红外热成像技术原理
目前，新的熱成像儀主要采用非致冷焦平面陣列技術(shù)，集成數(shù)萬(wàn)個(gè)乃至數(shù)十萬(wàn)個(gè)信號(hào)放大器，將芯片置于光學(xué)系統(tǒng)的焦平面上，無(wú)須光機(jī)掃描系統(tǒng)而取得目標(biāo)的全景圖像，從而大大提高了靈敏度和熱分辨率，并進(jìn)一步地提高目標(biāo)的探測(cè)距離和識(shí)別能力。
? ? 1991年的海灣戰(zhàn)爭(zhēng)成為展示高科技武器使用先進(jìn)技術(shù)的平臺(tái)。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)。是利用各種探測(cè)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(shù)字、信號(hào)、圖像等方式顯示出來(lái)，并加以利用的探知、觀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(tǒng)設(shè)計(jì)、器件物理、材料制備、微機(jī)械加工、信號(hào)處理與顯示、封裝與組裝等一系列專門(mén)技術(shù)。該技術(shù)除主要應(yīng)用在黑夜或濃厚幕云霧中探測(cè)對(duì)方的目標(biāo)，探測(cè)偽裝的目標(biāo)和高速運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)等軍事應(yīng)用外，還可廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)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(yīng)用到民用領(lǐng)域中，將會(huì)引起安防領(lǐng)域的革命。
智能監(jiān)控是計(jì)算機(jī)視覺(jué)和模式識(shí)別技術(shù)在視頻監(jiān)控領(lǐng)域的應(yīng)用，它能對(duì)視頻圖像中的目標(biāo)進(jìn)行自動(dòng)地監(jiān)測(cè)、識(shí)別、跟蹤和分析。國(guó)外智能視頻監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展動(dòng)力是來(lái)源于對(duì)特殊監(jiān)控場(chǎng)所的監(jiān)控需求，9?11事件之后，出于反恐、國(guó)家安全、社會(huì)安定等多方面的需要，智能視頻監(jiān)控與預(yù)警技術(shù)已逐漸成為國(guó)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(yīng)用場(chǎng)所，如在惡劣天氣下24h全天候監(jiān)控、邊防與周界入侵自動(dòng)報(bào)警、火災(zāi)隱患的自動(dòng)識(shí)別、被遺棄的行李和包裹等遺留物體檢測(cè)、盜竊贓物查找、被埋尸體查找等等。
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一．?紅外熱成像系統(tǒng)的工作原理
? ? 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(lán)、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(fù)合而成。1800年，英國(guó)物理學(xué)家F.W.赫胥爾從熱的觀點(diǎn)來(lái)研究各種色光時(shí)，偶然發(fā)現(xiàn)放在光帶紅光外的一支溫度計(jì)，比其他色光溫度的指示數(shù)值高。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，這個(gè)所謂熱量最多的高溫區(qū)，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)光線外，還有一種人眼看不見(jiàn)的“熱線”，這種看不見(jiàn)的“熱線”位于紅色光外側(cè)，叫做紅外線。這種紅外線，又稱紅外輻射，是指波長(zhǎng)為0.78～1000μm的電磁波。其中波長(zhǎng)為0.78～1.5μm的部分稱為近紅外，波長(zhǎng)為1.5～10μm的部分稱為中紅外，波長(zhǎng)為10～1000μm的部分稱為遠(yuǎn)紅外線。而波長(zhǎng)為2.0～1000μm的部分，也稱為熱紅外線。
紅外線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(xù)頻譜中的位置是處于無(wú)線電波與可見(jiàn)光之間的區(qū)域。這種紅外線輻射是，基于任何物體在常規(guī)環(huán)境下都會(huì)產(chǎn)生自身的分子和原子無(wú)規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，并不停地輻射出熱紅外能量。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。
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? ? 在自然界中，一切物體都會(huì)輻射紅外線，因此利用探測(cè)器測(cè)定目標(biāo)本身和背景之間的紅外線差，可以得到不同的紅外圖像，稱為熱圖像。同一目標(biāo)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(biāo)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(biāo)的表面溫度分布，而是變成人眼可以看到的代表目標(biāo)表面溫度分布的熱圖像。運(yùn)用這一方法，便能實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行遠(yuǎn)距離熱狀態(tài)圖像成像和測(cè)溫，并可進(jìn)行智能分析判斷。
紅外熱成像技術(shù)是一種被動(dòng)紅外夜視技術(shù)，其原理是基于自然界中一切溫度高于絕對(duì)零度(-273℃)的物體，每時(shí)每刻都輻射出紅外線，同時(shí)這種紅外線輻射都載有物體的特征信息，這就為利用紅外技術(shù)判別各種被測(cè)目標(biāo)的溫度高低和熱分布場(chǎng)提供了客觀的基礎(chǔ)。利用這一特性，通過(guò)光電紅外探測(cè)器將物體發(fā)熱部位輻射的功率信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后，成像裝置就可以一一對(duì)應(yīng)地模擬出物體表面溫度的空間分布，最后經(jīng)系統(tǒng)處理，形成熱圖像視頻信號(hào)，傳至顯示屏幕上，就得到與物體表面熱分布相對(duì)應(yīng)的熱像圖，即紅外熱圖像。
?非致冷焦平面紅外熱成像系統(tǒng)由光學(xué)系統(tǒng)、光譜濾波、紅外探測(cè)器陣列、輸入電路、讀出電路、視頻圖像處理、視頻信號(hào)形成、時(shí)序脈沖同步控制電路、監(jiān)視器等組成。
系統(tǒng)的工作原理是，由光學(xué)系統(tǒng)接受被測(cè)目標(biāo)的紅外輻射經(jīng)光譜濾波將紅外輻射能量分布圖形反映到焦平面上的紅外探測(cè)器陣列的各光敏元上，探測(cè)器將紅外輻射能轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，由探測(cè)器偏置與前置放大的輸入電路輸出所需的放大信號(hào)，并注入到讀出電路，以便進(jìn)行多路傳輸。高密度、多功能的CMOS多路傳輸器的讀出電路能夠執(zhí)行稠密的線陣和面陣紅外焦平面陣列的信號(hào)積分、傳輸、處理和掃描輸出，并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，以送入微機(jī)作視頻圖像處理。由于被測(cè)目標(biāo)物體各部分的紅外輻射的熱像分布信號(hào)非常弱，缺少可見(jiàn)光圖像那種層次和立體感，因而需進(jìn)行一些圖像亮度與對(duì)比度的控制、實(shí)際校正與偽彩色描繪等處理。經(jīng)過(guò)處理的信號(hào)送入到視頻信號(hào)形成部分進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換并形成標(biāo)準(zhǔn)的視頻信號(hào)，最后通過(guò)電視屏或監(jiān)視器顯示被測(cè)目標(biāo)的紅外熱像圖。
紅外焦平面陣列的工作性能除了與探測(cè)器性能如量子效率、光譜響應(yīng)、噪聲譜、均勻性等有關(guān)外，還與探測(cè)器探測(cè)信號(hào)的輸出性能有關(guān)，如輸入電路中的電荷存儲(chǔ)、均勻性、線性度、噪聲譜、注入效率，讀出電路中的電荷轉(zhuǎn)移效率、電荷處理能力、串?dāng)_等。
焦平面陣列結(jié)構(gòu)有四種類型：單片式、準(zhǔn)單片式、平面混合式和Z型混合式。單片式焦平面陣列是指在同一芯片上即含有探測(cè)器又含有信號(hào)處理電路的Si器件;準(zhǔn)單片式焦平面陣列器件是將探測(cè)器和讀出線路分別制備，然后把它們裝在同一個(gè)襯底上，通過(guò)引線焊接將兩部分連在一起;平面混合式采用銦柱將探測(cè)器陣列正面的每個(gè)探測(cè)器與多路傳輸器一對(duì)一地對(duì)準(zhǔn)配接起來(lái);Z型混合式則將許多集成電路芯片一個(gè)一個(gè)地層疊起來(lái)以形成一個(gè)三維的電路層疊結(jié)構(gòu)。平面混合和Z型混合方法的優(yōu)點(diǎn)是由于將多路傳輸器與探測(cè)器直接混合，因而具有很高的封裝密度，較快的工作效率，并使總的設(shè)計(jì)得以簡(jiǎn)化。由于信號(hào)處理是在焦平面陣列中進(jìn)行的，所以減少了器件的引線數(shù)目，光學(xué)孔徑和頻譜帶寬也得以減小。
讀出電路的電荷處理能力直接控制焦平面的動(dòng)態(tài)范圍，它的電荷轉(zhuǎn)移效率影響焦平面的非均勻性、數(shù)據(jù)率、串?dāng)_和噪聲，這些都綜合影響焦平面的空間、時(shí)間和輻射能量的極限分辨能力以及空間和時(shí)間頻率傳遞特性。因此，讀出電路的設(shè)計(jì)要求為：高電荷容量、高轉(zhuǎn)移效率、低噪聲和低功率耗散;其次考慮抗光暈控制和降低交叉串?dāng)_。
據(jù)報(bào)道，砷化鎵(GaAs)可作為一種潛在的焦平面陣列讀出技術(shù)，其原因是：GaAs的熱膨脹系數(shù)與碲鎘汞探測(cè)器(HgCdTe)的匹配要比硅好得多，這樣便有可能可靠地制備大型混合焦平面陣列;GaAs技術(shù)的輻射硬度比硅好得多;n型GaAs器件的施主能級(jí)比硅更接近導(dǎo)帶邊緣，這就使得GaAs器件在4K時(shí)更不受凍結(jié)效應(yīng)的影響。
目前達(dá)到實(shí)用水平的焦平面陣列探測(cè)器主要有碲鎘汞、銻化銦、硅化鉑和非制冷探測(cè)器4種。陣列式凝視成像的焦平面熱像儀，屬新一代的熱成像裝置，在性能上大大優(yōu)于光機(jī)掃描式熱像儀，定將逐步取代光機(jī)掃描式熱像儀。其關(guān)鍵技術(shù)是探測(cè)器由單片集成電路組成，被測(cè)目標(biāo)的整個(gè)視野都聚焦在上面，并且圖像更加清晰，使用更加方便，儀器非常小巧輕便，同時(shí)具有自動(dòng)調(diào)焦圖像凍結(jié)，連續(xù)放大，點(diǎn)溫、線溫、等溫和語(yǔ)音注釋圖像等功能，儀器采用PC卡，存儲(chǔ)容量可高達(dá)500幅圖像。
紅外熱像儀是通過(guò)非接觸探測(cè)紅外能量(熱量)，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，進(jìn)而在顯示器上生成熱圖像和溫度值，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，或測(cè)量，不僅能夠觀察熱圖像，還能夠?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。
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二、紅外熱成像技術(shù)的發(fā)展
從赫胥爾1800年發(fā)現(xiàn)了紅外線后，開(kāi)辟了人類應(yīng)用紅外技術(shù)的廣闊道路?！《问澜绱髴?zhàn)中，德國(guó)人用紅外變像管，研制出了主動(dòng)式夜視儀和紅外通信設(shè)備，為紅外技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。
二次世界大戰(zhàn)后，美國(guó)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，稱之為紅外尋視系統(tǒng)(FLIR)。它是利用光學(xué)機(jī)械系統(tǒng)對(duì)被測(cè)目標(biāo)的紅外輻射掃描，由光子探測(cè)器接收兩維紅外輻射，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換及處理，最后形成熱圖像視頻信號(hào)，并在熒屏上顯示。
六十年代中期，瑞典AGA公司和瑞典國(guó)家電力局，在紅外尋視裝置的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了具有溫度測(cè)量功能的熱紅外成像裝置。這種第二代紅外成像裝置，通常稱為熱像儀。
七十年代，法國(guó)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(tǒng)，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(cè)量、修改、分析、圖像采集、存儲(chǔ)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的提高。
九十年代中期，美國(guó)FSI公司首先研制成功由軍用轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)的一種凝視成像裝置，技術(shù)功能更加先進(jìn)，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)溫時(shí)只需對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)攝取圖像，并存儲(chǔ)到機(jī)內(nèi)的PC卡上。各種參數(shù)的設(shè)定，可回到室內(nèi)用軟件進(jìn)行修改和分析，最后直接得出檢測(cè)報(bào)告。由于取代了復(fù)雜的機(jī)械掃描，儀器重量已小于2kg，如同手持?jǐn)z像機(jī)一樣，單手即可操作使用。
隨著紅外焦平面陣列技術(shù)的迅速發(fā)展，美、英、法、德、以色列等西方發(fā)達(dá)國(guó)家都在競(jìng)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(guó)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(guī)模已大達(dá)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(xiàn)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產(chǎn)品推向市場(chǎng)，搶占商機(jī);法國(guó)、荷蘭、瑞典、英國(guó)、德國(guó)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(jìng)爭(zhēng)地位，如AGEMA公司的熱視570，AGEMA520和德國(guó)STNATLAS電子公司駕駛員視覺(jué)增強(qiáng)系統(tǒng)，都具有很高的水平和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力。
七十年代，中國(guó)有關(guān)單位已經(jīng)開(kāi)始對(duì)紅外熱成像技術(shù)進(jìn)行研究。八十年代末，中國(guó)已經(jīng)研制成功了實(shí)時(shí)紅外成像樣機(jī)，其靈敏度、溫度分辨率都達(dá)到很高的水平。進(jìn)入九十年代，中國(guó)在紅外成像設(shè)備上使用低噪聲寬頻帶前置放大器，微型致冷器等關(guān)鍵技術(shù)方面有了發(fā)展，并且從實(shí)驗(yàn)走向應(yīng)用。如用于部隊(duì)的便攜式野戰(zhàn)熱像儀，反坦克飛彈、防空雷達(dá)以及坦克、軍艦火炮等。
近幾年來(lái)，中國(guó)的紅外成像技術(shù)得到突飛猛進(jìn)的發(fā)展，與西方的差距正在逐步縮小，有些設(shè)備的先進(jìn)性也可同西方同步。如目前己能生產(chǎn)面積小于30μm2的1000×1000像素的探測(cè)器陣列，由于采用了基于銻化銦的新器件，目前己達(dá)到了分辨率小干0.01℃的溫差，使對(duì)目標(biāo)的識(shí)別達(dá)到更高的水平。
紅外熱成像儀，可以分為致冷型和非致冷型兩大類。紅外電視產(chǎn)品和非致冷焦平面熱成像儀是非致冷型產(chǎn)品，其他為致冷型紅外熱成像儀。
前一代的熱像儀主要由帶有掃描裝置的光學(xué)儀器和電子放大線路、顯示器等部件組成，已經(jīng)成功裝備部隊(duì)，并己用于夜間的地面觀察、空中偵查、水面保險(xiǎn)等方面。
目前，新的熱成像儀主要采用非致冷焦平面陣列技術(shù)，集成數(shù)萬(wàn)個(gè)乃至數(shù)十萬(wàn)個(gè)信號(hào)放大器，將芯片置于光學(xué)系統(tǒng)的焦平面上，無(wú)須光機(jī)掃描系統(tǒng)而取得目標(biāo)的全景圖像，從而大大提高了靈敏度和熱分辨率，并進(jìn)一步地提高目標(biāo)的探測(cè)距離和識(shí)別能力。
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總結(jié)
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