紅外熱成像技術(shù)及在智能視頻監控中的應用

一、引言

1672年，牛頓使用分光棱鏡把太陽(yáng)光（白光）分解為紅、橙、黃、綠、青、藍、紫等各色單色光，證實(shí)了太陽(yáng)光（白光）是由各種顏色的光復合而成。1800年，英國物理學(xué)家F. W. 赫胥爾從熱的觀(guān)點(diǎn)來(lái)研究各種色光時(shí)，偶然發(fā)現放在光帶紅光外的一支溫度計，比其他色光溫度的指示數值高。經(jīng)過(guò)反復試驗，這個(gè)所謂熱量最多的高溫區，總是位于光帶最邊緣處紅光的外面。于是他宣布:太陽(yáng)發(fā)出的輻射中除可見(jiàn)光線(xiàn)外，還有一種人眼看不見(jiàn)的“熱線(xiàn)”，這種看不見(jiàn)的“熱線(xiàn)”位于紅色光外側，叫做紅外線(xiàn)。這種紅外線(xiàn)，又稱(chēng)紅外輻射，是指波長(cháng)為0.78～1000μm的電磁波。其中波長(cháng)為0.78 ～1.5μm 的部分稱(chēng)為近紅外，波長(cháng)為1.5 ～10μm的部分稱(chēng)為中紅外，波長(cháng)為10～1000μm的部分稱(chēng)為遠紅外線(xiàn)。而波長(cháng)為2.0 ～1000μm的部分，也稱(chēng)為熱紅外線(xiàn)。

紅外線(xiàn)輻射是自然界存在的一種最為廣泛的電磁波輻射，它在電磁波連續頻譜中的位置是處于無(wú)線(xiàn)電波與可見(jiàn)光之間的區域。這種紅外線(xiàn)輻射是，基于任何物體在常規環(huán)境下都會(huì )產(chǎn)生自身的分子和原子無(wú)規則的運動(dòng)，并不停地輻射出熱紅外能量。分子和原子的運動(dòng)愈劇烈，輻射的能量愈大 ; 反之，輻射的能量愈小。

在自然界中，一切物體都會(huì )輻射紅外線(xiàn)，因此利用探測器測定目標本身和背景之間的紅外線(xiàn)差，可以得到不同的紅外圖像，稱(chēng)為熱圖像。同一目標的熱圖像和可見(jiàn)光圖像不同，它不是人眼所能看到的可見(jiàn)光圖像，而是目標表面溫度分布的圖像?；蛘呖梢哉f(shuō)，它是人眼不能直接看到目標的表面溫度分布，而是變成人眼可以看到的代表目標表面溫度分布的熱圖像。運用這一方法，便能實(shí)現對目標進(jìn)行遠距離熱狀態(tài)圖像成像和測溫，并可進(jìn)行智能分析判斷。

眾所周知，海灣戰爭已成為展示高科技武器使用先進(jìn)技術(shù)的平臺。在這些新科技中，紅外熱成像技術(shù)就是其中最為閃亮的高科技技術(shù)之一。紅外熱成像技術(shù)(Infrared thermal imaging technology)是利用各種探測器來(lái)接收物體發(fā)出的紅外輻射， 再進(jìn)行光電信息處理， 最后以數字、信號、圖像等方式顯示出來(lái)，并加以利用的探知、觀(guān)察和研究各種物體的一門(mén)綜合性技術(shù)。它涉及光學(xué)系統設計、器件物理、材料制備、微機械加工、信號處理與顯示、封裝與組裝等一系列專(zhuān)門(mén)技術(shù)。該技術(shù)除主要應用在黑夜或濃厚幕云霧中探測對方的目標，探測偽裝的目標和高速運動(dòng)的目標等軍事應用外，還可廣泛應用于工業(yè)、農業(yè)、醫療、消防、考古、交通、地質(zhì)、公安偵察等民用領(lǐng)域。如果將這種技術(shù)大量地應用到安防監控領(lǐng)域中，將會(huì )引起安防監控領(lǐng)域的變革。

智能視頻監控技術(shù)是計算機視覺(jué)和模式識別技術(shù)在視頻監控領(lǐng)域的應用，它能對視頻圖像中的目標進(jìn)行自動(dòng)地監測、識別、跟蹤和分析，從而為用戶(hù)提供對監控和預警有用的關(guān)鍵信息。國外智能視頻監控技術(shù)的發(fā)展動(dòng)力是來(lái)源于對特殊監控場(chǎng)所的監控需求，特別是自2001年9·11事件之后，出于反恐、國家安全、社會(huì )安定等多方面的需要，智能視頻監控與預警技術(shù)已逐漸成為國際上最為關(guān)注的前沿研究領(lǐng)域。尤其是在一些特殊的應用場(chǎng)所，如在惡劣天氣下24h全天候監控、邊防與周界入侵自動(dòng)報警、火災隱患的自動(dòng)識別、被遺棄的行李和包裹等遺留物體檢測、盜竊贓物查找、被埋尸體查找等等，若利用紅外熱成像技術(shù)作智能視頻監控探測與識別，更顯得方便而容易。下面就介紹一下這種紅外熱成像技術(shù)的發(fā)展、優(yōu)缺點(diǎn)，新一代紅外熱成像系統的組成與工作原理，以及它在智能視頻監控中的應用等。

二、紅外熱成像技術(shù)的發(fā)展

從1800年，英國物理學(xué)家赫胥爾發(fā)現了紅外線(xiàn)后，開(kāi)辟了人類(lèi)應用紅外技術(shù)的廣闊道路。在第二次世界大戰中，德國人用紅外變像管，研制出了主動(dòng)式夜視儀和紅外通信設備，為紅外技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎。

二次世界大戰后，首先由美國德克薩斯儀器公司（TI）在1964年首次開(kāi)發(fā)研制成功第一代用于軍事領(lǐng)域的紅外成像裝置，稱(chēng)之為紅外尋視系統（FLIR）。它是利用光學(xué)機械系統對被測目標的紅外輻射掃描，由光子探測器接收兩維紅外輻射，經(jīng)光電轉換及處理，最后形成熱圖像視頻信號，并在熒屏上顯示。

六十年代中期，瑞典AGA公司和瑞典國家電力局，在紅外尋視裝置的基礎上，開(kāi)發(fā)了具有溫度測量功能的熱紅外成像裝置。這種第二代紅外成像裝置，通常稱(chēng)為熱像儀。

七十年代，法國湯姆蓀公司又研制出，不需致冷的紅外熱電視產(chǎn)品。

1986年，瑞典研制出工業(yè)用的實(shí)時(shí)成像系統，它無(wú)須液氮或高壓氣，而以熱電方式致冷，可用電池供電;1988年又推出全功能熱像儀，它將溫度的測量、修改、分析、圖像采集、存儲合于一體，重量小于7kg，使儀器的功能、精度和可靠性都得到了顯著(zhù)的提高。

九十年代中期，美國FSI公司首先研制成功由軍用轉民用并商品化的新一代紅外熱像儀，它是屬焦平面陣列式結構的一種凝視成像裝置，技術(shù)功能更加先進(jìn)，現場(chǎng)測溫時(shí)只需對準目標攝取圖像，并存儲到機內的PC卡上。各種參數的設定，可回到室內用軟件進(jìn)行修改和分析，最后直接得出檢測報告。由于取代了復雜的機械掃描，儀器重量已小于2kg，如同手持攝像機一樣，單手即可操作使用。

隨著(zhù)紅外焦平面陣列技術(shù)的迅速發(fā)展，美、英、法、德、日、加拿大、以色列等西方發(fā)達國家都在競相研制和生產(chǎn)先進(jìn)的紅外焦平面陣列攝像儀，其中美國在紅外焦平面陣列傳感器的發(fā)展水平方面處于遙遙領(lǐng)先地位，其焦平面陣列規模已大達2048×2048元，已接近于可見(jiàn)光硅CCD攝像陣列的水平。日本在世界上最先實(shí)現了100萬(wàn)像元集成度的單片式紅外焦平面陣列，在品種方面，從HgCdTe、InSb、GaAlAs/GaAs量子阱和PtSi到非致冷紅外焦平面陣列等種類(lèi)產(chǎn)品推向市場(chǎng)，搶占商機; 法國、荷蘭、瑞典、英國、德國和意大利等在非致冷紅外熱攝像儀技術(shù)的發(fā)展方面，已顯出其處于前沿的競爭地位，如AGEMA公司的熱視570，AGEMA520和德國STNATLAS電子公司駕駛員視覺(jué)增強系統，都具有很高的水平和市場(chǎng)競爭實(shí)力。此外，加拿大、以色列、韓國、澳大利亞、波蘭、新加坡的一些公司和機構都在盡力發(fā)展先進(jìn)紅外焦平面陣列熱攝像儀技術(shù)，競爭已遍及全球幾大洲。