紅外熱成像技術(shù)應(yīng)用研究

李宏棋

摘 要 紅外熱成像是一種高新技術(shù)，將光學(xué)與電子技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)各種功能。根據(jù)物體輻射能量的大小，以及與場(chǎng)景比對(duì)的差異性，將信息轉(zhuǎn)換成實(shí)時(shí)圖像。近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)紅外成像技術(shù)領(lǐng)域的不斷拓展，其在民用領(lǐng)域也開(kāi)始了全面的發(fā)展。紅外熱成像技術(shù)的測(cè)溫方面，在一些設(shè)備的故障排查、人體異常溫度檢測(cè)、生物、監(jiān)控等領(lǐng)域起著非常關(guān)鍵的作用。

關(guān)鍵詞 紅外熱成像技術(shù) 測(cè)量 監(jiān)控

中圖分類號(hào)：TN21 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2017.10.023

Abstract Infrared thermography is a high-tech， combining optics with power technology to realize various functions. The information is converted into real-time images according to the magnitude of the radiation energy of the object and the difference between the scene and the comparison. In recent years， with the development of the domestic infrared imaging technology， it has also started a comprehensive growth in the civil field. Infrared thermal imaging technology of temperature measurement， in some equipment troubleshooting， body abnormal temperature detection， biology， monitoring and other fields play a very important role.

Keywords Infrared Thermography Technology； measure； monitor

0 引言

紅外熱成像技術(shù)由光學(xué)鏡頭、內(nèi)部控制電路、信號(hào)傳輸電路、目鏡等模塊構(gòu)成，最為核心的是紅外探測(cè)器。從焦平面工作時(shí)溫度可分為制冷探測(cè)器和非制冷探測(cè)器兩大類。從封裝上有非晶硅、氧化釩、金屬封裝等幾大類。國(guó)產(chǎn)探測(cè)器目前量產(chǎn)使用的大多為氧化帆探測(cè)器，但部分高檔產(chǎn)品探測(cè)器還需從國(guó)外進(jìn)口，但隨著國(guó)內(nèi)技術(shù)的發(fā)展，相信以后可以擺脫這種現(xiàn)象。

在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，非制冷探測(cè)器更適合量產(chǎn)與民用，制冷探測(cè)器則更精細(xì)，但成本也更昂貴。目前國(guó)內(nèi)的紅外儀器相比國(guó)外還有一定的差距，在硬件、電路、核心探測(cè)器技術(shù)上都有待提高。

1 紅外熱成像技術(shù)的發(fā)展及特性

紅外熱成像技術(shù)可以不受惡劣天氣的影響，無(wú)論大霧天還是深夜都可正常工作，在車載或夜晚監(jiān)控上具有顯著優(yōu)勢(shì)。在海上，通過(guò)紅外技術(shù)，可以讓使船舶的日常檢查工作更加容易，節(jié)約人工檢測(cè)成本和消除安全隱患。海灣戰(zhàn)爭(zhēng)期間，美國(guó)憑借其紅外熱成像技術(shù)的應(yīng)用，使夜間或惡劣條件下軍事作戰(zhàn)能力大為提高，引起了全世界的關(guān)注。目前，許多國(guó)家為了加強(qiáng)自身國(guó)防能力，紛紛在紅外方面加大投入，把紅外熱成像技術(shù)當(dāng)作國(guó)家戰(zhàn)略進(jìn)行研究，以求增強(qiáng)自身軍事能力。

在以往傳統(tǒng)的測(cè)量方式當(dāng)中，對(duì)大批量待測(cè)物的測(cè)量會(huì)導(dǎo)致大量人力與時(shí)間的浪費(fèi)，得不償失。還存在的問(wèn)題是測(cè)量?jī)x器和被測(cè)物體之間的表面接觸，破壞了物體原有的溫度場(chǎng)，影響了溫度傳感元件的傳輸，導(dǎo)致輸出信號(hào)不夠準(zhǔn)確真實(shí)。紅外熱成像技術(shù)的測(cè)量不會(huì)干擾被測(cè)物體的溫度，在光信息的傳輸中沒(méi)有慣性效應(yīng)，可以平滑地改變路徑，保證數(shù)據(jù)的完整性。熱成像技術(shù)目前已經(jīng)初步進(jìn)入到測(cè)量領(lǐng)域，通過(guò)各種對(duì)溫度場(chǎng)的測(cè)試，為了解熱量傳播提供了有效數(shù)據(jù)。熱成像技術(shù)的研究為探索新的物理概念和構(gòu)建新的物理模型做出了重大的貢獻(xiàn)，為一些問(wèn)題的解決提供了新的思路。

德國(guó)科學(xué)家霍胥爾在1800年發(fā)現(xiàn)了紅外光的存在，1900年德國(guó)物理學(xué)家普朗克提出了量子理論，為紅外熱成像技術(shù)的發(fā)展和完善打下了基礎(chǔ)。紅外熱成像技術(shù)曾經(jīng)歷了兩次世界大戰(zhàn)，在戰(zhàn)爭(zhēng)中發(fā)揮了不容忽視的作用。第一次戰(zhàn)爭(zhēng)應(yīng)用的是美國(guó)得克薩斯儀器公司研制的紅外成像裝置，稱之為紅外前視系統(tǒng)（FLIR）。

早期的熱成像系統(tǒng)利用光學(xué)系統(tǒng)掃描被測(cè)目標(biāo)的熱輻射，由單元光子探測(cè)器接受，經(jīng)過(guò)一系列圖像處理與光電信息轉(zhuǎn)換，輸出視頻與圖像信號(hào)，但是不能實(shí)時(shí)記錄。隨著銦鍺摻雜光子探測(cè)器在二十世紀(jì)中期的快速發(fā)展，這時(shí)期出現(xiàn)了可以高速掃描目標(biāo)熱圖像的實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)（圖1）。伴隨著高速掃描目標(biāo)實(shí)時(shí)熱圖像技術(shù)的發(fā)展，瑞典AGA公司成功研制出新的熱成像儀器，該儀器在紅外成像系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了測(cè)溫的功能，這就是最早的紅外熱成像儀。

在20世紀(jì)80年代末，所研發(fā)出的熱像儀功能已經(jīng)較為全面。具有測(cè)量溫度、收集圖像信息、修改、分析和存儲(chǔ)等功能，重量大幅度減輕，并且準(zhǔn)確性和可靠性也有著顯著的提升。在第二十世紀(jì)90年代中期，美國(guó)FSI公司成功地從軍事技術(shù)向民用發(fā)展，新一代紅外焦平面紅外成像儀（FPA）開(kāi)始商業(yè)化。在進(jìn)行測(cè)量時(shí)，只需要關(guān)注被測(cè)物體的圖像，將圖像數(shù)據(jù)保存下來(lái)即可完成操作。對(duì)一些帶存儲(chǔ)功能的紅外手持產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，在室外觀測(cè)時(shí)遇到想要保留的畫(huà)面時(shí)只用按下拍照鍵即可保存圖像，隨后可以從電腦上導(dǎo)出，進(jìn)行沖洗或者打印，十分方便快捷。

上世紀(jì)末到新世紀(jì)初，中國(guó)在紅外熱成像領(lǐng)域的取得了很大的進(jìn)步。紅外熱成像的核心探測(cè)器可以做到獨(dú)立生產(chǎn)，紅外產(chǎn)品開(kāi)始逐步走近中國(guó)尋常百姓家。雖然紅外技術(shù)起步較晚，但在我們不懈努力下，技術(shù)指標(biāo)已達(dá)到世界先進(jìn)水平，打破了國(guó)外的壟斷。當(dāng)下，紅外熱成像技術(shù)已在環(huán)保、醫(yī)療、安防等各大領(lǐng)域初露鋒芒，開(kāi)始在世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占據(jù)一席之地。endprint

2 紅外熱像儀的觀瞄基本原理

在自然界中，只要物質(zhì)溫度高于零度，在其內(nèi)就會(huì)存在能量轉(zhuǎn)換，并對(duì)外產(chǎn)生輻射。光學(xué)鏡片進(jìn)行第一道篩選，篩選完成進(jìn)行信息處理，使人眼可以直觀分辨溫度圖。人眼可分辨光的波長(zhǎng)是400～760nm，小于400nm及超過(guò)760nm的波長(zhǎng)人眼即不能分辨。熱成像技術(shù)利用的是紅外線，不被人眼接收但是可以通過(guò)算法與光電轉(zhuǎn)換生成人眼可以查看的圖像。

當(dāng)物體溫度高于零下273度時(shí)，會(huì)向外界輻射能量。物體本身能量越高，輻射出的能量就越多，對(duì)外界影響就越大。物體發(fā)熱時(shí)就會(huì)產(chǎn)生紅外輻射，其紅外輻射強(qiáng)度除了溫度外，還與發(fā)熱物體本身發(fā)射率、物體表面條件的性質(zhì)等因素有關(guān)。根據(jù)普朗克定律，利用物體本身的紅外輻射原理測(cè)量熱場(chǎng)。紅外技術(shù)核心的探測(cè)器將被測(cè)物的各個(gè)點(diǎn)溫度信息進(jìn)行收集整理，在儀器內(nèi)部進(jìn)行分析合并，得到熱分布圖。

一臺(tái)觀瞄儀器要到達(dá)用戶手上要經(jīng)過(guò)很多步驟。從最初的探測(cè)器選擇，軟件工程師設(shè)計(jì)電路，結(jié)構(gòu)工程師設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，外觀等。產(chǎn)出研發(fā)樣機(jī)后有工程進(jìn)行測(cè)試，并且產(chǎn)出工程樣機(jī)，后投入生產(chǎn)。裝配完成需要模擬用戶使用的條件，給探測(cè)器采集一個(gè)本地，在低溫、室溫、高溫各種條件下進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并且進(jìn)行非均勻校正，將成像有異常的像元坐標(biāo)用算法更正，并且進(jìn)行一系列可靠性試驗(yàn)。并且一般電子元件以及紅外技術(shù)都存在不穩(wěn)定性，構(gòu)成裝置的原件數(shù)量較多，需要各方面的專業(yè)知識(shí)。雖然對(duì)于每個(gè)配件都做出了嚴(yán)格的質(zhì)量管控，但配件越多，產(chǎn)生誤差的概率就越大，所以紅外產(chǎn)品需做出較長(zhǎng)的品質(zhì)保證期與售后服務(wù)，以保證用戶的使用體驗(yàn)。

紅外熱成像技術(shù)利用光學(xué)鏡頭篩選，將可識(shí)別波的輻射能量反饋到探測(cè)器上。紅外探測(cè)器進(jìn)過(guò)一系列處理將收集到的信息發(fā)送到機(jī)器內(nèi)部負(fù)責(zé)圖像處理的部分進(jìn)行二次處理。圖像處理部分把從探測(cè)器收集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行整合與分析，處理完成后可以通過(guò)目鏡或標(biāo)準(zhǔn)視頻監(jiān)視器或液晶顯示屏看到成像。紅外熱像儀是將收集到的輻射信息轉(zhuǎn)換成容易觀察識(shí)別的溫度圖，可以從圖像中得到各點(diǎn)溫度的值，這也是非典時(shí)期所用儀器的基本工作原理。實(shí)時(shí)監(jiān)控一大片區(qū)域，對(duì)于溫度正常的成像顯示正常，對(duì)溫度超標(biāo)的進(jìn)行特殊標(biāo)注，只需少量人力即可完成一個(gè)車站或港口的檢測(cè)。

物體輻射出的熱能量可以通過(guò)圖像的亮暗來(lái)反映。物體發(fā)射出的能量越高，圖像越亮，反之則越小。觀察的圖像的亮暗程度直觀的反映出了被測(cè)物的溫度，并且它們之間存在著正相關(guān)關(guān)系。通過(guò)對(duì)亮度的分析以及兩者之間的關(guān)系，可以診斷物體表面的溫度（圖2）。

3 總結(jié)

紅外技術(shù)屬于非接觸式檢測(cè)，可用于遠(yuǎn)距離高效的實(shí)時(shí)監(jiān)控。在故障檢測(cè)方面，紅外技術(shù)具有更好的安全優(yōu)勢(shì)，更小的誤差和在高電壓環(huán)境下提前做出預(yù)警的觀測(cè)能力，及時(shí)消除安全隱患。目前國(guó)內(nèi)還在積極開(kāi)發(fā)車載用紅外檢測(cè)儀，讓行車更加安全。相信紅外技術(shù)會(huì)為我們的生活帶來(lái)更大的改變。

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