熱紅外線圖像紅外熱成像儀的原理

紅外熱成像技術(shù)是一種非接觸式的可視化探測(cè)方法，具有探測(cè)范圍大、信息損耗小等優(yōu)點(diǎn)。該技術(shù)可進(jìn)行全天二十四小時(shí)不中斷作業(yè)，白天黑夜均不影響其探測(cè)效果，同時(shí)通過光電轉(zhuǎn)化、目標(biāo)處理等方法將紅外信號(hào)轉(zhuǎn)換成可供人類視覺分辨的圖像，并且可以將每點(diǎn)的溫度值計(jì)算出來。紅外熱成像技術(shù)使人類可以直觀的識(shí)別物體表面溫度分部狀況，從而進(jìn)一步分析物體內(nèi)部存在的問題，為我們由表至里的探測(cè)提供了可能。

紅外熱成像儀是以對(duì)紅外線敏感的光敏元件為基礎(chǔ)，由紅外線探測(cè)器、光機(jī)掃描系統(tǒng)組成，接收物體因內(nèi)部熱能量而向外輻射的紅外線，使用光學(xué)成像原理將這種能量以光學(xué)可視化的形式顯示出來。面陣焦平面陣列器件因其沒有光機(jī)掃描及探測(cè)器轉(zhuǎn)換過程，簡(jiǎn)化了可視化的過程，而成為當(dāng)前比較領(lǐng)先的熱成像手段。模擬信號(hào)經(jīng)過解調(diào)器處理、放大后使用探測(cè)器或者在顯示屏上顯示所生成的熱紅外圖像或者溫度值，而且可以對(duì)獲取的溫度值進(jìn)行進(jìn)一步計(jì)算及統(tǒng)計(jì)。

對(duì)象的選擇是左右探測(cè)效果的重要因素，選取對(duì)象時(shí)需考慮其所處的環(huán)境情況，當(dāng)對(duì)象溫度與其背景溫度相差不大時(shí)，探測(cè)會(huì)有很大難度。在這種狀況下，需要探測(cè)人員熟知熱輻射的特點(diǎn)，調(diào)節(jié)合適工作波段，讓探測(cè)對(duì)象在該波段下的熱輻射能量能顯著的顯示出來。除此之外，還需詳細(xì)了解目標(biāo)的外形特征、尺寸大小、正常溫度范圍等一些系類詳細(xì)信息，方便我們?cè)谔綔y(cè)時(shí)給出正確判斷。

熱紅外圖像是灰度圖像，沒有色彩或陰影，圖像分辨率低，圖像缺乏層次感；由于景物熱平衡、傳輸距離和大氣衰減等原因，造成熱紅外圖像空間相關(guān)性強(qiáng)、對(duì)比度低、視覺效果模糊；外界環(huán)境的隨機(jī)干擾和紅外成像系統(tǒng)的不完善，給熱紅外圖像帶來多種多樣的噪聲，這些分布復(fù)雜的噪聲使得熱紅外圖像的信噪比高不利于后續(xù)環(huán)節(jié)如圖像融合、目標(biāo)識(shí)別的處理。熱紅外圖像中普遍存在著目標(biāo)邊緣輪廓模糊，背景對(duì)比度差等缺點(diǎn)，如果紅外傳感器較遠(yuǎn)，再加之受大氣惡劣條件的影響，此時(shí)獲得的熱紅外圖像信噪比和對(duì)比度將更低，圖像質(zhì)量很差。

波長(zhǎng)在可見光紅端與微波之間的電磁輻射。又稱紅外光。波長(zhǎng)范圍約在7×10-7～1×10-3米之間。1800年，英國(guó)天文學(xué)家赫謝耳將溫度計(jì)放在日光光譜的紅端以外，觀察到有增溫現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)了紅外線。一切物體都在向外輻射紅外線，物體溫度越高，發(fā)射的紅外線波段越寬，且長(zhǎng)波段的能量越豐富。在實(shí)驗(yàn)室里，常用電燈、電弧作為紅外光源。紅外線產(chǎn)生的機(jī)理是原子的外層電子受到激發(fā)。紅外線不能引起人眼的視覺；有極強(qiáng)的熱效應(yīng)；易于為物體吸收而轉(zhuǎn)為其內(nèi)能；有較強(qiáng)的穿透霧的能力，不易被散射；也能產(chǎn)生化學(xué)效應(yīng)；并能吸收磷光。紅外線可以用溫差電偶、熱敏電阻、特殊的光電管來探測(cè)，也可以根據(jù)磷光被熄滅的現(xiàn)象來檢測(cè)紅外線的波長(zhǎng)。

利用紅外線可以隔著薄霧和煙霧拍攝景物，即使夜間也可以進(jìn)行紅外攝影。用紅外線代替普通光線的攝影，物形的細(xì)節(jié)更加突出；在衛(wèi)星上采用紅外線對(duì)地面攝影。夜間研究天體的近紅外輻射的吸收光譜，可以了解天體上的氣體成分。紅外線訊號(hào)只要中途沒有障礙，能被遠(yuǎn)處的接收站接到，并轉(zhuǎn)變成電流脈動(dòng)被記錄下來，類似無線電通訊。此外，可以用紅外線來烘烤金屬表面的油漆、烘烤食物。紅外遙感測(cè)量技術(shù)可用在地質(zhì)勘探、氣象預(yù)報(bào)等。

熱紅外圖像是熱輻射成像，它是隨著紅外成像技術(shù)的出現(xiàn)而誕生的。紅外成像技術(shù)是一種熱輻射信息探測(cè)技術(shù)，它是根據(jù)物體的紅外輻射差異成像的，紅外熱成像系統(tǒng)能夠把物體表面的自然發(fā)射的紅外輻射分布轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢妶D像。由于不同物體或同一物體的不同部位通常具有不同的熱輻射特性，如溫差、發(fā)射率等，在進(jìn)行熱紅外成像后，熱紅外圖像中的物體因?yàn)槠錈彷椛涞牟町惗鴧^(qū)別開來。熱紅外圖像的獲取不依賴于外部光線，具有全天侯特點(diǎn)。

(1)安全系數(shù)高、高效。

熱成像技術(shù)采用非接觸式的紅外電磁波探測(cè)方式，同時(shí)具有被動(dòng)式探測(cè)、識(shí)別功能，在保證探測(cè)效果的同時(shí)保障了探測(cè)系統(tǒng)的安全性。同時(shí)操作簡(jiǎn)單，可以有效地觀察溫度分布狀況。

(2)跟蹤目標(biāo)能力強(qiáng)，復(fù)數(shù)目標(biāo)跟蹤效果好，探測(cè)距離遠(yuǎn)，抗干擾能力強(qiáng)。

紅外探測(cè)技術(shù)是根據(jù)目標(biāo)的紅外輻射進(jìn)行目標(biāo)跟蹤，并且不受目標(biāo)周圍電磁物質(zhì)干擾，這點(diǎn)在探測(cè)的實(shí)際應(yīng)用中相當(dāng)重要。同時(shí)采用了紅外搜索技術(shù)，支持多目標(biāo)跟蹤，對(duì)遠(yuǎn)距離目標(biāo)同樣有著很好的探測(cè)效果。

(3)全天24小時(shí)目標(biāo)監(jiān)控。

紅外熱成像技術(shù)是通過探測(cè)兩種不能被空氣及云霧所吸收的紅外線來進(jìn)行物體探測(cè)的。正是由于這個(gè)特點(diǎn)，無論被探測(cè)目標(biāo)所處的環(huán)境有多惡劣即使是無光或者雨雪天氣，均可發(fā)揮其該有的探測(cè)效果，保證24小時(shí)監(jiān)控，時(shí)刻獲取溫度信息。

(4)探測(cè)精度高，距離遠(yuǎn)。

紅外熱成像技術(shù)對(duì)溫差極為敏感，對(duì)突然出現(xiàn)的微小變化反映速度快，在復(fù)雜的環(huán)境下也能保證較高的精度。即使目標(biāo)距離遠(yuǎn)，一樣有著良好的探測(cè)效果。這點(diǎn)可以由紅外技術(shù)在軍事防御系統(tǒng)及武器的應(yīng)用中看出，利用該成像技術(shù)，可以探測(cè)到處在各種距離下的目標(biāo)，即使是便攜式的手持式熱成像儀探測(cè)范圍也達(dá)到2500英尺以上。

(5) 測(cè)量范圍大，可直觀的顯示溫度場(chǎng)。

紅外熱成像儀能對(duì)一片區(qū)域內(nèi)的溫度進(jìn)行探測(cè)，同時(shí)繪制目標(biāo)區(qū)域表面溫度場(chǎng)信息，為我們分析現(xiàn)場(chǎng)情況提供更多、更直觀的信息，在實(shí)際應(yīng)用中探測(cè)范圍的增加，可以讓我們更迅速捕獲異常點(diǎn)溫度信息，并觀察其變化規(guī)律。

熱成像技術(shù)的發(fā)展按照其每個(gè)時(shí)期的特點(diǎn)不用大致可概括為四個(gè)階段：第一階段紅外探測(cè)器是由單元件掃描成像升級(jí)到了探測(cè)效果更好的多元件掃描成像；第二階段是由多元件升級(jí)到了焦平面列陣，隨著硬件的升級(jí)完成了由單點(diǎn)探測(cè)到目標(biāo)區(qū)域探測(cè)成像這一巨大的技術(shù)進(jìn)步。第三階段為紅外探測(cè)器及集成化紅外焦平面列陣；第四階段即現(xiàn)今的階段，以實(shí)現(xiàn)高分辨率的探測(cè)、大面陣及多波段對(duì)象探測(cè)為目的，制造出具有信號(hào)識(shí)別處理功能、帶有更強(qiáng)大的波段分析能力的探測(cè)器。

紅外線熱成像技術(shù)的應(yīng)用范圍非常廣泛，無論是在科學(xué)研究、民用探測(cè)等領(lǐng)域都可以看到它的身影。并且隨著技術(shù)的成熟、高性價(jià)比的熱成像儀的推出，會(huì)使得紅外成像技術(shù)會(huì)應(yīng)用到人們生活的各個(gè)角落。在工業(yè)生產(chǎn)中，大量生產(chǎn)設(shè)備長(zhǎng)期處于高溫、高壓、高強(qiáng)度的運(yùn)轉(zhuǎn)中，如何對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)，保證安全生產(chǎn)作業(yè)就顯得尤為重要，紅外成像儀就可以解決這一問題，使安檢人員可及時(shí)發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備的異常并快速處理，降低生產(chǎn)中的安全事故發(fā)生率。另外，熱成像儀在醫(yī)藥衛(wèi)生、安防、消防、地質(zhì)等多個(gè)方面都有廣泛的應(yīng)用，如探測(cè)建筑物漏熱、導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)熱量檢查、材料制品的無損檢查、森林探火等，可見熱圖像對(duì)實(shí)際問題解決有著很大的幫助。

紅外高光譜遙感技術(shù)是通過采集紅外光的光譜數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列后續(xù)處理達(dá)到探測(cè)的目標(biāo)。具體包括前期的光譜提取、分類，并將處理后的結(jié)果與數(shù)據(jù)庫里的存儲(chǔ)樣本進(jìn)行比對(duì)等，最終實(shí)現(xiàn)探測(cè)。目前該技術(shù)在煤、氣、石油的勘探等方面的應(yīng)用取得了舉世矚目的成就，當(dāng)然在技術(shù)革新方面還有著很大的上升空間。雖然很多民用領(lǐng)域己經(jīng)使用紅外成像技術(shù)解決實(shí)際中的問題，可仍處于起步階段，還需要不斷進(jìn)行理論創(chuàng)新與應(yīng)用研究。 2100433B

通常來說，獲取熱圖像的方法是使用熱像儀，熱像儀是依據(jù)紅外熱輻射原理工作的。

隨著電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，新半導(dǎo)體材料的不斷出現(xiàn)，紅外測(cè)溫技術(shù)的完備程度不斷提高，熱圖像的獲取速度快，獲取的熱圖像精度和靈敏度高，在科學(xué)研究、現(xiàn)代工程技術(shù)和軍事領(lǐng)域中應(yīng)用越發(fā)廣泛 。

一般來說，熱成像過程會(huì)得到受測(cè)目標(biāo)區(qū)域或物體的溫度分布圖，并以不同的顏色標(biāo)注出來，構(gòu)成了一幅溫度梯度圖像。通過顏色和溫度的對(duì)應(yīng)表，可以看出目標(biāo)物體的溫度分布，通常也可以看出目標(biāo)的輪廓。

對(duì)于熱圖像中的信息，往往分為直觀可見的部分和隱含的部分，可簡(jiǎn)稱為直接信息和隱含信息。對(duì)于直接信息，關(guān)注的地方多是高溫度區(qū)域、目標(biāo)的輪廓、溫度突變的點(diǎn)或線、溫度的變化趨勢(shì)等；對(duì)于隱含信息，需要一定的圖像處理算法以便進(jìn)一步觀察，詳見數(shù)字圖像處理。

對(duì)于一切具有溫度的物體都可以通過獲取并觀察其熱圖像得到其溫度分布信息，從而分析得到一些我們感興趣的結(jié)論。熱圖像在很多領(lǐng)域都有應(yīng)用，其中最典型的幾類有：

1. 目標(biāo)異常狀態(tài)監(jiān)測(cè)。這是通過熱圖像監(jiān)測(cè)目標(biāo)是否存在不正常的溫度值或溫度分布，從而起到異常監(jiān)測(cè)的作用。實(shí)際應(yīng)用有森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)、地區(qū)氣溫監(jiān)測(cè)、電路/芯片故障監(jiān)測(cè)等；

2. 目標(biāo)識(shí)別。這是通過監(jiān)視一定區(qū)域內(nèi)的溫度分布來觀察是否有和周圍環(huán)境溫度或溫度分布趨勢(shì)不一致的物體，從而判定出是否有可以目標(biāo)。實(shí)際應(yīng)用有紅外夜視儀、紅外制導(dǎo)、紅外監(jiān)控器等；

3. 故障/缺陷檢測(cè)。這里的故障和缺陷更多的是指無法直接在熱圖像上看出的故障和缺陷。對(duì)于無法直接看出問題的熱圖像，通過一定的圖像處理算法，如熱信號(hào)重構(gòu)（TSR）、主成分分析（PCA）、頻域分析等，可能會(huì)得到隱藏的故障/缺陷信息。實(shí)際應(yīng)用有熱無損檢測(cè)等。

4. 醫(yī)學(xué)臨床輔助。對(duì)人體的熱圖像進(jìn)行分析，可以得到一些能夠幫助診斷病情的信息，也可以起到病情預(yù)警的作用。