热力学成像原理系统及应用综述

上帝说要有光，于是便有了光；人类说要把物体的温度图像化，于是就有了红外热成像技术。

本文主要内容：

• 什么是热力学成像？

• 热力学成像原理

• 热力学成像系统

• 热力学成像存在的问题

• 热力学成像应用

什么是热力学成像？

在自然界中，只要温度高于绝对零度（-273℃）的物体都能辐射电磁波。红外线是自然界中的电磁波最为广泛的一种存在形式，它是一种能量，而这种能量是我们肉眼看不见的。任何物体在常规环境下都会产生的自身的分子和原子无规则运动，并不停地辐射出热红外能量。

红外线是这些电磁波的一部分，它和可见光、紫外线、X射线、γ射线和无线电波一起，构成了一个完整连续的电磁波谱。如上图所示，波长范围是0.76μm到1000μm的电磁辐射，我们称为红外线辐射。

热成像技术是指利用红外探测器和光学成像物镜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件上，从而获得红外热像图，这种热像图与物体表面的热分布场相对应。通俗地讲红外热像仪就是将物体发出的不可见红外能量转变为可见的热图像。热图像上面的不同颜色代表被测物体的不同温度。

热力学成像原理

通俗的说，红外热成像是将不可见的红外辐射变为可见的热图像。不同物体甚至同一物体不同部位辐射能力和它们对红外线的反射强弱不同。利用物体与背景环境的辐射差异以及景物本身各部分辐射的差异，热图像能够呈现景物各部分的辐射起伏，从而能显示出景物的特征。热图像其实是目标表面温度分布图像。

如上图：热图像可以分辨出物体表面的热辐射差异。

在自然界中，一切物体都会辐射红外线，因此利用探测器测定目标本身和背景之间的红外线差，可以得到不同的红外图像。同一目标的热图像和可见光图像不同，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的图像。或者可以说，它是人眼不能直接看到目标的表面温度分布，而是变成人眼可以看到的代表目标表面温度分布的热图像。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，并可进行智能分析判断。

热力学成像系统

热成像系统就是通过一系列光学组件和光电处理等技术，接受红外热辐射，然后转换成人眼可以见的热图像，显示在屏幕上的整体系统。

红外热像仪基本工作原理为：红外线透过特殊的光学镜头，被红外探测器所吸收，探测器将强弱不等的红外信号转化成电信号，再经过放大和视频处理，形成可供人眼观察的热图像显示到屏幕上。

 

热力成像仪的分类

按照工作温度分类：

• 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。

• 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。

 

按照功能分类：

• 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。

• 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。

 

红外探测器参数

红外探测器是将不可见的红外辐射转换成可测量的信号的器件，是红外整机系统的核心关键部件。

• 探测器尺寸：

  
  探测器尺寸指探测器上单个探测元的大小，一般的规格有25μm，35μm等。

  探测元越小，则成像的质量越好。

• 红外探测器的分辨率：

  
  分辨率是衡量热像仪探测器优劣的一个重要参数，表示了探测器焦平面上有多少个单位探测元。

  目前市场主流分辨率为160×120，384×288等，此外还有320×240，640×480等。

  分辨率越高，成像效果也就越清晰。

• 红外光学镜头：

  
  红外光学镜头通常是由一组透镜组成，它们可以将接收到的各种红外线最终焦距到红外探测器上，进行光电转换处理。

  
  红外光学镜头中使用最多得是折射率为4得锗晶体，它适用于2～25μm波段。

  折射率为3得Si常用在1～6μm波段。

  耐热冲击的导弹整流罩，以采用热压的MgF2和ZnS最佳。

• 视场角（FOV）：

  
  视场角是由镜头系统主平面与光轴交点看景物或看成像面的线长度时所张的角度，通俗的说，镜头有一个确定的视野，镜头对这个视野的高度和宽度的张角称为视场角。

• 测温精度：

  
  测温精度是指测温型红外热像仪进行温度测量时，读取的温度数据与实际温度的差异。

  此数值越小，代表热像仪的性能越好。

• 测温范围：

  
  测温范围是指测温型红外热像仪可以测量到的最高温度和最低温度的范围。

 

• 焦距：

  
  透镜中心到其焦点的距离，通常用f表示。

  焦距的单位通常用mm(毫米)来表示，一个镜头的焦距一般都标在镜头的前面，如f=50mm（这就是我们通常所说的“标准镜头”），28-70mm（我们最常用的镜头）、70-210mm（长焦镜头）等。

  焦距越大，可清晰成像的距离就越远。

• 空间分辨率：

  
  空间分辨率是指图像中可辨认的临界物体空间几何长度的最小极限，即对细微结构的分辨率。

  数值越小，分辨率越高。

 

• 最小可分辨温差（MRTD）：
  在热成像中，MRTD是综合评价系统温度分辨率和空间分辨力的重要参数。在确定空间频率下，观察者刚好能分辨（50%概率）出四条带图案时，目标与背景之间的温差称为该空间频率的最小可分辨温差。MRTD值越小，红外热像仪性能越好。

• 噪声等效温差（NETD）：
  热像仪对测度图案进行观察，当系统的基准电子滤波器输出的信号电压峰值和噪声电压的均方根之比为1时，黑体目标和黑体背景的温差称为噪声等效温差。NETD越小，表示成像画面质量越好。

热力学成像存在的问题

• 鬼影：
  其指红外图像中出现的不随目标变化的或明或暗的纹路，它是由于红外探测器的探测元对红外辐射的响应率不均匀造成的。

• 坏点：
  坏点指在红外图像中坐标不随目标变化的明暗斑点，是由探测器的单个探测元对红外辐射的响应率过高或过低造成的，也称无效像元，如下图。

 

• 非均匀性校正：
  由于红外探测器制造工艺的局限，红外探测器每个探测元对红外辐射的响应率不同，成像面上会出现上述鬼影和坏点现象，影响热像仪的成像质量。

  非均匀性校正是指有效降低探测器的响应率不均匀性，提高热像仪成像质量的一种技术手段。经过非均匀性校正的热像仪成像画面均匀，鬼影和坏点现象消失，成像效果得到明显改善，可大大提高热像仪的观察能力。

 

• 补偿：

  
  补偿也成为校正，是为了获得非均匀性校正所需的原始数据，从而得到理想的红外图像，在图像出现不清晰的时候，可对热像仪进行补偿操作。

  补偿目标可以根据现场环境和目标特性选择不同的但温度均匀的物体，这个物体可以是干净无云的天空、热像仪的内置快门、或者关闭的镜头盖等。

 

热力学成像应用

过去，红外热成像技术由于成本昂贵的原因，其应用领域有了很大的局限性，主要应用于军事领域。虽说上世纪六十年代开始，红外热成像技术开始在工业及民用领域有所应用。

目前，红外热成像技术已经得到广泛的应用，主要分为军用与民用两大类，军/民比例大致7:3。一直以来，除了业界相关人士以外，该技术对于大部分民众来说仍是一种极其陌生的技术。

近期，随着新型肺炎在国内报告乃至全球蔓延后，才逐渐进入大众视野，为大众所熟知。

对于一项技术，它再酷再炫，我们最关心的莫过于该技术的实际应用情况。就我国而言，虽说红外热成像技术在我国得到了快速地发展，但是由于底子薄，无论是军事领域还是民用领域都处在大力追赶其他国家水平的阶段。

那么接下来我们便详细介绍红外热成像技术的应用发展情况：

• 电力行业
  第一大应用领域非电力行业莫属，在国内外，电力行业的巡检等工作离不开热成像仪的检测，不仅能够保证检测的全面性，更能保证巡检人员的安全！

• 石油化工
  在石油化工领域工作过的人都知道，许多石油化工生产的设备都是在高温高压下进行的，在生产过程中对反应炉等高温高压设备的实时监控是非常重要的。

 

• 公共场所安检
  公共场所特别是机场、车站等地，夜晚对可见光摄像头有较大的干扰，采用红外热成像监控，能弥补这一不足。

• 国防领域
  飞机的光电吊舱、坦克的红外热像系统、边防巡逻等起着非常重要的作用。

• 森林防火
  近期火灾频发，森林防火系统加入热成像之后，能够全天候的监控，做到了真正意义上的24小时监控，并且发现火灾隐火能力强，能做到预防的效果。

• 目标追踪

  
  夜晚，如果采用人工照明的手段，则容易暴露目标。

  若采用微光夜视设备，它同样也工作在可见光波段，依然需要外界光照明。

  而红外热成像仪是被动接受目标自身的红外热辐射，被动成像，无论白天黑夜均可以正常工作，并且也不会暴露自己。

 

• 安防领域

  
  安防监控领域，已经在国内得到了快速发展，红外热成像不受光照影响的特性，全天候监控成为了热成像的一大卖点。

  比如，这次新型肺炎疫情，重要的交通枢纽都用了热成像技术，为这次疫情提供很好的技术保障。

  2020年，安防行业一大很好的卖点。

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