我國紅外熱像檢測技術的研究及發展展望

莫朝霞，陳沅江

(中南大學資源與安全工程學院，湖南 長沙410083)

1 引言

紅外熱像技術實質上是一種把紅外輻射圖像轉換為可視圖的波長轉換技術。它通過光學機械掃描系統，將物體發出的紅外線輻射匯聚在紅外探測器上，形成紅外熱圖像，由此來分辨被測物體的表面溫度。由于具有檢測速度快、非接觸、范圍廣、精度高、易于實現自動化和實時觀測等諸多優點，該技術從軍事領域的應用起源，到20世紀80年代初便逐漸引入民用工業領域。此后，隨著紅外熱像儀器性能的不斷提高和相應圖像分析處理軟件的發展，該技術在國外已越來越廣泛地應用于工農業生產和人民生活等的各個領域。

我國從建國初期就開始了紅外熱像技術的研究，經過幾十年的發展，取得了一定成果，如已能自行研制多種型號的制冷型紅外熱像儀。但由于國外對關鍵技術的封鎖，我國在該領域的研究與世界先進水平國家的差距仍很大。本文主要就我國紅外熱像檢測技術領域的研究成果進行分析和綜述，提出該領域未來可能的發展方向。

2 我國紅外熱像技術近十年的研究情況

由于紅外熱像技術在進行與溫度變化有關的測量方面所具有的優勢，故從其產生之日起，就引起了國內外廣大研究者的密切關注，對其進行了深入持久的研究。如圖1、2給出了近十年來與紅外熱像技術有關的研究文獻情況及其發展趨勢。

圖1 近十年來紅外熱像技術的論文發表情況Fig．1 the papers of infrared thermal imaging technology over the past decade

圖2 近十年來紅外熱像技術在各個學科的研究情況Fig．2 Study of infrared thermal imaging technology used in various disciplines over the past decade

由圖1、2可知，紅外熱像技術的研究呈現出逐年穩步上升的趨勢，特別是近三年我國紅外熱像技術的研究達到了一個高潮。根據論文發表情況分析其原因，主要是由于很多關于高新技術會議召開，如第九屆全國光電技術學術交流會、第二屆中國科學院博士后學術年會暨高新技術前沿與發展學術會議、2010遠東無損檢測新技術論壇論文集等。同時，也有很多高校致力于這方面的研究，比較突出的有南京理工大學、西安電子科技大學、華南理工大學和哈爾濱工業大學等。從圖2中還可以看出，紅外熱像技術在安全科學與災害防治學科領域的應用研究雖然很早就開始了，但是這方面的研究還很少，主要是對安全科學的重視不夠以及這方面的研究人員和機構也比較缺乏。而該項研究最突出的是電力工業，電力是人類發展的生命線工程，將紅外熱像檢測技術用于電力行業安全運行狀況的檢測十分重要，故這方面我國的研究有很大的投入。

分析圖1、2中有關文獻的研究情況，可從整體上對紅外熱像檢測的研究分為基礎研究、產品研發和應用研究等三個板塊，以下對其進行分別論述。

3 紅外熱像檢測技術的基礎研究

我國目前紅外熱像技術的基礎研究主要集中在紅外成像技術的開發、紅外圖像處理以及紅外熱像檢測精度的影響因素分析等幾個方面。其中，紅外熱成像技術主要致力于各種不同波段范圍內非制冷型焦平面陣列紅外熱像儀技術的開發，已有了長波范圍檢測的產品［1］。紅外圖像的處理主要致力于成像質量，如清晰度、細致度等方面的提高［2］;紅外熱像儀在現場實際環境中進行檢測時，其精度的影響因素眾多，如檢測目標的距離、物體表面發射率等，但目前這方面的研究成果較少，可進一步進行探索。表1、表2、表3分別列舉了我國近十年紅外熱像檢測技術基礎研究領域的一些代表性研究成果。

表1 我國紅外成像技術開發一些代表性研究成果Tab．1 Some representative achievements of Infrared imaging technology development

表2 我國紅外圖像處理技術的一些代表性成果Tab．2 Some representative achievements of Infrared image processing technology

表3 我國紅外檢測影響因素的代表性研究Tab．3 Some representative researches of factors affecting the infrared detection

4 紅外熱像檢測產品研發

紅外熱像儀的研制與開發涉及到光學、電子、計算機、圖像處理等各個方面，其核心與關鍵部件是紅外探測器。因此，紅外熱像儀的發展與紅外探測器的發展緊密相連［11］。紅外熱像儀的發展經歷了一個比較漫長的過程，大致可分為如下幾個階段:

我國20世紀70年代有關單位也開始了紅外熱成像技術的研究，到80年代初，中國在長波紅外元件的研制和生產技術上有了一定進展。在80年代末和90年代初，中國已經研制成功了實時紅外成像樣機，其靈敏度、溫度分辨率都達到很高的水平。進入90年代，中國在紅外成像設備上使用低噪音寬頻帶前置放大器，微型制冷器等關鍵技術方面有了發展，并且從實驗走向應用，主要用于部隊。至今，中國在紅外熱成像技術方面已經投入了大量人力物力，形成了相當規模的研發力量，但是與世界先進水平差距很大，目前國外已經開始在部隊裝備第二代紅外熱成像儀，并開始了第三代的研發工作，但中國現在才推廣第一代紅外成像儀。我國首臺非制冷紅外熱像儀于2001年由華中光電研究所研制成功，并正式投入批量生產。該熱像儀填補了國內空白，標志著我國紅外探測技術取得了劃時代的突破，但在產品研發上落后世界發達國家至少20年。紅外熱像儀發展階段劃分如表4所示。

表4 紅外熱像儀發展階段劃分Tab．4 Infrared development stages

5 紅外熱像檢測技術的應用研究

目前，紅外熱像檢測技術在我國各個領域得到了廣泛的應用，具體表現在如下幾個方面。

(1)在軍事領域的應用。紅外技術最先用于軍事領域，現在主要的研究內容有以下幾個方面:①紅外復合制導。吳濤、白云塔在文獻［13］中提出了由激光和紅外兩種尋的制導頭共同參與制導的激光/紅外復合制導技術，完成導彈對目標的搜索、捕獲和跟蹤等任務，實現了兩種制導技術的優勢互補。②紅外隱身，如車宏等［14］基于一種新型的中紅外光學玻璃－氟鎵酸鹽(FGa)玻璃，成功研制出一種新型的具有雷達隱身功能的中紅外光功能材料。③紅外搜索跟蹤，武俊等［15］提出采用雷達和紅外同步航跡融合的方法來進行目標跟蹤，并進行了雷達和紅外傳感器航跡融合仿真，使該方法達到了較高的跟蹤精度。除此之外，還有紅外對抗、紅外偵察以及紅外夜視、紅外通信、報警、毒氣監測、紅外遙感預警、紅外軍用機器人等。未來在紅外制導技術方面必須向高速、雙色制導方面發展;充分利用紅外遙感技術;加強研發質量輕、厚度薄、頻段寬、吸波性強、功能多、低發射率并且尋求兼容隱身的紅外隱身材料。

(2)電力生產領域。過去對電力故障實行的是定期維修制度，這種停電預防性檢測給生產帶來很大的損失。有了紅外熱像儀以后，由傳統的定期維修制度轉變為預知維修制度［16］。對于電力故障判斷標準，趙墨林等［17］從物理學和電氣設備紅外檢測應用研究出發，提出了“溫差比”及“邊界溫度區域”等概念，提出了紅外檢測“溫差比診斷法”。田志海［18］通過將紅外熱像檢測和高電壓實驗技術相結合的方法，不僅快速方便地檢測出絕緣缺陷，而且可以監測絕緣電老化現象，為絕緣診斷分析和壽命預測提供了可靠的信息。未來的努力方向是指定判斷各種設備缺陷的可靠的統一標準，具體規定設備、部件、零件等溫度升到什么范圍以內是允許安全運行的。

(3)在醫學領域，紅外熱像儀的適用范圍非常廣泛，它可用于人體頭部、頸部、胸部、肺部、心血管、脊椎、四肢血管、乳腺、前列腺、胃腸道等各個部位的疾病診斷，具體的臨床應用有乳腺腫瘤、骨腫瘤、周圍血管疾病、燒傷(紅外熱像儀對皮膚燒傷程度的診斷準確率達98%)、斷肢再植［19］。張棟［20］系統分析了紅外熱像技術在針灸原理和經絡研究中的應用，開拓了熱像檢測技術應用的新領域。2002年，我國學者劉忠齊教授研制出了世界第一臺熱斷層成像系統(Thermal Texture Maps System)，簡稱熱斷層，又稱TTM系統，獲得美國發明專利。TTM系統開創了功能醫學影像技術的新局面［21］。紅外熱像技術在醫學領域的發展方向將是針對各種疾病制定統一的紅外熱圖的診斷標準，以及研究如何利用最新的TTM技術來開辟一個嶄新的腫瘤診斷新領域，對于中醫診斷，紅外熱像技術也有很大的發展空間，有望將中醫的“望聞問切”擴展到熱紅外技術這一中醫診斷數據化過程以及努力研制中醫特性紅外儀器。

(4)在農林業方面，紅外遙感技術可用于土地勘測和土壤成分分析，預報災情識別不同農作物及其種植面積，進而進行水利規劃，對農作物的漲勢、產量進行調查估計［21］等。張哲平，宋小勇等［22］用紅外熱成像技術研究了番茄、雙孢菇、青菜表面溫度的變化情況。比較了它們降溫效果的好壞。周建民，劉娟娟等［23］用紅外成像裝置對蘋果的表面缺陷進行了檢測，得出缺陷部分低于正常組織溫度;缺陷越大，溫度升高速度越慢。

此外，紅外熱像技術也越來越多的應用于安保消防［24］、遙感－巖石力學［25］、石化［26－27］等領域。

6 結論及展望

(1)近十年來我國對于紅外熱像技術的研究熱度呈現出整體上升的趨勢，最近幾年的研究達到了高潮。國內越來越多的研究單位以及高級院校投入到該領域的研究并且取得了一定的成果。紅外熱像技術在有些領域如電力、軍事等的研究呈現出高漲的趨勢，但是在安全科學與災害防治學科等領域還處于比較低迷的狀態。

(2)國內的學者就紅外熱像技術的基礎研究、產品研發以及在各個領域的應用做了大量的工作，其中，在熱敏材料的研制、長波非制冷紅外焦平面的研究方面取得了一定的成果;在紅外圖像處理方面也已經具備了一定的能力，能夠得到較清晰的符合應用要求的紅外圖像;很多學者致力于紅外檢測精度影響因素的研究，但是在這方面的理論研究和實驗研究都還不足，目前的研究只能提供一定的參考。

(3)在紅外產品研制方面，雖然21世紀我國已經研制成功了首臺非制冷紅外熱像儀，但是我國與國外發達國家的差距仍然很大。

(4)在軍事、醫療、電力、農林業等方面，紅外熱像技術的應用在我國已經取得了很多應用型成果，隨著基礎研究以及產品研發的不斷進步，紅外熱像技術在人類生活中將起到越來越重要的作用。

(5)對于我國紅外熱像技術未來的發展，主要是攻克技術難關，研制出具有我國特色的紅外熱像產品;發展研制大陣列、多波段非制冷紅外焦平面探測器;除醫用紅外熱像儀外，還需努力研制出適合于其他領域的專用紅外產品，增加紅外產品的實用性。

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