紅外熱像儀成像的原�
紅外熱像儀的使用范圍比較廣泛，適合黑夜或者大�、陰霾天氣。比如軍�、安�、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�，這里就簡(jiǎn)要介紹一下它的成像原理�
波長(zhǎng)�2.0~1000μm的部分稱為熱紅外�。我們周圍的物體只有�(dāng)它們的溫度高達(dá)1000℃以上時(shí)，才能夠�(fā)出可�(jiàn)光。相比之�，我們周圍所有溫度在絕對(duì)零度(-273�)以上的物體，都會(huì)不停地發(fā)出熱紅外�。所以，熱紅外線(或稱熱輻�)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�，還有另外兩�(gè)重要的特��
1.大氣、煙云等吸收可見(jiàn)光和近紅外線，但是對(duì)3~5μm�8~14μm的熱紅外線卻是透明�。因�，這兩�(gè)波段被稱為熱紅外線的“大氣窗口�。利用這兩�(gè)窗口，可以使人�?cè)谕耆珶o(wú)光的夜晚，或是在煙云密布的戰(zhàn)�(chǎng)，清晰地觀察到前方的情�。正是由于這�(gè)特點(diǎn)，熱紅外成像技�(shù)軍事上提供了先�(jìn)的夜視裝備并為飛�(jī)、艦艇和坦克裝上了全天候前視系�(tǒng)。這些系統(tǒng)在海灣戰(zhàn)�(zhēng)中發(fā)揮了非常重要的作��
2.物體的熱輻射能量的大�，直接和物體表面的溫度相�(guān)。熱輻射的這�(gè)特點(diǎn)使人們可以利用它�(lái)�(duì)物體�(jìn)行無(wú)接觸溫度�(cè)量和熱狀�(tài)分析，從而為工業(yè)生產(chǎn)，節(jié)約能�，保�(hù)�(huán)境等等方面提供了一�(gè)重要的檢�(cè)手段和診斷工��
�(xiàn)代的熱成像裝置工作在中紅外區(qū)�(波長(zhǎng)3~5μm)或遠(yuǎn)紅外區(qū)�(波長(zhǎng)8~12μm)。通過(guò)探測(cè)物體�(fā)出的紅外輻射，熱成像儀�(chǎn)生一�(gè)�(shí)�(shí)的圖�，從而提供一種景物的熱圖�。并將不可見(jiàn)的輻射圖像轉(zhuǎn)�?yōu)槿搜劭梢?jiàn)�、清晰的圖像。熱成像儀非常靈敏，能探測(cè)到小�0.1℃的溫差�
工作�(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�(cè)器上，然后來(lái)自與每�(gè)探測(cè)器元件的紅外�(shù)�(jù)�(zhuǎn)換成�(biāo)�(zhǔn)的視頻格式，可以在標(biāo)�(zhǔn)的視頻監(jiān)視器上顯示出�(lái)，或記錄在錄像帶�。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�;又因?yàn)樗耆潜粍?dòng)式的裝置，沒(méi)有光輻射或射頻能�，所以不�(huì)暴露使用者的位置�
紅外探測(cè)器分為兩類：光子探測(cè)器和熱探�(cè)器。光子探�(cè)器在吸收紅外能量�，直接產(chǎn)生電效應(yīng);熱探�(cè)器在吸收紅外能量后，�(chǎn)生溫度變�，從而產(chǎn)生電效應(yīng)。溫度變化引起的電效�(yīng)與材料特性有�(guān)�
光子探測(cè)器非常靈�，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�(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��
熱探�(cè)器一般沒(méi)有光子探�(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��
紅外與熱成像什么關(guān)�
紅外熱像儀是通過(guò)非接觸探�(cè)紅外熱量，并將其�(zhuǎn)換生成熱圖像和溫度�，�(jìn)而顯示在顯示器上，并可以�(duì)溫度值�(jìn)行計(jì)算的一種檢�(cè)�(shè)�。紅外熱像儀能夠?qū)⑻綔y(cè)到的熱量精確量化，能�?qū)Πl(fā)熱的故障區(qū)域�(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別和�(yán)格分�。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�(jiàn)光成�。自然界�，一切物體都可以輻射紅外線，因此利用探測(cè)儀�(cè)定目�(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�，熱紅外線形成的圖像稱為熱圖�
目標(biāo)的熱圖像和目�(biāo)的可�(jiàn)光圖像不�，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�(shuō)，紅外熱成像使人眼不能直接看到目�(biāo)的表面溫度分�，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
�(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�(chǎn)生某些物理量的變化的特�，然后把這種變量�(zhuǎn)化成電信�(hào)，經(jīng)�(guò)�(diào)制后再轉(zhuǎn)變成圖象并測(cè)�。這些特殊的材料多為：碲鎘�、銻化銦、鉑化硅、氧化釩、硅摻雜(或多晶硅)等等。市�(chǎng)上所謂的“制冷”和“非制冷”之�，實(shí)際上是指有無(wú)制冷器而言�
紅外熱像儀本身并不�(fā)射紅�，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�(duì)外輻射紅外信�(hào)的特�(diǎn)，使之成為軍事價(jià)值極高的�(shè)�;第二，考慮到紅外線在空氣中衰減的幅�，作為高靈敏度探�(cè)器材料的要求是何等的�!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�，從紅外熱像儀誕生那天�(kāi)始，�(duì)它的技�(shù)保密�(jí)別及它的�(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��
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�(yùn)�(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�。分子和原子的運(yùn)�(dòng)愈劇�，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�(chǎn)生反�(yīng)。比如：3�5μm�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，但是對(duì)3~5μm�8~14&μm的熱紅外線卻受影響較�。因�，這兩�(gè)波段被稱為熱紅外線的“大氣窗口”。同�(shí)，物體向外發(fā)射的輻射�(qiáng)度取決于目標(biāo)物體的溫度和物體表面材料的輻射特�。同一種物�(zhì)在不同的狀況下(表面光潔度、環(huán)境溫�、氧化程度等�)，向外輻射紅外能量的能力都不�，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�(fā)射率�(黑體是一種理想化的輻射體，它吸收所有波�(zhǎng)的輻射能量，�(méi)有能量的反射和透過(guò)，其表面的發(fā)射率�1�)�(yīng)該指�，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。現(xiàn)階段溫度分辨率是以NETD�(shí)�(yàn)條件�，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�0.06℃時(shí)，后�(xù)處理所帶來(lái)的背景噪音疊加后肯定要高�0.06�，至于能�(dá)到多少，那就要看各�(gè)廠家后續(xù)電子線路版塊的設(shè)�(jì)和處理能力了。這里值得�(shuō)明的是：溫度分辨率和�(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)�(cè)量的平均溫差。剛接觸紅外熱像儀的朋友通常�(huì)混淆這兩�(gè)概念?？臻g分辨率不能等同于視場(chǎng)�，視�(chǎng)角是指鏡頭而言，空間分辨率�(shí)際是指紅外熱像儀整機(jī)的分辨能�，它與探�(cè)�、電�、鏡頭有�(guān)，是�(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�?cái)?shù)。通常我們看到國(guó)�(nèi)外的紅外生產(chǎn)廠家在其�(chǎn)品技�(shù)參數(shù)上標(biāo)明：320*240�160*120�120*120甚至�382*288�640*480，這一般是指探�(cè)器聚焦平面陣列數(shù)，可以理解為�?jiǎn)卧綔y(cè)器的�(shù)�，那�(dāng)然是越多越好��
這里要補(bǔ)充一�(diǎn)：現(xiàn)在國(guó)外有些廠家因受某些技�(shù)或條約的約束，還不能向中�(guó)出口高分辨率及高像素的紅外熱像儀或探�(cè)�，但出于資本的本能又希望�(jìn)入中�(guó)市場(chǎng)，于�，采取了插值算法以提高顯示像素?cái)?shù)，同�(shí)又不違反所謂的條約。與此應(yīng)注意“幀頻”指�(biāo)，即掃描速度?，F(xiàn)在市面上出現(xiàn)了一些幀頻為9HZ的�(jìn)口紅外熱像儀，在某些行業(yè)的紅外熱像儀�(yīng)用上，我�(guó)是有限制�(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�(cè)波譜范圍�3�5μm�8�14μm的紅外熱像儀。兩者各有千�。比如說(shuō)：探�(cè)波譜范圍�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�(cè)高溫�(lǐng)�。分辨率一般較�。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�(yè)�(lǐng)域使用范圍的日見(jiàn)萎縮。而且，這些制冷儀器從�(kāi)�(jī)到能夠使�，通常要等10分鐘左右---制冷器正常工作后，這在�(xiàn)�(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�8�14μm的紅外熱像儀。開(kāi)�(jī)即用，成本較�，輕便小�，維�(hù)方便，其探測(cè)器的�(wěn)定性及分辨能力相對(duì)較差(由于科技的發(fā)�，其分辨率也越來(lái)越高�)。被廣泛�(yīng)用于電力、化�、消防等�(lǐng)��
這里，還有一�(gè)有趣的故事：�(dāng)初非制冷紅外熱像儀剛出�(xiàn)在市�(chǎng)�(shí)，為了和早期制冷型紅外熱像儀�(jìng)�(zhēng)，有些人士曾屢屢提到�(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�(yáng)光干�，而長(zhǎng)波紅外熱像儀(8�14μm)不受�(yáng)光干�;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，�(yáng)光是有干�，但�，陽(yáng)光照射物體表面發(fā)生發(fā)射或衍射�(shí)，其光譜范圍跨越�3�μm的同�(shí)也跨越了8μm的范�，也就是�(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�(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�!否則，我�(guó)相關(guān)檢測(cè)�(guī)程中也不�(huì)建議：在使用紅外熱像儀�(jìn)行檢�(cè)�(shí)，盡量在“日出之前、日落之�”或陰天。其�(shí)，這種干擾還包含另外兩�(gè)因素：第一，陽(yáng)光照射會(huì)使被檢測(cè)�(shè)備本身升�，該溫升與設(shè)備故障部位的溫升有可能疊�，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)�(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�(tài)分布圖之�，還有一�(gè)特點(diǎn)：非接觸�(cè)溫。這�(gè)功能，在�(dāng)年的“非典”中�(yīng)用是非常廣泛��
但是，筆者認(rèn)為：紅外在“非典”中的應(yīng)�，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�。我們知道：人體是�(gè)恒溫�，傳�(tǒng)�(cè)溫所采取的部位是：腋窩、口�、直腸。其中，直腸的溫度最高也最接近人體�(nèi)部溫�。體表呢?---要知道紅外熱像儀只能�(cè)量表面的熱輻�(體表的不同位置溫度也不一定相�，但多在26度到31度左�)，而人又分男女、老少，每�(gè)人在體表熱輻射上都有差異，同�(shí)，同一�(gè)人在24小時(shí)�(nèi)的體表溫度也是有差異�。你怎么能排除人受環(huán)境的影響?(比如�(shuō)人多而空間小、有空調(diào)、剛喝過(guò)熱水吃過(guò)�、剛�(yùn)�(dòng)�(guò)、心情緊張等�)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��
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�(biāo)它的溫度曲線，定�(biāo)的點(diǎn)越多，測(cè)溫相�(duì)越準(zhǔn)。也就是�(shuō)：沒(méi)有哪一�(�(wú)論是�(guó)外的還是�(guó)�(nèi)的紅外廠�)，也�(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)�(shù)�(gè)�(diǎn)，那樣是不現(xiàn)�(shí)也不�(jīng)�(jì)�---這一�(diǎn)�(duì)于人工成本高的國(guó)外產(chǎn)品來(lái)�(shuō)，也是�(gè)不好的消�。即：誰(shuí)的測(cè)溫都不可能準(zhǔn)確。這種�(biāo)定是和每�(gè)探測(cè)器本身的特性相�(guān)，所�，每�(tái)紅外熱像儀，只要你�(cè)�，這道工序是不可避免的。最麻煩的是：紅外探�(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�---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�，測(cè)溫曲線就得重新標(biāo)�，否則測(cè)溫就不可能準(zhǔn)�!雖然�(shuō)非制冷焦平面�(hào)稱免維護(hù)�(jī)型，可以工作5�(wàn)�8�(wàn)小時(shí)，但這與�(cè)溫準(zhǔn)確性無(wú)�(guān)，是指成像而已。何況，空氣中的水分，CO，CO2、灰塵對(duì)，紅外線的衰減作用，�(shuí)也無(wú)法去量化---它是流動(dòng)�、非線性的且各區(qū)域在不同�(shí)間內(nèi)是變化的。于�，關(guān)于��(huán)境參�(shù)自動(dòng)校正”“大氣穿透率自動(dòng)校正:”等參數(shù)就出�(xiàn)在我們面前了。那估計(jì)是各�(gè)廠家自己的經(jīng)�(yàn)參數(shù)�!
相關(guān)人士在談及該�(wèn)題時(shí)，開(kāi)玩笑�(shuō)：“紅外熱像儀�(cè)溫是絕對(duì)不準(zhǔn)的，�(fā)�(xiàn)相對(duì)溫差的能力是一流的。”當(dāng)�，這只是和接觸式測(cè)溫相比而言。應(yīng)該說(shuō)紅外熱像儀�(cè)溫雖然有誤差，但還是比較�(zhǔn)確的�
另外，我們國(guó)家有些行�(yè)已制訂的檢測(cè)�(guī)則中�(guī)定：用紅外熱像儀檢測(cè)帶電、高溫的�(shè)備的方法是：1，熱譜圖�2，相�(duì)溫差��
從核心技�(shù)的角度來(lái)�(shuō)，國(guó)�(nèi)工業(yè)紅外熱像儀行業(yè)根本�(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�(shù)完全�(guó)外廠家手�，我們面臨的是長(zhǎng)期的技�(shù)封鎖�