一文读懂红外传感器之红外热成像仪

在红外传感器的许多应用中，红外热像仪是非常重要的应用从最初仅限于军用高科技产品，到现在越来越受到工业和民用市场的欢迎

在电影《蒸发的密令》中，有一个场景是施瓦辛格为了避免被手持热像仪的对手追赶，跳进一个装满水的浴缸，以保持自己的温度与周围环境一致，从而试图屏蔽自己的红外信号源，躲避热像仪的探测。

想知道热像仪为什么这么神奇，还得从它的工作原理说起。

红外热像仪的工作原理

绝对零度以上的所有物体都会发出红外辐射利用特殊的电子器件将物体表面的温度分布转换成人眼可见的图像，并用不同的颜色显示物体表面的温度分布的技术称为红外热成像技术这种电子设备叫做红外热像仪

红外热像仪利用红外探测器，光学成像物镜和光机扫描系统接收被测物体的红外辐射能量分布图，并反射到红外探测器的光敏元件上在光学系统和红外探测器之间，光机扫描机构扫描待测物体的红外热像，并将其聚焦在单元或光谱探测器上探测器将红外辐射能量转化为电信号，红外热像经放大，转换或标准视频信号后显示在电视屏幕或监视器上

这种热像对应的是物体表面的热分布场但由于信号较弱，被测物体各部位红外辐射的热像分布与可见光图像相比缺乏层次和立体感因此，在实际过程中，为了更有效地判断被测物体的红外热分布场，往往采用一些辅助措施来增加仪器的实用功能，如图像亮度和对比度的控制，实标定，伪彩色等值线绘制和直线的数学计算与处理等

应当注意，同一目标的热图像不同于可见光图像它不是人眼能看到的可见图像，而是目标表面温度分布的图像换句话说，红外热像是人眼无法直接看到目标表面温度分布的热像，变成了人眼可以看到并代表目标表面温度分布的热像

红外热像仪的组成

红外热像仪由五个部件组成:

1.红外透镜:接收并会聚被测物体发出的红外辐射，

2.红外探测器组件:将热辐射模型转换成电信号，

3.电子元件:处理电信号，

4.显示组件:将电信号转换成可见光图像，

5.软件:处理收集的温度数据，并将其转换成温度读数和图像。

红外热像仪的分类红外热像仪根据工作温度分为冷却型和非冷却型。

冷藏热像仪:探测器中集成了一个低温冰箱该装置可以降低探测器的温度，使热噪声信号低于成像信号，成像质量更好

非制冷热像仪:其探测器不需要低温制冷，使用的探测器通常基于微测辐射热计，主要有多晶硅探测器和氧化钒探测器。

红外热像仪按其功能可分为测温型和非测温型。

温度计式红外热像仪:温度计式红外热像仪可以直接从热像上读出物体表面任意一点的温度值该系统可作为无损检测仪器，但其有效距离较短

非测温红外热像仪:非测温红外热像仪只能观察物体表面的热辐射差异该系统可用作有效距离较长的观测工具

红外热像仪的特点

与一般检测设备相比，红外热像仪具有以下显著特点:

1.热像仪可以测量运动物体的温度，这是普通温度计很难做到的，

2.你可以用显微镜头来测量几微米甚至更小目标的温度，

3，设备可以快速热诊断，

4.它不会干扰测量的温度场，

5.温度测量范围大。根据型号不同，一般可以测量0℃—2000℃的范围，

6.高灵敏度。根据不同的型号，可以区分0.1℃甚至更小的温差，

7.安全使用由于是非接触式测量，热像仪使用起来非常安全

红外热像仪的发展历史

1800年，英国天文学家F.W .赫歇尔发现了红外线。

20世纪70年代，热成像系统和CCD成功应用。

上世纪末，以焦平面阵列为代表的红外器件成功应用。

红外技术的核心是红外探测器，按其特点可分为四代:

第一代:光机串行/并行扫描成像，主要以单元和多分量进行，

第二代:以4x288为代表的扫描焦平面，

第三代:凝视焦平面，

第四代:目前正在开发的系统芯片，具有大面积阵列，高分辨率，多频段，智能和灵巧的特点，具有高性能的数字信号处理功能，甚至具有单芯片多频段探测和识别的能力。

目前非制冷焦平面探测器的主流技术是热敏电阻微测辐射热计，根据热敏电阻材料的不同分为氧化钒探测器和非晶硅探测器。

伴随着非制冷焦平面阵列探测器的发展，其性能可以满足部分军事应用和几乎所有民用领域，真正实现了小型化，低价格和高可靠性，成为红外探测与成像领域极具发展前途和市场潜力的发展方向。

红外热像仪的优缺点

红外热像仪的优势

1.红外热成像技术是一种被动式非接触探测和识别技术，具有良好的隐蔽性。

2.红外热成像技术不受电磁干扰，可以远距离精确跟踪热目标，提供精确制导。

因为红外热成像技术使用的是热红外线，所以不受电磁干扰采用先进热成像技术的红外搜索跟踪系统，能远距离精确跟踪热目标，并能同时跟踪多个目标，使武器发挥最佳效能

红外热成像技术可以提供精确制导，使制导武器具有高度的智能和发射后被忽略的能力，可以找到最重要的目标进行摧毁，从而大大提高弹药的命中精度，使其战力增加数倍。

3.红外热成像技术可以真正实现24小时全天候监控。

红外辐射是自然界中最广泛的辐射，而大气和烟云能吸收可见光和近红外线，但对3 ~ 5微米和8 ~ 14微米的红外线是透明的，被称为红外线的大气窗口。

因此，利用这两个窗口，可以在完全漆黑的夜晚或者雨雪等云层密布的恶劣环境下，清晰地观察到被监视的目标由于这一特点，红外热成像技术可以真正做到全天候监控

4.红外热成像技术探测能力强，作用距离远。

红外热成像技术探测能力强，可在敌方防御武器射程之外观察，作用距离远。

目前手持热像仪和轻武器上安装的热像仪，可以让使用者看清800m以上的人体，而瞄准射击的作用距离为2 ~ 3km，在船上观察水面可达10km地面单兵的活动可以在1.5km高度的直升机上找到，在20km高的侦察机上，可以发现地面的人和车辆，通过分析海水温度的变化，可以探测到水下的潜艇。

5.红外热成像技术可以采用多种显示模式，将人的感官从五种增加到六种。

只有当物体的温度高于1000℃时，它才能发出肉眼可见的可见光所有温度高于绝对零度的物体都会不断发出热红外线

这些是人眼看不到的，但是物体的热辐射能量与物体表面的温度直接相关热辐射的这一特性使得人们可以利用红外热成像技术对物体进行非接触式的温度测量和热状态分析，并以多种显示方式显示出来

如果对视频信号进行假彩色处理，不同温度的热像可以用不同的颜色显示出来如果对反相视频信号进行模数转换处理，就可以将物体各点的温度值数字化显示，使人眼看不到的东西看得一清二楚所以可以说红外热成像技术把人的感官从五种增加到了六种

6.红外热成像技术可以直观地显示物体表面的温度场，且不受强光影响，因此应用广泛。

红外测温仪只能显示物体表面小区域或某一点的温度值，而红外热像仪可以同时测量物体表面各点的温度，直观地显示物体表面的温度场，并以图像的形式显示出来。

由于红外热像仪探测的是目标物体的红外热辐射能量，不会像微光像增强器那样在强光环境下出现光晕或关闭，因此不受强光影响。

红外热成像技术可广泛应用于工业，农业，医疗，消防，考古，交通，地质，公安侦察等民用领域除了在军事上的主要应用之外此外，该技术可广泛应用于安防监控领域，有利于实现智能安防监控

红外热像仪的缺点:

1，图像对比度低，分辨细节的能力差。

由于红外热像仪依靠温差成像，一般目标温差不大，红外热像对比度低，分辨细节的能力较差。

2.透过透明的障碍物，比如窗户玻璃，看不清目标。

因为红外热像仪是依靠温差成像的，而像窗玻璃这样的透明障碍物使得红外热像仪无法探测到后面物体的温差，所以无法透过透明障碍物看清目标。

3.成本高，价格高。

目前，红外热像仪的成本仍是限制其广泛应用的最大因素，但伴随着非制冷红外焦平面阵列的出现，为低成本获得高分辨率，高可靠性的器件提供了有效手段伴随着科技的发展，关键技术的突破，加工效率的提高，未来成本会大大降低

4.无法实现远程监控，监控画面只能判断是否有可疑人员进入，看不清人的脸和长相。

红外热像仪广泛应用于军事和民用领域伴随着热成像技术的成熟和各种适合民用的低成本热像仪的问世，它在国民经济的各个部门发挥着越来越重要的作用

在工业生产中，许多设备经常用于高温，高压和高速运转利用红外热像仪对这些设备进行检测和监控，不仅可以保证设备的安全运行，还可以发现异常情况，以便及时消除隐患

同时，红外热像仪还可以用于工业产品的质量控制和管理此外，红外热像仪在医疗，公安，消防，考古，交通，农业，地质等许多领域都有重要应用

如建筑漏热搜索，森林火灾探测，火源搜索，海上救援，矿石断裂判别，导弹发动机检查，公安侦察以及各种材料和产品的无损检测等。

经过多年的发展，红外热成像技术已经从最初的主要军事用途扩展到广泛的民用领域，如工业监控和温度测量，执法和药物控制，安全和犯罪预防，医疗保健，遥感，先进设备故障诊断和维护，海上救援，天文探测，车辆，飞机和船舶驾驶员的夜视增强器等红外热成像技术正走向辉煌在当前对抗新型冠状病毒的斗争中发挥作用