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(shí)都很強(qiáng)，同時(shí)人們也發(fā)現(xiàn),新聞都在報(bào)道全國(guó)各地的地鐵、碼頭、車站、機(jī)場(chǎng)等人流密集的場(chǎng)所都正在緊急安裝或已經(jīng)使用了紅外測(cè)溫儀-熱像儀，加強(qiáng)加快對(duì)旅客的大規(guī)模體溫檢測(cè)篩查,做好防疫一線的保障工作。一時(shí)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(chǎng)。

在電影《蒸發(fā)密令》里有這樣一個(gè)鏡頭，施瓦辛格為了躲避持有熱成像儀的對(duì)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(hào)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(duì)零度（-273℃）的物體都會(huì)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(cè)器、光學(xué)成像物鏡和光機(jī)掃描系統(tǒng)接受被測(cè)目標(biāo)的紅外輻射能量分布圖形反映到紅外探測(cè)器的光敏元上，在光學(xué)系統(tǒng)和紅外探測(cè)器之間，有一個(gè)光機(jī)掃描機(jī)構(gòu)對(duì)被測(cè)物體的紅外熱像進(jìn)行掃描，并聚焦在單元或分光探測(cè)器上，由探測(cè)器將紅外輻射能轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)放大處理、轉(zhuǎn)換或標(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熱分布場(chǎng)相對(duì)應(yīng)，但實(shí)際被測(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，與可見光圖像相比，缺少層次和立體感，因此，在實(shí)際過程中為更有效地判斷被測(cè)目標(biāo)的紅外熱分布場(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)標(biāo)校正，偽色彩描繪等高線和直方進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)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(cè)物體****的紅外輻射； 

2、紅外探測(cè)器組件: 將熱輻射型號(hào)變成電信號(hào)；

3、電子組件: 對(duì)電信號(hào)進(jìn)行處理；

4、顯示組件: 將電信號(hào)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(cè)器中集成了一個(gè)低溫制冷器，這種裝置可以給探測(cè)器降溫度，這樣是為了使熱噪聲的信號(hào)低于成像信號(hào)，成像質(zhì)量更好。 

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

紅外熱像儀按照功能分為測(cè)溫型和非測(cè)溫型 

測(cè)溫型紅外熱像儀：測(cè)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(diǎn)的溫度數(shù)值，這種系統(tǒng)可以作為無損檢測(cè)儀器，但是有效距離比較短。 

非測(cè)溫型紅外熱像儀：非測(cè)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(cè)工具，有效距離比較長(zhǎng)。

紅外熱成像儀的特點(diǎn)

與一般檢測(cè)設(shè)備相比，紅外熱成像儀具有以下鮮明特點(diǎn)：

1、熱成像儀可以對(duì)運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)行測(cè)溫，而普通測(cè)溫儀表很難做到這一點(diǎn)；

2、可以借助顯微鏡頭對(duì)幾微米甚至更小的目標(biāo)進(jìn)行測(cè)溫；

3、可以快速地對(duì)設(shè)備進(jìn)行熱診斷；

4、不會(huì)對(duì)所測(cè)量的溫度場(chǎng)產(chǎn)生干擾；

5、測(cè)溫范圍大，根據(jù)型號(hào)的不同，一般可測(cè)量0℃—2000℃的范圍；

6、靈敏度高，根據(jù)型號(hào)不同，可分辨0.1℃甚至更小的溫差；

7、使用安全，由于測(cè)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(guó)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(cè)器，紅外探測(cè)器按其特點(diǎn)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(diǎn)的系統(tǒng)芯片，具有高性能數(shù)字信號(hào)處理功能，甚至具備單片多波段探測(cè)與識(shí)別能力。

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

非制冷焦平面陣列探測(cè)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(shí)現(xiàn)了小型化、低價(jià)格和高可靠性，成為紅外探測(cè)成像領(lǐng)域中極具前途和市場(chǎng)潛力的發(fā)展方向。

紅外熱成像儀的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)

紅外熱成像儀的優(yōu)點(diǎn)

1、紅外熱成像技術(shù)是一種被動(dòng)式的非接觸的檢測(cè)與識(shí)別，隱蔽性好。

由于紅外熱成像技術(shù)是一種對(duì)目標(biāo)的被動(dòng)式的非接觸的檢測(cè)與識(shí)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(shí)跟蹤多個(gè)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(duì)3～5μm和8～14μm的紅外線卻是透明的，這兩個(gè)波段被稱為紅外線的“大氣窗口”。

因此，利用這兩個(gè)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(gè)特點(diǎn)，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(cè)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(cè)的能力強(qiáng)，可在敵方防衛(wèi)武器射程之外實(shí)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(dòng) ;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(cè)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(shí)，才能夠發(fā)出可見光被人眼看見。而所有溫度在絕對(duì)零度(-273℃)以上的物體，都會(huì)不停地發(fā)出熱紅外線。如一個(gè)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(gè)特點(diǎn)使人們可以利用紅外熱成像技術(shù)對(duì)物體進(jìn)行無接觸溫度測(cè)量和熱狀態(tài)分析，并可采用多種顯示方式顯示出來。

如對(duì)視頻信號(hào)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(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換處理，即可用數(shù)字顯示物體各點(diǎn)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(chǎng)，不受強(qiáng)光影響，應(yīng)用廣泛。

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

由于紅外熱成像儀是探測(cè)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(shí)會(huì)出現(xiàn)光暈或關(guān)閉，因此不受強(qiáng)光影響。　　

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(shí)現(xiàn)智能安防監(jiān)控。

紅外熱成像儀的缺點(diǎn)：

1、圖像對(duì)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(duì)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(cè)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(jià)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(huì)大為降低的。

4、無法實(shí)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(guó)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(yùn)轉(zhuǎn)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(dòng)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(cè)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(cè)、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(zhēng)中發(fā)揮作用。