熱成像相關(guān)知識

在現(xiàn)在生活中，成像技術(shù)發(fā)展迅速，應(yīng)用在各個領(lǐng)域，目前，新的熱成像儀主要采用非致冷焦平面陣列技術(shù)，集成數(shù)萬個乃至數(shù)十萬個信號放大器，將芯片置于光學(xué)系統(tǒng)的焦平面上，無須光機(jī)掃描系統(tǒng)而取得目標(biāo)的全景圖像，從而大大提高了靈敏度和熱分辨率，并進(jìn)一步地提高目標(biāo)的探測距離和識別能力。本文介紹熱成像的相關(guān)知識。

夜視儀

1991年的海灣戰(zhàn)爭成為展示高科技武器使用先進(jìn)技術(shù)的平臺。在這些新科技中，紅外熱成像技術(shù)就是其中最為閃亮的高科技技術(shù)之一。紅外熱成像技術(shù)。是利用各種探測器來接收物體發(fā)出的紅外輻射，再進(jìn)行光電信息處理，最后以數(shù)字、信號、圖像等方式顯示出來，并加以利用的探知、觀察和研究各種物體的一門綜合性技術(shù)。它涉及光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計、器件物理、材料制備、微機(jī)械加工、信號處理與顯示、封裝與組裝等一系列專門技術(shù)。該技術(shù)除主要應(yīng)用在黑夜或濃厚幕云霧中探測對方的目標(biāo)，探測偽裝的目標(biāo)和高速運(yùn)動的目標(biāo)等軍事應(yīng)用外，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。如果將這種技術(shù)大量地應(yīng)用到民用領(lǐng)域中，將會引起安防領(lǐng)域的革命。

智能監(jiān)控是計算機(jī)視覺和模式識別技術(shù)在視頻監(jiān)控領(lǐng)域的應(yīng)用，它能對視頻圖像中的目標(biāo)進(jìn)行自動地監(jiān)測、識別、跟蹤和分析。國外智能視頻監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展動力是來源于對特殊監(jiān)控場所的監(jiān)控需求，9•11事件之后，出于反恐、國家安全、社會安定等多方面的需要，智能視頻監(jiān)控與預(yù)警技術(shù)已逐漸成為國際上最為關(guān)注的前沿研究領(lǐng)域。尤其是在一些特殊的應(yīng)用場所，如在惡劣天氣下24h全天候監(jiān)控、邊防與周界入侵自動報警、火災(zāi)隱患的自動識別、被遺棄的行李和包裹等遺留物體檢測、盜竊贓物查找、被埋尸體查找等等。

一. 紅外熱成像系統(tǒng)的工作原理

1672年，牛頓使用分光棱鏡把太陽光(白光)分解為紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫等各色單色光，證實了太陽光(白光)是由各種顏色的光復(fù)合而成。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，偶然發(fā)現(xiàn)放在光帶紅光外的一支溫度計，比其他色光溫度的指示數(shù)值高。經(jīng)過反復(fù)試驗，這個所謂熱量最多的高溫區(qū)，總是位于光帶最邊緣處紅光的外面。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”，這種看不見的“熱線”位于紅色光外側(cè)，叫做紅外線。這種紅外線，又稱紅外輻射，是指波長為0.78～1000μm的電磁波。其中波長為0.78～1.5μm的部分稱為近紅外，波長為1.5～10μm的部分稱為中紅外，波長為10～1000μm的部分稱為遠(yuǎn)紅外線。而波長為2.0～1000μm的部分，也稱為熱紅外線。

紅外線輻射是自然界存在的一種最為廣泛的電磁波輻射，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。這種紅外線輻射是，基于任何物體在常規(guī)環(huán)境下都會產(chǎn)生自身的分子和原子無規(guī)則的運(yùn)動，并不停地輻射出熱紅外能量。分子和原子的運(yùn)動愈劇烈，輻射的能量愈大;反之，輻射的能量愈小。

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，稱為熱圖像。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?；蛘呖梢哉f，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(yùn)用這一方法，便能實現(xiàn)對目標(biāo)進(jìn)行遠(yuǎn)距離熱狀態(tài)圖像成像和測溫，并可進(jìn)行智能分析判斷。

紅外熱成像技術(shù)是一種被動紅外夜視技術(shù)，其原理是基于自然界中一切溫度高于絕對零度(-273℃)的物體，每時每刻都輻射出紅外線，同時這種紅外線輻射都載有物體的特征信息，這就為利用紅外技術(shù)判別各種被測目標(biāo)的溫度高低和熱分布場提供了客觀的基礎(chǔ)。利用這一特性，通過光電紅外探測器將物體發(fā)熱部位輻射的功率信號轉(zhuǎn)換成電信號后，成像裝置就可以一一對應(yīng)地模擬出物體表面溫度的空間分布，最后經(jīng)系統(tǒng)處理，形成熱圖像視頻信號，傳至顯示屏幕上，就得到與物體表面熱分布相對應(yīng)的熱像圖，即紅外熱圖像。

非致冷焦平面紅外熱成像系統(tǒng)由光學(xué)系統(tǒng)、光譜濾波、紅外探測器陣列、輸入電路、讀出電路、視頻圖像處理、視頻信號形成、時序脈沖同步控制電路、監(jiān)視器等組成。

系統(tǒng)的工作原理是，由光學(xué)系統(tǒng)接受被測目標(biāo)的紅外輻射經(jīng)光譜濾波將紅外輻射能量分布圖形反映到焦平面上的紅外探測器陣列的各光敏元上，探測器將紅外輻射能轉(zhuǎn)換成電信號，由探測器偏置與前置放大的輸入電路輸出所需的放大信號，并注入到讀出電路，以便進(jìn)行多路傳輸。高密度、多功能的CMOS多路傳輸器的讀出電路能夠執(zhí)行稠密的線陣和面陣紅外焦平面陣列的信號積分、傳輸、處理和掃描輸出，并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，以送入微機(jī)作視頻圖像處理。由于被測目標(biāo)物體各部分的紅外輻射的熱像分布信號非常弱，缺少可見光圖像那種層次和立體感，因而需進(jìn)行一些圖像亮度與對比度的控制、實際校正與偽彩色描繪等處理。經(jīng)過處理的信號送入到視頻信號形成部分進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換并形成標(biāo)準(zhǔn)的視頻信號，最后通過電視屏或監(jiān)視器顯示被測目標(biāo)的紅外熱像圖。

紅外焦平面陣列的工作性能除了與探測器性能如量子效率、光譜響應(yīng)、噪聲譜、均勻性等有關(guān)外，還與探測器探測信號的輸出性能有關(guān)，如輸入電路中的電荷存儲、均勻性、線性度、噪聲譜、注入效率，讀出電路中的電荷轉(zhuǎn)移效率、電荷處理能力、串?dāng)_等。

焦平面陣列結(jié)構(gòu)有四種類型：單片式、準(zhǔn)單片式、平面混合式和Z型混合式。單片式焦平面陣列是指在同一芯片上即含有探測器又含有信號處理電路的Si器件;準(zhǔn)單片式焦平面陣列器件是將探測器和讀出線路分別制備，然后把它們裝在同一個襯底上，通過引線焊接將兩部分連在一起;平面混合式采用銦柱將探測器陣列正面的每個探測器與多路傳輸器一對一地對準(zhǔn)配接起來;Z型混合式則將許多集成電路芯片一個一個地層疊起來以形成一個三維的電路層疊結(jié)構(gòu)。平面混合和Z型混合方法的優(yōu)點(diǎn)是由于將多路傳輸器與探測器直接混合，因而具有很高的封裝密度，較快的工作效率，并使總的設(shè)計得以簡化。由于信號處理是在焦平面陣列中進(jìn)行的，所以減少了器件的引線數(shù)目，光學(xué)孔徑和頻譜帶寬也得以減小。

讀出電路的電荷處理能力直接控制焦平面的動態(tài)范圍，它的電荷轉(zhuǎn)移效率影響焦平面的非均勻性、數(shù)據(jù)率、串?dāng)_和噪聲，這些都綜合影響焦平面的空間、時間和輻射能量的極限分辨能力以及空間和時間頻率傳遞特性。因此，讀出電路的設(shè)計要求為：高電荷容量、高轉(zhuǎn)移效率、低噪聲和低功率耗散;其次考慮抗光暈控制和降低交叉串?dāng)_。

據(jù)報道，砷化鎵(GaAs)可作為一種潛在的焦平面陣列讀出技術(shù)，其原因是：GaAs的熱膨脹系數(shù)與碲鎘汞探測器(HgCdTe)的匹配要比硅好得多，這樣便有可能可靠地制備大型混合焦平面陣列;GaAs技術(shù)的輻射硬度比硅好得多;n型GaAs器件的施主能級比硅更接近導(dǎo)帶邊緣，這就使得GaAs器件在4K時更不受凍結(jié)效應(yīng)的影響。

目前達(dá)到實用水平的焦平面陣列探測器主要有碲鎘汞、銻化銦、硅化鉑和非制冷探測器4種。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，定將逐步取代光機(jī)掃描式熱像儀。其關(guān)鍵技術(shù)是探測器由單片集成電路組成，被測目標(biāo)的整個視野都聚焦在上面，并且圖像更加清晰，使用更加方便，儀器非常小巧輕便，同時具有自動調(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，儀器采用PC卡，存儲容量可高達(dá)500幅圖像。

紅外熱像儀是通過非接觸探測紅外能量(熱量)，并將其轉(zhuǎn)換為電信號，進(jìn)而在顯示器上生成熱圖像和溫度值，并可以對溫度值進(jìn)行計算的一種檢測設(shè)備。紅外熱像儀能夠?qū)⑻綔y到的熱量精確量化，或測量，不僅能夠觀察熱圖像，還能夠?qū)Πl(fā)熱的故障區(qū)域進(jìn)行準(zhǔn)確識別和嚴(yán)格分析。

二、紅外熱成像技術(shù)的發(fā)展

從赫胥爾1800年發(fā)現(xiàn)了紅外線后，開辟了人類應(yīng)用紅外技術(shù)的廣闊道路。　二次世界大戰(zhàn)中，德國人用紅外變像管，研制出了主動式夜視儀和紅外通信設(shè)備，為紅外技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

二次世界大戰(zhàn)后，美國德克薩斯儀器公司(TI)在1964年首次開發(fā)研制成功第一代用于軍事領(lǐng)域的紅外成像裝置，稱之為紅外尋視系統(tǒng)(FLIR)。它是利用光學(xué)機(jī)械系統(tǒng)對被測目標(biāo)的紅外輻射掃描，由光子探測器接收兩維紅外輻射，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換及處理，最后形成熱圖像視頻信號，并在熒屏上顯示。

六十年代中期，瑞典AGA公司和瑞典國家電力局，在紅外尋視裝置的基礎(chǔ)上，開發(fā)了具有溫度測量功能的熱紅外成像裝置。這種第二代紅外成像裝置，通常稱為熱像儀。

七十年代，法國湯姆蓀公司又研制出，不需致冷的紅外熱電視產(chǎn)品。

1986年，瑞典研制出工業(yè)用的實時成像系統(tǒng)，它無須液氮或高壓氣，而以熱電方式致冷，可用電池供電;1988年又推出全功能熱像儀，它將溫度的測量、修改、分析、圖像采集、存儲合于一體，重量小于7kg，使儀器的功能、精度和可靠性都得到了顯著的提高。

九十年代中期，美國FSI公司首先研制成功由軍用轉(zhuǎn)民用并商品化的新一代紅外熱像儀，它是屬焦平面陣列式結(jié)構(gòu)的一種凝視成像裝置，技術(shù)功能更加先進(jìn)，現(xiàn)場測溫時只需對準(zhǔn)目標(biāo)攝取圖像，并存儲到機(jī)內(nèi)的PC卡上。各種參數(shù)的設(shè)定，可回到室內(nèi)用軟件進(jìn)行修改和分析，最后直接得出檢測報告。由于取代了復(fù)雜的機(jī)械掃描，儀器重量已小于2kg，如同手持?jǐn)z像機(jī)一樣，單手即可操作使用。

隨著紅外焦平面陣列技術(shù)的迅速發(fā)展，美、英、法、德、以色列等西方發(fā)達(dá)國家都在競相研制和生產(chǎn)先進(jìn)的紅外焦平面陣列攝像儀，其中美國在紅外焦平面陣列傳感器的發(fā)展水平方面處于遙遙領(lǐng)先地位，其焦平面陣列規(guī)模已大達(dá)2048×2048元，已接近于可見光硅CCD攝像陣列的水平。日本在世界上最先實現(xiàn)了100萬像元集成度的單片式紅外焦平面陣列，在品種方面，從HgCdTe、InSb、GaAlAs/GaAs量子阱和PtSi到非致冷紅外焦平面陣列等種類產(chǎn)品推向市場，搶占商機(jī);法國、荷蘭、瑞典、英國、德國和意大利等在非致冷紅外熱攝像儀技術(shù)的發(fā)展方面，已顯出其處于前沿的競爭地位，如AGEMA公司的熱視570，AGEMA520和德國STNATLAS電子公司駕駛員視覺增強(qiáng)系統(tǒng)，都具有很高的水平和市場競爭實力。

七十年代，中國有關(guān)單位已經(jīng)開始對紅外熱成像技術(shù)進(jìn)行研究。八十年代末，中國已經(jīng)研制成功了實時紅外成像樣機(jī)，其靈敏度、溫度分辨率都達(dá)到很高的水平。進(jìn)入九十年代，中國在紅外成像設(shè)備上使用低噪聲寬頻帶前置放大器，微型致冷器等關(guān)鍵技術(shù)方面有了發(fā)展，并且從實驗走向應(yīng)用。如用于部隊的便攜式野戰(zhàn)熱像儀，反坦克飛彈、防空雷達(dá)以及坦克、軍艦火炮等。

近幾年來，中國的紅外成像技術(shù)得到突飛猛進(jìn)的發(fā)展，與西方的差距正在逐步縮小，有些設(shè)備的先進(jìn)性也可同西方同步。如目前己能生產(chǎn)面積小于30μm2的1000×1000像素的探測器陣列，由于采用了基于銻化銦的新器件，目前己達(dá)到了分辨率小干0.01℃的溫差，使對目標(biāo)的識別達(dá)到更高的水平。

紅外熱成像儀，可以分為致冷型和非致冷型兩大類。紅外電視產(chǎn)品和非致冷焦平面熱成像儀是非致冷型產(chǎn)品，其他為致冷型紅外熱成像儀。

前一代的熱像儀主要由帶有掃描裝置的光學(xué)儀器和電子放大線路、顯示器等部件組成，已經(jīng)成功裝備部隊，并己用于夜間的地面觀察、空中偵查、水面保險等方面。

目前，新的熱成像儀主要采用非致冷焦平面陣列技術(shù)，集成數(shù)萬個乃至數(shù)十萬個信號放大器，將芯片置于光學(xué)系統(tǒng)的焦平面上，無須光機(jī)掃描系統(tǒng)而取得目標(biāo)的全景圖像，從而大大提高了靈敏度和熱分辨率，并進(jìn)一步地提高目標(biāo)的探測距離和識別能力。

三、知名望遠(yuǎn)鏡式熱成儀儀器品牌

目前能夠生產(chǎn)紅外夜視熱成像儀的廠家不多，國內(nèi)有不少廠家試圖在生產(chǎn)，但是產(chǎn)品僅僅在實驗階段。目前在國內(nèi)能夠見到的品牌中最知名的就是美國RNO品牌。而且在市面我們能夠見到的更多的頂級紅外夜視熱成像儀，是RNO品牌，其產(chǎn)品大多是美國軍轉(zhuǎn)民的產(chǎn)品，所以性能上非常卓越。RNO的主力產(chǎn)品是雙筒紅外夜視熱成像儀，效果確實非常好，價格也不菲。在國內(nèi)我們能見到的是RNO的HC系列雙筒紅外夜視熱成像儀，包括HC-336和HC-640. 其中HC-336又分為HC336-3和HC336-5兩個型號，價格大約在10-20萬元人民幣。相信隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，以后的技術(shù)越來越成熟，相關(guān)設(shè)備會越來越便宜，普及就會更加廣泛