熱力學(xué)成像原理系統(tǒng)及應(yīng)用綜述

上帝說要有光，于是便有了光；人類說要把物體的溫度圖像化，于是就有了紅外熱成像技術(shù)。

本文主要內(nèi)容：

• 什么是熱力學(xué)成像？

• 熱力學(xué)成像原理

• 熱力學(xué)成像系統(tǒng)

• 熱力學(xué)成像存在的問題

• 熱力學(xué)成像應(yīng)用

什么是熱力學(xué)成像？

在自然界中，只要溫度高于絕對零度（-273℃）的物體都能輻射電磁波。紅外線是自然界中的電磁波最為廣泛的一種存在形式，它是一種能量，而這種能量是我們?nèi)庋劭床灰姷摹Ｈ魏挝矬w在常規(guī)環(huán)境下都會產(chǎn)生的自身的分子和原子無規(guī)則運動，并不停地輻射出熱紅外能量。

紅外線是這些電磁波的一部分，它和可見光、紫外線、X射線、γ射線和無線電波一起，構(gòu)成了一個完整連續(xù)的電磁波譜。如上圖所示，波長范圍是0.76μm到1000μm的電磁輻射，我們稱為紅外線輻射。

熱成像技術(shù)是指利用紅外探測器和光學(xué)成像物鏡接受被測目標(biāo)的紅外輻射能量分布圖形反映到紅外探測器的光敏元件上，從而獲得紅外熱像圖，這種熱像圖與物體表面的熱分布場相對應(yīng)。通俗地講紅外熱像儀就是將物體發(fā)出的不可見紅外能量轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姷臒釄D像。熱圖像上面的不同顏色代表被測物體的不同溫度。

熱力學(xué)成像原理

通俗的說，紅外熱成像是將不可見的紅外輻射變?yōu)榭梢姷臒釄D像。不同物體甚至同一物體不同部位輻射能力和它們對紅外線的反射強弱不同。利用物體與背景環(huán)境的輻射差異以及景物本身各部分輻射的差異，熱圖像能夠呈現(xiàn)景物各部分的輻射起伏，從而能顯示出景物的特征。熱圖像其實是目標(biāo)表面溫度分布圖像。

如上圖：熱圖像可以分辨出物體表面的熱輻射差異。

在自然界中，一切物體都會輻射紅外線，因此利用探測器測定目標(biāo)本身和背景之間的紅外線差，可以得到不同的紅外圖像。同一目標(biāo)的熱圖像和可見光圖像不同，它不是人眼所能看到的可見光圖像，而是目標(biāo)表面溫度分布的圖像。或者可以說，它是人眼不能直接看到目標(biāo)的表面溫度分布，而是變成人眼可以看到的代表目標(biāo)表面溫度分布的熱圖像。運用這一方法，便能實現(xiàn)對目標(biāo)進行遠(yuǎn)距離熱狀態(tài)圖像成像和測溫，并可進行智能分析判斷。

熱力學(xué)成像系統(tǒng)

熱成像系統(tǒng)就是通過一系列光學(xué)組件和光電處理等技術(shù)，接受紅外熱輻射，然后轉(zhuǎn)換成人眼可以見的熱圖像，顯示在屏幕上的整體系統(tǒng)。

紅外熱像儀基本工作原理為：紅外線透過特殊的光學(xué)鏡頭，被紅外探測器所吸收，探測器將強弱不等的紅外信號轉(zhuǎn)化成電信號，再經(jīng)過放大和視頻處理，形成可供人眼觀察的熱圖像顯示到屏幕上。

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熱力成像儀的分類

按照工作溫度分類：

• 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。

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按照功能分類：

• 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
  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。

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紅外探測器參數(shù)

紅外探測器是將不可見的紅外輻射轉(zhuǎn)換成可測量的信號的器件，是紅外整機系統(tǒng)的核心關(guān)鍵部件。

• 探測器尺寸：

  
  探測器尺寸指探測器上單個探測元的大小，一般的規(guī)格有25μm，35μm等。

  探測元越小，則成像的質(zhì)量越好。

• 紅外探測器的分辨率：

  
  分辨率是衡量熱像儀探測器優(yōu)劣的一個重要參數(shù)，表示了探測器焦平面上有多少個單位探測元。

  目前市場主流分辨率為160×120，384×288等，此外還有320×240，640×480等。

  分辨率越高，成像效果也就越清晰。

• 紅外光學(xué)鏡頭：

  
  紅外光學(xué)鏡頭通常是由一組透鏡組成，它們可以將接收到的各種紅外線最終焦距到紅外探測器上，進行光電轉(zhuǎn)換處理。

  
  紅外光學(xué)鏡頭中使用最多得是折射率為4得鍺晶體，它適用于2～25μm波段。

  折射率為3得Si常用在1～6μm波段。

  耐熱沖擊的導(dǎo)彈整流罩，以采用熱壓的MgF2和ZnS最佳。

• 視場角（FOV）：

  
  視場角是由鏡頭系統(tǒng)主平面與光軸交點看景物或看成像面的線長度時所張的角度，通俗的說，鏡頭有一個確定的視野，鏡頭對這個視野的高度和寬度的張角稱為視場角。

• 測溫精度：

  
  測溫精度是指測溫型紅外熱像儀進行溫度測量時，讀取的溫度數(shù)據(jù)與實際溫度的差異。

  此數(shù)值越小，代表熱像儀的性能越好。

• 測溫范圍：

  
  測溫范圍是指測溫型紅外熱像儀可以測量到的最高溫度和最低溫度的范圍。

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• 焦距：

  
  透鏡中心到其焦點的距離，通常用f表示。

  焦距的單位通常用mm(毫米)來表示，一個鏡頭的焦距一般都標(biāo)在鏡頭的前面，如f=50mm（這就是我們通常所說的“標(biāo)準(zhǔn)鏡頭”），28-70mm（我們最常用的鏡頭）、70-210mm（長焦鏡頭）等。

  焦距越大，可清晰成像的距離就越遠(yuǎn)。

• 空間分辨率：

  
  空間分辨率是指圖像中可辨認(rèn)的臨界物體空間幾何長度的最小極限，即對細(xì)微結(jié)構(gòu)的分辨率。

  數(shù)值越小，分辨率越高。

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• 最小可分辨溫差（MRTD）：
  在熱成像中，MRTD是綜合評價系統(tǒng)溫度分辨率和空間分辨力的重要參數(shù)。在確定空間頻率下，觀察者剛好能分辨（50%概率）出四條帶圖案時，目標(biāo)與背景之間的溫差稱為該空間頻率的最小可分辨溫差。MRTD值越小，紅外熱像儀性能越好。

• 噪聲等效溫差（NETD）：
  熱像儀對測度圖案進行觀察，當(dāng)系統(tǒng)的基準(zhǔn)電子濾波器輸出的信號電壓峰值和噪聲電壓的均方根之比為1時，黑體目標(biāo)和黑體背景的溫差稱為噪聲等效溫差。NETD越小，表示成像畫面質(zhì)量越好。

熱力學(xué)成像存在的問題

• 鬼影：
  其指紅外圖像中出現(xiàn)的不隨目標(biāo)變化的或明或暗的紋路，它是由于紅外探測器的探測元對紅外輻射的響應(yīng)率不均勻造成的。

• 壞點：
  壞點指在紅外圖像中坐標(biāo)不隨目標(biāo)變化的明暗斑點，是由探測器的單個探測元對紅外輻射的響應(yīng)率過高或過低造成的，也稱無效像元，如下圖。

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• 非均勻性校正：
  由于紅外探測器制造工藝的局限，紅外探測器每個探測元對紅外輻射的響應(yīng)率不同，成像面上會出現(xiàn)上述鬼影和壞點現(xiàn)象，影響熱像儀的成像質(zhì)量。

  非均勻性校正是指有效降低探測器的響應(yīng)率不均勻性，提高熱像儀成像質(zhì)量的一種技術(shù)手段。經(jīng)過非均勻性校正的熱像儀成像畫面均勻，鬼影和壞點現(xiàn)象消失，成像效果得到明顯改善，可大大提高熱像儀的觀察能力。

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• 補償：

  
  補償也成為校正，是為了獲得非均勻性校正所需的原始數(shù)據(jù)，從而得到理想的紅外圖像，在圖像出現(xiàn)不清晰的時候，可對熱像儀進行補償操作。

  補償目標(biāo)可以根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境和目標(biāo)特性選擇不同的但溫度均勻的物體，這個物體可以是干凈無云的天空、熱像儀的內(nèi)置快門、或者關(guān)閉的鏡頭蓋等。

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熱力學(xué)成像應(yīng)用

過去，紅外熱成像技術(shù)由于成本昂貴的原因，其應(yīng)用領(lǐng)域有了很大的局限性，主要應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。雖說上世紀(jì)六十年代開始，紅外熱成像技術(shù)開始在工業(yè)及民用領(lǐng)域有所應(yīng)用。

目前，紅外熱成像技術(shù)已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，主要分為軍用與民用兩大類，軍/民比例大致7:3。一直以來，除了業(yè)界相關(guān)人士以外，該技術(shù)對于大部分民眾來說仍是一種極其陌生的技術(shù)。

近期，隨著新型肺炎在國內(nèi)報告乃至全球蔓延后，才逐漸進入大眾視野，為大眾所熟知。

對于一項技術(shù)，它再酷再炫，我們最關(guān)心的莫過于該技術(shù)的實際應(yīng)用情況。就我國而言，雖說紅外熱成像技術(shù)在我國得到了快速地發(fā)展，但是由于底子薄，無論是軍事領(lǐng)域還是民用領(lǐng)域都處在大力追趕其他國家水平的階段。

那么接下來我們便詳細(xì)介紹紅外熱成像技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展情況：

• 電力行業(yè)
  第一大應(yīng)用領(lǐng)域非電力行業(yè)莫屬，在國內(nèi)外，電力行業(yè)的巡檢等工作離不開熱成像儀的檢測，不僅能夠保證檢測的全面性，更能保證巡檢人員的安全！

• 石油化工
  在石油化工領(lǐng)域工作過的人都知道，許多石油化工生產(chǎn)的設(shè)備都是在高溫高壓下進行的，在生產(chǎn)過程中對反應(yīng)爐等高溫高壓設(shè)備的實時監(jiān)控是非常重要的。

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• 公共場所安檢
  公共場所特別是機場、車站等地，夜晚對可見光攝像頭有較大的干擾，采用紅外熱成像監(jiān)控，能彌補這一不足。

• 國防領(lǐng)域
  飛機的光電吊艙、坦克的紅外熱像系統(tǒng)、邊防巡邏等起著非常重要的作用。

• 森林防火
  近期火災(zāi)頻發(fā)，森林防火系統(tǒng)加入熱成像之后，能夠全天候的監(jiān)控，做到了真正意義上的24小時監(jiān)控，并且發(fā)現(xiàn)火災(zāi)隱火能力強，能做到預(yù)防的效果。

• 目標(biāo)追蹤

  
  夜晚，如果采用人工照明的手段，則容易暴露目標(biāo)。

  若采用微光夜視設(shè)備，它同樣也工作在可見光波段，依然需要外界光照明。

  而紅外熱成像儀是被動接受目標(biāo)自身的紅外熱輻射，被動成像，無論白天黑夜均可以正常工作，并且也不會暴露自己。

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• 安防領(lǐng)域

  
  安防監(jiān)控領(lǐng)域，已經(jīng)在國內(nèi)得到了快速發(fā)展，紅外熱成像不受光照影響的特性，全天候監(jiān)控成為了熱成像的一大賣點。

  比如，這次新型肺炎疫情，重要的交通樞紐都用了熱成像技術(shù)，為這次疫情提供很好的技術(shù)保障。

  2020年，安防行業(yè)一大很好的賣點。

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