停地輻射出熱紅外能量。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。

在自然界中，一切物體都會(huì)輻射紅外線，因此利用探測(cè)器測(cè)定目標(biāo)本身和背景之間的紅外線差，可以得到不同的紅外圖像，稱為熱圖像。同一目標(biāo)的熱圖像和可見(jiàn)光圖像不同，它不是人眼所能看到的可見(jiàn)光圖像，而是目標(biāo)表面溫度分布的圖像。或者可以說(shuō)，它是人眼不能直接看到目標(biāo)的表面溫度分布，而是變成人眼可以看到的代表目標(biāo)表面溫度分布的熱圖像。運(yùn)用這一方法，便能實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行遠(yuǎn)距離熱狀態(tài)圖像成像和測(cè)溫，并可進(jìn)行智能分析判斷。紅外熱成像技術(shù)是一種被動(dòng)紅外夜視技術(shù)，其原理是基于自然界中一切溫度高于絕對(duì)零度(-273℃)的物體，每時(shí)每刻都輻射出紅外線，同時(shí)這種紅外線輻射都載有物體的特征信息，這就為利用紅外技術(shù)判別各種被測(cè)目標(biāo)的溫度高低和熱分布場(chǎng)提供了客觀的基礎(chǔ)。利用這一特性，通過(guò)光電紅外探測(cè)器將物體發(fā)熱部位輻射的功率信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后，成像裝置就可以一一對(duì)應(yīng)地模擬出物體表面溫度的空間分布，最后經(jīng)系統(tǒng)處理，形成熱圖像視頻信號(hào)，傳至顯示屏幕上，就得到與物體表面熱分布相對(duì)應(yīng)的熱像圖，即紅外熱圖像。

非致冷焦平面紅外熱成像系統(tǒng)由光學(xué)系統(tǒng)、光譜濾波、紅外探測(cè)器陣列、輸入電路、讀出電路、視頻圖像處理、視頻信號(hào)形成、時(shí)序脈沖同步控制電路、監(jiān)視器等組成。

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系統(tǒng)的工作原理是，由光學(xué)系統(tǒng)接受被測(cè)目標(biāo)的紅外輻射經(jīng)光譜濾波將紅外輻射能量分布圖形反映到焦平面上的紅外探測(cè)器陣列的各光敏元上，探測(cè)器將紅外輻射能轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，由探測(cè)器偏置與前置放大的輸入電路輸出所需的放大信號(hào)，并注入到讀出電路，以便進(jìn)行多路傳輸。高密度、多功能的CMOS多路傳輸器的讀出電路能夠執(zhí)行稠密的線陣和面陣紅外焦平面陣列的信號(hào)積分、傳輸、處理和掃描輸出，并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，以送入微機(jī)作視頻圖像處理。由于被測(cè)目標(biāo)物體各部分的紅外輻射的熱像分布信號(hào)非常弱，缺少可見(jiàn)光圖像那種層次和立體感，因而需進(jìn)行一些圖像亮度與對(duì)比度的控制、實(shí)際校正與偽彩色描繪等處理。經(jīng)過(guò)處理的信號(hào)送入到視頻信號(hào)形成部分進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換并形成標(biāo)準(zhǔn)的視頻信號(hào)，最后通過(guò)電視屏或監(jiān)視器顯示被測(cè)目標(biāo)的紅外熱像圖。

紅外焦平面陣列的工作性能除了與探測(cè)器性能如量子效率、光譜響應(yīng)、噪聲譜、均勻性等有關(guān)外，還與探測(cè)器探測(cè)信號(hào)的輸出性能有關(guān)，如輸入電路中的電荷存儲(chǔ)、均勻性、線性度、噪聲譜、注入效率，讀出電路中的電荷轉(zhuǎn)移效率、電荷處理能力、串?dāng)_等。

焦平面陣列結(jié)構(gòu)有四種類型：?jiǎn)纹?、?zhǔn)單片式、平面混合式和Z型混合式。單片式焦平面陣列是指在同一芯片上即含有探測(cè)器又含有信號(hào)處理電路的Si器件;準(zhǔn)單片式焦平面陣列器件是將探測(cè)器和讀出線路分別制備，然后把它們裝在同一個(gè)襯底上，通過(guò)引線焊接將兩部分連在一起;平面混合式采用銦柱將探測(cè)器陣列正面的每個(gè)探測(cè)器與多路傳輸器一對(duì)一地對(duì)準(zhǔn)配接起來(lái);Z型混合式則將許多集成電路芯片一個(gè)一個(gè)地層疊起來(lái)以形成一個(gè)三維的電路層疊結(jié)構(gòu)。平面混合和Z型混合方法的優(yōu)點(diǎn)是由于將多路傳輸器與探測(cè)器直接混合，因而具有很高的封裝密度，較快的工作效率，并使總的設(shè)計(jì)得以簡(jiǎn)化。由于信號(hào)處理是在焦平面陣列中進(jìn)行的，所以減少了器件的引線數(shù)目，光學(xué)孔徑和頻譜帶寬也得以減小。

讀出電路的電荷處理能力直接控制焦平面的動(dòng)態(tài)范圍，它的電荷轉(zhuǎn)移效率影響焦平面的非均勻性、數(shù)據(jù)率、串?dāng)_和噪聲，這些都綜合影響焦平面的空間、時(shí)間和輻射能量的極限分辨能力以及空間和時(shí)間頻率傳遞特性。因此，讀出電路的設(shè)計(jì)要求為：高電荷容量、高轉(zhuǎn)移效率、低噪聲和低功率耗散;其次考慮抗光暈控制和降低交叉串?dāng)_。

據(jù)報(bào)道，砷化鎵(GaAs)可作為一種潛在的焦平面陣列讀出技術(shù)，其原因是：GaAs的熱膨脹系數(shù)與碲鎘汞探測(cè)器(HgCdTe)的匹配要比硅好得多，這樣便有可能可靠地制備大型混合焦平面陣列;GaAs技術(shù)的輻射硬度比硅好得多;n型GaAs器件的施主能級(jí)比硅更接近導(dǎo)帶邊緣，這就使得GaAs器件在4K時(shí)更不受凍結(jié)效應(yīng)的影響。

（圖源網(wǎng)絡(luò)，侵刪）

目前達(dá)到實(shí)用水平的焦平面陣列探測(cè)器主要有碲鎘汞、銻化銦、硅化鉑和非制冷探測(cè)器4種。陣列式凝視成像的焦平面熱像儀，屬新一代的熱成像裝置，在性能上大大優(yōu)于光機(jī)掃描式熱像儀，定將逐步取代光機(jī)掃描式熱像儀。其關(guān)鍵技術(shù)是探測(cè)器由單片集成電路組成，被測(cè)目標(biāo)的整個(gè)視野都聚焦在上面，并且圖像更加清晰，使用更加方便，儀器非常小巧輕便，同時(shí)具有自動(dòng)調(diào)焦圖像凍結(jié)，連續(xù)放大，點(diǎn)溫、線溫、等溫和語(yǔ)音注釋圖像等功能，儀器采用PC卡，存儲(chǔ)容量可高達(dá)500幅圖像。

紅外熱像儀是通過(guò)非接觸探測(cè)紅外能量(熱量)，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，進(jìn)而在顯示器上生成熱圖像和溫度值，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，或測(cè)量，不僅能夠觀察熱圖像，還能夠?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。