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热成像技术及其在安防领域的应用

随着红外热成像在安防行业的应用逐渐成熟,想真正了解红外热像行业现状、原理知识、产品特点的人也越来越多,笔者希望通过对红外热像仪原理知识、产业情况等信息的简单叙述,能激发大家对这一技术的兴趣,更多的将这一技术应用到安防监控领域中去。
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  随着红外热成像在安防行业的应用逐渐成熟,想真正了解红外热像行业现状、原理知识、产品特点的人也越来越多,笔者希望通过对红外热像仪原理知识、产业情况等信息的简单叙述,能激发大家对这一技术的兴趣,更多的将这一技术应用到安防监控领域中去。

  ■ 文/姚小科

  红外热像仪是通过非接触探测红外能量(热量),并将其转换为电信号,进而生成实际监控物体、环境的热图像和温度值,并可以对温度值进行计算的一种检测设备。红外热像仪能够将探测到的热量精确量化或测量,不仅能够观察热图像,还能够对发热的故障区域进行准确识别和严格分析。

  红外热像仪利用红外探测器、光学成像物镜和光机扫描系统(目前先进的焦平面技术则省去了光机扫描系统)接受被测目标的红外辐射能量分布图形反映到红外探测器的光敏元上,由探测器将红外辐射能转换电信号,经放大处理、转换为标准视频信号通过电视屏或监测器显示红外热像图。

  这种热像图与物体表面的分布场相对应,实际上是被测目标物体各部分红外辐射的热像分布图由于信号非常弱,与可见光相比缺少层次和立体感,因此,在实际动作过程中为更有效地判断被测目标的红外热场,常采用一些辅助措施来增加仪器的实用功能,如图像亮度、对比度的控制,实际校正,伪色彩描绘等高线和直方进行运算、打印等。

  国内基础技术发展

  红外热成像技术能够应用到非常多的行业,原有国内厂家在军情侦查、导弹制导、工业气体泄漏检测、电力设施破损巡查,事故生命搜索、机场出入境人员体温监控等方面都有具体应用,其核心元器件是高性能的红外焦平面探测器。近年来,在工信部强基工程支持下,从原材料到芯片制备,国内厂家实现了红外焦平面探测器的全面国产化。个别厂家已完成红外探测器材料、芯片、电路、封装和制冷机等部分多项核心技术、几百道主要工艺、几千余项工序的科研攻关,为红外焦平面探测器的产业化打下了坚实的基础。

  长期以来,高性能红外探测器被欧美国家技术封锁,不但价格居高不下,而且还对我国实行出口限制,数量少,技术等级很低,严重制约了我国相关产业的发展。红外热成像仪实行国产化,是涉及国计民生和军事安全的大事。该仪器曾在防控非典等疫情、汶川地震中堰塞湖监控、国庆阅兵、世博会等重大事件中发挥了重要作用。此外,还对高端武器装备及卫星系统意义重大,是实现目标搜索定位和锁定跟踪的核心部件。

  国产化的最大难点在于生产基础原材料。国内几个厂家,在材料制程工艺上花费了大量的心血,已经达到与欧美国家性媲美的材质要求,而且成本低廉。目前,国内上下游厂家逐渐形成完善的产业链布局,在开发高端红外热成像仪的同时,开始大力拓展民用市场,逐步应用到民用安防监控、汽车安全驾驶等等领域。

  红外热成像在安防监控领域的应用优势和特点

  红外热成像摄像机是根据热成像的技术原理,探测目标、背景以及目标各部分之间的红外热辐射温度的差异所产生的热对比度进行成像的一种全天候被动式监控器材。它不依赖夜天光,也不需要主动向目标发射红外线,因而其工作方式是全被动式、全天候、不易被对方发现和干扰。在监控领域,它的应用在某些方面具备独特的优势。

  作用距离远、覆盖面积大:可以在夜间探测几公里范围内的人员、车辆或者几十公里处范围内的舰船、飞机等。

  不受环境条件影响:可在白天、夜间甚至于雾、雨雪等恶劣天气工作;不受强光、逆光等干扰;不辐射电磁波,不易暴露自身目标,隐蔽性好。

  双光谱,红外热成像技术和普通安防监控产品相结合,提供热成像以及可见光的双视场监控功能,两者优势得到互补,使得安防监控适应环境能力更强,距离更远,效率更高。

  智能应用有效加强:通过将原来应用于可见光的智能算法技术移植到红外热成像图像算法中并加以改进,利用其特殊的成像特性,某些智能算法如入侵、越界、人体检测的准确度、误报率得到了显著的改进。

  更多监控的维度:红外热成像把人类的感官由五种增加到六种,能直观地显示物体表面的温度场,检测到可见光无法探测的信息。

  当然,红外热成像技术也存在一定的局限。例如,不能透过透明的障碍物看清目标,如窗户玻璃;相对可见光监控产品成本还比较高(特别是光学成本)、分辨率较低等。

  红外热成像摄像机在安防监控领域的应用场景

  机场安检

  机场是比较典型的场所,哥本哈根机场每天有108架飞机要停留,每个人在进入的CRSA前需要进行彻底的安全检查。面临的问题之一是CRSA接近跑道,飞机从栈桥到起飞区域或者刚刚着陆的飞机将乘客送到一个栈桥上并从“非安全区域”进入CRSA。另外,从飞机场内但从CRSA外的其他区域的汽车和人员可能进入该区。

  在白天用可见光相机很容易监视和跟踪目标,但在夜间,可见光相机存在一定的局限性,机场环境复杂,夜晚对于可见光成像效果有较大的干扰。影响触发报警时有可能因为图像效果不佳而无法看到引起报警的事件。解决该问题的办法就是采用红外热成像摄像机。

  森林防火

  火灾是世界各国人民所面临的一个共同的灾难性问题,它给人类社会造成了不少生命、财产的严重损失。随着社会生产力的发展,社会财富日益增加,火灾损失上升及火灾危害范围扩大的总趋势是客观事实。据联合国“世界火灾统计中心”提供的资料介绍全世界每天发生火灾1万多起,造成数百人死亡。

  近几年来,我国每年发生火灾约4万起,每年火灾造成的直接财产损失10多亿元,尤其是造成几十人、几百人死亡的特大恶性火灾时有发生,给国家和人民群众的生命财产造成了巨大的损失。因此对一些重要场所,如森林、园林等进行防火监控是非常迫切的需求。根据不同场景的总体结构及特点,在森林、园林、文博等易于产生火灾的关键位置设置热成像监控点,24小时全方位监控记录主要场所的实时情况,便于火情的及时发现和有效控制,同时为事后火灾的处理提供直接的录像资料。

  港口河道

  内河航道应用中,很多时候需要检测来往船只的数量,传统做法是通过AIS或VTS,但是AIS不是像我们想象的那么准确的,AIS要依赖船舶本身打开设备,否则是接收不到信息,VTS则是主动去探测的,很多小船,还有船舶交叉时也测不准。所以即使是一些重大活动下,进行强制要求,也只能测70%的船舶,平时可能只有50% 。因此用户特别希望能够通过视频实现船舶流量统计。但普通可见光要在水面上实现区域入侵功能难度很大,特别是受到波浪、天气等因素的影响,而热成像为实现这类应用提供了可能,能够借助热成像对温度的感知,确定船只的位置、速度、数量等等信息。

  另外在主要航道两侧一般都会设一些浮标,船舶正常航行是不能偏离航道,越过浮标的。因此该区域同样可以用热成像实现入侵检测,作为VTS系统的补充。

  边防应用

  众所周知,边界防卫是一件非常困难的事情。我国边境线甚长,海洋也辽阔,由于野外环境的恶劣,许多系统都不可能很好地担当起防范作用,特别在下雨、下雪、大雾、大风的日子,边界巡逻也是很苦的任务。如果采用人员巡逻,利用望远镜进行观察,往往由于可见光波长短,因而观查效果甚差,造成漏查、误查和失查的现象。红外热成像仪可以探测到波长较短的红外线,因而可以远距离进行观察,特别适用于风雨天气。广东惠州警方在某一边境地区放置了五套红外热成像仪,在试用过程中,成功地破获了多起非法入境者案件,效率大大高于原来用人工巡查。

  红外热成像技术历经多年的发展,已从当初的主要军事目的扩展到诸如工业监控测温、执法缉毒、安全防犯、医疗卫生、遥感、设备先期性故障诊断与维护、海上救援、天文探测、车辆、飞行器和舰船驾驶员用夜视增强观察仪等广阔的民用领域,红外热成像技术正走向辉煌。同时,我们应清醒的认识到,红外热成像技术已经走上了一条充满挑战的发展道路,要想发展,必须解决更多的问题,以提高灵敏度,增加识别距离,降低成本,为未来的应用提供新的优势。

  (本文作者现任杭州海康威视数字技术股份有限公司红外热成像产品经理)

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