紅外熱像儀基礎(chǔ)理論、性能參數(shù)及其應(yīng)用
1. 紅外線的發(fā)現(xiàn)與分布
1672年人們發(fā)現(xiàn)太陽光(白光)是由各種顏色的光復(fù)合而成，同時(shí)，牛頓作出了單色光在性質(zhì)上比白色光更簡(jiǎn)單的結(jié)論。使用分光棱鏡就把太陽光(白光)分解為紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫等各色單色光。 1800年，英國物理學(xué)家F. W. 赫胥爾從熱的觀點(diǎn)來研究各種色光時(shí)發(fā)現(xiàn)了紅外線。他在研究各種色光的熱量時(shí)，有意地把暗室的窗戶用暗板堵住，并在板上開了一個(gè)矩型孔，孔內(nèi)裝了一個(gè)分光棱鏡。當(dāng)太陽光通過棱鏡時(shí)，便被分解為彩色光帶，并用溫度計(jì)去測(cè)量光帶中不同顏色所含的熱量。為了與環(huán)境溫度進(jìn)行比較，赫胥爾用在彩色光帶附近放幾支作為比較用的溫度計(jì)來測(cè)定周圍環(huán)境溫度。試驗(yàn)中，他偶然發(fā)現(xiàn)一個(gè)奇怪的現(xiàn)象：放在光帶紅光外的一支溫度計(jì)，比室內(nèi)其它溫度的批示數(shù)值高。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)表明這個(gè)所謂熱量集中的高溫區(qū)，總是位于光帶邊緣處紅光的外面。于是他宣布太陽發(fā)出的輻射中除可見光線外，還有一種人眼看不見的熱線，這種看不見熱線位于紅色外側(cè)，叫做紅外線。紅外線是一種電磁波，具有與無線電波及可見光一樣的本質(zhì)，紅外線的發(fā)展是人類對(duì)自然認(rèn)識(shí)的一次飛躍，對(duì)研究、利用和發(fā)展紅外技術(shù)領(lǐng)域開辟了一條全新的廣闊道路。
紅外線的波長在0.76–100μm之間，按波長的范圍可分為近紅外、中紅外、長波遠(yuǎn)紅外、遠(yuǎn)紅外四類，它在電磁波連續(xù)頻譜中的位置是處于無線電波與可見光之間的區(qū)域。 紅外線輻射是自然界存在的一種廣泛的電磁波輻射，它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。
溫度在0K以上的物體，都會(huì)因自身的分子運(yùn)動(dòng)而輻射出紅外線。通過紅外探測(cè)器將物體輻射的功率信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，成像裝置的輸出的就可以完全一 一對(duì)應(yīng)地模擬掃描物體表面溫度的空間分布，經(jīng)電子系統(tǒng)處理后傳至顯示屏上，得到與物體表面熱分布相應(yīng)的熱像圖。 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)溫并進(jìn)行分析判斷。
2. 紅外熱像儀的原理
紅外熱像儀由紅外探測(cè)器、 光學(xué)成像物鏡和處理電路組成。早期的熱像儀由于焦平面技術(shù)的限制，一般是線陣或×4、×6陣列的，需要光機(jī)掃描系統(tǒng)，目前基本為凝視型焦平面所代替，省略了光機(jī)掃描系統(tǒng)。利用物鏡將目標(biāo)的紅外輻射能量分布圖形成像到紅外焦平面上，由焦平面將紅外能量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)放大處理、轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)視頻信號(hào)通過電視屏或監(jiān)測(cè)器顯示紅外熱像圖。
這種熱像圖與物體表面的分布場(chǎng)相對(duì)應(yīng)；實(shí)際上是被測(cè)目標(biāo)物體各部分紅外輻射的熱像分布圖由于信號(hào)非常弱，與可見光相比缺少層次和立體感，因此，在實(shí)際動(dòng)作過程中為更有效地判斷被測(cè)目標(biāo)的紅外熱場(chǎng)，常采用一些輔助措施來增加儀器的實(shí)用功能，如圖像亮度、對(duì)比度的控制，實(shí)際校正，偽色彩描繪等高線和直方進(jìn)行運(yùn)算、打印等。 3. 紅外熱像儀的主要參數(shù)
(1) 工作波段： 工作波段是指紅外熱像儀中所選擇的紅外探測(cè)器的響應(yīng)波長區(qū)域，一般是3~5μm或8~12μm。 如美國FLIR的非制冷產(chǎn)品和制冷型QWIP系列都工作在長波8~12μm，制冷型產(chǎn)品MCT系列工作在中波3~5μm。
(2) 探測(cè)器類型：探測(cè)器類型是指使用的一種紅外器件。如采用單元或多元(×2、×4等)、面陣等?？煞譃榉侵评浜椭评湫?大類型。非制冷主要有熱釋電、多晶硅（α-Si，以法國sfradir為代表）、氧化釩（VOx，以美國FLIR為代表）等材料，目前，熱釋電熱像儀基本被淘汰；制冷型主要有碲鎘汞(PbCdTe，簡(jiǎn)稱MCT)、 量子阱（QWIP）、銻化銦（InSb，因?yàn)橄冗M(jìn)，所以該產(chǎn)品對(duì)中國禁運(yùn)）(InSb探測(cè)器因具有禁帶窄、靈敏度高、探測(cè)效率高等特點(diǎn) ,是一種目前被廣泛使用的紅外光電探測(cè)器。)等。
(3) 視頻制式：我國標(biāo)準(zhǔn)電視制式，PAL制式，美國標(biāo)準(zhǔn)電視制式是NTSC制式。目前先進(jìn)的熱像儀同時(shí)還提供數(shù)字視頻，有8位、10位及14位的。
(4) 顯示方式：指屏幕顯示是黑白顯示還是偽彩顯示。
(5) 溫度測(cè)定范圍：指測(cè)定溫度的起步與上限的溫度值的范圍。
(6) 工作時(shí)間：紅外熱像儀允許連續(xù)的工作時(shí)間。
4. 紅外熱像儀的分類
紅外熱像儀一般分光機(jī)掃描成像系統(tǒng)和凝視型型成像系統(tǒng).
光機(jī)掃描成像系統(tǒng)采用單元或多元(元數(shù)有 8、10、16、23、48、55、60、120、180甚至更多) 光電導(dǎo)或光伏紅外探測(cè)器，用單元探測(cè)器時(shí)速度慢，主要是幀幅響應(yīng)的時(shí)間不夠快，多元陣列探測(cè)器可做成高速實(shí)時(shí)熱像儀。
非掃描成像的熱像儀，如今幾年推出的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，已基本取代光機(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)視野都聚集在上面，并且圖象更加清晰，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、等溫和語音注釋圖像等功能。
目前，熱像儀主要是高端的制冷型熱像儀（碲鎘汞MCT、量子阱QWIP）、低端的非制冷熱像儀（氧化釩、多晶硅熱像儀）
。 美國的Honeywell公司在九十年代初研發(fā)成功非制冷型氧化釩熱像儀，目前其專利授權(quán)FLIR-INDIGO、BAE、L-3/IR、DRS、以及日本NEC、以色列SCD等幾家公司生產(chǎn)。法國的CEA/LETI/LIR實(shí)驗(yàn)室在九十年代末研發(fā)成功非制冷型多晶硅熱像儀，目前主要由法國的SOFRADIR和ULIS公司生產(chǎn)，也是中國市場(chǎng)的供應(yīng)商。在非制冷熱像儀領(lǐng)域，也主要是美國FLIR的氧化釩技術(shù)和法國SOFRADIR的多晶硅技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)。
5、 紅外熱像儀的應(yīng)用
熱像儀作為一種紅外成像儀器，不但在軍事應(yīng)用中占有很重要的地位在民用方面也具有很強(qiáng)的生命力。熱像儀在軍事和民用方面都有廣泛的應(yīng)用。隨著熱成像技術(shù)的成熟，各種低成本適于民用的熱像儀的問世，它在國民經(jīng)濟(jì)各部門發(fā)揮著越來越大的作用。
在工業(yè)生產(chǎn)中，許多設(shè)備常處于高溫、高壓和高速運(yùn)行狀態(tài)，應(yīng)用紅外熱像儀對(duì)這些設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)和監(jiān)控，既能保證設(shè)備的安全運(yùn)轉(zhuǎn)，又能發(fā)現(xiàn)異常情況以便及時(shí)排除隱患。同時(shí)，利用熱像儀還可進(jìn)行工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量控制和管理。例如，在鋼鐵工業(yè)中的高爐和轉(zhuǎn)爐所用耐火材料的燒蝕磨損情況，可用熱像儀進(jìn)行觀測(cè)及時(shí)采取措施檢修防止事故發(fā)生。又如，在石化工業(yè)中，熱像儀可監(jiān)視生產(chǎn)設(shè)備和管道的運(yùn)行情況，隨時(shí)提供有關(guān)沉淀形成、流動(dòng)阻塞、漏熱溫度隔熱材料變質(zhì)等數(shù)據(jù)。再如，在電力工業(yè)中，發(fā)電機(jī)組、高壓輸電和配電線路等可用熱像儀沿線掃查，找出故障隱患，及時(shí)排除以利于杜絕事故的發(fā)生。在電子工業(yè)中，也可用熱像儀檢查半導(dǎo)體器件、集成電路和印刷電路板等的質(zhì)量情況，發(fā)現(xiàn)其他方法難以找到的故障。
此外，紅外熱像儀在醫(yī)療、治安、消防、考古、交通、農(nóng)業(yè)和地質(zhì)等許多領(lǐng)域均有重要的應(yīng)用。如建筑物漏熱查尋、森林探火、火源尋找、海上救護(hù)、礦石斷裂判別、導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)檢查，公安偵查以及各種材料及制品質(zhì)無損檢查等。
6．紅外熱成像系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)
1). f/數(shù)
f/數(shù)是光學(xué)系統(tǒng)相對(duì)孔徑的倒數(shù)。設(shè)光學(xué)系統(tǒng)的相對(duì)孔徑為A=D/f(D為通光孔徑,f為焦距)，1/A=f/D， 則數(shù)f/D 是表示系統(tǒng)的焦距f為通光孔徑的多少倍。例如，f/3 表示光學(xué)系統(tǒng)的焦距為通光孔徑的三倍。f/數(shù)代表的是紅外系統(tǒng)接收紅外熱能量的能力。f/數(shù)越低，接收熱能量越高，但鏡頭口徑就越大。
2). 視場(chǎng)
視場(chǎng)是光學(xué)系統(tǒng)視場(chǎng)角的簡(jiǎn)稱。它表示能夠在光學(xué)系統(tǒng)像平面視場(chǎng)光闌內(nèi)成像的空間范圍，當(dāng)目標(biāo)位于以光軸為軸線，頂角為視場(chǎng)角的圓錐內(nèi)的(任一點(diǎn)在一定距離內(nèi))時(shí)候被光學(xué)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，即成像于光學(xué)系統(tǒng)像平面的視場(chǎng)光闌內(nèi)。即使物體能在熱像儀中成像的物空間的張角叫做視場(chǎng)。
3). 光譜響應(yīng)
紅外探測(cè)器對(duì)各個(gè)波長的入射輻射的響應(yīng)稱為光譜響應(yīng)。一般的光電探測(cè)器均為選擇性的探測(cè)器。
4). 空間分辨率 應(yīng)用熱像儀觀測(cè)時(shí)，熱像儀對(duì)目標(biāo)空間形狀的分辨能力。本行業(yè)中通常以mrad(毫弧度)的大小來表示。mrad的值越小，表明其分辨率越高。弧度值乘以半徑約等于弦長，即目標(biāo)的直徑。如 1.3 mrad的分辨率意味著可以在100m的距離上分辨出 1.3×10-3 ×100=0.13m=13厘米的物體。
5).溫度分辨率
溫度分辨率 ：可以簡(jiǎn)單定義為儀器或使觀察者能從背景中準(zhǔn)確的分辨出目標(biāo)輻射的小溫度△T。民用熱成像產(chǎn)品通常使用NETD 來表述該性能指標(biāo)。
6).min可分辨溫差
分辨靈敏度和系統(tǒng)空間分辨率的參數(shù)，而且是以與觀察者本身有關(guān)的主觀評(píng)價(jià)參數(shù)，它的定義為：在使用標(biāo)準(zhǔn)的周期性測(cè)試卡(即高寬比為 7：1的4帶條圖情況下)， 觀察人員可以分辨的min目標(biāo)、背景溫差。上述觀察過程中，觀察時(shí)間、系統(tǒng)增益、信號(hào)電平值等可以不受限制的調(diào)整在良好狀態(tài)。
7).探測(cè)識(shí)別和辨認(rèn)距離
探測(cè)、識(shí)別和辨認(rèn)距離；這些是使用者很關(guān)心的性能指標(biāo)。為每個(gè)使用者自身素質(zhì)和儀器給出的圖像質(zhì)量的差異以及嚴(yán)格定義的困難(探測(cè)性能是一個(gè)多種因素的復(fù)合函數(shù))這里只給出大致形象的定義； 探測(cè)距離是能將目標(biāo)與背景及一些引起注意的目標(biāo)清晰分別開來的max臨界；識(shí)別距離是將探測(cè)的目標(biāo)能大致分出種類的距離，如是車輛還是艦船；辨認(rèn)距離是在分別出種類的基礎(chǔ)上的細(xì)分，如車輛是坦克還是汽車。