分享關(guān)于紅外熱成像知識的原理及應(yīng)用

紅外線原理

1. 紅外線定義

在自然界中，只要溫度高于絕對零度（-273℃）的物體都能輻射電磁波。紅外線是自然界中的電磁波最為廣泛的一種存在形式，它是一種能量，而這種能量是我們?nèi)庋劭床灰姷摹Ｈ魏挝矬w在常規(guī)環(huán)境下都會產(chǎn)生的自身的分子和原子無規(guī)則運(yùn)動，并不停地輻射出熱紅外能量。

2. 紅外線波段范圍

太陽發(fā)出的光波又叫電磁波?？梢姽馐侨搜勰軌蚋惺艿碾姶挪?，經(jīng)三棱鏡折射后，能見到紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫七色光

紅外線是這些電磁波的一部分，它和可見光、紫外線、X射線、γ射線和無線電波一起，構(gòu)成了一個(gè)完整連續(xù)的電磁波譜。

如上圖所示，波長范圍是0.76μm到1000μm的電磁輻射，我們稱為紅外線輻射。

3. 紅外線的“大氣窗口”

紅外輻射電磁波在空氣中傳播要受到大氣的吸收而使得輻射的能量被衰減，如果吸收的能量過多，就無法使用熱像儀進(jìn)行觀察。

大氣、煙云等吸收紅外線也跟紅外輻射的波長有關(guān)，對于3~5微米和8~14微米的紅外線是透明的。因此，這兩個(gè)波段被稱為紅外線的“大氣窗口”。利用這兩個(gè)窗口，紅外熱像儀可以正常的環(huán)境中進(jìn)行觀測而不換產(chǎn)生紅外輻射衰減的情形。

如圖：

煙霧中看不清汽車，通過紅外熱像儀可以清晰看到。

紅外熱成像原理

1. 熱成像原理

通俗的說，紅外熱成像是將不可見的紅外輻射變?yōu)榭梢姷臒釄D像。

不同物體甚至同一物體不同部位輻射能力和它們對紅外線的反射強(qiáng)弱不同。利用物體與背景環(huán)境的輻射差異以及景物本身各部分輻射的差異，熱圖像能夠呈現(xiàn)景物各部分的輻射起伏，從而能顯示出景物的特征。

熱圖像其實(shí)是目標(biāo)表面溫度分布圖像。

如圖：熱圖像可以分辨出物體表面的熱輻射差異。

2. 紅外熱成像系統(tǒng)

熱成像系統(tǒng)就是通過一系列光學(xué)組件和光電處理等技術(shù)，接受紅外熱輻射，然后轉(zhuǎn)換成人眼可以見的熱圖像，顯示在屏幕上的整體系統(tǒng)。

3. 紅外熱像儀組成

紅外熱像儀基本工作原理為：紅外線透過特殊的光學(xué)鏡頭，被紅外探測器所吸收，探測器將強(qiáng)弱不等的紅外信號轉(zhuǎn)化成電信號，再經(jīng)過放大和視頻處理，形成可供人眼觀察的熱圖像顯示到屏幕上。方框圖如下：

名詞解釋

紅外熱像儀按照工作溫度分為制冷型和非制冷性

制冷式熱成像儀：

其探測器中集成了一個(gè)低溫制冷器，這種裝置可以給探測器降溫度，這樣是為了使熱噪聲的信號低于成像信號，成像質(zhì)量更好。

非制冷式熱成像儀：

其探測器不需要低溫制冷，采用的探測器通常是以微測輻射熱計(jì)為基礎(chǔ)，主要有多晶硅和氧化釩兩種探測器。

紅外熱像儀按照功能分為測溫型和非測溫型

測溫型紅外熱像儀：

測溫型紅外熱像儀，可以直接從熱圖像上讀出物體表面任意點(diǎn)的溫度數(shù)值，這種系統(tǒng)可以作為無損檢測儀器，但是有效距離比較短。

非測溫型紅外熱像儀，只能觀察到物體表面熱輻射的差異，這種系統(tǒng)可以作為觀測工具，有效距離比較長。

紅外探測器：

紅外探測器是將不可見的紅外輻射轉(zhuǎn)換成可測量的信號的器件，是紅外整機(jī)系統(tǒng)的核心關(guān)鍵部件。

探測器尺寸：

探測器尺寸指探測器上單個(gè)探測元的大小，一般的規(guī)格有25μm，35μm等。探測元越小，則成像的質(zhì)量越好。

紅外探測器的分辨率：

分辨率是衡量熱像儀探測器優(yōu)劣的一個(gè)重要參數(shù)，表示了探測器焦平面上有多少個(gè)單位探測元。目前市場主流分辨率為160×120，384×288等，此外還有320×240，640×480等。分辨率越高，成像效果也就越清晰。

紅外光學(xué)鏡頭：

紅外光學(xué)鏡頭通常是由一組透鏡組成，它們可以將接收到的各種紅外線最終焦距到紅外探測器上，進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換處理。

紅外光學(xué)鏡頭中使用最多得是折射率為4得鍺晶體，它適用于2～25μm波段。折射率為3得Si常用在1～6μm波段。耐熱沖擊的導(dǎo)彈整流罩，以采用熱壓的MgF2和ZnS最佳。

視場角（FOV）：

視場角是由鏡頭系統(tǒng)主平面與光軸交點(diǎn)看景物或看成像面的線長度時(shí)所張的角度，通俗的說，鏡頭有一個(gè)確定的視野，鏡頭對這個(gè)視野的高度和寬度的張角稱為視場角。

測溫精度：

測溫精度是指測溫型紅外熱像儀進(jìn)行溫度測量時(shí)，讀取的溫度數(shù)據(jù)與實(shí)際溫度的差異。此數(shù)值越小，代表熱像儀的性能越好。

測溫范圍：

測溫范圍是指測溫型紅外熱像儀可以測量到的最高溫度和最低溫度的范圍。

焦距：

透鏡中心到其焦點(diǎn)的距離，通常用f表示。焦距的單位通常用mm(毫米)來表示，一個(gè)鏡頭的焦距一般都標(biāo)在鏡頭的前面，如f=50mm（這就是我們通常所說的“標(biāo)準(zhǔn)鏡頭”），28-70mm（我們最常用的鏡頭）、70-210mm（長焦鏡頭）等。焦距越大，可清晰成像的距離就越遠(yuǎn)。

空間分辨率：

空間分辨率是指圖像中可辨認(rèn)的臨界物體空間幾何長度的最小極限，即對細(xì)微結(jié)構(gòu)的分辨率。數(shù)值越小，分辨率越高。

最小可分辨溫差（MRTD）：

在熱成像中，MRTD是綜合評價(jià)系統(tǒng)溫度分辨率和空間分辨力的重要參數(shù)。在確定空間頻率下，觀察者剛好能分辨（50%概率）出四條帶圖案時(shí)，目標(biāo)與背景之間的溫差稱為該空間頻率的最小可分辨溫差。MRTD值越小，紅外熱像儀性能越好。

噪聲等效溫差（NETD）：

熱像儀對測度圖案進(jìn)行觀察，當(dāng)系統(tǒng)的基準(zhǔn)電子濾波器輸出的信號電壓峰值和噪聲電壓的均方根之比為1時(shí)，黑體目標(biāo)和黑體背景的溫差稱為噪聲等效溫差。NETD越小，表示成像畫面質(zhì)量越好。

鬼影：

其指紅外圖像中出現(xiàn)的不隨目標(biāo)變化的或明或暗的紋路，它是由于紅外探測器的探測元對紅外輻射的響應(yīng)率不均勻造成的。

壞點(diǎn)：

壞點(diǎn)指在紅外圖像中坐標(biāo)不隨目標(biāo)變化的明暗斑點(diǎn)，是由探測器的單個(gè)探測元對紅外輻射的響應(yīng)率過高或過低造成的，也稱無效像元 。

非均勻性校正：

由于紅外探測器制造工藝的局限，紅外探測器每個(gè)探測元對紅外輻射的響應(yīng)率不同，成像面上會出現(xiàn)上述鬼影和壞點(diǎn)現(xiàn)象，影響熱像儀的成像質(zhì)量。

非均勻性校正是指有效降低探測器的響應(yīng)率不均勻性，提高熱像儀成像質(zhì)量的一種技術(shù)手段。經(jīng)過非均勻性校正的熱像儀成像畫面均勻，鬼影和壞點(diǎn)現(xiàn)象消失，成像效果得到明顯改善，可大大提高熱像儀的觀察能力。

補(bǔ)償：

補(bǔ)償也成為校正，是為了獲得非均勻性校正所需的原始數(shù)據(jù)，從而得到理想的紅外圖像，在圖像出現(xiàn)不清晰的時(shí)候，可對熱像儀進(jìn)行補(bǔ)償操作。補(bǔ)償目標(biāo)可以根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境和目標(biāo)特性選擇不同的但溫度均勻的物體，這個(gè)物體可以是干凈無云的天空、熱像儀的內(nèi)置快門、或者關(guān)閉的鏡頭蓋等。