红外热成像技术的原理及应用修改版

学号：探究学习报告题目：红外热成像技术的原理及应用学院名称姓名同组学生2014年11月摘要将景物因温度和发射率不同而产生的红外辐射空间分布转换成视频图像的技术，称为红外热成像技术或简称热成像技术。自然界的一切物体都在辐射红外线，因此利用红外探测器测定目标本身和背景之间的红外线差，可以得到不同的红外图像，称为热图像，即目标表面温度分布的图像。它使人类超越了视觉障碍，即使在黑夜中可以“看到”物体表面的温度分布状况。红外热成像技术广泛应用于军事和民用领域，如侦察和监视，跟踪和制导，武器装备的瞄准；火灾检测，电气部件的监控，炼铁时温度的测定与监控，等。本文主要在红外热成像技术的原理，热成像装置的构成及发展，热成像技术的具体应用等方做出具体的介绍。关键词：红外热成像技术，热图像。一、简述红外热成像技术是多学科、多领域技术综合发展的产物，由于军事需求的引领，已成为目前发展最快的高技术之一。目前红外热成像已成为一种实时显示的成像设备，可达到与可见光电视相当的图像质量。热成像与雷达、激光、可见光探测仪器相比，不需要协作光源或自然光照射目标，而是靠接收目标自身的红外辐射成像，因此隐蔽性更好，而且能昼夜工作。由于工作波长比可见光长10~20倍，所以透过烟雾和尘埃的能力很强，可以再恶劣的气候环境条件下，特别是可透过烟雾屏障看清目标。因此，热成像技术有了得天独厚优势。研究热成像技术，相当于给人类装上了第三只眼，具有极高的研究价值。二、热成像装置的基本工作原理2.1关于物体表面温度如果超过绝对零度即会辐射出电磁波，随着温度变化，电磁波的辐射强度与波长分布特性也随之改变，波长介于0.75μm到1μm间的电磁波称为“红外线”，而人类视觉可见的“可见光”介于0.4μm到0.75μm。其中波长为0.78~2.0μm的部分称为近红外，波长为2.0~1000μm的部分称为热红外线。红外线在地表传送时，会受到大气组成物质(特别是H2O、CO2、CH4、N2O、O3等)的吸收，强度明显下降，仅在短波3μm~5μm及长波8~12μm的两个波段有较好的穿透率，通称大气窗口，大部份的红外热像仪就是针对这两个波段进行检测，计算并显示物体的表面温度分布。此外，由于红外线对极大部份的固体及液体物质的穿透能力极差，因此红外热成像检测是以测量物体表面的红外线辐射能量为主，利用探测仪测定目标的本身和背景之间的红外线差并可以得到不同的红外图像，热红外线形成的图像称为热图。如图为大气红外透射曲线，短波3μm~5μm及长波8~12μm的两个波段有较好的穿透率，通称为大气窗口2.2热成像技术需要实现的功能2.2.1景物红外辐射的接收景物的红外辐射包括很宽的波段，当物体的温度很高时，还包括可见光的辐射。但由于热成像系统一般都只能工作在一个很窄的波段内，例如，中波或长波波段，所以热成像装置如同摄像机、照相机的光学镜头一样，需要将工作波段内的辐射收集起来，并聚焦到探测器上，因此光学系统十分类似接收目标回波的雷达天线。因为物体的能量一般都是向半球空间辐射的，因此光学镜头的口径越大，所接受的能量越多。但是口径是不可能任意增大的，因为光学镜头在接收红红外辐射的同时还必须将能量聚焦在很小的探测器光敏面上。而且镜头的光学材料也必须考虑，在可见光波段，玻璃是横好的透射材料，但是在中波、长波红外波段，这种材料是不透明的，因此常选用锗、硅等晶体材料，而且为了提高透射率，还需要镀上一层增透膜，这些材料和膜层如同滤光片一样，将镜头透过的波长限制在一定的范围内。由于这些材料以及加工镀膜的成本很高，所以热成像仪上使用的镜头是很昂贵的。为了比较探测器的性能，有时标出了光学系统的F数，该参数是光学系统焦距和有效半径之比。对于特定的探测器，焦距决定了系统视场的大小。当焦距不变，增大口径时，F数减小，探测器接收的能量增加，显然可以提高热成像系统的灵敏度。2.2.2物空间（景物）的辐射分布到向空间的转换镜头在接受红外辐射的同时，还必须将景物红外辐射分布，即物空间的景物变成像空间焦面上的图像，而镜头的焦面就是放置红外探测器光敏面的地方，对热像仪而言，光学视场的要求是基本的，为了是没有充满整个焦平面的探测元能够接收全视场的红外辐射，就需要在光学系统中插入光机扫描器。在这里强调的是红外辐射分布，而不是人眼通常看到的物体，例如，对运动中的汽车，我们看到的轮胎是黑色的，但在热图像中是白色的，这是因为轮胎摩擦发热所致。热像仪对空间有分辨力的要求，例如，对一定尺寸的探测元，要求分辨一定大小，如1mrad的物体，则对光学系统就提出了焦距和像质的要求。在采用面阵焦平面探测器的热像仪中，每个探测元对应的分辨力乘以水平方向探测元数，就为水平视场的大小，乘以垂直方向的元数就是垂直视场大小。2.2.3由红外探测器完成光电转换红外探测器是一种对红外辐射敏感的器件，它能将红外辐射转换成人们可以测量的物理量，如体积、压力、电压、电阻等，因此它是一种辐射能转换器。无论是采用光子探测器还是热探测器，在热成像信号处理中需要的都是电信号。因此在热成像中红外探测器要完成的功能是将照射到光敏面上的红外光转换成电信号。由于所采用探测器的机理不同，即在转换成电信号的过程中，会出现中间的转换参数。例如，光子探测器常用的为光电导和光伏型，它们转换成电信号的速度很快；而对于热探测器，由于首先要将红外辐射转换成温度，再将温度变化变成电阻、电压的变化等；由于中间参数的引人，使探测器的反应速度降低。在第一代红外探测器中，变换成电信号的电路在外部完成，而第二代探测器可在杜瓦中完成。对于探测器组件，还必须附加制冷器给探测器提供需要的工作温度。获得低温的方法有物理和化学两种，在红外探测器中常用的是物理方法。其所利用的制冷原理有相变制冷(如杜瓦)、焦耳一汤姆逊效应(节流制冷器)、气体等嫡膨胀制冷(斯特林制冷机)、辐射制冷、拍耳帖效应(也称热电)制冷等。2.2.4电信号的处理和变换信号处理包括模拟通道和数字通道两个方面。在早期的一代热像仪中，对探测器输出的视频信号一般只进行模拟处理。将探测器输出的微弱信号放大到一定的幅度，通道中具有电平调节、增益调节，以弥补探测器的不均匀性。多通道的输出可以去推动多路的显示器，如发光二极管显示器(LED)，也可以经过多路开关转换成一路视频信号，用阴极射线管(CRT)显示。所以信号处理的目的是为了能观察到清晰的图像。后来由于数字电路的迅速发展和小型化，以及数字电路所具有的图像处理功能强大的特点，在热像仪中采用模拟电路的比例大大减小，对于图像非均匀性校正，盲元填充，图像的增强、滤波、增益调节、电平调节以及将数字信号转换成显示器需要格式的复合视频信号输出，均可以由数字电路来完成。采用数字处理电路不仅可以使图像处理功能大大提高，而且容易通过软件对热成像参数进行控制。2.2.5图像显示显示器可将视频信号转换成可见的图像。热成像系统中常用的显示方式有以下几种:(1)CRT显示。这种显示器的显示亮度、灰度等级和分辨力均较高，屏幕尺寸有大有小，适于各种场合使用。当成像装置的信号转换成电视体制后，可直接使用现成的电视监视器。(2)LED显示。当热成像的扫描体制在将多元探测器的信号转换成电视制式比较困难时，而且当LED的扫描成像可以与热成像的扫描机构合成一体时，显然采用LED显示方式是较好的选择，这时系统可融合成一体，体积和质量均可减小。但是LED显示亮度低、灰度等级和分辨力均较低，在第一代热像仪中使用较多。(3)液晶显示(LCD),与普通电视一样，LCD也是可用的，LCD的尺寸可从0.24英寸到很大，所以适用各种场合使用。三、热成像装置的组成部分3.1关于由下图可以看到，热成像系统主要由四部分组成：（1）收集景物辐射的接收器，其中包括光机扫描机；（2）光电转换和信号处理，其中包括红外探测器和制冷器，一般需要输出电视制式的信号;（3）能显示图像，即完成电光转换的显示器；（4）电源；热成像系统也可以分成光学系统、光机扫描系统、红外探测器及制冷器、信号处理、显示和电源，等。如图为热成像装置的组成框图3.2光学系统光学系统可以由反射式或透射式系统组成，两者可以达到同样的效果。但为了减小光学系统的尺寸和质最，热成像装置中的光学系统基本上使用透射式结构，这就必须使光学系统的工作波段与探侧器相匹配。也就是说，透射式系统起到了限制热成像装置工作波段的作用，所以中波和长波波段的镜头是不大可能互换使用的。3.3光机扫描系统光线经水平一个方向或水平和垂直两个方向的光机扫描后，景物的辐射就聚集到探测器上。当扫描器扫描时，探测器接收的辐射对应着景物的不同位置，这个过程叫做景物分析。在第一代和第二代热成像装置中，必须在物镜和探测器之间插入光机扫描器和辅助光学系统，扫描器的作用是将光学系统所形成的像扫过探测器，以达到连续、完整地分解图像。采用扫描器，能以小的瞬时视场实现对大的空间区域目标的搜索和成像。在第一代热成像装置中，根据探测器图案和扫描制式，有一维和二维扫描器，常用的扫描元件有转鼓、摆动镜等。在第二代热成像装里中，一般使用的线列探测器充满整个垂直视场，靠摆动镜扫描来满足水平总视场的要求。当采用面阵探测器时，这时热成像装置如同电视摄像机一样.不要任何扫描器，光学系统直接成像于FPA器件上。探测器将景物相应位置的辐射变化转换成电信号与时间的关系，结合扫描器扫描位置传感器输出同步信号，就可以显示出景物的图像。扫描器的有无以及是一维还是二维，取决于所选用探测器的类型。3．4红外探测器及制冷器红外探测器由能够转换红外辐射的光敏面、读出电路(FPA探测器中有)组成，它们都封装在能保持探测器光敏面工作温度的杜瓦内，在杜瓦上还必须具有能透过红外辐射的窗口。为了得到需要的工作温度，可以在杜瓦内加入制冷剂或利用制冷机取得低温。在非制冷探测器中，为了稳定探测器工作温度，热电制冷器也包括在杜瓦中。显然，控温和测温也需要在杜瓦内外安装相应的温度传感器。3．5信号处理在采用IRFPA器件的热成像系统中，信号处理大致包括以下内容。探测器电路包括:(1)提供与探测器完成光电转换必需的驱动信号或电源，包括驱动脉冲、直流偏置。(2)将探测器输出的模拟视频信号放大到需要的电平。(3)制冷机的控制电路和电源。模数转换电路将模拟视频信号转换为所需分辨力的数字信号。数字信号处理电路完成图像均匀性校正、盲元填充，图像增强、滤波，控制和数模转换以及提供时钟信号等。3．6显示器在热成像系统中使用的显示器均有显示屏和驱动电路组成。四、红外热成像技术的应用4.1军事应用4.1.1跟踪和制导武器装备如火炮、导弹在发射前都必须由搜索跟踪系统探测到目标，并跟踪到一定的距离，引导发射器对准目标，再开炮或发射导弹击中目标。搜索跟踪系统安装在地面或载体上，而热成像装置是其上很重要的传感器，担负探测目标的重任，由于需要满足较大的距离范围，一般需要有两个或三个视场。导弹在发射后可以自动跟踪目标，同样需要由传感器提供误差信号，而如今在很多先进的导弹中已经使用了热成像的导引头。4.1.2车辆或飞机的夜间驾驶导航发达国家的主战坦克、装甲车、作战飞机均安装了热成像装置，提供夜间驾驶或导航功能。作为辅助驾驶用的热成像要求观察视场比较大，而作用距离要求不高，制冷型热像仪由于成本高而在这方面的使用受到了限制，非制冷型的被大量使用。用于飞机导航的热像仪由于要求的作用距离远而一般采用制冷型热像仪，并需要安装在吊舱内，观察视场也要求比较大。4.1.3武器装备的瞄准如上文的跟踪系统也可以用在轻便武器上，安装在上面的瞄准具要求很小、轻，成本也很低，非制冷热成像技术的出现使其成为了可能。4.2民用4.2.1工业方面热像仪在工业上主要用来检测工业设备、监查运行故障及控制产品质量。检测人员利用热成像显示被查目标的热像和提供表面热分布的信息，找出即将发生和已发生的故障及其位置，以便及时采取措施予以消除4.2.1.1钢铁工业中的应用热像仪可用于从冶炼到轧钢的各个环节。具体应用包括以下几个方面:(1)大型高炉料面的测定，实时采集、计算、显示料面温度;（2）热风炉的破损诊断与检修;（3）高炉残铁口