一文讀懂紅外傳感器之紅外熱成像儀

由于新型冠狀病毒的肆虐，廣大旅客的防護(hù)意識都很強(qiáng)，同時人們也發(fā)現(xiàn),新聞都在報道全國各地的地鐵、碼頭、車站、機(jī)場等人流密集的場所都正在緊急安裝或已經(jīng)使用了紅外測溫儀-熱像儀，加強(qiáng)加快對旅客的大規(guī)模體溫檢測篩查,做好防疫一線的保障工作。一時間紅外熱成像儀成了當(dāng)下的緊俏貨。

紅外熱成像儀是紅外傳感器的諸多應(yīng)用中非常重要的一種應(yīng)用，從最初僅限于作為軍用高科技產(chǎn)品，現(xiàn)在已經(jīng)越來越普遍地走向工業(yè)和民用市場。

在電影《蒸發(fā)密令》里有這樣一個鏡頭，施瓦辛格為了躲避持有熱成像儀的對手的追殺，跳進(jìn)了裝滿水的浴缸里，以便將自己的溫度和周圍保持一致，從而試圖遮蔽自己的紅外信號源，避免熱成像儀的偵查。

要想知道熱像儀為什么這樣神奇，首先還得從它的工作原理說起。

紅外熱成像儀的工作原理

所有高于絕對零度（-273℃）的物體都會發(fā)出紅外輻射。利用某種特殊的電子裝置將物體表面的溫度分布轉(zhuǎn)換成人眼可見的圖像，并以不同顏色顯示物體表面溫度分布的技術(shù)稱之為紅外熱成像技術(shù)，這種電子裝置稱為紅外熱成像儀。

紅外熱成像儀是利用紅外探測器、光學(xué)成像物鏡和光機(jī)掃描系統(tǒng)接受被測目標(biāo)的紅外輻射能量分布圖形反映到紅外探測器的光敏元上，在光學(xué)系統(tǒng)和紅外探測器之間，有一個光機(jī)掃描機(jī)構(gòu)對被測物體的紅外熱像進(jìn)行掃描，并聚焦在單元或分光探測器上，由探測器將紅外輻射能轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)放大處理、轉(zhuǎn)換或標(biāo)準(zhǔn)視頻信號通過電視屏或監(jiān)測器顯示紅外熱像圖。 

這種熱像圖與物體表面的熱分布場相對應(yīng)，但實際被測目標(biāo)物體各部分紅外輻射的熱像分布圖由于信號非常弱，與可見光圖像相比，缺少層次和立體感，因此，在實際過程中為更有效地判斷被測目標(biāo)的紅外熱分布場，常采用一些輔助措施來增加儀器的實用功能，如圖像亮度、對比度的控制，實標(biāo)校正，偽色彩描繪等高線和直方進(jìn)行數(shù)學(xué)運算和處理等。 

需要說明的是，同一目標(biāo)的熱圖像和可見光圖像是不同的，它不是人眼所能看到的可見光圖像，而是目標(biāo)表面溫度分布圖像，或者說，紅外熱圖像是人眼不能直接看到目標(biāo)的表面溫度分布，變成人眼可以看到的代表目標(biāo)表面溫度分布的熱圖像。 

紅外熱成像儀的構(gòu)成

紅外熱像儀的構(gòu)成包5大部分：

1、紅外鏡頭: 接收和匯聚被測物體****的紅外輻射； 

2、紅外探測器組件: 將熱輻射型號變成電信號；

3、電子組件: 對電信號進(jìn)行處理；

4、顯示組件: 將電信號轉(zhuǎn)變成可見光圖像；

5、軟件: 處理采集到的溫度數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成溫度讀數(shù)和圖像。

紅外熱成像儀的分類

紅外熱像儀按照工作溫度分為制冷型和非制冷性

制冷式熱成像儀：其探測器中集成了一個低溫制冷器，這種裝置可以給探測器降溫度，這樣是為了使熱噪聲的信號低于成像信號，成像質(zhì)量更好。 

非制冷式熱成像儀：其探測器不需要低溫制冷，采用的探測器通常是以微測輻射熱計為基礎(chǔ)，主要有多晶硅和氧化釩兩種探測器。

紅外熱像儀按照功能分為測溫型和非測溫型 

測溫型紅外熱像儀：測溫型紅外熱像儀，可以直接從熱圖像上讀出物體表面任意點的溫度數(shù)值，這種系統(tǒng)可以作為無損檢測儀器，但是有效距離比較短。 

非測溫型紅外熱像儀：非測溫型紅外熱像儀只能觀察到物體表面熱輻射的差異，這種系統(tǒng)可以作為觀測工具，有效距離比較長。

紅外熱成像儀的特點

與一般檢測設(shè)備相比，紅外熱成像儀具有以下鮮明特點：

1、熱成像儀可以對運動物體進(jìn)行測溫，而普通測溫儀表很難做到這一點；

2、可以借助顯微鏡頭對幾微米甚至更小的目標(biāo)進(jìn)行測溫；

3、可以快速地對設(shè)備進(jìn)行熱診斷；

4、不會對所測量的溫度場產(chǎn)生干擾；

5、測溫范圍大，根據(jù)型號的不同，一般可測量0℃—2000℃的范圍；

6、靈敏度高，根據(jù)型號不同，可分辨0.1℃甚至更小的溫差；

7、使用安全，由于測量的非接觸性，使得熱成像儀使用起來非常安全。

紅外熱成像儀的發(fā)展歷程

1800年，英國天文學(xué)家F.W.赫歇耳發(fā)現(xiàn)了紅外線。

上世紀(jì)70年代，熱成像系統(tǒng)和電荷耦合器件被成功應(yīng)用。

上世紀(jì)末，以焦平面陣列（FPA）為代表的紅外器件被成功應(yīng)用。 

紅外技術(shù)的核心是紅外探測器，紅外探測器按其特點可分為四代：

第一代（1970s－80s）：主要是以單元、多元器件進(jìn)行光機(jī)串/并掃描成像；

第二代（1990s－2000s）：是以4x288為代表的掃描型焦平面；

第三代：凝視型焦平面；

第四代：目前正在發(fā)展的以大面陣、高分辨率、多波段、智能靈巧型為主要特點的系統(tǒng)芯片，具有高性能數(shù)字信號處理功能，甚至具備單片多波段探測與識別能力。

目前非制冷焦平面探測器的主流技術(shù)為熱敏電阻式微輻射熱計，根據(jù)使用的熱敏電阻材料的不同可以分為氧化釩探測器和非晶硅探測器兩種。 

非制冷焦平面陣列探測器的發(fā)展，其性能可以滿足部分的軍事用途和幾乎所有的民用領(lǐng)域，真正實現(xiàn)了小型化、低價格和高可靠性，成為紅外探測成像領(lǐng)域中極具前途和市場潛力的發(fā)展方向。

紅外熱成像儀的優(yōu)點與缺點

紅外熱成像儀的優(yōu)點

1、紅外熱成像技術(shù)是一種被動式的非接觸的檢測與識別，隱蔽性好。

由于紅外熱成像技術(shù)是一種對目標(biāo)的被動式的非接觸的檢測與識別，因而隱蔽性好，不容易被發(fā)現(xiàn)，從而使紅外熱成像儀的操作者更安全、更有效。

2、紅外熱成像技術(shù)不受電磁干擾，能遠(yuǎn)距離精確跟蹤熱目標(biāo)，精確制導(dǎo)。

由于紅外熱成像技術(shù)利用的是熱紅外線，因而不受電磁干擾。采用先進(jìn)熱成像技術(shù)的紅外搜索與跟蹤系統(tǒng)，能遠(yuǎn)距離精確跟蹤熱目標(biāo)，并可同時跟蹤多個目標(biāo)，使武器發(fā)揮最佳效能。

紅外熱成像技術(shù)可精確制導(dǎo)，使制導(dǎo)武器具有較高的智能性和****后不用管的能力，并可尋找最重要的目標(biāo)予以摧毀，從而大幅度提高了彈****的命中精度，使其作戰(zhàn)威力成幾十倍地提高。

3、紅外熱成像技術(shù)能真正做到24h全天候監(jiān)控。

紅外輻射是自然界中存在最為廣泛的輻射，而大氣、煙云等可吸收可見光和近紅外線，但是對3～5μm和8～14μm的紅外線卻是透明的，這兩個波段被稱為紅外線的“大氣窗口”。

因此，利用這兩個窗口，可以在完全無光的夜晚，或是在雨、雪等煙云密布的惡劣環(huán)境，能夠清晰地觀察到所需監(jiān)控的目標(biāo)。正是由于這個特點，紅外熱成像技術(shù)能真正做到24h全天候監(jiān)控。

4、紅外熱成像技術(shù)的探測能力強(qiáng)，作用距離遠(yuǎn)。

利用紅外熱成像技術(shù)進(jìn)行探測的能力強(qiáng)，可在敵方防衛(wèi)武器射程之外實施觀察，其作用距離遠(yuǎn)。

目前手持式及裝于輕武器上的熱成像儀可讓使用者看清800m以上的人體 ;且瞄準(zhǔn)射擊的作用距離為2～3km; 在艦艇上觀察水面可達(dá)10km ; 在1.5km高的直升機(jī)上可發(fā)現(xiàn)地面單兵的活動 ;在20km高的偵察機(jī)上可發(fā)現(xiàn)地面的人群和行駛的車輛，并可分析海水溫度的變化而探測到水下潛艇等。

5、紅外熱成像技術(shù)可采用多種顯示方式，把人類的感官由五種增加到六種。

只有當(dāng)物體的溫度高達(dá)1000℃以上時，才能夠發(fā)出可見光被人眼看見。而所有溫度在絕對零度(-273℃)以上的物體，都會不停地發(fā)出熱紅外線。如一個正常的人所發(fā)出的熱紅外線能量，大約為100W。

這些都是人眼看不見的，但物體的熱輻射能量的大小，直接和物體表面的溫度相關(guān)。熱輻射的這個特點使人們可以利用紅外熱成像技術(shù)對物體進(jìn)行無接觸溫度測量和熱狀態(tài)分析，并可采用多種顯示方式顯示出來。

如對視頻信號進(jìn)行假彩色處理，便可由不同顏色顯示不同溫度的熱圖像;若反視頻信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換處理，即可用數(shù)字顯示物體各點的溫度值等，從而看清人眼原來看不見的東西。所以可以說，紅外熱成像技術(shù)把人類的感官由五種增加到六種。

6、紅外熱成像技術(shù)能直觀地顯示物體表面的溫度場，不受強(qiáng)光影響，應(yīng)用廣泛。

紅外測溫儀只能顯示物體表面某一小區(qū)域或某一點的溫度值，而紅外熱成像儀則可以同時測量物體表面各點溫度的高低，直觀地顯示物體表面的溫度場，并以圖像形式顯示出來。

由于紅外熱成像儀是探測目標(biāo)物體的紅外熱輻射能量的大小，從而不像微光像增強(qiáng)儀那樣處于強(qiáng)光環(huán)境中時會出現(xiàn)光暈或關(guān)閉，因此不受強(qiáng)光影響?！　?/span>

紅外熱成像技術(shù)除主要應(yīng)用軍事方面外，還可廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、消防、考古、交通、地質(zhì)、公安偵察等民用領(lǐng)域。并且，還可將這種技術(shù)大量地應(yīng)用到安防監(jiān)控領(lǐng)域中，以方便實現(xiàn)智能安防監(jiān)控。

紅外熱成像儀的缺點：

1、圖像對比度低，分辨細(xì)節(jié)能力較差

由于紅外熱成像儀靠溫差成像，而一般目標(biāo)溫差都不大，因此紅外熱圖像對比度低，使分辨細(xì)節(jié)能力變差。

2、不能透過透明的障礙物看清目標(biāo)，如窗戶玻璃。

由于紅外熱成像儀靠溫差成像，而像窗戶玻璃這種透明的障礙物，使紅外熱成像儀探測不到其后物體的溫差，因而不能透過透明的障礙物看清目標(biāo)。

3、成本高、價格貴

目前紅外熱成像儀的成本仍是限制它廣泛使用的最大因素，但隨著非致冷紅外焦平面陣列的出現(xiàn)，提供了一種以低成本獲得高分辨力、高可靠性器件的有效手段。隨著科技的發(fā)展，關(guān)鍵技術(shù)的突破，并提高加工效率，今后的成本會大為降低的。

4、無法實現(xiàn)較遠(yuǎn)距離的監(jiān)控，且監(jiān)控畫面只能判別是否有可疑人員進(jìn)入，而無法看清楚人臉及外貌特征

紅外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)的成熟以及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)揮的作用也越來越大。

在工業(yè)生產(chǎn)中，許多設(shè)備常用于高溫、高壓和高速運轉(zhuǎn)狀態(tài)，應(yīng)用紅外熱像儀對這些設(shè)備進(jìn)行檢測和監(jiān)控，既能保證設(shè)備的安全運轉(zhuǎn)，又能發(fā)現(xiàn)異常情況以便及時排除隱患。

同時，利用紅外熱像儀還可以進(jìn)行工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量控制和管理。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)動機(jī)檢查、公安偵察以及各種材料及制品的無損檢查等。 

紅外熱成像技術(shù)歷經(jīng)多年的發(fā)展，已從當(dāng)初的主要軍事目的擴(kuò)展到諸如工業(yè)監(jiān)控測溫、執(zhí)法緝毒、安全防犯、醫(yī)療衛(wèi)生、遙感、設(shè)備先期性故障診斷與維護(hù)、海上救援、天文探測、車輛、飛行器和艦船駕駛員用夜視增強(qiáng)觀察儀等廣闊的民用領(lǐng)域，紅外熱成像技術(shù)正走向輝煌。在當(dāng)前抗擊新型冠狀病毒的斗爭中發(fā)揮作用。