紅外熱成像技術應用研究

李宏棋

摘 要 紅外熱成像是一種高新技術，將光學與電子技術結合，實現各種功能。根據物體輻射能量的大小，以及與場景比對的差異性，將信息轉換成實時圖像。近年來，隨著國內紅外成像技術領域的不斷拓展，其在民用領域也開始了全面的發展。紅外熱成像技術的測溫方面，在一些設備的故障排查、人體異常溫度檢測、生物、監控等領域起著非常關鍵的作用。

關鍵詞 紅外熱成像技術 測量 監控

中圖分類號：TN21 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2017.10.023

Abstract Infrared thermography is a high-tech， combining optics with power technology to realize various functions. The information is converted into real-time images according to the magnitude of the radiation energy of the object and the difference between the scene and the comparison. In recent years， with the development of the domestic infrared imaging technology， it has also started a comprehensive growth in the civil field. Infrared thermal imaging technology of temperature measurement， in some equipment troubleshooting， body abnormal temperature detection， biology， monitoring and other fields play a very important role.

Keywords Infrared Thermography Technology； measure； monitor

0 引言

紅外熱成像技術由光學鏡頭、內部控制電路、信號傳輸電路、目鏡等模塊構成，最為核心的是紅外探測器。從焦平面工作時溫度可分為制冷探測器和非制冷探測器兩大類。從封裝上有非晶硅、氧化釩、金屬封裝等幾大類。國產探測器目前量產使用的大多為氧化帆探測器，但部分高檔產品探測器還需從國外進口，但隨著國內技術的發展，相信以后可以擺脫這種現象。

在實際應用當中，非制冷探測器更適合量產與民用，制冷探測器則更精細，但成本也更昂貴。目前國內的紅外儀器相比國外還有一定的差距，在硬件、電路、核心探測器技術上都有待提高。

1 紅外熱成像技術的發展及特性

紅外熱成像技術可以不受惡劣天氣的影響，無論大霧天還是深夜都可正常工作，在車載或夜晚監控上具有顯著優勢。在海上，通過紅外技術，可以讓使船舶的日常檢查工作更加容易，節約人工檢測成本和消除安全隱患。海灣戰爭期間，美國憑借其紅外熱成像技術的應用，使夜間或惡劣條件下軍事作戰能力大為提高，引起了全世界的關注。目前，許多國家為了加強自身國防能力，紛紛在紅外方面加大投入，把紅外熱成像技術當作國家戰略進行研究，以求增強自身軍事能力。

在以往傳統的測量方式當中，對大批量待測物的測量會導致大量人力與時間的浪費，得不償失。還存在的問題是測量儀器和被測物體之間的表面接觸，破壞了物體原有的溫度場，影響了溫度傳感元件的傳輸，導致輸出信號不夠準確真實。紅外熱成像技術的測量不會干擾被測物體的溫度，在光信息的傳輸中沒有慣性效應，可以平滑地改變路徑，保證數據的完整性。熱成像技術目前已經初步進入到測量領域，通過各種對溫度場的測試，為了解熱量傳播提供了有效數據。熱成像技術的研究為探索新的物理概念和構建新的物理模型做出了重大的貢獻，為一些問題的解決提供了新的思路。

德國科學家霍胥爾在1800年發現了紅外光的存在，1900年德國物理學家普朗克提出了量子理論，為紅外熱成像技術的發展和完善打下了基礎。紅外熱成像技術曾經歷了兩次世界大戰，在戰爭中發揮了不容忽視的作用。第一次戰爭應用的是美國得克薩斯儀器公司研制的紅外成像裝置，稱之為紅外前視系統（FLIR）。

早期的熱成像系統利用光學系統掃描被測目標的熱輻射，由單元光子探測器接受，經過一系列圖像處理與光電信息轉換，輸出視頻與圖像信號，但是不能實時記錄。隨著銦鍺摻雜光子探測器在二十世紀中期的快速發展，這時期出現了可以高速掃描目標熱圖像的實時顯示系統（圖1）。伴隨著高速掃描目標實時熱圖像技術的發展，瑞典AGA公司成功研制出新的熱成像儀器，該儀器在紅外成像系統的基礎上增加了測溫的功能，這就是最早的紅外熱成像儀。

在20世紀80年代末，所研發出的熱像儀功能已經較為全面。具有測量溫度、收集圖像信息、修改、分析和存儲等功能，重量大幅度減輕，并且準確性和可靠性也有著顯著的提升。在第二十世紀90年代中期，美國FSI公司成功地從軍事技術向民用發展，新一代紅外焦平面紅外成像儀（FPA）開始商業化。在進行測量時，只需要關注被測物體的圖像，將圖像數據保存下來即可完成操作。對一些帶存儲功能的紅外手持產品來說，在室外觀測時遇到想要保留的畫面時只用按下拍照鍵即可保存圖像，隨后可以從電腦上導出，進行沖洗或者打印，十分方便快捷。

上世紀末到新世紀初，中國在紅外熱成像領域的取得了很大的進步。紅外熱成像的核心探測器可以做到獨立生產，紅外產品開始逐步走近中國尋常百姓家。雖然紅外技術起步較晚，但在我們不懈努力下，技術指標已達到世界先進水平，打破了國外的壟斷。當下，紅外熱成像技術已在環保、醫療、安防等各大領域初露鋒芒，開始在世界經濟發展中占據一席之地。endprint

2 紅外熱像儀的觀瞄基本原理

在自然界中，只要物質溫度高于零度，在其內就會存在能量轉換，并對外產生輻射。光學鏡片進行第一道篩選，篩選完成進行信息處理，使人眼可以直觀分辨溫度圖。人眼可分辨光的波長是400～760nm，小于400nm及超過760nm的波長人眼即不能分辨。熱成像技術利用的是紅外線，不被人眼接收但是可以通過算法與光電轉換生成人眼可以查看的圖像。

當物體溫度高于零下273度時，會向外界輻射能量。物體本身能量越高，輻射出的能量就越多，對外界影響就越大。物體發熱時就會產生紅外輻射，其紅外輻射強度除了溫度外，還與發熱物體本身發射率、物體表面條件的性質等因素有關。根據普朗克定律，利用物體本身的紅外輻射原理測量熱場。紅外技術核心的探測器將被測物的各個點溫度信息進行收集整理，在儀器內部進行分析合并，得到熱分布圖。

一臺觀瞄儀器要到達用戶手上要經過很多步驟。從最初的探測器選擇，軟件工程師設計電路，結構工程師設計結構，外觀等。產出研發樣機后有工程進行測試，并且產出工程樣機，后投入生產。裝配完成需要模擬用戶使用的條件，給探測器采集一個本地，在低溫、室溫、高溫各種條件下進行數據采集，并且進行非均勻校正，將成像有異常的像元坐標用算法更正，并且進行一系列可靠性試驗。并且一般電子元件以及紅外技術都存在不穩定性，構成裝置的原件數量較多，需要各方面的專業知識。雖然對于每個配件都做出了嚴格的質量管控，但配件越多，產生誤差的概率就越大，所以紅外產品需做出較長的品質保證期與售后服務，以保證用戶的使用體驗。

紅外熱成像技術利用光學鏡頭篩選，將可識別波的輻射能量反饋到探測器上。紅外探測器進過一系列處理將收集到的信息發送到機器內部負責圖像處理的部分進行二次處理。圖像處理部分把從探測器收集到的數據信息進行整合與分析，處理完成后可以通過目鏡或標準視頻監視器或液晶顯示屏看到成像。紅外熱像儀是將收集到的輻射信息轉換成容易觀察識別的溫度圖，可以從圖像中得到各點溫度的值，這也是非典時期所用儀器的基本工作原理。實時監控一大片區域，對于溫度正常的成像顯示正常，對溫度超標的進行特殊標注，只需少量人力即可完成一個車站或港口的檢測。

物體輻射出的熱能量可以通過圖像的亮暗來反映。物體發射出的能量越高，圖像越亮，反之則越小。觀察的圖像的亮暗程度直觀的反映出了被測物的溫度，并且它們之間存在著正相關關系。通過對亮度的分析以及兩者之間的關系，可以診斷物體表面的溫度（圖2）。

3 總結

紅外技術屬于非接觸式檢測，可用于遠距離高效的實時監控。在故障檢測方面，紅外技術具有更好的安全優勢，更小的誤差和在高電壓環境下提前做出預警的觀測能力，及時消除安全隱患。目前國內還在積極開發車載用紅外檢測儀，讓行車更加安全。相信紅外技術會為我們的生活帶來更大的改變。

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參考文獻

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