红外热成像仪的工作原理、构成、特点分析

2020-01-08来源: elecfans关键字:红外热成像仪  工作原理  构成

在《一文读懂红外传器》中,我们了解到,红外热成像仪是红外传感器的诸多应用中非常重要的一种应用,从最初仅限于作为军用高科技产品,现在已经越来越普遍地走向工业和民用市场。


在电影《蒸发密令》里有这样一个镜头,施瓦辛格为了躲避持有热成像仪的对手的追杀,跳进了装满水的浴缸里,以便将自己的温度和周围保持一致,从而试图遮蔽自己的红外信号源,避免热成像仪的侦查。

红外热成像仪的工作原理、构成、特点分析

要想知道热像仪为什么这样神奇,首先还得从它的工作原理说起。

红外热成像仪的工作原理

所有高于绝对零度(-273℃)的物体都会发出红外辐射。利用某种特殊的电子装置将物体表面的温度分布转换成人眼可见的图像,并以不同颜色显示物体表面温度分布的技术称之为红外热成像技术,这种电子装置称为红外热成像仪。


红外热成像仪是利用红外探测器、光学成像物镜和光机扫描系统接受被测目标的红外辐射能量分布图形反映到红外探测器的光敏元上,在光学系统和红外探测器之间,有一个光机扫描机构对被测物体的红外热像进行扫描,并聚焦在单元或分光探测器上,由探测器将红外辐射能转换成电信号,经放大处理、转换或标准视频信号通过电视屏或监测器显示红外热像图。

红外热成像仪的工作原理、构成、特点分析

这种热像图与物体表面的热分布场相对应,但实际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,与可见光图像相比,缺少层次和立体感,因此,在实际过程中为更有效地判断被测目标的红外热分布场,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,实标校正,伪色彩描绘等高线和直方进行数学运算和处理等。

红外热成像仪的工作原理、构成、特点分析

需要说明的是,同一目标的热图像和可见光图像是不同的,它不是人眼所能看到的可见光图像,而是目标表面温度分布图像,或者说,红外热图像是人眼不能直接看到目标的表面温度分布,变成人眼可以看到的代表目标表面温度分布的热图像。

红外热成像仪的工作原理、构成、特点分析

红外热成像仪的构成

红外热像仪的构成包5大部分:

1、红外镜头: 接收和汇聚被测物体发射的红外辐射;

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2、红外探测器组件: 将热辐射型号变成电信号;

3、电子组件: 对电信号进行处理;

4、显示组件: 将电信号转变成可见光图像;

5、软件: 处理采集到的温度数据,转换成温度读数和图像。

红外热成像仪的分类

红外热像仪按照工作温度分为制冷型和非制冷性

红外热成像仪的工作原理、构成、特点分析

制冷式热成像仪:其探测器中集成了一个低温制冷器,这种装置可以给探测器降温度,这样是为了使热噪声的信号低于成像信号,成像质量更好。

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非制冷式热成像仪:其探测器不需要低温制冷,采用的探测器通常是以微测辐射热计为基础,主要有多晶硅和氧化钒两种探测器。

红外热像仪按照功能分为测温型和非测温型

红外热成像仪的工作原理、构成、特点分析

测温型红外热像仪:测温型红外热像仪,可以直接从热图像上读出物体表面任意点的温度数值,这种系统可以作为无损检测仪器,但是有效距离比较短。

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非测温型红外热像仪:非测温型红外热像仪只能观察到物体表面热辐射的差异,这种系统可以作为观测工具,有效距离比较长。


红外热成像仪的特点

与一般检测设备相比,红外热成像仪具有以下鲜明特点:

1、热成像仪可以对运动物体进行测温,而普通测温仪表很难做到这一点;

2、可以借助显微镜头对几微米甚至更小的目标进行测温;

3、可以快速地对设备进行热诊断;

4、不会对所测量的温度场产生干扰;

5、测温范围大,根据型号的不同,一般可测量0℃—2000℃的范围;

6、灵敏度高,根据型号不同,可分辨0.1℃甚至更小的温差;

7、使用安全,由于测量的非接触性,使得热成像仪使用起来非常安全。

红外热成像仪的发展历程

1800年,英国天文学家F.W.赫歇耳发现了红外线。

上世纪70年代,热成像系统和电荷耦合器件被成功应用。

上世纪末,以焦平面阵列(FPA)为代表的红外器件被成功应用。

红外热成像仪的工作原理、构成、特点分析

红外技术的核心是红外探测器,红外探测器按其特点可分为四代:

第一代(1970s-80s):主要是以单元、多元器件进行光机串/并扫描成像;

第二代(1990s-2000s):是以4x288为代表的扫描型焦平面;

第三代:凝视型焦平面;

第四代:目前正在发展的以大面阵、高分辨率、多波段、智能灵巧型为主要特点的系统芯片,具有高性能数字信号处理功能,甚至具备单片多波段探测与识别能力。


目前非制冷焦平面探测器的主流技术为热敏电阻式微辐射热计,根据使用的热敏电阻材料的不同可以分为氧化钒探测器和非晶硅探测器两种。

红外热成像仪的工作原理、构成、特点分析

非制冷焦平面阵列探测器的发展,其性能可以满足部分的军事用途和几乎所有的民用领域,真正实现了小型化、低价格和高可靠性,成为红外探测成像领域中极具前途和市场潜力的发展方向。


红外热成像仪的优点与缺点

红外热成像仪的优点

1、红外热成像技术是一种被动式的非接触的检测与识别,隐蔽性好。

由于红外热成像技术是一种对目标的被动式的非接触的检测与识别,因而隐蔽性好,不容易被发现,从而使红外热成像仪的操作者更安全、更有效。


2、红外热成像技术不受电磁干扰,能远距离精确跟踪热目标,精确制导。

由于红外热成像技术利用的是热红外线,因而不受电磁干扰。采用先进热成像技术的红外搜索与跟踪系统,能远距离精确跟踪热目标,并可同时跟踪多个目标,使武器发挥最佳效能。


红外热成像技术可精确制导,使制导武器具有较高的智能性和发射后不用管的能力,并可寻找最重要的目标予以摧毁,从而大幅度提高了弹药的命中精度,使其作战威力成几十倍地提高。


3、红外热成像技术能真正做到24h全天候监控。

红外辐射是自然界中存在最为广泛的辐射,而大气、烟云等可吸收可见光和近红外线,但是对3~5μm和8~14μm的红外线却是透明的,这两个波段被称为红外线的“大气窗口”。

因此,利用这两个窗口,可以在完全无光的夜晚,或是在雨、雪等烟云密布的恶劣环境,能够清晰地观察到所需监控的目标。正是由于这个特点,红外热成像技术能真正做到24h全天候监控。


4、红外热成像技术的探测能力强,作用距离远。

利用红外热成像技术进行探测的能力强,可在敌方防卫武器射程之外实施观察,其作用距离远。


目前手持式及装于轻武器上的热成像仪可让使用者看清800m以上的人体 ;且瞄准射击的作用距离为2~3km; 在舰艇上观察水面可达10km ; 在1.5km高的直升机上可发现地面单兵的活动 ;在20km高的偵察机上可发现地面的人群和行驶的车辆,并可分析海水温度的变化而探测到水下潜艇等。


5、红外热成像技术可采用多种显示方式,把人类的感官由五种增加到六种。

只有当物体的温度高达1000℃以上时,才能够发出可见光被人眼看见。而所有温度在绝对零度(-273℃)以上的物体,都会不停地发出热红外线。如一个正常的人所发出的热红外线能量,大约为100W。


这些都是人眼看不见的,但物体的热辐射能量的大小,直接和物体表面的温度相关。热辐射的这个特点使人们可以利用红外热成像技术对物体进行无接触温度测量和热状态分析,并可采用多种显示方式显示出来。


如对视频信号进行假彩色处理,便可由不同颜色显示不同温度的热图像;若反视频信号进行模数转换处理,即可用数字显示物体各点的温度值等,从而看清人眼原来看不见的东西。所以可以说,红外热成像技术把人类的感官由五种增加到六种。


6、红外热成像技术能直观地显示物体表面的温度场,不受强光影响,应用广泛。


红外测温仪只能显示物体表面某一小区域或某一点的温度值,而红外热成像仪则可以同时测量物体表面各点温度的高低,直观地显示物体表面的温度场,并以图像形式显示出来。

由于红外热成像仪是探测目标物体的红外热辐射能量的大小,从而不像微光像增强仪那样处于强光环境中时会出现光晕或关闭,因此不受强光影响。 

 

红外热成像技术除主要应用军事方面外,还可广泛应用于工业、农业、医疗、消防、考古、交通、地质、公安侦察等民用领域。并且,还可将这种技术大量地应用到安防监控领域中,以方便实现智能安防监控。


红外热成像仪的缺点:

1、图像对比度低,分辨细节能力较差

由于红外热成像仪靠温差成像,而一般目标温差都不大,因此红外热图像对比度低,使分辨细节能力变差。

2、不能透过透明的障碍物看清目标,如窗户玻璃。

由于红外热成像仪靠温差成像,而像窗户玻璃这种透明的障碍物,使红外热成像仪探测不到其后物体的温差,因而不能透过透明的障碍物看清目标。

3、成本高、价格贵

目前红外热成像仪的成本仍是限制它广泛使用的最大因素,但随着非致冷红外焦平面阵列的出现,提供了一种以低成本获得高分辨力、高可靠性器件的有效手段。随着科技的发展,关键技术的突破,并提高加工效率,今后的成本会大为降低的。

4、无法实现较远距离的监控,且监控画面只能判别是否有可疑人

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