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紅外熱像儀基礎理論、主要參數和應用
查看:267  發稿日期:2018-5-16 09:51:49

1. 紅外線的發現與分布

1672年人們發現太陽光(白光)是由各種顏色的光復合而成,同時, 牛頓作出了單色光在性質上比白色光更簡單的著名結論。使用分光棱鏡就把太陽光(白光)分解為紅、橙、黃、綠、青、藍、紫等各色單色光。 1800年,英國物理學家F. W. 赫胥爾從熱的觀點來研究各種色光時發現了紅外線。他在研究各種色光的熱量時,有意地把暗室的唯一的窗戶用暗板堵住,并在板上開了一個矩型孔,孔內裝了一個分光棱鏡。當太陽光通過棱鏡時,便被分解為彩色光帶,并用溫度計去測量光帶中不同顏色所含的熱量。為了與環境溫度進行比較,赫胥爾用在彩色光帶附近放幾 支作為比較用的溫度計來測定周圍環境溫度。試驗中,他偶然發現一個奇怪的現象:放在光帶紅光外的一支溫度計,比室內其它溫度的批示數值高。經過反復試驗表明這個所謂熱量最多的高溫區,總是位于光帶最邊緣處紅光的外面。于是他宣布太陽發出的輻射中除可見光線外,還有一種人眼看不見的熱線,這種看不見"熱線位于紅色外側,叫做紅外線。紅外線是一種電磁波,具有與無線電波及可見光一樣的本質,紅外線的發展是人類對自然認識的一次飛躍,對研究、利用和發展紅外技術領域開辟了一條全新的廣闊道路。

紅外線的波長在0.76--100μM之間,按波長的范圍可分為近紅外、中紅外、遠紅外、極遠紅外四類,它在電磁波連續頻譜中的位置是處于無線電波與可見光之間的區域。

紅外線輻射是自然界存在的一種最為廣泛的電磁波輻射,它是基于任何物體在常規環境下都會產生自身的分子和原子無規則的運動,并不停地輻射出熱紅外能量,分子和原子的運動愈劇烈,輻射的能量愈大,反之,輻射的能量愈小。

溫度在絕對零度以上的物體,都會因自身的分子運動而輻射出紅外線。通過紅外探測器將物體輻射的功率信號轉換成電信號,成像裝置的輸出的就可以完全一 一對應地模擬掃描物體表面溫度的空間分布,經電子系統處理后傳至顯示屏上,得到與物體表面熱分布相應的熱像圖。 運用這一方法,便能實現對目標進行遠距離熱狀態圖像成像和測溫并進行分析判斷。 2. 紅外熱像儀的原理        紅外熱像儀是利用紅外探測器、 光學成像物鏡和光機掃描系統(目前先進的焦平面技術則省去了光機掃描系統)接受被測目標的紅外輻射能量分布圖形反映到紅外探測器的光敏元上,在光學系統和紅外探測器之間,有一個光機掃描機構(焦平面熱像儀無此機構)對被測物體的紅外熱像儀進行掃描,并聚焦在單元或分光探測器上,由探測器將紅外輻射能轉換電信號,經放大處理、轉換為標準視頻信號通過電視屏或監測器顯示紅外熱像圖。

這種熱像圖與物體表面的分布場相對應;實際上是被測目標物體各部分紅外輻射的熱像分布圖由于信號非常弱,與可見光相比缺少層次和立體感,因此,在實際動作過程中為更有效地判斷被測目標的紅外熱場,常采用一些輔助措施來增加儀器的實用功能,如圖像亮度、對比度的控制,實際校正,偽色彩描繪等高線和直方進行運算、打印等。 3. 紅外熱像儀的主要參數

(1) 工作波段: 工作波段是指紅外熱像儀中所選擇的紅外探測器的響應波長區域,一般是3~5μm或8~12μm。

(2) 探測器類型:探測器類型是指使用的一種紅外器件。如采用單元或多元(元數8、10、16、23、48、55、60、120、180、等),采用硫化鋁(PBS)、 硒化鉛(PnSe)、碲化銦(InSb)、碲鎘汞(PbCdTe)、碲錫(PbSnTe)、鍺摻雜(Ge:X)和硅摻雜(SI:X)等。

(3) 掃描制式:一般為我國標準電視制式,PAL制式。

(4) 顯示方式:指屏幕顯示是黑白顯示還是偽彩顯示。

(5) 溫度測定范圍:指測定溫度的最低限與最高限的溫度值的范圍。

(6) 測溫準確度:指紅外熱像儀測溫的最大誤差與儀器量程之比的百分數。

(7) 最大工作時間:紅外熱像儀允許連續的工作時間。

4. 紅外熱像儀的分類    紅外熱像儀一般分光機掃描成像系統和非掃描成像系統.

光機掃描成像系統采用單元或多元(元數有 8、10、16、23、48、55、60、120、180甚至更多) 光電導或光伏紅外探測器,用單元探測器時速度慢,主要是幀幅響應的時間不夠快,多元陣列探測器可做成高速實時熱像儀。

非掃描成像的熱像儀,如今幾年推出的陣列式凝視成像的焦平面熱像儀,屬新一代的熱成像裝置,在性能上大大優于光機掃描式熱像儀,有逐步取代光機掃描式熱像儀的趨勢。其關鍵技術是探測器由單片集成電路組成被測目標的整個視野都聚集在上面,并且圖象更加清晰,使用更加方便,儀器非常小巧輕便,同時具有自動調焦圖像凍結、連續放大,點溫、線溫、等溫和語音注釋圖像等功能。儀器采用PC卡,其存儲容量可高達500幅圖像。

紅外熱電視是紅外熱像儀的一種。紅外熱電視是通過熱釋電攝像管(PEV)接受被測目標物體表面紅外輻射,并把目標內熱輻射分布的不可見熱圖像轉變成視頻信號。因此,熱釋點攝像管是紅外熱電視的關鍵器件,它是一種實時成像、寬譜成像(對比3~5μm及8~14μm有較好的頻率響應)具有中等分辨率的熱成像圖器件。主要由透鏡、靶面和電子槍三部分組成。其技術功能是將被測目標的紅外輻射線通過透鏡聚集成像到熱釋電攝像管,采用常溫熱電視探測器和電子束掃描及靶面成像技術來實現的。 5. 紅外熱像儀的發展    1800年,英國物理學家F. W.赫胥爾發現了紅外線,從此開辟了人類應用紅外技術的廣闊道路。 在第二次世界大戰中,德國人用紅外變像管作為光電轉換器件,研制出了主動式夜視儀和紅外通信設備,為紅外技術的發展奠定了基礎。

二次世界大戰后,首先由美國經過近一年的探索,開發研制的第一代用于軍事領域的紅外成像裝置,稱之為紅外尋視系統(FLIR0),它是利用光學機械系統對被測目標的紅外輻射掃描。由光子探測器接收兩維紅外輻射跡象,經光電轉換及一系列儀器處理,形成視頻圖像信號。這種系統、原始的形式是一種非實時的自動溫度分布記錄儀,后來隨著五十年代銻化銦和鍺摻汞光子探測器的發展,才開始出現高速掃描及實時顯示目標熱圖像的系統。

六十年代早期,瑞典研制成功第二代紅外成像裝置,它是在紅外尋視系統基礎上增加了測溫功能,稱之為紅外熱像儀。

開始由于保密的原因,在發達的國家中也僅限于軍用,投入應用的熱成像裝置可在黑夜或濃厚云霧中探測對方的目標,可探測偽裝的目標和高速運動的目標。由于有國家經費的支撐,投入的研制開發費用很大,儀器的成本很高。以后考慮到在工業發展中的實用性,結合工業紅外探測的特點,采取壓縮儀器造價。降低生產成本并根據民用的要求,通過減小掃描速度來提高圖像分辨率等措施逐漸發展到民用領域。

六十年代中期,瑞典研制出第一套工業用的實時成像系統(THV),該系統由液氮制冷,110V 電源電壓供電,重約 35 公斤,因此使用中便攜性很差,經過對儀器的幾代改進,1986 年研制的紅外熱像儀已無需液氮或高壓氣,而以熱電方式致冷,可用電池供電:1988年推出的全功能熱像儀,將溫度的測量、修改、分析、圖像采集、存儲合于一體,重量小于7公斤,儀器的功能、精度和可靠性都得到了顯著的提高。

九十年代中期,美國首先研制成功由軍用技術(FPA)轉民用并商品化的新一紅外熱像儀(CCD)屬焦平面陣列式結構的凝成像裝置,技術功能更加先進,現場測溫時只需對準目標攝取圖像,并將上述信息存儲到機內的PC 卡上,即完成全部操作,各種參數的設定可回到室內用軟件進行修改和分析數據,最后直接得出檢驗報告,由于技術的改進和結構的改變,取代了復雜的機誡掃描儀器重量已小于二公斤,使用中如同手持攝像機一樣,單手即可方便地操作。 6、 紅外熱像儀的應用熱像儀作為一種紅外成像儀器,不但在軍事應用中占有很重要的地位在民用方面也具有很強的生命力。它除具有紅外測溫儀的優點(如非接觸、快速、能對運動目標和微小目標測溫等)外,還具有下列優點:

(1) 直觀地顯示物體表面的溫度場。紅外測溫儀只能顯示物體表面某一小區域或某一點的溫度值,而熱像儀則可以同時測量物體表面各點溫度的高低,并以圖像形式顯示出來。

(2) 溫度分析率高。紅外測溫儀由于各種一因素的影響,很難分辨0.1以下的溫差,而熱像儀由于可以同時顯示出兩點的溫度值,因而能準確區分很小的溫差,甚至可達0.01:

(3) 可采用多種顯示方式。熱像儀輸出的視頻信號包含目標的大量信息,可用多種方式顯示出來。例如,對視頻信號進行假彩色處理,便可由不同顏色顯示不同溫度的熱圖像;若反視頻信號進行模數轉換處理,即可用數字顯示物體各點的溫度值:

(4) 可進行數據存儲和計算機處理。熱像儀輸出的視頻信號,可用數字存儲器存儲,或用錄像帶記錄,這樣既可長期保持又可用計算機作運算處理。

熱像儀在軍事和民用方面都有廣泛的應用。隨著熱成像技術的成熟,各種低成本適于民用的熱像儀的問世,它在國民經濟各部門發揮著越來越大的作用。在工業生產中,許多設備常處于高溫、高壓和高速運行狀態,應用紅外熱像儀對這些設備進行檢測和監控,既能保證設備的安全運轉,又能發現異常情況以便及時排除隱患。同時,利用熱像儀還可進行工業產品質量控制和管理。例如,在鋼鐵工業中的高爐和轉爐所用耐火材料的燒蝕磨損情況,可用熱像儀進行觀測及時采取措施檢修防止事故發生。又如,在石化工業中,熱像儀可監視生產設備和管道的運行情況,隨時提供有關沉淀形成、流動阻塞、漏熱溫度隔熱材料變質等數據。再如,在電力工業中,發電機組、高壓輸電和配電線路等可用熱像儀沿線掃查,找出故障隱患,及時排除以利于杜絕事故的發生。在電子工業中,也可用熱像儀檢查半導體器件、集成電路和印刷電路板等的質量情況,發現其他方法難以找到的故障。

此外,紅外熱像儀在醫療、治安、消防、考古、交通、農業和地質等許多領域均有重要的應用。如建筑物漏熱查尋、森林探火、火源尋找、海上救護、礦石斷裂判別、導彈發動機檢查,公安偵查以及各種材料及制品質無損檢查等。7.紅外熱成像系統的主要技術指標    1). f/數

f/數是光學系統相對孔徑的倒數.設光學系統的相對孔徑為A=D/f(D為通??拙?f為焦距),IA=f/D, 則數f/D 是表示系統的集中f為通光孔徑的多少倍。例如,f/3 表示光學系統的集中為通光孔徑的三倍。

2). 視場

視場是光學系統視場角的簡稱.它表示能夠在光學系統像平面視場光闌 內成像的空間范圍,當目標位于以光軸為軸線,頂角為視場角的圓錐內的(任一點在一定距離內),時候被光學系統發現,即成像于光學系統像平面的視場光闌內.即使物體能在熱像儀中成像的物空間的最大張角叫做視場, 一般是a”X 的矩形視場.

3). 光譜響應

紅外探測器對各個波長的入射輻射的響應稱為光譜響應。一般的光電探測器均為選擇性的探測器。

4). 空間分辨率
應用熱像儀觀測時,熱像儀對目標空間形狀的分辨能力。本行業中通常以mrad(毫弧度)的大小來表示。mrad的值越小,表明其分辨率越高?;《戎黨艘園刖對嫉扔諳頁?,即目標的直徑。如 1.3 mrad的分辨率意味著可以在100m的距離上分辨出 1.3×10-3 ×100=0.13m=13厘米的物體。
5).溫度分辨率
溫度分辨率 :可以簡單定義為儀器或使觀察者能從背景中精確的分辨出目標輻射的小溫度AT。民用熱成像產品通常使用NETD 來表述該性能指標。
6).最小可分辨溫差
分辨靈敏度和系統空間分辨率的參數,而且是以與觀察者本身有關的主觀評價參數,它的定義為: 在使用標準的周期性測試卡(即高寬比為 7:1的4帶條圖情況下), 觀察人員可以分辨的最小目標、背景溫差。上述觀察過程中,觀察時間、系統增益、信號電平值等可以不受限制的調整在最佳狀態。
7).幀頻
幀頻是熱像儀每秒鐘產生完整圖象的畫面數,單位為HZ。一般電視幀頻為25H z 。根據熱像儀的幀頻可分為快掃描和慢掃描兩大類。電力系統所用的設備一般采用快掃描熱像儀(幀頻在20Hz以上),否則就會帶來一些工作不便。
8).探測識別和辨認距離
探測、識別和辨認距離;這些是使用者很關心的性能指標。為每個使用者自身素質和儀器給出的圖像質量的差異以及嚴格定義的困難(探測性能是一個多種因素的復合函數)這里只給出大致形象的定義; 探測距離是能將目標與背景及一些引起注意的目標清晰分別開來的最大臨界;識別距離是將探測的目標能大致分出種類的距離,如是車輛還是艦船;辨認距離是在分別出種類的基礎上的細分,如車輛是坦克還是汽車。
9).顯示記錄方式
顯示記錄方式是指視監控器或液晶顯示; 顯示記錄放磁帶錄像啟示、軟區存盤或PC卡記錄,電子存儲器記錄;輸出接口、打印類型或照相等。目前較為先進的是PC卡存儲和電子存儲。

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