红外热像仪基础理论、性能参数及其应用
红外热像仪基础理论、性能参数及其应用
1. 红外线的发现与分布
1672年人们发现太阳光(白光)是由各种颜色的光复合而成，同时，牛顿作出了单色光在性质上比白色光更简单的著名结论。使用分光棱镜就把太阳光(白光)分解为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等各色单色光。 1800年，英国物理学家F. W. 赫胥尔从热的观点来研究各种色光时发现了红外线。他在研究各种色光的热量时，有意地把暗室的唯一的窗户用暗板堵住，并在板上开了一个矩型孔，孔内装了一个分光棱镜。当太阳光通过棱镜时，便被分解为彩色光带，并用温度计去测量光带中不同颜色所含的热量。为了与环境温度进行比较，赫胥尔用在彩色光带附近放几支作为比较用的温度计来测定周围环境温度。试验中，他偶然发现一个奇怪的现象：放在光带红光外的一支温度计，比室内其它温度的批示数值高。经过反复试验表明这个所谓热量最多的高温区，总是位于光带最边缘处红光的外面。于是他宣布太阳发出的辐射中除可见光线外，还有一种人眼看不见的热线，这种看不见热线位于红色外侧，叫做红外线。红外线是一种电磁波，具有与无线电波及可见光一样的本质，红外线的发展是人类对自然认识的一次飞跃，对研究、利用和发展红外技术领域开辟了一条全新的广阔道路。
红外线的波长在0.76--100μm之间，按波长的范围可分为近红外、中红外、远红外、极远红外四类，它在电磁波连续频谱中的位置是处于无线电波与可见光之间的区域。
红外线辐射是自然界存在的一种最为广泛的电磁波辐射，它是基于任何物体在常规环境下都会产生自身的分子和原子无规则的运动，并不停地辐射出热红外能量，分子和原子的运动愈剧烈，辐射的能量愈大，反之，辐射的能量愈小。
温度在绝对零度以上的物体，都会因自身的分子运动而辐射出红外线。通过红外探测器将物体辐射的功率信号转换成电信号，成像装置的输出的就可以完全一 一对应地模拟扫描物体表面温度的空间分布，经电子系统处理后传至显示屏上，得到与物体表面热分布相应的热像图。 运用这一方法，便能实现对目标进行远距离热状态图像成像和测温并进行分析判断。
2. 红外热像仪的原理
红外热像仪由红外探测器、 光学成像物镜和处理电路组成。早期的热像仪由于焦平面技术的限制，一般是线阵或×4、×6阵列的，需要光机扫描系统，目前基本为凝视型焦平面所代替，省略了光机扫描系统。利用物镜将目标的红外辐射能量分布图形成像到红外焦平面上，由焦平面将红外能量转换为电信号，经放大处理、转换为标准视频信号通过电视屏或监测器显示红外热像图。
这种热像图与物体表面的分布场相对应；实际上是被测目标物体各部分红外辐射的热像分布图由于信号非常弱，与可见光相比缺少层次和立体感，因此，在实际动作过程中为更有效地判断被测目标的红外热场，常采用一些辅助措施来增加仪器的实用功能，如图像亮度、对比度的控制，实际校正，伪色彩描绘等高线和直方进行运算、打印等。
3. 红外热像仪的主要参数
(1) 工作波段： 工作波段是指红外热像仪中所选择的红外探测器的响应波长区域，一般是3~5μm或8~12μm。 如美国FLIR的非制冷产品和制冷型QWIP系列都工作在长波8~12μm，制冷型产品MCT系列工作在中波3~5μm。
(2) 探测器类型：探测器类型是指使用的一种红外器件。如采用单元或多元(×2、×4等)、面阵等。可分为非制冷和制冷型2大类型。非制冷主要有热释电、多晶硅（α-Si，以法国sfradir为代表）、氧化钒（VOx，以美国FLIR为代表）等材料，目前，热释电热像仪基本被淘汰；制冷型主要有碲镉汞(PbCdTe，简称MCT)、 量子阱（QWIP）、锑化铟（InSb，该产品对中国禁运）等。
(3) 视频制式：我国标准电视制式，PAL制式，美国标准电视制式是NTSC制式。目前先进的热像仪同时还提供数字视频，有8位、10位及14位的。
(4) 显示方式：指屏幕显示是黑白显示还是伪彩显示。
(5) 温度测定范围：指测定温度的最低限与最高限的温度值的范围。
(6) 最大工作时间：红外热像仪允许连续的工作时间。
4. 红外热像仪的分类
红外热像仪一般分光机扫描成像系统和凝视型型成像系统.
光机扫描成像系统采用单元或多元(元数有 8、10、16、23、48、55、60、120、180甚至更多) 光电导或光伏红外探测器，用单元探测器时速度慢，主要是帧幅响应的时间不够快，多元阵列探测器可做成高速实时热像仪。
非扫描成像的热像仪，如今几年推出的阵列式凝视成像的焦平面热像仪，属新一代的热成像装置，在性能上大大优于光机扫描式热像仪，已基本取代光机扫描式热像仪。其关键技术是探测器由单片集成电路组成被测目标的整个视野都聚集在上面，并且图象更加清晰，使用更加方便，仪器非常小巧轻便，同时具有自动调焦图像冻结、连续放大，点温、线温、等温和语音注释图像等功能。
目前，热像仪主要是高端的制冷型热像仪（碲镉汞MCT、量子阱QWIP）、低端的非制冷热像仪（氧化钒、多晶硅热像仪）。
美国的Honeywell公司在九十年代初研发成功非制冷型氧化钒热像仪，目前其专利授权FLIR-INDIGO、BAE、L-3/IR、DRS、以及日本NEC、以色列SCD等几家公司生产。法国的CEA/LETI/LIR实验室在九十年代末研发成功非制冷型多晶硅热像仪，目前主要由法国的SOFRADIR和ULIS公司生产，也是中国市场的供应商。在非制冷热像仪领域，也主要是美国FLIR的氧化钒技术和法国SOFRADIR的多晶硅技术的竞争。
5、 红外热像仪的应用
热像仪作为一种红外成像仪器，不但在军事应用中占有很重要的地位在民用方面也具有很强的生命力。热像仪在军事和民用方面都有广泛的应用。随着热成像技术的成熟，各种低成本适于民用的热像仪的问世，它在国民经济各部门发挥着越来越大的作用。
在工业生产中，许多设备常处于高温、高压和高速运行状态，应用红外热像仪对这些设备进行检测和监控，既能保证设备的安全运转，又能发现异常情况以便及时排除隐患。同时，利用热像仪还可进行工业产品质量控制和管理。例如，在钢铁工业中的高炉和转炉所用耐火材料的烧蚀磨损情况，可用热像仪进行观测及时采取措施检修防止事故发生。又如，在石化工业中，热像仪可监视生产设备和管道的运行情况，随时提供有关沉淀形成、流动阻塞、漏热温度隔热材料变质等数据。再如，在电力工业中，发电机组、高压输电和配电线路等可用热像仪沿线扫查，找出故障隐患，及时排除以利于杜绝事故的发生。在电子工业中，也可用热像仪检查半导体器件、集成电路和印刷电路板等的质量情况，发现其他方法难以找到的故障。
此外，红外热像仪在医疗、治安、消防、考古、交通、农业和地质等许多领域均有重要的应用。如建筑物漏热查寻、森林探火、火源寻找、海上救护、矿石断裂判别、导弹发动机检查，公安侦查以及各种材料及制品质无损检查等。
6．红外热成像系统的主要技术指标
1). f/数
f/数是光学系统相对孔径的倒数。设光学系统的相对孔径为A=D/f(D为通光孔径,f为焦距)，1/A=f/D， 则数f/D 是表示系统的焦距f为通光孔径的多少倍。例如，f/3 表示光学系统的焦距为通光孔径的三倍。f/数代表的是红外系统接收红外热能量的能力。f/数越低，接收热能量越高，但镜头口径就越大。
2). 视场
视场是光学系统视场角的简称。它表示能够在光学系统像平面视场光阑内成像的空间范围，当目标位于以光轴为轴线，顶角为视场角的圆锥内的(任一点在一定距离内)时候被光学系统发现，即成像于光学系统像平面的视场光阑内。即使物体能在热像仪中成像的物空间的最大张角叫做视场。
3). 光谱响应
红外探测器对各个波长的入射辐射的响应称为光谱响应。一般的光电探测器均为选择性的探测器。
4). 空间分辨率
应用热像仪观测时，热像仪对目标空间形状的分辨能力。本行业中通常以mrad(毫弧度)的大小来表示。mrad的值越小，表明其分辨率越高。弧度值乘以半径约等于弦长，即目标的直径。如 1.3 mrad的分辨率意味着可以在100m的距离上分辨出 1.3×10-3 ×100=0.13m=13厘米的物体。
5).温度分辨率
温度分辨率 ：可以简单定义为仪器或使观察者能从背景中精确的分辨出目标辐射的小温度△T。民用热成像产品通常使用NETD 来表述该性能指标。
6).最小可分辨温差
分辨灵敏度和系统空间分辨率的参数，而且是以与观察者本身有关的主观评价参数，它的定义为：在使用标准的周期性测试卡(即高宽比为 7：1的4带条图情况下)， 观察人员可以分辨的最小目标、背景温差。上述观察过程中，观察时间、系统增益、信号电平值等可以不受限制的调整在最佳状态。
7).探测识别和辨认距离
探测、识别和辨认距离；这些是使用者很关心的性能指标。为每个使用者自身素质和仪器给出的图像质量的差异以及严格定义的困难(探测性能是一个多种因素的复合函数)这里只给出大致形象的定义； 探测距离是能将目标与背景及一些引起注意的目标清晰分别开来的最大临界；识别距离是将探测的目标能大致分出种类的距离，如是车辆还是舰船；辨认距离是在分别出种类的基础上的细分，如车辆是坦克还是汽车。
1. 红外线的发现与分布
1672年人们发现太阳光(白光)是由各种颜色的光复合而成，同时，牛顿作出了单色光在性质上比白色光更简单的著名结论。使用分光棱镜就把太阳光(白光)分解为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等各色单色光。 1800年，英国物理学家F. W. 赫胥尔从热的观点来研究各种色光时发现了红外线。他在研究各种色光的热量时，有意地把暗室的唯一的窗户用暗板堵住，并在板上开了一个矩型孔，孔内装了一个分光棱镜。当太阳光通过棱镜时，便被分解为彩色光带，并用温度计去测量光带中不同颜色所含的热量。为了与环境温度进行比较，赫胥尔用在彩色光带附近放几支作为比较用的温度计来测定周围环境温度。试验中，他偶然发现一个奇怪的现象：放在光带红光外的一支温度计，比室内其它温度的批示数值高。经过反复试验表明这个所谓热量最多的高温区，总是位于光带最边缘处红光的外面。于是他宣布太阳发出的辐射中除可见光线外，还有一种人眼看不见的热线，这种看不见热线位于红色外侧，叫做红外线。红外线是一种电磁波，具有与无线电波及可见光一样的本质，红外线的发展是人类对自然认识的一次飞跃，对研究、利用和发展红外技术领域开辟了一条全新的广阔道路。
红外线的波长在0.76--100μm之间，按波长的范围可分为近红外、中红外、远红外、极远红外四类，它在电磁波连续频谱中的位置是处于无线电波与可见光之间的区域。
红外线辐射是自然界存在的一种最为广泛的电磁波辐射，它是基于任何物体在常规环境下都会产生自身的分子和原子无规则的运动，并不停地辐射出热红外能量，分子和原子的运动愈剧烈，辐射的能量愈大，反之，辐射的能量愈小。
温度在绝对零度以上的物体，都会因自身的分子运动而辐射出红外线。通过红外探测器将物体辐射的功率信号转换成电信号，成像装置的输出的就可以完全一 一对应地模拟扫描物体表面温度的空间分布，经电子系统处理后传至显示屏上，得到与物体表面热分布相应的热像图。 运用这一方法，便能实现对目标进行远距离热状态图像成像和测温并进行分析判断。
2. 红外热像仪的原理
红外热像仪由红外探测器、 光学成像物镜和处理电路组成。早期的热像仪由于焦平面技术的限制，一般是线阵或×4、×6阵列的，需要光机扫描系统，目前基本为凝视型焦平面所代替，省略了光机扫描系统。利用物镜将目标的红外辐射能量分布图形成像到红外焦平面上，由焦平面将红外能量转换为电信号，经放大处理、转换为标准视频信号通过电视屏或监测器显示红外热像图。
这种热像图与物体表面的分布场相对应；实际上是被测目标物体各部分红外辐射的热像分布图由于信号非常弱，与可见光相比缺少层次和立体感，因此，在实际动作过程中为更有效地判断被测目标的红外热场，常采用一些辅助措施来增加仪器的实用功能，如图像亮度、对比度的控制，实际校正，伪色彩描绘等高线和直方进行运算、打印等。
3. 红外热像仪的主要参数
(1) 工作波段： 工作波段是指红外热像仪中所选择的红外探测器的响应波长区域，一般是3~5μm或8~12μm。 如美国FLIR的非制冷产品和制冷型QWIP系列都工作在长波8~12μm，制冷型产品MCT系列工作在中波3~5μm。
(2) 探测器类型：探测器类型是指使用的一种红外器件。如采用单元或多元(×2、×4等)、面阵等。可分为非制冷和制冷型2大类型。非制冷主要有热释电、多晶硅（α-Si，以法国sfradir为代表）、氧化钒（VOx，以美国FLIR为代表）等材料，目前，热释电热像仪基本被淘汰；制冷型主要有碲镉汞(PbCdTe，简称MCT)、 量子阱（QWIP）、锑化铟（InSb，该产品对中国禁运）等。
(3) 视频制式：我国标准电视制式，PAL制式，美国标准电视制式是NTSC制式。目前先进的热像仪同时还提供数字视频，有8位、10位及14位的。
(4) 显示方式：指屏幕显示是黑白显示还是伪彩显示。
(5) 温度测定范围：指测定温度的最低限与最高限的温度值的范围。
(6) 最大工作时间：红外热像仪允许连续的工作时间。
4. 红外热像仪的分类
红外热像仪一般分光机扫描成像系统和凝视型型成像系统.
光机扫描成像系统采用单元或多元(元数有 8、10、16、23、48、55、60、120、180甚至更多) 光电导或光伏红外探测器，用单元探测器时速度慢，主要是帧幅响应的时间不够快，多元阵列探测器可做成高速实时热像仪。
非扫描成像的热像仪，如今几年推出的阵列式凝视成像的焦平面热像仪，属新一代的热成像装置，在性能上大大优于光机扫描式热像仪，已基本取代光机扫描式热像仪。其关键技术是探测器由单片集成电路组成被测目标的整个视野都聚集在上面，并且图象更加清晰，使用更加方便，仪器非常小巧轻便，同时具有自动调焦图像冻结、连续放大，点温、线温、等温和语音注释图像等功能。
目前，热像仪主要是高端的制冷型热像仪（碲镉汞MCT、量子阱QWIP）、低端的非制冷热像仪（氧化钒、多晶硅热像仪）。
美国的Honeywell公司在九十年代初研发成功非制冷型氧化钒热像仪，目前其专利授权FLIR-INDIGO、BAE、L-3/IR、DRS、以及日本NEC、以色列SCD等几家公司生产。法国的CEA/LETI/LIR实验室在九十年代末研发成功非制冷型多晶硅热像仪，目前主要由法国的SOFRADIR和ULIS公司生产，也是中国市场的供应商。在非制冷热像仪领域，也主要是美国FLIR的氧化钒技术和法国SOFRADIR的多晶硅技术的竞争。
5、 红外热像仪的应用
热像仪作为一种红外成像仪器，不但在军事应用中占有很重要的地位在民用方面也具有很强的生命力。热像仪在军事和民用方面都有广泛的应用。随着热成像技术的成熟，各种低成本适于民用的热像仪的问世，它在国民经济各部门发挥着越来越大的作用。
在工业生产中，许多设备常处于高温、高压和高速运行状态，应用红外热像仪对这些设备进行检测和监控，既能保证设备的安全运转，又能发现异常情况以便及时排除隐患。同时，利用热像仪还可进行工业产品质量控制和管理。例如，在钢铁工业中的高炉和转炉所用耐火材料的烧蚀磨损情况，可用热像仪进行观测及时采取措施检修防止事故发生。又如，在石化工业中，热像仪可监视生产设备和管道的运行情况，随时提供有关沉淀形成、流动阻塞、漏热温度隔热材料变质等数据。再如，在电力工业中，发电机组、高压输电和配电线路等可用热像仪沿线扫查，找出故障隐患，及时排除以利于杜绝事故的发生。在电子工业中，也可用热像仪检查半导体器件、集成电路和印刷电路板等的质量情况，发现其他方法难以找到的故障。
此外，红外热像仪在医疗、治安、消防、考古、交通、农业和地质等许多领域均有重要的应用。如建筑物漏热查寻、森林探火、火源寻找、海上救护、矿石断裂判别、导弹发动机检查，公安侦查以及各种材料及制品质无损检查等。
6．红外热成像系统的主要技术指标
1). f/数
f/数是光学系统相对孔径的倒数。设光学系统的相对孔径为A=D/f(D为通光孔径,f为焦距)，1/A=f/D， 则数f/D 是表示系统的焦距f为通光孔径的多少倍。例如，f/3 表示光学系统的焦距为通光孔径的三倍。f/数代表的是红外系统接收红外热能量的能力。f/数越低，接收热能量越高，但镜头口径就越大。
2). 视场
视场是光学系统视场角的简称。它表示能够在光学系统像平面视场光阑内成像的空间范围，当目标位于以光轴为轴线，顶角为视场角的圆锥内的(任一点在一定距离内)时候被光学系统发现，即成像于光学系统像平面的视场光阑内。即使物体能在热像仪中成像的物空间的最大张角叫做视场。
3). 光谱响应
红外探测器对各个波长的入射辐射的响应称为光谱响应。一般的光电探测器均为选择性的探测器。
4). 空间分辨率
应用热像仪观测时，热像仪对目标空间形状的分辨能力。本行业中通常以mrad(毫弧度)的大小来表示。mrad的值越小，表明其分辨率越高。弧度值乘以半径约等于弦长，即目标的直径。如 1.3 mrad的分辨率意味着可以在100m的距离上分辨出 1.3×10-3 ×100=0.13m=13厘米的物体。
5).温度分辨率
温度分辨率 ：可以简单定义为仪器或使观察者能从背景中精确的分辨出目标辐射的小温度△T。民用热成像产品通常使用NETD 来表述该性能指标。
6).最小可分辨温差
分辨灵敏度和系统空间分辨率的参数，而且是以与观察者本身有关的主观评价参数，它的定义为：在使用标准的周期性测试卡(即高宽比为 7：1的4带条图情况下)， 观察人员可以分辨的最小目标、背景温差。上述观察过程中，观察时间、系统增益、信号电平值等可以不受限制的调整在最佳状态。
7).探测识别和辨认距离
探测、识别和辨认距离；这些是使用者很关心的性能指标。为每个使用者自身素质和仪器给出的图像质量的差异以及严格定义的困难(探测性能是一个多种因素的复合函数)这里只给出大致形象的定义； 探测距离是能将目标与背景及一些引起注意的目标清晰分别开来的最大临界；识别距离是将探测的目标能大致分出种类的距离，如是车辆还是舰船；辨认距离是在分别出种类的基础上的细分，如车辆是坦克还是汽车。
