紅外熱像儀基礎(chǔ)理論、主要參數(shù)和應(yīng)用
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二次世界大戰(zhàn)后，首先由美國經(jīng)過近一年的探索，開發(fā)研制的第一代用于軍事領(lǐng)域的紅外成像裝置，稱之為紅外尋視系統(tǒng)(FLIR0)，它是利用光學(xué)機(jī)械系統(tǒng)對(duì)被測目標(biāo)的紅外輻射掃描。由光子探測器接收兩維紅外輻射跡象，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換及一系列儀器處理，形成視頻圖像信號(hào)。這種系統(tǒng)、原始的形式是一種非實(shí)時(shí)的自動(dòng)溫度分布記錄儀，后來隨著五十年代銻化銦和鍺摻汞光子探測器的發(fā)展，才開始出現(xiàn)高速掃描及實(shí)時(shí)顯示目標(biāo)熱圖像的系統(tǒng)。
六十年代早期，瑞典研制成功第二代紅外成像裝置，它是在紅外尋視系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加了測溫功能，稱之為紅外熱像儀。
開始由于保密的原因，在發(fā)達(dá)的國家中也僅限于軍用，投入應(yīng)用的熱成像裝置可在黑夜或濃厚云霧中探測對(duì)方的目標(biāo)，可探測偽裝的目標(biāo)和高速運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)。由于有國家經(jīng)費(fèi)的支撐，投入的研制開發(fā)費(fèi)用很大，儀器的成本很高。以后考慮到在工業(yè)發(fā)展中的實(shí)用性，結(jié)合工業(yè)紅外探測的特點(diǎn)，采取壓縮儀器造價(jià)。降低生產(chǎn)成本并根據(jù)民用的要求，通過減小掃描速度來提高圖像分辨率等措施逐漸發(fā)展到民用領(lǐng)域。
六十年代中期，瑞典研制出第一套工業(yè)用的實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)(THV)，該系統(tǒng)由液氮制冷，110V 電源電壓供電，重約 35 公斤，因此使用中便攜性很差，經(jīng)過對(duì)儀器的幾代改進(jìn)，1986 年研制的紅外熱像儀已無需液氮或高壓氣，而以熱電方式致冷，可用電池供電：1988年推出的全功能熱像儀，將溫度的測量、修改、分析、圖像采集、存儲(chǔ)合于一體，重量小于7公斤，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，美國首先研制成功由軍用技術(shù)(FPA)轉(zhuǎn)民用并商品化的新一紅外熱像儀(CCD)屬焦平面陣列式結(jié)構(gòu)的凝成像裝置，技術(shù)功能更加先進(jìn)，現(xiàn)場測溫時(shí)只需對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)攝取圖像，并將上述信息存儲(chǔ)到機(jī)內(nèi)的PC 卡上，即完成全部操作，各種參數(shù)的設(shè)定可回到室內(nèi)用軟件進(jìn)行修改和分析數(shù)據(jù)，最后直接得出檢驗(yàn)報(bào)告，由于技術(shù)的改進(jìn)和結(jié)構(gòu)的改變，取代了復(fù)雜的機(jī)誡掃描儀器重量已小于二公斤，使用中如同手持?jǐn)z像機(jī)一樣，單手即可方便地操作。
6、 紅外熱像儀的應(yīng)用
熱像儀作為一種紅外成像儀器,不但在軍事應(yīng)用中占有很重要的地位在民用方面也具有很強(qiáng)的生命力。它除具有紅外測溫儀的優(yōu)點(diǎn)(如非接觸、快速、能對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)和微小目標(biāo)測溫等)外，還具有下列優(yōu)點(diǎn)：
(1) 直觀地顯示物體表面的溫度場。紅外測溫儀只能顯示物體表面某一小區(qū)域或某一點(diǎn)的溫度值，而熱像儀則可以同時(shí)測量物體表面各點(diǎn)溫度的高低，并以圖像形式顯示出來。
(2) 溫度分析率高。紅外測溫儀由于各種一因素的影響，很難分辨0.1以下的溫差,而熱像儀由于可以同時(shí)顯示出兩點(diǎn)的溫度值,因而能準(zhǔn)確區(qū)分很小的溫差,甚至可達(dá)0.01:
(3) 可采用多種顯示方式。熱像儀輸出的視頻信號(hào)包含目標(biāo)的大量信息，可用多種方式顯示出來。例如，對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行假彩色處理，便可由不同顏色顯示不同溫度的熱圖像；若反視頻信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換處理，即可用數(shù)字顯示物體各點(diǎn)的溫度值：
(3) 可進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和計(jì)算機(jī)處理。熱像儀輸出的視頻信號(hào)，可用數(shù)字存儲(chǔ)器存儲(chǔ)，或用錄像帶記錄，這樣既可長期保持又可用計(jì)算機(jī)作運(yùn)算處理。
熱像儀在軍事和民用方面都有廣泛的應(yīng)用。隨著熱成像技術(shù)的成熟，各種低成本適于民用的熱像儀的問世，它在國民經(jīng)濟(jì)各部門發(fā)揮著越來越大的作用。在工業(yè)生產(chǎn)中，許多設(shè)備常處于高溫、高壓和高速運(yùn)行狀態(tài)，應(yīng)用紅外熱像儀對(duì)這些設(shè)備進(jìn)行檢測和監(jiān)控，既能保證設(shè)備的安全運(yùn)轉(zhuǎn)，又能發(fā)現(xiàn)異常情況以便及時(shí)排除隱患。同時(shí)，利用熱像儀還可進(jìn)行工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量控制和管理。例如，在鋼鐵工業(yè)中的高爐和轉(zhuǎn)爐所用耐火材料的燒蝕磨損情況，可用熱像儀進(jìn)行觀測及時(shí)采取措施檢修防止事故發(fā)生。又如，在石化工業(yè)中，熱像儀可監(jiān)視生產(chǎn)設(shè)備和管道的運(yùn)行情況，隨時(shí)提供有關(guān)沉淀形成、流動(dòng)阻塞、漏熱溫度隔熱材料變質(zhì)等數(shù)據(jù)。再如，在電力工業(yè)中，發(fā)電機(jī)組、高壓輸電和配電線路等可用熱像儀沿線掃查，找出故障隱患，及時(shí)排除以利于杜絕事故的發(fā)生。在電子工業(yè)中，也可用熱像儀檢查半導(dǎo)體器件、集成電路和印刷電路板等的質(zhì)量情況，發(fā)現(xiàn)其他方法難以找到的故障。
此外，紅外熱像儀在醫(yī)療、治安、消防、考古、交通、農(nóng)業(yè)和地質(zhì)等許多領(lǐng)域均有重要的應(yīng)用。如建筑物漏熱查尋、森林探火、火源尋找、海上救護(hù)、礦石斷裂判別、導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)檢查，公安偵查以及各種材料及制品質(zhì)無損檢查等。
7．紅外熱成像系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)
1). f/數(shù)
f/數(shù)是光學(xué)系統(tǒng)相對(duì)孔徑的倒數(shù).設(shè)光學(xué)系統(tǒng)的相對(duì)孔徑為A=D/f(D為通常孔徑,f為焦距),IA=f/D, 則數(shù)f/D 是表示系統(tǒng)的集中f為通光孔徑的多少倍。例如，f/3 表示光學(xué)系統(tǒng)的集中為通光孔徑的三倍。
2). 視場
視場是光學(xué)系統(tǒng)視場角的簡稱.它表示能夠在光學(xué)系統(tǒng)像平面視場光闌 內(nèi)成像的空間范圍,當(dāng)目標(biāo)位于以光軸為軸線,頂角為視場角的圓錐內(nèi)的(任一點(diǎn)在一定距離內(nèi)),時(shí)候被光學(xué)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn),即成像于光學(xué)系統(tǒng)像平面的視場光闌內(nèi).即使物體能在熱像儀中成像的物空間的最大張角叫做視場, 一般是a”X 的矩形視場.
3). 光譜響應(yīng)
紅外探測器對(duì)各個(gè)波長的入射輻射的響應(yīng)稱為光譜響應(yīng)。一般的光電探測器均為選擇性的探測器。
4). 空間分辨率
應(yīng)用熱像儀觀測時(shí)，熱像儀對(duì)目標(biāo)空間形狀的分辨能力。本行業(yè)中通常以mrad(毫弧度)的大小來表示。mrad的值越小，表明其分辨率越高?；《戎党艘园霃郊s等于弦長，即目標(biāo)的直徑。如 1.3 mrad的分辨率意味著可以在100m的距離上分辨出 1.3×10-3 ×100=0.13m=13厘米的物體。
5).溫度分辨率
溫度分辨率 ：可以簡單定義為儀器或使觀察者能從背景中精確的分辨出目標(biāo)輻射的小溫度AT。民用熱成像產(chǎn)品通常使用NETD 來表述該性能指標(biāo)。
6).最小可分辨溫差
分辨靈敏度和系統(tǒng)空間分辨率的參數(shù),而且是以與觀察者本身有關(guān)的主觀評(píng)價(jià)參數(shù),它的定義為： 在使用標(biāo)準(zhǔn)的周期性測試卡(即高寬比為 7：1的4帶條圖情況下)， 觀察人員可以分辨的最小目標(biāo)、背景溫差。上述觀察過程中，觀察時(shí)間、系統(tǒng)增益、信號(hào)電平值等可以不受限制的調(diào)整在最佳狀態(tài)。
7).幀頻
幀頻是熱像儀每秒鐘產(chǎn)生完整圖象的畫面數(shù),單位為HZ。一般電視幀頻為25H z 。根據(jù)熱像儀的幀頻可分為快掃描和慢掃描兩大類。電力系統(tǒng)所用的設(shè)備一般采用快掃描熱像儀(幀頻在20Hz以上)，否則就會(huì)帶來一些工作不便。
8).探測識(shí)別和辨認(rèn)距離
探測、識(shí)別和辨認(rèn)距離；這些是使用者很關(guān)心的性能指標(biāo)。為每個(gè)使用者自身素質(zhì)和儀器給出的圖像質(zhì)量的差異以及嚴(yán)格定義的困難(探測性能是一個(gè)多種因素的復(fù)合函數(shù))這里只給出大致形象的定義； 探測距離是能將目標(biāo)與背景及一些引起注意的目標(biāo)清晰分別開來的最大臨界；識(shí)別距離是將探測的目標(biāo)能大致分出種類的距離，如是車輛還是艦船；辨認(rèn)距離是在分別出種類的基礎(chǔ)上的細(xì)分，如車輛是坦克還是汽車。
9).顯示記錄方式
顯示記錄方式是指視監(jiān)控器或液晶顯示; 顯示記錄放磁帶錄像啟示、軟區(qū)存盤或PC卡記錄，電子存儲(chǔ)器記錄；輸出接口、打印類型或照相等。目前較為先進(jìn)的是PC卡存儲(chǔ)和電子存儲(chǔ)。 (end)
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