紅外成像及應(yīng)用

主要內(nèi)容前言紅外成像的發(fā)展紅外成像原理紅外焦平面和紅外熱像儀分類紅外熱像儀的應(yīng)用紅外焦平面陣列和紅外成像儀的未來發(fā)展方向市場分析一、前言 自然界中一切物體，只要溫度高于絕對零度(-273℃)，就總是在不斷地發(fā)射輻射能（紅外線）。 因此，從原理上講，只要能收集并探測出這些輻射能，就可以通過重新排列來自探測器的、與景物輻射分布相對應(yīng)的信號(hào)，形成熱圖像。 這種熱圖像再現(xiàn)了景物各部分的輻射起伏，因而能顯示出景物的各部分的特征。 利用這種原理制成的成像器件就是紅外熱像儀。一、前言1.1紅外成像的由來1800年，英國天文學(xué)家W.Herschel發(fā)現(xiàn)紅外射線；十九世紀(jì)，認(rèn)識(shí)紅外輻射的本質(zhì)，建立基本的輻射定理；二十世紀(jì)七十年代，紅外電荷耦合器件(IRCCD)、陣列探測器(ArrayDetectors)和掃積型器件(SPRITE)等先進(jìn)探測器研制成功，紅外技術(shù)和紅外成像進(jìn)入并發(fā)展到了一個(gè)新的發(fā)展階段。一、前言紅外射線及大氣窗口紅外焦平面陣列探測器(IRFPA，infraredfocalplanearray)表征輻射性質(zhì)的基本物理量幾個(gè)基本的輻射定理1.2要了解的幾個(gè)概念一、前言紅外射線紅外射線是一種與物體的表面溫度密切相關(guān)的一種輻射，它是一種看不見、摸不著的一種電磁波。1.2.1紅外射線及窗口紅外窗口 紅外輻射：從0.76

m~1000

m的光輻射范圍。 習(xí)慣上，紅外波段被劃分為：“近”、“中”、“遠(yuǎn)”和“極遠(yuǎn)”四個(gè)區(qū)域。 根據(jù)紅外波在大氣中的傳輸特性，又分為三個(gè)窗口。四個(gè)區(qū)域15~103

m極遠(yuǎn)紅外區(qū)6~15

m遠(yuǎn)紅外區(qū)1.5~6

m中紅外區(qū)0.76~1.5

m近紅外區(qū)三個(gè)窗口8~12

m長波紅外窗口3~5

m中波紅外窗口0.8~2

m短波紅外窗口紅外成像一、前言IRFPA： 把大量探測器單元，按照一定規(guī)則，用先進(jìn)的微電子工藝，高密度地集成到一塊對紅外透明的材料芯片上，同時(shí)將其它必要的信號(hào)讀出及處理電路，如：前放，集成到同一芯片或另一其他材料的芯片上，構(gòu)成一個(gè)既能接收光輻射，又能將光電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榭捎脭?shù)據(jù)輸出的整體。1.2.2紅外焦平面陣列探測器 (IRFPA，infraredfocalplanearray)一、前言輻射通量輻射通量的空間密度F輻射出射度M輻射照度E輻射通量的譜密度M

黑體和灰體1.2.3表征輻射性質(zhì)的基本物理量輻射通量(RadiationFlux，單位：W) 單位時(shí)間內(nèi)通過某一表面的輻射能量Q(單位：J)。輻射通量的空間密度F(單位：W?m-2) 單位時(shí)間內(nèi)，通過單位面積的輻射能量。 當(dāng)只考慮輻射的發(fā)射和入照時(shí)，可分別使用輻射出射度M和輻射照度E。輻射出射度M(單位：W?m-2) 單位時(shí)間內(nèi)，從單位面積上輻射出的輻射能量。 物理意義：單位波長間隔(m)內(nèi)在單位面積(m2)上的輻射功率。輻射照度E(單位：W?m-2) 單位時(shí)間內(nèi)，單位面積上接收的輻射能量。輻射通量譜密度M

設(shè)一個(gè)物體的輻射出射度為M，則：

M

=dM／d M

是單位波長間隔中的輻射出射度，是波長的函數(shù)，稱為分光輻射出射度，或輻射通量譜密度。黑體和灰體絕對黑體：對任何波長的輻射，都能全部吸收的物體。黑體：只能吸收某一波長輻射的物體?；殷w：物體的吸收率不隨波長而變，且小于1。一、前言紅外成像原理中要涉及到的幾個(gè)輻射定理：普朗克定律斯蒂芬—玻爾茲曼定律維恩位移定律基爾霍夫定律1.2.4基本的輻射定理普朗克定律(Planck’sLaw) 以波長表示的普朗克公式為： 式中，M

表示絕對黑體的光譜輻射出射度（SpectralRadiantExitance），單位：W?cm-2?m-1。

表示波長(

m)，T表示絕對溫度(K)，C1、C2分別表示第一、第二輻射常數(shù)。1.2.4基本的輻射定理普朗克定律給出了絕對黑體輻射的光譜分布規(guī)律： 光譜輻射出射度隨溫度的增加而增加，溫度越高，所有波長上的光譜輻射出射度也就越大。且光譜輻射出射度的峰值波長隨溫度的增加而向短波方向移動(dòng)。斯蒂芬-玻爾茲曼定律 在全部波長范圍內(nèi)對普朗克公式積分，得到從黑體單位面積輻射到半球空間的總輻射功率，即總輻射出射度的表達(dá)式，通常稱為斯蒂芬－玻爾茲曼定律：

M表示黑體的總輻射出射度，單位W?cm-2。

=5.6696

10-8(W?m-2?k-4)，為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)。由斯蒂芬－玻爾茲曼定律可以看出：黑體的總輻射出射度與絕對溫度的四次方成正比，因此即使溫度變化相當(dāng)小，都會(huì)引起輻射出射度很大的變化。斯蒂芬-玻爾茲曼定律表明了黑體輻射功率和絕對溫度之間的關(guān)系，它是通過物體輻射功率測量物體溫度的主要理論依據(jù)。1.2.4基本的輻射定理維恩位移定律(Wein’sDisplancementLaw) 1893年，維恩從熱力學(xué)理論導(dǎo)出黑體輻射光譜的極大值對應(yīng)的波長：

max=b／T 式中，b=2897.8m?K。從維恩位移定律可知：光譜輻射出射度的峰值波長與絕對溫度成反比。溫度愈高，峰值波長越短。根據(jù)維恩位移定律，300K室溫目標(biāo)光譜出射度的峰值約為9.6

m，所以8~14

m的長波紅外成像特別受到重視1.2.4基本的輻射定理基爾霍夫定律(Kirchoff’sLaw) 一定溫度下，任何物體的輻射出射度與其吸收率的比值是一個(gè)普適函數(shù)，只是溫度、波長的函數(shù)，與物體的性質(zhì)無關(guān)?；鶢柣舴蚨杀砻鳎喝魏挝矬w的輻射出射度和其吸收率之比，等于同一溫度下黑體的輻射出射度。1.2.4基本的輻射定理二、紅外成像的發(fā)展 根據(jù)目前紅外熱成像系統(tǒng)的發(fā)展情況及對今后的預(yù)測，紅外熱成像系統(tǒng)大致可分為三代：第一代 指六十年代采用的致冷型單元或線列紅外探測器，以數(shù)目有限的探測單元為特征，借助光機(jī)掃描實(shí)現(xiàn)圖像探測，同時(shí)還需要低溫制冷器協(xié)同工作，如：HgCdTe、InSb、PbS等紅外探測器，其產(chǎn)品成本高。 第一代紅外技術(shù)分辨率和速度都受到限制，而且價(jià)格十分昂貴，應(yīng)用范圍僅局限于軍事。2.1紅外成像系統(tǒng)的分類二、紅外成像的發(fā)展第二代 80年代，探測器由單元或線列走向了面陣，紅外熱成像系統(tǒng)發(fā)展成為紅外焦平面陣列。 將紅外焦平面陣列器件應(yīng)用到紅外成像中，出現(xiàn)了致冷型固體紅外攝象機(jī)，它不需要光機(jī)掃描，通常稱該技術(shù)為第二代紅外技術(shù)。 與第一代相比，它改善了分辨率和速度，大大提高了紅外成象技術(shù)的水平，擴(kuò)大了應(yīng)用領(lǐng)域。2.1紅外成像系統(tǒng)的分類二、紅外成像的發(fā)展第二代 存在兩個(gè)缺點(diǎn)：制冷：需要工作在液氮溫度(77K，即：-196℃)。價(jià)格昂貴：致冷型長波紅外焦平面熱像儀每臺(tái)在10萬美元以上，民用應(yīng)用仍受到限制。以二維N

M元焦平面陣列(FPA)探測器為特征，自帶信號(hào)讀出電路，仍需要制冷，價(jià)格在萬元以上。2.1紅外成像系統(tǒng)的分類二、紅外成像的發(fā)展第三代 九十年代中期，美國發(fā)明了可在室溫環(huán)境下工作的固體紅外焦平面陣列，它完全克服了前兩種紅外技術(shù)的缺點(diǎn)，可以工作在室溫，無需致冷，所以無任何機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，如：斯特林致冷機(jī)和斬波調(diào)制等。 這種器件應(yīng)用到紅外成像中，出現(xiàn)了非致冷型紅外攝象儀。這種熱像儀不僅在軍事上得到了廣泛的應(yīng)用，而且還廣泛應(yīng)用到很多民用行業(yè)中。2.1紅外成像系統(tǒng)的分類二、紅外成像的發(fā)展美國德克薩斯儀器公司的紅外前視系統(tǒng)(FLIR) 二戰(zhàn)后，首先由美國德克薩斯儀器公司(TI)研制成功第一臺(tái)用于軍事領(lǐng)域的紅外熱成像裝置(FLIR)。 它利用光學(xué)機(jī)械系統(tǒng)對被測目標(biāo)的紅外輻射掃描，由單元光子探測器接收二維紅外輻射，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換及一系列信號(hào)處理，形成視頻圖像信號(hào)。 該系統(tǒng)的原始形式是非實(shí)時(shí)的自動(dòng)溫度分布記錄儀，隨著銻化銦和鍺化汞光子探測器的發(fā)展，才成為高速掃描和實(shí)時(shí)顯示目標(biāo)熱圖像的系統(tǒng)。2.2紅外成像系統(tǒng)的發(fā)展二、紅外成像的發(fā)展瑞典AGA公司的紅外熱像儀 六十年代初，瑞典AGA公司研制成功第二代紅外成像系統(tǒng)，它在紅外前視系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了測溫功能，被稱為紅外熱像儀。投入應(yīng)用的熱成像系統(tǒng)可在黑夜或濃霧中探測對方的目標(biāo)。 開始由于保密的原因，在發(fā)達(dá)國家也僅限于軍用，因?yàn)槭菓?yīng)用于軍事領(lǐng)域，熱成像系統(tǒng)的研制開發(fā)費(fèi)用很大，儀器成本很高。后來考慮到工業(yè)生產(chǎn)中的實(shí)用性，開始降低造價(jià)，以適應(yīng)民用市場要求。2.2紅外成像系統(tǒng)的發(fā)展二、紅外成像的發(fā)展AGA公司的工業(yè)用實(shí)時(shí)熱成像系統(tǒng)(THV) 六十年代中期，AGA公司研制出第一套工業(yè)用實(shí)時(shí)熱成像系統(tǒng)(THV)，該系統(tǒng)用液氮致冷，110V電源電壓供電，重達(dá)35公斤，使用中便攜性能很差。

1988年推出的全功能熱像儀，將溫度測量、圖像采集、存儲(chǔ)集為一體，儀器的功能、精度和可靠性得到了顯著的提高。 1986年，經(jīng)過改進(jìn)的紅外熱像儀已不需要液氮或高壓氣，而以熱電方式致冷，可用電池供電。2.2紅外成像系統(tǒng)的發(fā)展二、紅外成像的發(fā)展非致冷紅外焦平面成像傳感器 八十年代，美國霍尼威爾（Honeywell）公司，開發(fā)出非致冷紅外焦平面成像傳感器。

九十年代中期，該公司已制成320×240室溫工作的硅微測輻射熱傳感器以及相應(yīng)的電路與系統(tǒng)，現(xiàn)已裝配成各類軍用熱像儀，包括中波紅外窗口（3~5

m）和長波紅外窗口（8~12

m）熱像儀。2.2紅外成像系統(tǒng)的發(fā)展二、紅外成像的發(fā)展非致冷紅外焦平面成像傳感器 非致冷紅外焦平面陣列技術(shù)的出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了熱像儀系統(tǒng)的小型化和低成本，使熱像儀大量進(jìn)入廣闊的民用市場，進(jìn)一步擴(kuò)大了它的使用范圍。 近兩年典型的代表產(chǎn)品有：美國FLIR系統(tǒng)公司的ThermaCam系列、Raytheon系統(tǒng)公司的PalmIR系列以及ReportIR系列等，它們都采用了320×240的微測輻射熱計(jì)探測器。2.2紅外成像系統(tǒng)的發(fā)展二、紅外成像的發(fā)展能在室溫下工作，無需致冷；與大規(guī)模集成電路工藝兼容，成品率高、均勻性好，圖像清晰；體積小、重量輕、功耗低、工作可靠、使用壽命為10年，可做成便攜式產(chǎn)品，操作與維護(hù)簡便；響應(yīng)波段寬，能在3~5

m和8~12

m波段使用，溫度分辨率高，噪聲等效溫差可達(dá)100mK（0.1℃）；空間分辨率

1（mrad，毫弧度），空間分辨率高，可制成高密度像元陣列；2.3非致冷紅外焦平面熱像儀的優(yōu)點(diǎn)二、紅外成像的發(fā)展采用PAL和NTSC標(biāo)準(zhǔn)視頻輸出，可與電視顯示兼容；性能/價(jià)格比高。目前的價(jià)格是致冷固體紅外焦平面攝像機(jī)價(jià)格的1/3到1/5，預(yù)計(jì)以后可達(dá)1/10到1/100。2.3非致冷紅外焦平面熱像儀的優(yōu)點(diǎn)目標(biāo)表面發(fā)射的紅外輻射，經(jīng)大氣的紅外窗口，一般是中波和長波紅外窗口，傳輸?shù)轿镧R，即紅外光學(xué)系統(tǒng)。三、紅外成像的原理非制冷紅外成像框圖紅外光學(xué)系統(tǒng)目標(biāo)物體發(fā)出紅外輻射非致冷焦平面陣列A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)字信號(hào)處理器溫度參考信號(hào)邏輯時(shí)序控制紅外輻射經(jīng)過物鏡聚焦，被聚焦后的紅外輻射傳輸?shù)郊t外焦平面上，準(zhǔn)確的說是在光敏區(qū)上。光敏區(qū)接收到入射的紅外輻射后，在紅外輻射的入射位置上產(chǎn)生一個(gè)與入射紅外輻射性能有關(guān)的局部電荷。掃描焦平面陣列的不同部位、或按順序?qū)㈦姾蓚魉偷阶x出器件中，讀出這些電荷。當(dāng)信號(hào)以視頻信號(hào)輸出時(shí)，每一個(gè)局部稱做一個(gè)像元。紅外焦平面陣列的輸出信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后進(jìn)行DSP處理，A/D轉(zhuǎn)換一般是12~16位。三、紅外成像的原理數(shù)字信號(hào)處理器主要是進(jìn)行的是非線性校正等。(a)校正前(b)校正后實(shí)際圖像校正前后對比三、紅外成像的原理非制冷紅外成像框圖紅外光學(xué)系統(tǒng)目標(biāo)物體發(fā)出紅外輻射非致冷焦平面陣列A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)字信號(hào)處理器溫度參考信號(hào)USB接口數(shù)字輸出Video視頻模擬輸出邏輯時(shí)序控制紅外輻射到視頻信號(hào)的形成原理：

紅外熱像儀成像時(shí)，目標(biāo)物體的某個(gè)單位面積與圖像的某一像素相對應(yīng)，像素的灰度值就是熱像儀輸出的視頻信號(hào)幅度US經(jīng)過放大、量化后得到的電壓。根據(jù)輻射定理，理想情況下，考慮目標(biāo)物體的任意成像點(diǎn)（某個(gè)單位面積），US與波長、溫度等參數(shù)滿足以下關(guān)系：式中，

1~

2是紅外熱像儀工作波長范圍；

是熱像儀的瞬時(shí)視場角；

是玻耳茲曼常數(shù)；T為被測目標(biāo)溫度；

(

)是被測目標(biāo)的光譜發(fā)射率；

a(

)是大氣透過率；R(

)是熱像儀的總光譜響應(yīng)。三、紅外成像的原理非制冷紅外成像框圖紅外光學(xué)系統(tǒng)目標(biāo)物體發(fā)出紅外輻射非致冷焦平面陣列A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)字信號(hào)處理器溫度參考信號(hào)USB接口數(shù)字輸出Video視頻模擬輸出邏輯時(shí)序控制溫控器用戶界面高精度的溫度控制器可以成功抑制由于溫度微小變化而引起的工作波動(dòng)。四、紅外焦平面和紅外熱像儀分類根據(jù)焦平面陣列結(jié)構(gòu)分類單片式：在同一芯片上同時(shí)含有探測器和信號(hào)處理電路準(zhǔn)單片式：將探測器和讀出線路分別制備，然后裝在同一個(gè)襯底上，通過引線焊接將兩部分連在一起平面混合式：采用銦柱將探測器陣列正面的每個(gè)探測器與多路傳輸器一對一地對準(zhǔn)配接起來Z型混合式：將許多集成電路芯片一個(gè)一個(gè)的層疊起來，形成一個(gè)三維的電路層疊結(jié)構(gòu)4.1紅外焦平面分類四、紅外焦平面和紅外熱像儀分類根據(jù)焦平面陣列是否需要制冷分類制冷型IRFPA 基于光子探測原理。較高工作溫度下，探測器材料固有的熱激發(fā)迅速增強(qiáng)，暗電流和噪聲的增大將嚴(yán)重降低探測器的性能，甚至無法正常工作。這類探測器通常工作在200K溫度下，一般用液氮制冷。非制冷型UFPA4.1紅外焦平面分類四、紅外焦平面和紅外熱像儀分類根據(jù)焦平面陣列是否需要制冷分類非制冷型UFPA 按傳感器材料，目前的UFPA分為熱釋電和微測輻射熱計(jì)兩種，工作時(shí)不需要制冷器。 目前，UFPA的靈敏度比制冷型的要低2~3個(gè)數(shù)量級。但對許多應(yīng)用，特別是監(jiān)視與夜視已經(jīng)足夠。 在相同的陣列單元數(shù)和觀察條件下，UFPA攝像機(jī)的像質(zhì)與制冷型的所得像質(zhì)基本一致。4.1紅外焦平面分類四、紅外焦平面和紅外熱像儀分類光機(jī)掃描型 采用單元或多元的光電導(dǎo)或光伏紅外探測器，借助光機(jī)掃描器使單一探測器依次掃過景物的各部分，形成景物的二維圖像。 探測器把接收到的輻射信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過隔直電路把背景輻射從目標(biāo)信號(hào)中消除，從而獲得對比度良好的熱圖象。 這種類型的熱成像系統(tǒng)存著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高等缺點(diǎn)，是早期產(chǎn)品，主要應(yīng)用在軍事領(lǐng)域中。4.2紅外熱像儀分類四、紅外焦平面和紅外熱像儀分類非光機(jī)掃描型性能上優(yōu)于光機(jī)掃描型，有逐步取代它的趨勢。探測器由單片集成電路組成，是包含多個(gè)探測單元的面陣，每個(gè)單元與景物的一個(gè)微面元對應(yīng)，因此可取消光機(jī)掃描。高密度、低成本、高可靠性和高使用壽命的非致冷凝視焦平面陣列技術(shù)是紅外熱像技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷的第三次變革。不僅甩掉了機(jī)械掃描機(jī)構(gòu)、而且無需致冷，使紅外熱像系統(tǒng)進(jìn)一步小型化、精細(xì)化，系統(tǒng)成本降低差不多一個(gè)數(shù)量級。4.2紅外熱像儀分類五、紅外熱像儀的應(yīng)用應(yīng)用領(lǐng)域：公安執(zhí)法安全防犯車輛、飛行器和船只夜視停車場和飛機(jī)場的夜間監(jiān)視公安消防環(huán)境污染監(jiān)測發(fā)電廠和輸電線的檢測醫(yī)學(xué)方面對早期癌腫瘤診斷五、紅外熱像儀的應(yīng)用公安執(zhí)法現(xiàn)代毒品交易已遍及全球，執(zhí)法人員獲取現(xiàn)場毒品交易實(shí)況的難度愈來愈大，瞬時(shí)成像和非致冷紅外焦平面陣列攝像機(jī)使執(zhí)法人員的這種能力大為提高。

美國前視紅外系統(tǒng)（FLIR）公司生產(chǎn)的Seek-IR攝像機(jī)即為其中典范。五、紅外熱像儀的應(yīng)用車輛、飛行器和船只夜視致冷型前視紅外（FLIR）系統(tǒng)，由于成本高僅限于軍用飛行器、艦船、裝甲車和坦克等應(yīng)用。目前，非致冷紅外凝視焦平面陣列技術(shù)正在轉(zhuǎn)向民用，民用汽車、飛機(jī)和船只的夜視市場，是這一技術(shù)新進(jìn)步的結(jié)果。五、紅外熱像儀的應(yīng)用美國能源部OakRjdge國家實(shí)驗(yàn)室正在發(fā)展三種低成本的汽車夜視技術(shù)，這種夜視裝置能使駕駛員看清楚迎面而來的汽車前燈強(qiáng)光后面的情況。德克薩斯儀器公司的汽車夜間駕駛員迎頭顯示器把實(shí)時(shí)紅外熱圖像投影在車輛擋風(fēng)玻璃上，便于隨時(shí)觀看。汽車駕駛員夜間視頻增強(qiáng)系統(tǒng)的夜間觀察距離達(dá)1500英尺、正前方燈光距離30英尺以上，公路上的障礙、停車斜面與進(jìn)出車輛均可識(shí)別出來。日本和法國也都在發(fā)展這種用于汽車、飛機(jī)、船只和火車的交通運(yùn)輸安全技術(shù)。五、紅外熱像儀的應(yīng)用安全防范金融機(jī)構(gòu)和公共設(shè)施的安全防犯日益引起全社會(huì)的嚴(yán)重關(guān)注，罪犯襲擊的目標(biāo)往往是金融機(jī)構(gòu)。紅外熱像儀幾乎在任意條件下（含白天、黑夜）都可使用，對潛伏在光照區(qū)域外的入侵罪犯，也能判明其位置，記錄下犯罪的實(shí)況。因此安全防范是非致冷紅外熱成像焦平面技術(shù)的又一個(gè)大型應(yīng)用市場。五、紅外熱像儀的應(yīng)用環(huán)境污染監(jiān)測石油勘探生產(chǎn)和工廠排污必須受到嚴(yán)格的監(jiān)控。墨西哥灣海底是美國石油和天然氣的主要來源，有3800多口油井在日夜運(yùn)行。政府嚴(yán)格規(guī)定：“禁止把含油量超過百分之幾的廢水排入海灣”。這一禁令由光電子系統(tǒng)負(fù)責(zé)執(zhí)行，廢水含油量用紅外光譜儀測定。紅外光譜儀還可用于分析汽油添加劑、監(jiān)測紡織品成品、測量鋁板上涂層厚度、監(jiān)測土壤中的污染物和分析潤滑油的質(zhì)量等，其應(yīng)用范圍正在不斷擴(kuò)大。五、紅外熱像儀的應(yīng)用公安消防消防工作中，常遇到濃煙霧。特別在夜間消防現(xiàn)場環(huán)境下，消防人員的能見度受到限制，容易造成人員傷亡和裝備損失。

非致冷紅外焦平面陣列在消防頭盔上的應(yīng)用，大大提高了消防隊(duì)員在濃煙密霧和夜間現(xiàn)場的觀察和機(jī)動(dòng)能力。五、紅外熱像儀的應(yīng)用公安消防通用電氣公司的DRA公司已發(fā)展了這種技術(shù)的幾種應(yīng)用系統(tǒng)，如第一個(gè)采用非致冷紅外焦平面成像技術(shù)的商用消防頭盔紅外成像系統(tǒng)（IRIS），通過煙霧可見到一切，現(xiàn)場工作測試溫度達(dá)1200℃。與普通器具相比縮短了50%以上的搜索和救援時(shí)間。日本的川崎重工業(yè)公司也開發(fā)了利用紅外攝像機(jī)自動(dòng)探測周圍3km左右范圍內(nèi)的夜間早期火災(zāi)監(jiān)視系統(tǒng)。它將探測到的火災(zāi)發(fā)生位置標(biāo)示在地圖上，利用與指揮部相連的線路可探測監(jiān)視更為廣闊的范圍，早期發(fā)現(xiàn)火情。五、紅外熱像儀的應(yīng)用發(fā)電廠和輸電線的檢測發(fā)電廠和輸電線故障的非接觸式故障診斷檢測與維護(hù)是紅外焦平面陣列技術(shù)商業(yè)應(yīng)用的又一個(gè)引人注目的領(lǐng)域。美國肯尼迪空間中心目前用4臺(tái)熱像儀監(jiān)測數(shù)千臺(tái)電機(jī)和其它設(shè)備，用紅外攝像機(jī)進(jìn)行先期預(yù)測性檢測取得了極好的效果。五、紅外熱像儀的應(yīng)用電力系統(tǒng)使用情況監(jiān)測：變電站觀察三相輸電線接頭（亮處顯示接觸不良）五、紅外熱像儀的應(yīng)用高壓絕緣子中部（明亮部分）有嚴(yán)重缺陷五、紅外熱像儀的應(yīng)用醫(yī)學(xué)方面對早期癌腫瘤診斷惡性腫瘤區(qū)的體溫，比正常人體的體溫區(qū)高0.5℃以上，用非致冷紅外熱像儀可實(shí)現(xiàn)無接觸診斷。六、未來發(fā)展方向芯片上的模/數(shù)轉(zhuǎn)換光子記數(shù)背景抑制光學(xué)讀出靈巧焦平面6.1紅外焦平面陣列未來發(fā)展方向六、未來發(fā)展方向芯片上的A/D轉(zhuǎn)換過去幾年，A/D轉(zhuǎn)換電路技術(shù)發(fā)展很快，特別是與紅外焦平面陣列讀出帶寬相似的聲頻帶寬A/D轉(zhuǎn)換用的低功率電路技術(shù)已經(jīng)按常規(guī)達(dá)到16位的水平。一種在50kHz時(shí)，分辨率為18位的4階增量A/D轉(zhuǎn)換器已被推薦應(yīng)用于空間技術(shù)。6.1紅外焦平面陣列未來發(fā)展方向六、未來發(fā)展方向光子記數(shù)紅外焦平面陣列中的光子記數(shù)可通過兩種方法實(shí)現(xiàn)：在讀出之前將光電子放大；用晶胞電子部件中的高增益計(jì)算單個(gè)的光電子。雖然目前已經(jīng)為一些專門的低背景、長波長應(yīng)用部件研制了固態(tài)光電倍增管器件，但是類似的放大在一個(gè)較寬的波長范圍內(nèi)還是有用的。6.1紅外焦平面陣列未來發(fā)展方向六、未來發(fā)展方向光學(xué)讀出典型的杜瓦瓶連接線伴隨有電容和熱負(fù)載，為此人們已開始探索焦平面陣列的光學(xué)讀出。加利福尼亞阿祖薩的Aerojet公司已提出用光學(xué)信號(hào)為低溫焦平面陣列提供計(jì)時(shí)和功率。噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室已開始調(diào)查焦平面上的光學(xué)調(diào)制器在焦平面陣列模擬光學(xué)讀出方面的使用情況。6.1紅外焦平面陣列未來發(fā)展方向六、未來發(fā)展方向靈巧焦平面原理上，增加焦平面上的處理量可以降低空間載科學(xué)遙感器的數(shù)據(jù)傳輸要求。然而，科學(xué)界一般對這種方法持不贊賞態(tài)度。但是，未來的一些光譜繪圖飛行任務(wù)可能會(huì)有降低深空間通訊帶寬的要求。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電路在焦平面上或許能得到有效使用，它可以用于識(shí)別某些光譜特征，對具體數(shù)據(jù)進(jìn)行分類或加標(biāo)記，以減小傳輸帶寬或啟用其它更高級的功能。這種用于成像光譜儀的光譜神經(jīng)處理技術(shù)是噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室最近提出的。六、未來發(fā)展方向靈巧焦平面原理上，增加焦平面上的處理量可以降低空間載科學(xué)遙感器的數(shù)據(jù)傳輸要求。然而，科學(xué)界一般對這種方法持不贊賞態(tài)度。但是，未來的一些光譜繪圖飛行任務(wù)可能會(huì)有降低深空間通訊帶寬的要求。6.1紅外焦平面陣列未來發(fā)展方向六、未來發(fā)展方向靈巧焦平面神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電路在焦平面上或許能得到有效使用，它可以用于識(shí)別某些光譜特征，對具體數(shù)據(jù)進(jìn)行分類或加標(biāo)記，以減小傳輸帶寬或啟用其它更高級的功能。這種用于成像光譜儀的光譜神經(jīng)處理技術(shù)是噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室最近提出的。

6.1紅外焦平面陣列未來發(fā)展方向六、未來發(fā)展方向小型化多功能化數(shù)字化空間分辨率更高，可分辨溫差更小6.2紅外熱像儀未來發(fā)展方向七、市場分析國際方面隨著技術(shù)的突破和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，紅外熱像儀應(yīng)用市場急劇上升。美國Frost&Sullivan公司提供的報(bào)告指出：1995~2001年，美國軍用和民用紅外傳感器系統(tǒng)市場規(guī)模從7億美元激增到15億美元。其中，民用系統(tǒng)銷售額從95年的22%上升到01年的37.7%。民用市場急劇上升的主要原因是：非致冷紅外焦平面陣列的開發(fā)成功，拓展了新的應(yīng)用領(lǐng)域。如執(zhí)法監(jiān)視、天文探測、飛機(jī)著陸輔助裝置、汽車夜視增強(qiáng)裝置和工業(yè)應(yīng)用等。七、市場分析國際方面從1964年美國德克薩斯儀器公司（TI）首次研制成功第一代的熱紅外成像裝置（紅外前視系統(tǒng)(FLIR)）至今，紅外熱成像技術(shù)經(jīng)過了近40年的發(fā)展。據(jù)國際光學(xué)學(xué)會(huì)（SPIE）的估計(jì)，紅外熱成像產(chǎn)品的世界市場規(guī)模每年約40億美元，美國和瑞典憑借領(lǐng)先世界的技術(shù)和強(qiáng)大的綜合實(shí)力，產(chǎn)品份額占70%以上，在此領(lǐng)域獲取了巨額利潤。七、市場分析國內(nèi)方面1999年6月24的《科技日報(bào)》專門為我國的紅外成像應(yīng)用前景發(fā)表文章，摘錄如下：“我國自改革開放以來也逐漸匯入了紅外熱成像產(chǎn)品的應(yīng)用大潮。1989年，我國依靠自己的力量研制成功了紅外熱成像設(shè)備，但由于這些產(chǎn)品沒有達(dá)到應(yīng)用水平，中國的紅外熱成像產(chǎn)品市場依然被外國人壟斷，以致一些專業(yè)人士呼吁：警惕洋貨，以確保自己的民族品牌。僅以我國電力系統(tǒng)為例，紅外熱成像檢國內(nèi)方面測技術(shù)已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)第一線。我國電力系統(tǒng)每年用于購買進(jìn)口紅外熱成像檢測設(shè)備的款項(xiàng)均不少于1000萬美元。石油、化工、冶金、煤炭等行業(yè)系統(tǒng)也大體不低于這個(gè)水平。國防及社會(huì)治安等領(lǐng)域在這方面的投入是非常巨大的。據(jù)中國光學(xué)協(xié)會(huì)預(yù)測，在今后五年，我國紅外熱成像設(shè)備市場需求總數(shù)在4萬臺(tái)左右，然而我國目前的年自產(chǎn)量不足500臺(tái)。如此巨大的市場似乎只好要洋貨來填充了”。可見國內(nèi)市場需求是極其巨大的。課外作業(yè)寫一份《中國或浙江省或杭州市紅外成像技術(shù)和應(yīng)用市場調(diào)查報(bào)告》要求：(1)每3人一組(2)字?jǐn)?shù)不少于4000字(3)作業(yè)包括“WORD”文檔和“PPT”兩種格式，下堂課交，不需要打印，交電子文稿即可。(4)下堂課隨機(jī)抽2個(gè)小組上臺(tái)演講。第一節(jié)活塞式空壓機(jī)的工作原理第二節(jié)活塞式空壓機(jī)的結(jié)構(gòu)和自動(dòng)控制第三節(jié)活塞式空壓機(jī)的管理復(fù)習(xí)思考題單擊此處輸入你的副標(biāo)題，文字是您思想的提煉，為了最終演示發(fā)布的良好效果，請盡量言簡意賅的闡述觀點(diǎn)。第六章活塞式空氣壓縮機(jī)

piston-aircompressor壓縮空氣在船舶上的應(yīng)用：

1.主機(jī)的啟動(dòng)、換向；

2.輔機(jī)的啟動(dòng)；

3.為氣動(dòng)裝置提供氣源；

4.為氣動(dòng)工具提供氣源；

5.吹洗零部件和濾器。

排氣量:單位時(shí)間內(nèi)所排送的相當(dāng)?shù)谝患壩鼩鉅顟B(tài)的空氣體積。單位：m3/s、m3/min、m3/h第六章活塞式空氣壓縮機(jī)

piston-aircompressor空壓機(jī)分類：按排氣壓力分：低壓0.2～1.0MPa；中壓1～10MPa；高壓10～100MPa。按排氣量分：微型<1m3/min；小型1～10m3/min；中型10～100m3/min；大型>100m3/min。第六章活塞式空氣壓縮機(jī)

piston-aircompressor第一節(jié)活塞式空壓機(jī)的工作原理容積式壓縮機(jī)按結(jié)構(gòu)分為兩大類：往復(fù)式與旋轉(zhuǎn)式兩級活塞式壓縮機(jī)單級活塞壓縮機(jī)活塞式壓縮機(jī)膜片式壓縮機(jī)旋轉(zhuǎn)葉片式壓縮機(jī)最長的使用壽命-

----低轉(zhuǎn)速（1460RPM），動(dòng)件少（軸承與滑片），潤滑油在機(jī)件間形成保護(hù)膜，防止磨損及泄漏，使空壓機(jī)能夠安靜有效運(yùn)作；平時(shí)有按規(guī)定做例行保養(yǎng)的JAGUAR滑片式空壓機(jī)，至今使用十萬小時(shí)以上，依然完好如初，按十萬小時(shí)相當(dāng)于每日以十小時(shí)運(yùn)作計(jì)算，可長達(dá)33年之久。因此，將滑片式空壓機(jī)比喻為一部終身機(jī)器實(shí)不為過?；?葉)片式空壓機(jī)可以365天連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)并保證60000小時(shí)以上安全運(yùn)轉(zhuǎn)的空氣壓縮機(jī)1.進(jìn)氣2.開始壓縮3.壓縮中4.排氣1.轉(zhuǎn)子及機(jī)殼間成為壓縮空間，當(dāng)轉(zhuǎn)子開始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，空氣由機(jī)體進(jìn)氣端進(jìn)入。2.轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)使被吸入的空氣轉(zhuǎn)至機(jī)殼與轉(zhuǎn)子間氣密范圍，同時(shí)停止進(jìn)氣。3.轉(zhuǎn)子不斷轉(zhuǎn)動(dòng)，氣密范圍變小，空氣被壓縮。4.被壓縮的空氣壓力升高達(dá)到額定的壓力后由排氣端排出進(jìn)入油氣分離器內(nèi)。4.被壓縮的空氣壓力升高達(dá)到額定的壓力后由排氣端排出進(jìn)入油氣分離器內(nèi)。1.進(jìn)氣2.開始壓縮3.壓縮中4.排氣1.凸凹轉(zhuǎn)子及機(jī)殼間成為壓縮空間，當(dāng)轉(zhuǎn)子開始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，空氣由機(jī)體進(jìn)氣端進(jìn)入。2.轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)使被吸入的空氣轉(zhuǎn)至機(jī)殼與轉(zhuǎn)子間氣密范圍，同時(shí)停止進(jìn)氣。3.轉(zhuǎn)子不斷轉(zhuǎn)動(dòng)，氣密范圍變小，空氣被壓縮。螺桿式氣體壓縮機(jī)是世界上最先進(jìn)、緊湊型、堅(jiān)實(shí)、運(yùn)行平穩(wěn)，噪音低，是值得信賴的氣體壓縮機(jī)。螺桿式壓縮機(jī)氣路系統(tǒng)：

A

進(jìn)氣過濾器

B

空氣進(jìn)氣閥

C

壓縮機(jī)主機(jī)

D

單向閥

E

空氣/油分離器

F

最小壓力閥

G

后冷卻器

H

帶自動(dòng)疏水器的水分離器油路系統(tǒng)：

J

油箱

K

恒溫旁通閥

L

油冷卻器

M

油過濾器

N

回油閥

O

斷油閥冷凍系統(tǒng)：

P

冷凍壓縮機(jī)

Q

冷凝器

R

熱交換器

S

旁通系統(tǒng)

T

空氣出口過濾器螺桿式壓縮機(jī)渦旋式壓縮機(jī)

渦旋式壓縮機(jī)是20世紀(jì)90年代末期開發(fā)并問世的高科技壓縮機(jī)，由于結(jié)構(gòu)簡單、零件少、效率高、可靠性好，尤其是其低噪聲、長壽命等諸方面大大優(yōu)于其它型式的壓縮機(jī)，已經(jīng)得到壓縮機(jī)行業(yè)的關(guān)注和公認(rèn)。被譽(yù)為“環(huán)保型壓縮機(jī)”。由于渦旋式壓縮機(jī)的獨(dú)特設(shè)計(jì)，使其成為當(dāng)今世界最節(jié)能壓縮機(jī)。渦旋式壓縮機(jī)主要運(yùn)動(dòng)件渦卷付，只有磨合沒有磨損，因而壽命更長，被譽(yù)為免維修壓縮機(jī)。

由于渦旋式壓縮機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)、振動(dòng)小、工作環(huán)境安靜，又被譽(yù)為“超靜壓縮機(jī)”。

渦旋式壓縮機(jī)零部件少，只有四個(gè)運(yùn)動(dòng)部件,壓縮機(jī)工作腔由相運(yùn)動(dòng)渦卷付形成多個(gè)相互封閉的鐮形工作腔，當(dāng)動(dòng)渦卷作平動(dòng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，使鐮形工作腔由大變小而達(dá)到壓縮和排出壓縮空氣的目的。活塞式空氣壓縮機(jī)的外形第一節(jié)活塞式空壓機(jī)的工作原理一、理論工作循環(huán)（單級壓縮）工作循環(huán)：4—1—2—34—1吸氣過程

1—2壓縮過程

2—3排氣過程第一節(jié)活塞式空壓機(jī)的工作原理一、理論工作循環(huán)（單級壓縮）

壓縮分類：絕熱壓縮：1—2耗功最大等溫壓縮：1—2''耗功最小多變壓縮：1—2'耗功居中功＝P×V（PV圖上的面積）加強(qiáng)對氣缸的冷卻，省功、對氣缸潤滑有益。二、實(shí)際工作循環(huán)（單級壓縮）1.不存在假設(shè)條件2.與理論循環(huán)不同的原因：1）余隙容積Vc的影響Vc不利的影響—?dú)埓娴臍怏w在活塞回行時(shí)，發(fā)生膨脹，使實(shí)際吸氣行程（容積）減小。Vc有利的好處—

（1）形成氣墊，利于活塞回行；（2）避免“液擊”（空氣結(jié)露）；（3）避免活塞、連桿熱膨脹，松動(dòng)發(fā)生相撞。第一節(jié)活塞式空壓機(jī)的工作原理表征Vc的參數(shù)—相對容積C、容積系數(shù)λv合適的C：低壓0.07-0.12

中壓0.09-0.14

高壓0.11-0.16

λv＝0.65—0.901）余隙容積Vc的影響C越大或壓力比越高，則λv越小。保證Vc正常的措施：余隙高度見表6-1壓鉛法—保證要求的氣缸墊厚度2.與理論循環(huán)不同的原因：二、實(shí)際工作循環(huán)（單級壓縮）第一節(jié)活塞式空壓機(jī)的工作原理2）進(jìn)排氣閥及流道阻力的影響吸氣過程壓力損失使排氣量減少程度，用壓力系數(shù)λp表示：保證措施：合適的氣閥升程及彈簧彈力、管路圓滑暢通、濾器干凈。λp

（0.90-0.98）2.與理論循環(huán)不同的原因：二、實(shí)際工作循環(huán)（單級壓縮）第一節(jié)活塞式空壓機(jī)的工作原理3）吸氣預(yù)熱的影響由于壓縮過程中機(jī)件吸熱，所以在吸氣過程中，機(jī)件放熱使吸入的氣體溫度升高，使吸氣的比容減小，造成吸氣量下降。預(yù)熱損失用溫度系數(shù)λt來衡量（0.90-0.95）。保證措施：加強(qiáng)對氣缸、氣缸蓋的冷卻，防止水垢和油污的形成。2.與理論循環(huán)不同的原因：二、實(shí)際工作循