紅外熱成像原理

波長(cháng)為2.0~1000μm的部分稱(chēng)為熱紅外線(xiàn)。我們周?chē)奈矬w只有當它們的溫度高達1000℃以上時(shí)，才能夠發(fā)出可見(jiàn)光。相比之下，我們周?chē)袦囟仍诮^對零度（-273℃）以上的物體，都會(huì )不停地發(fā)出熱紅外線(xiàn)。所以，熱紅外線(xiàn)（或稱(chēng)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(jiàn)光和近紅外線(xiàn)，但是對3~5μm和8~14μm的熱紅外線(xiàn)卻是透明的。因此，這兩個(gè)波段被稱(chēng)為熱紅外線(xiàn)的“大氣窗口” 。利用這兩個(gè)窗口，可以使人們在完全無(wú)光的夜晚，或是在煙云密布的戰場(chǎng)，清晰地觀(guān)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、艦艇和坦克裝上了全天候前視系統。這些系統在海灣戰爭中發(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(lái)對物體進(jìn)行無(wú)接觸溫度測量和熱狀態(tài)分析，從而為工業(yè)生產(chǎn)，節約能源，保護環(huán)境等等方面提供了一個(gè)重要的檢測手段和診斷工具。

　　現代的熱成像裝置工作在中紅外區域（波長(cháng)3~5μm）或遠紅外區域（波長(cháng)8~12μm）。通過(guò)探測物體發(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(jiàn)的輻射圖像轉變?yōu)槿搜劭梢?jiàn)的、清晰的圖像。熱成像儀非常靈敏，能探測到小于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器上，然后來(lái)自與每個(gè)探測器元件的紅外數據轉換成標準的視頻格式，可以在標準的視頻監視器上顯示出來(lái)，或記錄在錄像帶上。由于熱成像系統探測的是熱而不是光，所以可全天候使用；又因為它完全是被動(dòng)式的裝置，沒(méi)有光輻射或射頻能量，所以不會(huì )暴露使用者的位置。

　　紅外探測器分為兩類(lèi)：光子探測器和熱探測器。光子探測器在吸收紅外能量后，直接產(chǎn)生電效應；熱探測器在吸收紅外能量后，產(chǎn)生溫度變化，從而產(chǎn)生電效應。溫度變化引起的電效應與材料特性有關(guān)。

　　光子探測器非常靈敏，其靈敏度依賴(lài)于本身溫度。要保持高靈敏度，就必須將光子探測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。

　　熱探測器一般沒(méi)有光子探測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(guò)非接觸探測紅外熱量，并將其轉換生成熱圖像和溫度值，進(jìn)而顯示在顯示器上，并可以對溫度值進(jìn)行計算的一種檢測設備。紅外熱像儀能夠將探測到的熱量精確量化，能夠對發(fā)熱的故障區域進(jìn)行準確識別和嚴格分析。 照相機成像得到照片，電視攝像機成像得到電視圖像，都是可見(jiàn)光成像。自然界中，一切物體都可以輻射紅外線(xiàn)，因此利用探測儀測定目標的本身和背景之間的紅外線(xiàn)差并可以得到不同的紅外圖像，熱紅外線(xiàn)形成的圖像稱(chēng)為熱圖。

　　目標的熱圖像和目標的可見(jiàn)光圖像不同，它不是人眼所能看到的目標可見(jiàn)光圖像，而是目標表面溫度分布圖像，換一句話(huà)說(shuō)，紅外熱成像使人眼不能直接看到目標的表面溫度分布，變成人眼可以看到的代表目標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，然后把這種變量轉化成電信號，經(jīng)過(guò)調制后再轉變成圖象并測溫。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(wú)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外輻射紅外信號的特點(diǎn)，使之成為軍事價(jià)值極高的設備；第二，考慮到紅外線(xiàn)在空氣中衰減的幅度，作為高靈敏度探測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(kāi)始，對它的技術(shù)保密級別及它的價(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零度-273.15°C以上的物體，由于自身的分子熱運動(dòng)都在不停地向周?chē)臻g輻射包括紅外波段在內的電磁波，其光譜范圍比較廣。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。而現階段的紅外熱像儀都只能對其中某一小段光譜范圍的紅外光產(chǎn)生反應。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(jiàn)光和近紅外線(xiàn)，但是對3~5μm和8~14μm的熱紅外線(xiàn)卻受影響較小。因此，這兩個(gè)波段被稱(chēng)為熱紅外線(xiàn)的“大氣窗口”。同時(shí)，物體向外發(fā)射的輻射強度取決于目標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(cháng)的輻射能量，沒(méi)有能量的反射和透過(guò)，其表面的發(fā)射率為1。）應該指出，自然界中并不存在真正的黑體。

　　也就是說(shuō)，紅外熱像儀能否觀(guān)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物體表面的紅外輻射強度和面積，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階段溫度分辨率是以NETD實(shí)驗條件下，環(huán)境溫度為30℃時(shí)探測器的最小可辨溫差，而不是熱像儀整機的溫度分辨率。因為探測器本身的背景噪音如果為0.06℃時(shí)，后續處理所帶來(lái)的背景噪音疊加后肯定要高于0.06℃，至于能達到多少，那就要看各個(gè)廠(chǎng)家后續電子線(xiàn)路版塊的設計和處理能力了。這里值得說(shuō)明的是：溫度分辨率和測溫精度是兩回事。前者是最小可辨溫差的能力；后者是重復測量的平均溫差。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的分辨能力，它與探測器、電路、鏡頭有關(guān)，是個(gè)綜合指數，以mrad為單位，1.0mrad即千分之一弧度。