熱紅外線(xiàn)圖像紅外熱成像技術(shù)的發(fā)展歷程與趨勢(shì)

熱成像技術(shù)的發(fā)展按照其每個(gè)時(shí)期的特點(diǎn)不用大致可概括為四個(gè)階段：第一階段紅外探測(cè)器是由單元件掃描成像升級(jí)到了探測(cè)效果更好的多元件掃描成像；第二階段是由多元件升級(jí)到了焦平面列陣，隨著硬件的升級(jí)完成了由單點(diǎn)探測(cè)到目標(biāo)區(qū)域探測(cè)成像這一巨大的技術(shù)進(jìn)步。第三階段為紅外探測(cè)器及集成化紅外焦平面列陣；第四階段即現(xiàn)今的階段，以實(shí)現(xiàn)高分辨率的探測(cè)、大面陣及多波段對(duì)象探測(cè)為目的，制造出具有信號(hào)識(shí)別處理功能、帶有更強(qiáng)大的波段分析能力的探測(cè)器。

紅外線(xiàn)熱成像技術(shù)的應(yīng)用范圍非常廣泛，無(wú)論是在科學(xué)研究、民用探測(cè)等領(lǐng)域都可以看到它的身影。并且隨著技術(shù)的成熟、高性?xún)r(jià)比的熱成像儀的推出，會(huì)使得紅外成像技術(shù)會(huì)應(yīng)用到人們生活的各個(gè)角落。在工業(yè)生產(chǎn)中，大量生產(chǎn)設(shè)備長(zhǎng)期處于高溫、高壓、高強(qiáng)度的運(yùn)轉(zhuǎn)中，如何對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)，保證安全生產(chǎn)作業(yè)就顯得尤為重要，紅外成像儀就可以解決這一問(wèn)題，使安檢人員可及時(shí)發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備的異常并快速處理，降低生產(chǎn)中的安全事故發(fā)生率。另外，熱成像儀在醫(yī)藥衛(wèi)生、安防、消防、地質(zhì)等多個(gè)方面都有廣泛的應(yīng)用，如探測(cè)建筑物漏熱、導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)熱量檢查、材料制品的無(wú)損檢查、森林探火等，可見(jiàn)熱圖像對(duì)實(shí)際問(wèn)題解決有著很大的幫助。

紅外高光譜遙感技術(shù)是通過(guò)采集紅外光的光譜數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列后續(xù)處理達(dá)到探測(cè)的目標(biāo)。具體包括前期的光譜提取、分類(lèi)，并將處理后的結(jié)果與數(shù)據(jù)庫(kù)里的存儲(chǔ)樣本進(jìn)行比對(duì)等，最終實(shí)現(xiàn)探測(cè)。目前該技術(shù)在煤、氣、石油的勘探等方面的應(yīng)用取得了舉世矚目的成就，當(dāng)然在技術(shù)革新方面還有著很大的上升空間。雖然很多民用領(lǐng)域己經(jīng)使用紅外成像技術(shù)解決實(shí)際中的問(wèn)題，可仍處于起步階段，還需要不斷進(jìn)行理論創(chuàng)新與應(yīng)用研究。 2100433B

(1)安全系數(shù)高、高效。

熱成像技術(shù)采用非接觸式的紅外電磁波探測(cè)方式，同時(shí)具有被動(dòng)式探測(cè)、識(shí)別功能，在保證探測(cè)效果的同時(shí)保障了探測(cè)系統(tǒng)的安全性。同時(shí)操作簡(jiǎn)單，可以有效地觀(guān)察溫度分布狀況。

(2)跟蹤目標(biāo)能力強(qiáng)，復(fù)數(shù)目標(biāo)跟蹤效果好，探測(cè)距離遠(yuǎn)，抗干擾能力強(qiáng)。

紅外探測(cè)技術(shù)是根據(jù)目標(biāo)的紅外輻射進(jìn)行目標(biāo)跟蹤，并且不受目標(biāo)周?chē)姶盼镔|(zhì)干擾，這點(diǎn)在探測(cè)的實(shí)際應(yīng)用中相當(dāng)重要。同時(shí)采用了紅外搜索技術(shù)，支持多目標(biāo)跟蹤，對(duì)遠(yuǎn)距離目標(biāo)同樣有著很好的探測(cè)效果。

(3)全天24小時(shí)目標(biāo)監(jiān)控。

紅外熱成像技術(shù)是通過(guò)探測(cè)兩種不能被空氣及云霧所吸收的紅外線(xiàn)來(lái)進(jìn)行物體探測(cè)的。正是由于這個(gè)特點(diǎn)，無(wú)論被探測(cè)目標(biāo)所處的環(huán)境有多惡劣即使是無(wú)光或者雨雪天氣，均可發(fā)揮其該有的探測(cè)效果，保證24小時(shí)監(jiān)控，時(shí)刻獲取溫度信息。

(4)探測(cè)精度高，距離遠(yuǎn)。

紅外熱成像技術(shù)對(duì)溫差極為敏感，對(duì)突然出現(xiàn)的微小變化反映速度快，在復(fù)雜的環(huán)境下也能保證較高的精度。即使目標(biāo)距離遠(yuǎn)，一樣有著良好的探測(cè)效果。這點(diǎn)可以由紅外技術(shù)在軍事防御系統(tǒng)及武器的應(yīng)用中看出，利用該成像技術(shù)，可以探測(cè)到處在各種距離下的目標(biāo)，即使是便攜式的手持式熱成像儀探測(cè)范圍也達(dá)到2500英尺以上。

(5) 測(cè)量范圍大，可直觀(guān)的顯示溫度場(chǎng)。

紅外熱成像儀能對(duì)一片區(qū)域內(nèi)的溫度進(jìn)行探測(cè)，同時(shí)繪制目標(biāo)區(qū)域表面溫度場(chǎng)信息，為我們分析現(xiàn)場(chǎng)情況提供更多、更直觀(guān)的信息，在實(shí)際應(yīng)用中探測(cè)范圍的增加，可以讓我們更迅速捕獲異常點(diǎn)溫度信息，并觀(guān)察其變化規(guī)律。

紅外熱成像技術(shù)是一種非接觸式的可視化探測(cè)方法，具有探測(cè)范圍大、信息損耗小等優(yōu)點(diǎn)。該技術(shù)可進(jìn)行全天二十四小時(shí)不中斷作業(yè)，白天黑夜均不影響其探測(cè)效果，同時(shí)通過(guò)光電轉(zhuǎn)化、目標(biāo)處理等方法將紅外信號(hào)轉(zhuǎn)換成可供人類(lèi)視覺(jué)分辨的圖像，并且可以將每點(diǎn)的溫度值計(jì)算出來(lái)。紅外熱成像技術(shù)使人類(lèi)可以直觀(guān)的識(shí)別物體表面溫度分部狀況，從而進(jìn)一步分析物體內(nèi)部存在的問(wèn)題，為我們由表至里的探測(cè)提供了可能。

紅外熱成像儀是以對(duì)紅外線(xiàn)敏感的光敏元件為基礎(chǔ)，由紅外線(xiàn)探測(cè)器、光機(jī)掃描系統(tǒng)組成，接收物體因內(nèi)部熱能量而向外輻射的紅外線(xiàn)，使用光學(xué)成像原理將這種能量以光學(xué)可視化的形式顯示出來(lái)。面陣焦平面陣列器件因其沒(méi)有光機(jī)掃描及探測(cè)器轉(zhuǎn)換過(guò)程，簡(jiǎn)化了可視化的過(guò)程，而成為當(dāng)前比較領(lǐng)先的熱成像手段。模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)解調(diào)器處理、放大后使用探測(cè)器或者在顯示屏上顯示所生成的熱紅外圖像或者溫度值，而且可以對(duì)獲取的溫度值進(jìn)行進(jìn)一步計(jì)算及統(tǒng)計(jì)。

對(duì)象的選擇是左右探測(cè)效果的重要因素，選取對(duì)象時(shí)需考慮其所處的環(huán)境情況，當(dāng)對(duì)象溫度與其背景溫度相差不大時(shí)，探測(cè)會(huì)有很大難度。在這種狀況下，需要探測(cè)人員熟知熱輻射的特點(diǎn)，調(diào)節(jié)合適工作波段，讓探測(cè)對(duì)象在該波段下的熱輻射能量能顯著的顯示出來(lái)。除此之外，還需詳細(xì)了解目標(biāo)的外形特征、尺寸大小、正常溫度范圍等一些系類(lèi)詳細(xì)信息，方便我們?cè)谔綔y(cè)時(shí)給出正確判斷。

熱紅外圖像是灰度圖像，沒(méi)有色彩或陰影，圖像分辨率低，圖像缺乏層次感；由于景物熱平衡、傳輸距離和大氣衰減等原因，造成熱紅外圖像空間相關(guān)性強(qiáng)、對(duì)比度低、視覺(jué)效果模糊；外界環(huán)境的隨機(jī)干擾和紅外成像系統(tǒng)的不完善，給熱紅外圖像帶來(lái)多種多樣的噪聲，這些分布復(fù)雜的噪聲使得熱紅外圖像的信噪比高不利于后續(xù)環(huán)節(jié)如圖像融合、目標(biāo)識(shí)別的處理。熱紅外圖像中普遍存在著目標(biāo)邊緣輪廓模糊，背景對(duì)比度差等缺點(diǎn)，如果紅外傳感器較遠(yuǎn)，再加之受大氣惡劣條件的影響，此時(shí)獲得的熱紅外圖像信噪比和對(duì)比度將更低，圖像質(zhì)量很差。

波長(zhǎng)在可見(jiàn)光紅端與微波之間的電磁輻射。又稱(chēng)紅外光。波長(zhǎng)范圍約在7×10-7～1×10-3米之間。1800年，英國(guó)天文學(xué)家赫謝耳將溫度計(jì)放在日光光譜的紅端以外，觀(guān)察到有增溫現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)了紅外線(xiàn)。一切物體都在向外輻射紅外線(xiàn)，物體溫度越高，發(fā)射的紅外線(xiàn)波段越寬，且長(zhǎng)波段的能量越豐富。在實(shí)驗(yàn)室里，常用電燈、電弧作為紅外光源。紅外線(xiàn)產(chǎn)生的機(jī)理是原子的外層電子受到激發(fā)。紅外線(xiàn)不能引起人眼的視覺(jué)；有極強(qiáng)的熱效應(yīng)；易于為物體吸收而轉(zhuǎn)為其內(nèi)能；有較強(qiáng)的穿透霧的能力，不易被散射；也能產(chǎn)生化學(xué)效應(yīng)；并能吸收磷光。紅外線(xiàn)可以用溫差電偶、熱敏電阻、特殊的光電管來(lái)探測(cè)，也可以根據(jù)磷光被熄滅的現(xiàn)象來(lái)檢測(cè)紅外線(xiàn)的波長(zhǎng)。

利用紅外線(xiàn)可以隔著薄霧和煙霧拍攝景物，即使夜間也可以進(jìn)行紅外攝影。用紅外線(xiàn)代替普通光線(xiàn)的攝影，物形的細(xì)節(jié)更加突出；在衛(wèi)星上采用紅外線(xiàn)對(duì)地面攝影。夜間研究天體的近紅外輻射的吸收光譜，可以了解天體上的氣體成分。紅外線(xiàn)訊號(hào)只要中途沒(méi)有障礙，能被遠(yuǎn)處的接收站接到，并轉(zhuǎn)變成電流脈動(dòng)被記錄下來(lái)，類(lèi)似無(wú)線(xiàn)電通訊。此外，可以用紅外線(xiàn)來(lái)烘烤金屬表面的油漆、烘烤食物。紅外遙感測(cè)量技術(shù)可用在地質(zhì)勘探、氣象預(yù)報(bào)等。

熱紅外圖像是熱輻射成像，它是隨著紅外成像技術(shù)的出現(xiàn)而誕生的。紅外成像技術(shù)是一種熱輻射信息探測(cè)技術(shù)，它是根據(jù)物體的紅外輻射差異成像的，紅外熱成像系統(tǒng)能夠把物體表面的自然發(fā)射的紅外輻射分布轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢?jiàn)圖像。由于不同物體或同一物體的不同部位通常具有不同的熱輻射特性，如溫差、發(fā)射率等，在進(jìn)行熱紅外成像后，熱紅外圖像中的物體因?yàn)槠錈彷椛涞牟町惗鴧^(qū)別開(kāi)來(lái)。熱紅外圖像的獲取不依賴(lài)于外部光線(xiàn)，具有全天侯特點(diǎn)。

通常來(lái)說(shuō)，獲取熱圖像的方法是使用熱像儀，熱像儀是依據(jù)紅外熱輻射原理工作的。

隨著電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，新半導(dǎo)體材料的不斷出現(xiàn)，紅外測(cè)溫技術(shù)的完備程度不斷提高，熱圖像的獲取速度快，獲取的熱圖像精度和靈敏度高，在科學(xué)研究、現(xiàn)代工程技術(shù)和軍事領(lǐng)域中應(yīng)用越發(fā)廣泛 。

一般來(lái)說(shuō)，熱成像過(guò)程會(huì)得到受測(cè)目標(biāo)區(qū)域或物體的溫度分布圖，并以不同的顏色標(biāo)注出來(lái)，構(gòu)成了一幅溫度梯度圖像。通過(guò)顏色和溫度的對(duì)應(yīng)表，可以看出目標(biāo)物體的溫度分布，通常也可以看出目標(biāo)的輪廓。

對(duì)于熱圖像中的信息，往往分為直觀(guān)可見(jiàn)的部分和隱含的部分，可簡(jiǎn)稱(chēng)為直接信息和隱含信息。對(duì)于直接信息，關(guān)注的地方多是高溫度區(qū)域、目標(biāo)的輪廓、溫度突變的點(diǎn)或線(xiàn)、溫度的變化趨勢(shì)等；對(duì)于隱含信息，需要一定的圖像處理算法以便進(jìn)一步觀(guān)察，詳見(jiàn)數(shù)字圖像處理。

對(duì)于一切具有溫度的物體都可以通過(guò)獲取并觀(guān)察其熱圖像得到其溫度分布信息，從而分析得到一些我們感興趣的結(jié)論。熱圖像在很多領(lǐng)域都有應(yīng)用，其中最典型的幾類(lèi)有：

1. 目標(biāo)異常狀態(tài)監(jiān)測(cè)。這是通過(guò)熱圖像監(jiān)測(cè)目標(biāo)是否存在不正常的溫度值或溫度分布，從而起到異常監(jiān)測(cè)的作用。實(shí)際應(yīng)用有森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)、地區(qū)氣溫監(jiān)測(cè)、電路/芯片故障監(jiān)測(cè)等；

2. 目標(biāo)識(shí)別。這是通過(guò)監(jiān)視一定區(qū)域內(nèi)的溫度分布來(lái)觀(guān)察是否有和周?chē)h(huán)境溫度或溫度分布趨勢(shì)不一致的物體，從而判定出是否有可以目標(biāo)。實(shí)際應(yīng)用有紅外夜視儀、紅外制導(dǎo)、紅外監(jiān)控器等；

3. 故障/缺陷檢測(cè)。這里的故障和缺陷更多的是指無(wú)法直接在熱圖像上看出的故障和缺陷。對(duì)于無(wú)法直接看出問(wèn)題的熱圖像，通過(guò)一定的圖像處理算法，如熱信號(hào)重構(gòu)（TSR）、主成分分析（PCA）、頻域分析等，可能會(huì)得到隱藏的故障/缺陷信息。實(shí)際應(yīng)用有熱無(wú)損檢測(cè)等。

4. 醫(yī)學(xué)臨床輔助。對(duì)人體的熱圖像進(jìn)行分析，可以得到一些能夠幫助診斷病情的信息，也可以起到病情預(yù)警的作用。