红外热成像仪：从军用高科技到民用普及的重要技术
红外热成像仪：从军用高科技到民用普及的重要技术
红外热成像仪是红外传感器的重要应用之一，从最初的军用高科技产品逐渐普及到工业和民用市场。本文将详细介绍红外热成像仪的工作原理、构成、分类、特点、发展历程以及优缺点，帮助读者全面了解这一重要技术。
在电影《蒸发密令》中有一个场景：施瓦辛格为了躲避持有热成像仪的对手追杀，跳进装满水的浴缸，试图通过与周围环境保持一致的温度来遮蔽自己的红外信号源，避免被热成像仪探测到。这个场景生动地展示了红外热成像仪的强大功能。
红外热成像仪的工作原理
所有高于绝对零度（-273℃）的物体都会发出红外辐射。红外热成像技术利用特殊的电子装置将物体表面的温度分布转换成人眼可见的图像，并以不同颜色显示物体表面温度分布。这种电子装置就是红外热成像仪。
红外热成像仪的工作过程如下：通过红外探测器、光学成像物镜和光机扫描系统接收被测目标的红外辐射能量分布图形。在光学系统和红外探测器之间，有一个光机扫描机构对被测物体的红外热像进行扫描，并聚焦在单元或分光探测器上。探测器将红外辐射能转换成电信号，经放大处理、转换或标准视频信号通过电视屏或监测器显示红外热像图。
由于实际被测目标物体各部分红外辐射的热像分布图信号非常弱，与可见光图像相比缺乏层次和立体感。因此，在实际应用中，常采用一些辅助措施来增强仪器的实用功能，如控制图像亮度和对比度、实标校正、伪色彩描绘等高线和直方进行数学运算和处理。
需要说明的是，同一目标的热图像和可见光图像是不同的。热图像不是人眼能看到的可见光图像，而是目标表面温度分布图像。换句话说，红外热图像是将人眼无法直接看到的目标表面温度分布，转换成人眼可以看到的代表目标表面温度分布的热图像。
红外热成像仪的构成
红外热像仪主要由以下五个部分构成：
- 红外镜头：接收和汇聚被测物体发射的红外辐射
- 红外探测器组件：将热辐射信号转换成电信号
- 电子组件：对电信号进行处理
- 显示组件：将电信号转变成可见光图像
- 软件：处理采集到的温度数据，转换成温度读数和图像
红外热成像仪的分类
红外热像仪可以根据工作温度和功能进行分类：
按工作温度分类
- 制冷型热成像仪：探测器中集成了低温制冷器，可以降低热噪声信号，提高成像质量
- 非制冷型热成像仪：探测器不需要低温制冷，通常采用多晶硅和氧化钒等材料
按功能分类
- 测温型红外热像仪：可以直接读取物体表面任意点的温度数值，适用于无损检测
- 非测温型红外热像仪：只能观察物体表面热辐射差异，适用于观测，有效距离较长
红外热成像仪的特点
与一般检测设备相比，红外热成像仪具有以下鲜明特点：
- 可以对运动物体进行测温
- 可借助显微镜头对微小目标进行测温
- 可快速进行设备热诊断
- 不会对所测量的温度场产生干扰
- 测温范围广（0℃—2000℃）
- 灵敏度高（可分辨0.1℃甚至更小的温差）
- 使用安全，为非接触式测量
红外热成像仪的发展历程
红外热成像技术的发展历程如下：
- 1800年，英国天文学家F.W.赫歇耳发现红外线
- 20世纪70年代，热成像系统和电荷耦合器件成功应用
- 20世纪末，焦平面阵列（FPA）技术成功应用
红外探测器技术经历了四代发展：
- 第一代（1970s-80s）：单元、多元器件光机串/并扫描成像
- 第二代（1990s-2000s）：4x288扫描型焦平面
- 第三代：凝视型焦平面
- 第四代：大面阵、高分辨率、多波段、智能灵巧型系统芯片
目前，非制冷焦平面探测器主流技术为热敏电阻式微辐射热计，包括氧化钒和非晶硅两种探测器。非制冷焦平面阵列探测器的发展实现了小型化、低价格和高可靠性，成为极具前景的红外探测成像发展方向。
红外热成像仪的优点与缺点
优点
- 被动式非接触检测：隐蔽性好，不易被发现
- 抗电磁干扰：能远距离精确跟踪热目标，精确制导
- 全天候监控：利用红外线“大气窗口”实现24小时监控
- 探测能力强：作用距离远，可在敌方防卫武器射程之外实施观察
- 多种显示方式：将人类感官扩展到六种
- 直观显示温度场：不受强光影响，应用广泛
缺点
- 图像对比度低，分辨细节能力较差
- 无法透过透明障碍物看清目标
- 成本高、价格贵
- 监控距离有限，无法看清人脸特征
红外热成像技术在军事和民用领域都有广泛应用。随着技术成熟和低成本民用热像仪的出现，其在国民经济各部门的作用日益重要。在工业生产、医疗、治安、消防、考古、交通、农业和地质等领域均有重要应用。特别是在当前抗击新型冠状病毒的斗争中也发挥了重要作用。