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红外热成像技术浅析

红外热成像技术是一种特殊的光学成像技术,是对可见光成像的补充
资讯频道文章B
什么是红外热成像
       光线是大家比较熟悉的。光线就是可见光,是人眼能够感受的电磁波。可见光的波长为:0.38~0.78微米。比0.38微米短的和比0.78微米长的电磁波,人眼都无法感受。比0.38微米短的电磁波位于可见光光谱紫色以外,称为紫外线,比0.78微米长的电磁波位于可见光光谱红色以外,称为红外线。红外线,又称红外辐射,是指波长为0.78~1000微米的电磁波。其中波长为0.78~2.0微米的部分称为近红外,波长为2.0~1000微米的部分称为热红外线。
       照相机成像得到照片,电视摄像机成像得到电视图像,都是可见光成像。自然界中,一切物体都可以辐射红外线,因此利用探测仪测定目标和背景之间的红外线的强弱差即可以得到不同的红外图像,由目标的热红外线形成的图像称为热像图。
       目标的热图像和目标的可见光图像不同,它不是人眼所能看到的目标可见光图像,而是目标表面温度分布图,换一句话说,红外热成像使人眼不能直接看到目标的表面温度分布变成人眼可以看到的代表目标表面温度分布的热图像。

红外热成像仪的特点
       我们周围的物体只有当它们的温度高达1000℃以上时,才能够发出可见光。相比之下,我们周围所有温度在绝对零度(-273℃)以上的物体,都会不停地发出热红外线。例如,我们可以计算出,一个正常的人所发出的热红外线能量,大约为100瓦。所以,热红外线(或称热辐射)是自然界中存在最为广泛的辐射。热辐射除存在的普遍性之外,还有另外两个重要的特性:
       1、大气、烟云等吸收可见光和近红外线,但是对3~5微米和8~14微米的热红外线却是透明的。因此,这两个波段被称为热红外线的“大气窗口”。利用这两个窗口,可以使人们在完全无光的夜晚,或是在烟云密布的战场,清晰地观察到前方的目标。正是由于这个特点,热红外成像技术为军事应用提供了先进的夜视装备并为飞机、舰艇和坦克装上了全天候前视系统。这些系统在海湾战争中发挥了非常重要的作用。
       2、物体的热辐射能量的大小,直接和物体表面的温度相关。热辐射的这个特点使人们可以利用它来对物体进行无接触温度测量和热状态分析,从而为工业生产,节约能源,保护环境等等方面提供了一个重要的检测手段和诊断工具。

红外热成像仪器
       根据物体能够发射红外线的特点,各国竞相开发出各种红外热成像仪器。
       美国德克萨斯仪器公司(TI)在1964年首次研制成功第一代的热红外成像装置,叫红外前视系统(FLIR),这类装置利用光学元件运动机械,对目标的热辐射进行图像分解扫描,然后应用光电探测器进行光——电转换,最后形成视频图像信号,并在荧屏上显示,红外前视系统至今仍是军用飞机、舰船和坦克上的重要装置。
六十年代中期瑞典AGA公司和瑞典国家电力局,在红外前视装置的基础上,开发了具有温度测量功能的热红外成像装置。这种第二代红外成像装置,通常称为热像仪。
       七十年代法国汤姆荪公司研制出,不需致冷的红外热电视产品。九十年代出现致冷型和非致冷型的焦平面红外热成像产品,这是一种最新一代的红外电视产品,可以进行大规模的工业化生产,把红外热成像的应用提高到一个新的阶段。
       七十年代中国有关单位已经开始对红外热成像技术进行研究,到八十年代初,中国在长波红外元件的研制和生产技术上有了一定进展。到了八十年代末和九十年代初,中国已经研制成功了实时红外成像样机,其灵敏度、温度分辨率都达到很高的水平。
       进入九十年代,中国在红外成像设备上使用低噪音宽频带前置放大器,微型致冷器等关键技术有了发展,并且从实验走向应用,主要用途用于部队,例如便携式野战热像仪,反坦克飞弹、防空雷达以及坦克、军舰火炮等。
       中国在红外热成像技术方面,已经投入了大量人力物力,形成了相当规模的研发力量,但是总的来讲,与世界先进水平差距很大,与西方相比,约差10年以上。
       目前国外已经开始在部队装备第二代红外热成像仪,并开始了第三代的研发工作,但中国现在才推广第一代红外成像仪。在国际上,美国、法国、以色列是这方面的先行者,其它国家包括俄罗斯均处下游水平。
红外热成像产品,可以分为致冷型的非致冷型两大类。红外电视产品和非致冷焦平面热成像仪是非致冷型产品,其他为致冷型红外热成像仪。
       目前,最先进的红外热成像仪,其温度灵敏度可达0.05摄氏度。无论白天、黑夜均可用于持红外仪来探测丛林中的敌人,其距离可达百米之遥,作为边防缉私,更可以追踪海上走私的大飞,其距离可达数公里。
       通过热像仪不仅可实时对目标进行观测,更可以通过其行踪轨迹的“热痕迹”进行动态分析,因为一般物体的热发散有一定的时间性,有些物体的热发散需要很大时间。例如部队点燃的炊烟,曾经发动过的车辆等都可以留下“热痕迹”。
       第一代热像仪主要由带有扫描装置的光学仪器和电子放大线路、显示器等部件组成,已经成功装备部队,并在夜间的地面观察、空中侦察、水面保险等作出重要的贡献。
       第二代热成像仪主要采用焦平面阵列技术,集成数万个乃至数十万个信号放大器,将芯片置于光学系统的焦平面上,取得目标的全景图像,无需光——机扫描系统,大大提高了灵敏度和热分辨率,可以进一步提高目标的探测距离和识别能力。第三代热成像仪也正在研发中。

红外热成像仪在安全防范中的应用
       红外热成像仪因其具有的特点和功能,其已被广泛应用于安全防范系统中,成为安全监控系统中的明星。红外热成像仪具有隐蔽式探测功能,它不需要可见光,可以使犯罪份子不知其工作地点和存在,因而产生错误判断,导致犯罪行为被揭。
       在一些非常重要的单位,例如:重要的行政中心、银行的金库、机要室、军事要地、监狱等地,特别使用于这种红外热成像仪,它可以24小时处于运行状态,并随时对背景资料进行分析,一旦发生变化,可以及时发出警报,并可以通过智能设备的处理,自动对有关情况进行处理,并随时将情况上报,取得进一步的处理意见。
对于这些特殊重要部门,其防范的灵敏度大大高于其他防范系统,例如在这些单位下了班,只要有人在里面隐藏,系统就会发生报警信号。
       正如大家所知,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,边界巡逻也是很苦地任务。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。
       而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。据香港《东方日报》报道:香港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。
       在海岸边,用红外热成像仪可以迅速地跟踪来往的船只。现在海边走私,常常利用“大飞”来进行,这些“大飞”无灯光,马力大,机动性强,往往容易摆脱缉私人员和边防人员的追踪。有了红外热成像仪,可以远距离跟踪这些“大飞”,就是在雷达的死角,这个系统也可正常运行,特别在黑夜和恶劣的天气下,均可充分发挥其良好的特点。同样的道理,红外热成像仪,可以应用在生活小区的周界防范,重要地区的周界防范,可以达到一般监视系统不易达到的效果,众所周知,小区的防范主要严防罪犯进入,一般的监视系统,安装时容易产生死角,不利于全面控制监控面。再一点就是容易受干扰,比如小动物入侵等。安装红外热成像仪,可以克服以上二种缺点,减少误报。
       在我国,随着城市交通的扩大,各种高速公路和铁路在延伸,常规型安防系统的正常运作也成为极大的问题,尤其在夜间的安全巡查,更成为问题,如今装有红外热成像仪的飞机,可以顺利完成这些任务,它可以发现阻塞的车辆,故障的汽车,以及需要锁定的目标,在国外,许多单位已经实际采用这些系统进行巡查。
       近些年在热成像基础上,导入了H.264编码压缩技术、智能分析技术。H.264技术将采集的热辐射图像编码压缩成IP型号传输,便于被系统集成。智能分析技术能通过对辐射差异形成的红外辐射特征图像进行智能算法分析,提高图像的应用价值。但是,真正在实际应用中,红外热成像技术只是作为可见光视频监控的辅助,应用于可见光视频监控的无法覆盖到的区域,因此目前市场上出现了双机监控设备,一个摄像机为可见光摄像机配合电动变焦镜头,另外一只摄像机为热成像摄像机,配合电动云台实现全天候监控。红外热成像技术是一种特殊的光学成像技术,是对可见光成像的补充,但是因热成像摄像机的镜头和热红外探测器成本较高,目前仅限在特殊行业中应用,未来如果能有效降低成本相信会有不错的发展前景。
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