紅外熱像儀成像的原理
紅外熱像儀的使用范圍比較廣泛,適合黑夜或者大霧、陰霾天氣。比如軍事、安防、攝影等都有它的身影。前面剛好有提到它在海港碼頭的應(yīng)用案例,這里就簡(jiǎn)要介紹一下它的成像原理。
波長為2.0~1000μm的部分稱為熱紅外線。我們周圍的物體只有當(dāng)它們的溫度高達(dá)1000℃以上時(shí),才能夠發(fā)出可見光。相比之下,我們周圍所有溫度在絕對(duì)零度(-273℃)以上的物體,都會(huì)不停地發(fā)出熱紅外線。所以,熱紅外線(或稱熱輻射)是自然界中存在最為廣泛的輻射。熱輻射除存在的普遍性之外,還有另外兩個(gè)重要的特性。
1.大氣、煙云等吸收可見光和近紅外線,但是對(duì)3~5μm和8~14μm的熱紅外線卻是透明的。因此,這兩個(gè)波段被稱為熱紅外線的“大氣窗口”。利用這兩個(gè)窗口,可以使人們?cè)谕耆珶o光的夜晚,或是在煙云密布的戰(zhàn)場(chǎng),清晰地觀察到前方的情況。正是由于這個(gè)特點(diǎn),熱紅外成像技術(shù)軍事上提供了先進(jìn)的夜視裝備并為飛機(jī)、艦艇和坦克裝上了全天候前視系統(tǒng)。這些系統(tǒng)在海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中發(fā)揮了非常重要的作用。
2.物體的熱輻射能量的大小,直接和物體表面的溫度相關(guān)。熱輻射的這個(gè)特點(diǎn)使人們可以利用它來對(duì)物體進(jìn)行無接觸溫度測(cè)量和熱狀態(tài)分析,從而為工業(yè)生產(chǎn),節(jié)約能源,保護(hù)環(huán)境等等方面提供了一個(gè)重要的檢測(cè)手段和診斷工具。
現(xiàn)代的熱成像裝置工作在中紅外區(qū)域(波長3~5μm)或遠(yuǎn)紅外區(qū)域(波長8~12μm)。通過探測(cè)物體發(fā)出的紅外輻射,熱成像儀產(chǎn)生一個(gè)實(shí)時(shí)的圖像,從而提供一種景物的熱圖像。并將不可見的輻射圖像轉(zhuǎn)變?yōu)槿搜劭梢姷?、清晰的圖像。熱成像儀非常靈敏,能探測(cè)到小于0.1℃的溫差。
工作時(shí),熱成像儀利用光學(xué)器件將場(chǎng)景中的物體發(fā)出的紅外能量聚焦在紅外探測(cè)器上,然后來自與每個(gè)探測(cè)器元件的紅外數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的視頻格式,可以在標(biāo)準(zhǔn)的視頻監(jiān)視器上顯示出來,或記錄在錄像帶上。由于熱成像系統(tǒng)探測(cè)的是熱而不是光,所以可全天候使用;又因?yàn)樗耆潜粍?dòng)式的裝置,沒有光輻射或射頻能量,所以不會(huì)暴露使用者的位置。
紅外探測(cè)器分為兩類:光子探測(cè)器和熱探測(cè)器。光子探測(cè)器在吸收紅外能量后,直接產(chǎn)生電效應(yīng);熱探測(cè)器在吸收紅外能量后,產(chǎn)生溫度變化,從而產(chǎn)生電效應(yīng)。溫度變化引起的電效應(yīng)與材料特性有關(guān)。
光子探測(cè)器非常靈敏,其靈敏度依賴于本身溫度。要保持高靈敏度,就必須將光子探測(cè)器冷卻至較低的溫度。通常采用的冷卻劑為斯太林(Stirling)或液氮。
熱探測(cè)器一般沒有光子探測(cè)器那么高的靈敏度但在室溫下也有足夠好的性能,因此不需要低溫冷卻。
紅外與熱成像什么關(guān)系
紅外熱像儀是通過非接觸探測(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。照相機(jī)成像得到照片,電視攝像機(jī)成像得到電視圖像,都是可見光成像。自然界中,一切物體都可以輻射紅外線,因此利用探測(cè)儀測(cè)定目標(biāo)的本身和背景之間的紅外線差并可以得到不同的紅外圖像,熱紅外線形成的圖像稱為熱圖。
目標(biāo)的熱圖像和目標(biāo)的可見光圖像不同,它不是人眼所能看到的目標(biāo)可見光圖像,而是目標(biāo)表面溫度分布圖像,換一句話說,紅外熱成像使人眼不能直接看到目標(biāo)的表面溫度分布,變成人眼可以看到的代表目標(biāo)表面溫度分布的熱圖像。
淺談紅外熱像儀
簡(jiǎn)單地講:紅外熱像儀就是利用某些特殊的材料對(duì)紅外光輻射能產(chǎn)生某些物理量的變化的特性,然后把這種變量轉(zhuǎn)化成電信號(hào),經(jīng)過調(diào)制后再轉(zhuǎn)變成圖象并測(cè)溫。這些特殊的材料多為:碲鎘汞、銻化銦、鉑化硅、氧化釩、硅摻雜(或多晶硅)等等。市場(chǎng)上所謂的“制冷”和“非制冷”之分,實(shí)際上是指有無制冷器而言。
紅外熱像儀本身并不發(fā)射紅外,它只是被動(dòng)地吸收而已。這有兩重含義:第一,這種特征加上自然界任何物體都對(duì)外輻射紅外信號(hào)的特點(diǎn),使之成為軍事價(jià)值極高的設(shè)備;第二,考慮到紅外線在空氣中衰減的幅度,作為高靈敏度探測(cè)器材料的要求是何等的高!尤其是要考慮紅外熱像儀本身也有紅外輻射的干擾時(shí)。因此,從紅外熱像儀誕生那天開始,對(duì)它的技術(shù)保密級(jí)別及它的價(jià)格都非常的高。這里,我們還姑且不談紅外探測(cè)器的生產(chǎn)工藝的難度和成品率。
我們知道:自然界一切溫度在絕對(duì)零度-273.15°C以上的物體,由于自身的分子熱運(yùn)動(dòng)都在不停地向周圍空間輻射包括紅外波段在內(nèi)的電磁波,其光譜范圍比較廣。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。而現(xiàn)階段的紅外熱像儀都只能對(duì)其中某一小段光譜范圍的紅外光產(chǎn)生反應(yīng)。比如:3~5μm或8~14μm,也就是所謂的“大氣窗口”---大氣、煙云等吸收可見光和近紅外線,但是對(duì)3~5μm和8~14&μm的熱紅外線卻受影響較小。因此,這兩個(gè)波段被稱為熱紅外線的“大氣窗口”。同時(shí),物體向外發(fā)射的輻射強(qiáng)度取決于目標(biāo)物體的溫度和物體表面材料的輻射特性。同一種物質(zhì)在不同的狀況下(表面光潔度、環(huán)境溫度、氧化程度等等),向外輻射紅外能量的能力都不同,這種能力與假象中的黑體的比值就是該物質(zhì)在該溫度下的發(fā)射率。(黑體是一種理想化的輻射體,它吸收所有波長的輻射能量,沒有能量的反射和透過,其表面的發(fā)射率為1。)應(yīng)該指出,自然界中并不存在真正的黑體。
也就是說,紅外熱像儀能否觀察到物體,取決于該紅外熱像儀的溫度分辨率和空間分辨率以及被測(cè)物體表面的紅外輻射強(qiáng)度和面積,我們甚至可以大略地理解為:溫度分辨率即是最小可辨溫差的能力,空間分辨率是顯示這種溫差的能力?,F(xiàn)階段溫度分辨率是以NETD實(shí)驗(yàn)條件下,環(huán)境溫度為30℃時(shí)探測(cè)器的最小可辨溫差,而不是熱像儀整機(jī)的溫度分辨率。因?yàn)樘綔y(cè)器本身的背景噪音如果為0.06℃時(shí),后續(xù)處理所帶來的背景噪音疊加后肯定要高于0.06℃,至于能達(dá)到多少,那就要看各個(gè)廠家后續(xù)電子線路版塊的設(shè)計(jì)和處理能力了。這里值得說明的是:溫度分辨率和測(cè)溫精度是兩回事。前者是最小可辨溫差的能力;后者是重復(fù)測(cè)量的平均溫差。剛接觸紅外熱像儀的朋友通常會(huì)混淆這兩個(gè)概念??臻g分辨率不能等同于視場(chǎng)角,視場(chǎng)角是指鏡頭而言,空間分辨率實(shí)際是指紅外熱像儀整機(jī)的分辨能力,它與探測(cè)器、電路、鏡頭有關(guān),是個(gè)綜合指數(shù),以mrad為單位,1.0mrad即千分之一弧度。
這里,還要介紹一下像素?cái)?shù)。通常我們看到國內(nèi)外的紅外生產(chǎn)廠家在其產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)上標(biāo)明:320*240、160*120、120*120甚至是382*288、640*480,這一般是指探測(cè)器聚焦平面陣列數(shù),可以理解為:?jiǎn)卧綔y(cè)器的數(shù)量,那當(dāng)然是越多越好了。
這里要補(bǔ)充一點(diǎn):現(xiàn)在國外有些廠家因受某些技術(shù)或條約的約束,還不能向中國出口高分辨率及高像素的紅外熱像儀或探測(cè)器,但出于資本的本能又希望進(jìn)入中國市場(chǎng),于是,采取了插值算法以提高顯示像素?cái)?shù),同時(shí)又不違反所謂的條約。與此應(yīng)注意“幀頻”指標(biāo),即掃描速度?,F(xiàn)在市面上出現(xiàn)了一些幀頻為9HZ的進(jìn)口紅外熱像儀,在某些行業(yè)的紅外熱像儀應(yīng)用上,我國是有限制規(guī)定的。
順便插一段:所謂的“短波”紅外和“長波”紅外通常就是指探測(cè)波譜范圍為3~5μm和8~14μm的紅外熱像儀。兩者各有千秋。比如說:探測(cè)波譜范圍為3~5μm短波紅外熱像儀通常為制冷型紅外熱像儀,材料一般為:碲鎘汞、銻化銦、鉑化硅等,多用于軍事及測(cè)高溫領(lǐng)域。分辨率一般較高。但由于制冷元件的成本高,導(dǎo)致價(jià)格貴。也正是制冷元件的故障率較高及制冷效果的衰退,導(dǎo)致其在工業(yè)領(lǐng)域使用范圍的日見萎縮。而且,這些制冷儀器從開機(jī)到能夠使用,通常要等10分鐘左右---制冷器正常工作后,這在現(xiàn)場(chǎng)工作中是很不方便的。更不用談制冷型紅外熱像儀相對(duì)比較重了;非制冷紅外熱像儀的材料一般為:氧化釩、硅摻雜(或多晶硅),多為8~14μm的紅外熱像儀。開機(jī)即用,成本較低,輕便小巧,維護(hù)方便,其探測(cè)器的穩(wěn)定性及分辨能力相對(duì)較差(由于科技的發(fā)展,其分辨率也越來越高了)。被廣泛應(yīng)用于電力、化工、消防等領(lǐng)域。
這里,還有一個(gè)有趣的故事:當(dāng)初非制冷紅外熱像儀剛出現(xiàn)在市場(chǎng)時(shí),為了和早期制冷型紅外熱像儀競(jìng)爭(zhēng),有些人士曾屢屢提到陽光干擾問題。有一種說法是:短波紅外熱像儀(3~5μm)易受陽光干擾,而長波紅外熱像儀(8~14μm)不受陽光干擾;因此,長波紅外可以在白天工作,而短波紅外熱像儀不行。的確,陽光是有干擾,但是,陽光照射物體表面發(fā)生發(fā)射或衍射時(shí),其光譜范圍跨越了3~5μm的同時(shí)也跨越了8μm的范圍,也就是說:陽光對(duì)兩者皆有干擾,輕重不同而已。誰也不敢說:拿長波紅外熱像儀白天檢測(cè)就能避免因陽光干擾而產(chǎn)生的誤判斷!否則,我國相關(guān)檢測(cè)規(guī)程中也不會(huì)建議:在使用紅外熱像儀進(jìn)行檢測(cè)時(shí),盡量在“日出之前、日落之后”或陰天。其實(shí),這種干擾還包含另外兩個(gè)因素:第一,陽光照射會(huì)使被檢測(cè)設(shè)備本身升溫,該溫升與設(shè)備故障部位的溫升有可能疊加,造成漏檢或誤判斷;第二,陽光照射對(duì)使用液晶屏作為顯像器的紅外來說,對(duì)人的肉眼是有很大的干擾的。紅外熱像儀除了能顯示物體表面的熱狀態(tài)分布圖之外,還有一個(gè)特點(diǎn):非接觸測(cè)溫。這個(gè)功能,在當(dāng)年的“非典”中應(yīng)用是非常廣泛的。
但是,筆者認(rèn)為:紅外在“非典”中的應(yīng)用,對(duì)普及紅外熱像儀相關(guān)知識(shí)有一定的作用;可在某些地方的應(yīng)用方式上卻是有待商榷的。我們知道:人體是個(gè)恒溫體,傳統(tǒng)測(cè)溫所采取的部位是:腋窩、口腔、直腸。其中,直腸的溫度最高也最接近人體內(nèi)部溫度。體表呢?---要知道紅外熱像儀只能測(cè)量表面的熱輻射(體表的不同位置溫度也不一定相同,但多在26度到31度左右),而人又分男女、老少,每個(gè)人在體表熱輻射上都有差異,同時(shí),同一個(gè)人在24小時(shí)內(nèi)的體表溫度也是有差異的。你怎么能排除人受環(huán)境的影響?(比如說人多而空間小、有空調(diào)、剛喝過熱水吃過飯、剛運(yùn)動(dòng)過、心情緊張等等)由于人有這些特性,即使你用相對(duì)溫差法或熱譜圖法也無法準(zhǔn)確判斷。
紅外熱像儀能測(cè)溫實(shí)際上是通過黑體恒溫(可調(diào))爐對(duì)紅外熱像儀先定標(biāo)它的溫度曲線,定標(biāo)的點(diǎn)越多,測(cè)溫相對(duì)越準(zhǔn)。也就是說:沒有哪一家(無論是國外的還是國內(nèi)的紅外廠家),也無論你是高檔的紅外熱像儀還是低端紅外熱像儀,都不可能無限止地標(biāo)定無數(shù)個(gè)點(diǎn),那樣是不現(xiàn)實(shí)也不經(jīng)濟(jì)的---這一點(diǎn)對(duì)于人工成本高的國外產(chǎn)品來說,也是個(gè)不好的消息。即:誰的測(cè)溫都不可能準(zhǔn)確。這種標(biāo)定是和每個(gè)探測(cè)器本身的特性相關(guān),所以,每臺(tái)紅外熱像儀,只要你測(cè)溫,這道工序是不可避免的。最麻煩的是:紅外探測(cè)器在工作或放置一段時(shí)間后,其材料的老化也是不可避免的---不管你是氧化礬還是硅摻雜(或多晶硅)或者別的什么材料,材料的特性發(fā)生改變,測(cè)溫曲線就得重新標(biāo)定,否則測(cè)溫就不可能準(zhǔn)確!雖然說非制冷焦平面號(hào)稱免維護(hù)機(jī)型,可以工作5萬或8萬小時(shí),但這與測(cè)溫準(zhǔn)確性無關(guān),是指成像而已。何況,空氣中的水分,CO,CO2、灰塵對(duì),紅外線的衰減作用,誰也無法去量化---它是流動(dòng)的、非線性的且各區(qū)域在不同時(shí)間內(nèi)是變化的。于是,關(guān)于“環(huán)境參數(shù)自動(dòng)校正”“大氣穿透率自動(dòng)校正:”等參數(shù)就出現(xiàn)在我們面前了。那估計(jì)是各個(gè)廠家自己的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)吧!
相關(guān)人士在談及該問題時(shí),開玩笑說:“紅外熱像儀測(cè)溫是絕對(duì)不準(zhǔn)的,發(fā)現(xiàn)相對(duì)溫差的能力是一流的?!碑?dāng)然,這只是和接觸式測(cè)溫相比而言。應(yīng)該說紅外熱像儀測(cè)溫雖然有誤差,但還是比較準(zhǔn)確的。
另外,我們國家有些行業(yè)已制訂的檢測(cè)規(guī)則中規(guī)定:用紅外熱像儀檢測(cè)帶電、高溫的設(shè)備的方法是:1,熱譜圖法2,相對(duì)溫差法。
從核心技術(shù)的角度來說,國內(nèi)工業(yè)紅外熱像儀行業(yè)根本沒有什么可以自豪的地方。因?yàn)榉侵评浣蛊矫嫣綔y(cè)器制造技術(shù)完全國外廠家手中,我們面臨的是長期的技術(shù)封鎖。