紅外熱像儀原理、主要參數(shù)和應(yīng)用

紅外熱像儀原理、主要參數(shù)和應(yīng)用

紅外熱像儀原理、主要參數(shù)和應(yīng)用

1.紅外線發(fā)現(xiàn)與分布1672年人們發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)光(白光)是由各種顏色的光復(fù)合而成的。當(dāng)時(shí)，牛頓做出了單色光在性質(zhì)上比白光跟簡(jiǎn)單的著名結(jié)論。我們用分光棱鏡可把太陽(yáng)光(白光)分解為紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫等單色光。1800年英國(guó)物理學(xué)家赫胥爾從熱的觀點(diǎn)來(lái)研究各色光時(shí)，發(fā)現(xiàn)了紅外線。紅外線的發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著人類對(duì)自然的又一個(gè)飛躍。隨著對(duì)紅外線的的不斷探索與研究，已形成紅外技術(shù)這個(gè)專門學(xué)科領(lǐng)域。紅外線的波長(zhǎng)在0.76--100μM之間,按波長(zhǎng)的范圍可分為近紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外、極遠(yuǎn)紅外四類，它在電磁波連續(xù)頻譜中的位置是處于無(wú)線電波與可見(jiàn)光之間的區(qū)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(guī)環(huán)境下都會(huì)產(chǎn)生自身的分子和原子無(wú)規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，并不停地輻射出熱紅外能量，分子和原子的運(yùn)動(dòng)愈劇烈，輻射的能量愈大，反之，輻射的能量愈小。溫度在絕對(duì)零度以上的物體，都會(huì)因自身的分子運(yùn)動(dòng)而輻射出紅外線。通過(guò)紅外探測(cè)器將物體輻射的功率信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，成像裝置的輸出的就可以完全一一對(duì)應(yīng)地模擬掃描物體表面溫度的空間分布，經(jīng)電子系統(tǒng)處理后傳至顯示屏上，得到與物體表面熱分布相應(yīng)的熱像圖。運(yùn)用這一方法，便能實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行遠(yuǎn)距離熱狀態(tài)圖像成像和測(cè)溫并進(jìn)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(cè)器、光學(xué)成像物鏡和光機(jī)掃描系統(tǒng)(目前先進(jìn)的焦平面技術(shù)則省去了光機(jī)掃描系統(tǒng))接受被測(cè)目標(biāo)的紅外輻射能量分布圖形反映到紅外探測(cè)器的光敏元上，在光學(xué)系統(tǒng)和紅外探測(cè)器之間，有一個(gè)光機(jī)掃描機(jī)構(gòu)(焦平面熱像儀無(wú)此機(jī)構(gòu))對(duì)被測(cè)物體的紅外熱像儀進(jìn)行掃描，并聚焦在單元或分光探測(cè)器上，由探測(cè)器將紅外輻射能轉(zhuǎn)換電信號(hào)，經(jīng)放大處理、轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)視頻信號(hào)通過(guò)電視屏或監(jiān)測(cè)器顯示紅外熱像圖。這種熱像圖與物體表面的分布場(chǎng)相對(duì)應(yīng)；實(shí)際上是被測(cè)目標(biāo)物體各部分紅外輻射的熱像分布圖由于信號(hào)非常弱，與可見(jiàn)光相比缺少層次和立體感，因此，在實(shí)際動(dòng)作過(guò)程中為更有效地判斷被測(cè)目標(biāo)的紅外熱場(chǎng)，常采用一些輔助措施來(lái)增加儀器的實(shí)用功能，如圖像亮度、對(duì)比度的控制，實(shí)際校正，偽色彩描繪等高線和直方進(jìn)行運(yùn)算、打印等。簡(jiǎn)而言之，紅外熱像儀是通過(guò)非接觸探測(cè)紅外熱量，并將其轉(zhuǎn)換生成熱圖像和溫度值，進(jìn)而顯示在顯示器上，并可以對(duì)溫度值進(jìn)行計(jì)算的一種檢測(cè)設(shè)備。紅外熱像儀能夠?qū)⑻綔y(cè)到的熱量精確量化，能夠?qū)Πl(fā)熱的故障區(qū)域進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別和嚴(yán)格分析。3.紅外熱像儀的主要參數(shù)(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(cè)器的響應(yīng)波長(zhǎng)區(qū)域，一般是3~5μm或8~12μm。(2)探測(cè)器類型：探測(cè)器類型是指使用的一種紅外器件。如采用單元或多元(元數(shù)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(guó)標(biāo)準(zhǔn)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(cè)定范圍：指測(cè)定溫度的最低限與最高限的溫度值的范圍。(6)測(cè)溫準(zhǔn)確度：指紅外熱像儀測(cè)溫的最大誤差與儀器量程之比的百分?jǐn)?shù)。(7)最大工作時(shí)間：紅外熱像儀允許連續(xù)的工作時(shí)間。4.紅外熱像儀分類紅外熱像儀一般分光機(jī)掃描成像系統(tǒng)和非掃描成像系統(tǒng)。光機(jī)掃描成像系統(tǒng)采用單元或多元(元數(shù)有8、10、16、23、48、55、60、120、180甚至更多)光電導(dǎo)或光伏紅外探測(cè)器，用單元探測(cè)器時(shí)速度慢，主要是幀幅響應(yīng)的時(shí)間不夠快，多元陣列探測(cè)器可做成高速實(shí)時(shí)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(yōu)于光機(jī)掃描式熱像儀，有逐步取代光機(jī)掃描式熱像儀的趨勢(shì)。其關(guān)鍵技術(shù)是探測(cè)器由單片集成電路組成被測(cè)目標(biāo)的整個(gè)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(shí)具有自動(dòng)調(diào)焦圖像凍結(jié)、連續(xù)放大，點(diǎn)溫、線溫、等溫和語(yǔ)音注釋圖像等功能。儀器采用PC卡，其存儲(chǔ)容量可高達(dá)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(guò)熱釋電攝像管(PEV)接受被測(cè)目標(biāo)物體表面紅外輻射，并把目標(biāo)內(nèi)熱輻射分布的不可見(jiàn)熱圖像轉(zhuǎn)變成視頻信號(hào)。因此，熱釋點(diǎn)攝像管是紅外熱電視的關(guān)鍵器件，它是一種實(shí)時(shí)成像、寬譜成像(對(duì)比3~5μm及8~14μm有較好的頻率響應(yīng))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(shù)功能是將被測(cè)目標(biāo)的紅外輻射線通過(guò)透鏡聚集成像到熱釋電攝像管，采用常溫?zé)犭娨曁綔y(cè)器和電子束掃描及靶面成像技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。5.紅外熱像儀發(fā)展歷史1800年,英國(guó)物理學(xué)家F.W.赫胥爾發(fā)現(xiàn)了紅外線,從此開(kāi)辟了人類應(yīng)用紅外技術(shù)的廣闊道路。在第二次世界大戰(zhàn)中，德國(guó)人用紅外變像管作為光電轉(zhuǎn)換器件，研制出了主動(dòng)式夜視儀和紅外通信設(shè)備，為紅外技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。二次世界大戰(zhàn)后，首先由美國(guó)經(jīng)過(guò)近一年的探索，開(kāi)發(fā)研制的第一代用于軍事領(lǐng)域的紅外成像裝置，稱之為紅外尋視系統(tǒng)(FLIR0)，它是利用光學(xué)機(jī)械系統(tǒng)對(duì)被測(cè)目標(biāo)的紅外輻射掃描。由光子探測(cè)器接收兩維紅外輻射跡象，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換及一系列儀器處理，形成視頻圖像信號(hào)。這種系統(tǒng)、原始的形式是一種非實(shí)時(shí)的自動(dòng)溫度分布記錄儀，后來(lái)隨著五十年代銻化銦和鍺摻汞光子探測(cè)器的發(fā)展，才開(kāi)始出現(xiàn)高速掃描及實(shí)時(shí)顯示目標(biāo)熱圖像的系統(tǒng)。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(tǒng)基礎(chǔ)上增加了測(cè)溫功能，稱之為紅外熱像儀。開(kāi)始由于保密的原因，在發(fā)達(dá)的國(guó)家中也僅限于軍用，投入應(yīng)用的熱成像裝置可在黑夜或濃厚云霧中探測(cè)對(duì)方的目標(biāo)，可探測(cè)偽裝的目標(biāo)和高速運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)。由于有國(guó)家經(jīng)費(fèi)的支撐，投入的研制開(kāi)發(fā)費(fèi)用很大，儀器的成本很高。以后考慮到在工業(yè)發(fā)展中的實(shí)用性，結(jié)合工業(yè)紅外探測(cè)的特點(diǎn)，采取壓縮儀器造價(jià)。降低生產(chǎn)成本并根據(jù)民用的要求，通過(guò)減小掃描速度來(lái)提高圖像分辨率等措施逐漸發(fā)展到民用領(lǐng)域。六十年代中期，瑞典研制出第一套工業(yè)用的實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)(THV)，該系統(tǒng)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(jīng)過(guò)對(duì)儀器的幾代改進(jìn)，1986年研制的紅外熱像儀已無(wú)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(cè)量、修改、分析、圖像采集、存儲(chǔ)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(guó)首先研制成功由軍用技術(shù)(FPA)轉(zhuǎn)民用并商品化的新一紅外熱像儀(CCD)屬焦平面陣列式結(jié)構(gòu)的凝成像裝置，技術(shù)功能更加先進(jìn)，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)溫時(shí)只需對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)攝取圖像，并將上述信息存儲(chǔ)到機(jī)內(nèi)的PC卡上，即完成全部操作，各種參數(shù)的設(shè)定可回到室內(nèi)用軟件進(jìn)行修改和分析數(shù)據(jù)，最后直接得出檢驗(yàn)報(bào)告，由于技術(shù)的改進(jìn)和結(jié)構(gòu)的改變，取代了復(fù)雜的機(jī)誡掃描儀器重量已小于二公斤，使用中如同手持?jǐn)z像機(jī)一樣，單手即可方便地操作。6.紅外熱像儀的應(yīng)用領(lǐng)域熱像儀作為一種紅外成像儀器,不但在軍事應(yīng)用中占有很重要的地位在民用方面也具有很強(qiáng)的生命力。它除具有紅外測(cè)溫儀的優(yōu)點(diǎn)(如非接觸、快速、能對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)和微小目標(biāo)測(cè)溫等)外，還具有下列優(yōu)點(diǎn)：(1)直觀地顯示物體表面的溫度場(chǎng)。紅外測(cè)溫儀只能顯示物體表面某一小區(qū)域或某一點(diǎn)的溫度值，而熱像儀則可以同時(shí)測(cè)量物體表面各點(diǎn)溫度的高低，并以圖像形式顯示出來(lái)。(2)溫度分析率高。紅外測(cè)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(shí)顯示出兩點(diǎn)的溫度值,因而能準(zhǔn)確區(qū)分很小的溫差,甚至可達(dá)0.01:(3)可采用多種顯示方式。熱像儀輸出的視頻信號(hào)包含目標(biāo)的大量信息，可用多種方式顯示出來(lái)。例如，對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)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(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換處理，即可用數(shù)字顯示物體各點(diǎn)的溫度值：(4)可進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和計(jì)算機(jī)處理。熱像儀輸出的視頻信號(hào)，可用數(shù)字存儲(chǔ)器存儲(chǔ)，或用錄像帶記錄，這樣既可長(zhǎng)期保持又可用計(jì)算機(jī)作運(yùn)算處理。熱像儀在軍事和民用方面都有廣泛的應(yīng)用。隨著熱成像技術(shù)的成熟，各種低成本適于民用的熱像儀的問(wèn)世，它在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門發(fā)揮著越來(lái)越大的作用。在工業(yè)生產(chǎn)中，許多設(shè)備常處于高溫、高壓和高速運(yùn)行狀態(tài)，應(yīng)用紅外熱像儀對(duì)這些設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)和監(jiān)控，既能保證設(shè)備的安全運(yùn)轉(zhuǎn)，又能發(fā)現(xiàn)異常情況以便及時(shí)排除隱患。同時(shí)，利用熱像儀還可進(jìn)行工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量控制和管理。例如，在鋼鐵工業(yè)中的高爐和轉(zhuǎn)爐所用耐火材料的燒蝕磨損情況，可用熱像儀進(jìn)行觀測(cè)及時(shí)采取措施檢修防止事故發(fā)生。又如，在石化工業(yè)中，熱像儀可監(jiān)視生產(chǎn)設(shè)備和管道的運(yùn)行情況，隨時(shí)提供有關(guān)沉淀形成、流動(dòng)阻塞、漏熱溫度隔熱材料變質(zhì)等數(shù)據(jù)。再如，在電力工業(yè)中，發(fā)電機(jī)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(shí)排除以利于杜絕事故的發(fā)生。在電子工業(yè)中，也可用熱像儀檢查半導(dǎo)體器件、集成電路和印刷電路板等的質(zhì)量情況，發(fā)現(xiàn)其他方法難以找到的故障。此外，紅外熱像儀在醫(yī)療、治安、消防、考古、交通、農(nóng)業(yè)和地質(zhì)等許多領(lǐng)域均有重要的應(yīng)用。如建筑物漏熱查尋、森林探火、火源尋找、海上救護(hù)、礦石斷裂判別、導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)檢查，公安偵查以及各種材料及制品質(zhì)無(wú)損檢查等。7．紅外熱成像系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)1).f/數(shù)f/數(shù)是光學(xué)系統(tǒng)相對(duì)孔徑的倒數(shù).設(shè)光學(xué)系統(tǒng)的相對(duì)孔徑為A=D/f(D為通?？讖?f為焦距),IA=f/D,則數(shù)f/D是表示系統(tǒng)的集中f為通光孔徑的多少倍。例如，f/3表示光學(xué)系統(tǒng)的集中為通光孔徑的三倍。2).視場(chǎng)視場(chǎng)是光學(xué)系統(tǒng)視場(chǎng)角的簡(jiǎn)稱.它表示能夠在光學(xué)系統(tǒng)像平面視場(chǎng)光闌內(nèi)成像的空間范圍,當(dāng)目標(biāo)位于以光軸為軸線，頂角為視場(chǎng)角的圓錐內(nèi)的(任一點(diǎn)在一定距離內(nèi))，時(shí)候被光學(xué)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn),即成像于光學(xué)系統(tǒng)像平面的視場(chǎng)光闌內(nèi)。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(chǎng)，一般是a”X的矩形視場(chǎng)。3).光譜響應(yīng)紅外探測(cè)器對(duì)各個(gè)波長(zhǎng)的入射輻射的響應(yīng)稱為光譜響應(yīng)。一般的光電探測(cè)器均為選擇性的探測(cè)器。4).空間分辨率應(yīng)用熱像儀觀測(cè)時(shí)，熱像儀對(duì)目標(biāo)空間形狀的分辨能力。本行業(yè)中通常以mrad(毫弧度)的大小來(lái)表示。mrad的值越小，表明其分辨率越高?；《戎党艘园霃郊s等于弦長(zhǎng)，即目標(biāo)的直徑。如1.3mrad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(jiǎn)單定義為儀器或使觀察者能從背景中精確的分辨出目標(biāo)輻射的小溫度AT。民用熱成像產(chǎn)品通常使用NETD來(lái)表述該性能指標(biāo)。6).最小可分辨溫差分辨靈敏度和系統(tǒng)空間分辨率的參數(shù),而且是以與觀察者本身有關(guān)的主觀評(píng)價(jià)參數(shù),它的定義為：在使用標(biāo)準(zhǔn)的周期性測(cè)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(biāo)、背景溫差。上述觀察過(guò)程中，觀察時(shí)間、系統(tǒng)增益、信號(hào)電平值等可以不受限制的調(diào)整在最佳狀態(tài)。7).幀頻幀頻是熱像儀每秒鐘產(chǎn)生完整圖象的畫面數(shù),單位為HZ。一般電視幀頻為25Hz。根據(jù)熱像儀的幀頻可分為快掃描和慢掃描兩大類。電力系統(tǒng)所用的設(shè)備一般采用快掃描熱像儀(幀頻在20Hz以上)，否則就會(huì)帶來(lái)一些工作不便。8).探測(cè)識(shí)別和辨認(rèn)距離探測(cè)、識(shí)別和辨認(rèn)距離；這些是使用者很關(guān)心的性能指標(biāo)。為每