红外热成像仪的工作原理及其构成

这种热像图与物体表面的热分布场相对应,但实际被测目标物体各部分红外辐射的热像分布图由于信号非常弱,与可见光图像相比,缺少层次和立体感,因此,在实际过程中为更有效地判断被测目标的红外热分布场,常采用一些辅助措施来增加仪器的实用功能,如图像亮度、对比度的控制,实标校正,伪色彩描绘等高线和直方进行数学运算和处理等。

需要说明的是,同一目标的热图像和可见光图像是不同的,它不是人眼所能看到的可见光图像,而是目标表面温度分布图像,或者说,红外热图像是人眼不能直接看到目标的表面温度分布,变成人眼可以看到的代表目标表面温度分布的热图像。

红外热成像仪的构成

红外热像仪的构成包5大部分:

1、红外镜头:接收和汇聚被测物体发射的红外辐射;

2、红外探测器组件:将热辐射型号变成电信号;

3、电子组件:对电信号进行处理;

4、显示组件:将电信号转变成可见光图像;

5、软件:处理采集到的温度数据,转换成温度读数和图像。

红外热成像仪的分类

红外热像仪按照工作温度分为制冷型和非制冷性

制冷式热成像仪:其探测器中集成了一个低温制冷器,这种装置可以给探测器降温度,这样是为了使热噪声的信号低于成像信号,成像质量更好。

非制冷式热成像仪:其探测器不需要低温制冷,采用的探测器通常是以微测辐射热计为基础,主要有多晶硅和氧化钒两种探测器。

红外热像仪按照功能分为测温型和非测温型

测温型红外热像仪:测温型红外热像仪,可以直接从热图像上读出物体表面任意点的温度数值,这种系统可以作为无损检测仪器,但是有效距离比较短。

非测温型红外热像仪:非测温型红外热像仪只能观察到物体表面热辐射的差异,这种系统可以作为观测工具,有效距离比较长。

红外热成像仪的特点

与一般检测设备相比,红外热成像仪具有以下鲜明特点:

1、热成像仪可以对运动物体进行测温,而普通测温仪表很难做到这一点;

2、可以借助显微镜头对几微米甚至更小的目标进行测温;

3、可以快速地对设备进行热诊断;

4、不会对所测量的温度场产生干扰;

5、测温范围大,根据型号的不同,一般可测量0℃—2000℃的范围;

6、灵敏度高,根据型号不同,可分辨0.1℃甚至更小的温差;

7、使用安全,由于测量的非接触性,使得热成像仪使用起来非常安全。

红外热成像仪的发展历程

1800年,英国天文学家F.W.赫歇耳发现了红外线。

上世纪末,以焦平面阵列(FPA)为代表的红外器件被成功应用。

红外技术的核心是红外探测器,红外探测器按其特点可分为四代:

第二代(1990s-2000s):是以4x288为代表的扫描型焦平面;

第三代:凝视型焦平面;

非制冷焦平面阵列探测器的发展,其性能可以满足部分的军事用途和几乎所有的民用领域,真正实现了小型化、低价格和高可靠性,成为红外探测成像领域中极具前途和市场潜力的发展方向。

红外热成像仪的优点与缺点

红外热成像仪的优点

1、红外热成像技术是一种被动式的非接触的检测与识别,隐蔽性好。

由于红外热成像技术是一种对目标的被动式的非接触的检测与识别,因而隐蔽性好,不容易被发现,从而使红外热成像仪的操作者更安全、更有效。

2、红外热成像技术不受电磁干扰,能远距离精确跟踪热目标,精确制导。

由于红外热成像技术利用的是热红外线,因而不受电磁干扰。采用先进热成像技术的红外搜索与跟踪系统,能远距离精确跟踪热目标,并可同时跟踪多个目标,使武器发挥最佳效能。

红外热成像技术可精确制导,使制导武器具有较高的智能性和发射后不用管的能力,并可寻找最重要的目标予以摧毁,从而大幅度提高了弹药的命中精度,使其作战威力成几十倍地提高。

3、红外热成像技术能真正做到24h全天候监控。

红外辐射是自然界中存在最为广泛的辐射,而大气、烟云等可吸收可见光和近红外线,但是对3~5μm和8~14μm的红外线却是透明的,这两个波段被称为红外线的“大气窗口”。

因此,利用这两个窗口,可以在完全无光的夜晚,或是在雨、雪等烟云密布的恶劣环境,能够清晰地观察到所需监控的目标。正是由于这个特点,红外热成像技术能真正做到24h全天候监控。

4、红外热成像技术的探测能力强,作用距离远。

利用红外热成像技术进行探测的能力强,可在敌方防卫武器射程之外实施观察,其作用距离远。

目前手持式及装于轻武器上的热成像仪可让使用者看清800m以上的人体;且瞄准射击的作用距离为2~3km;在舰艇上观察水面可达10km;在1.5km高的直升机上可发现地面单兵的活动;在20km高的偵察机上可发现地面的人群和行驶的车辆,并可分析海水温度的变化而探测到水下潜艇等。

5、红外热成像技术可采用多种显示方式,把人类的感官由五种增加到六种。

只有当物体的温度高达1000℃以上时,才能够发出可见光被人眼看见。而所有温度在绝对零度(-273℃)以上的物体,都会不停地发出热红外线。如一个正常的人所发出的热红外线能量,大约为100W。

如对视频信号进行假彩色处理,便可由不同颜色显示不同温度的热图像;若反视频信号进行模数转换处理,即可用数字显示物体各点的温度值等,从而看清人眼原来看不见的东西。所以可以说,红外热成像技术把人类的感官由五种增加到六种。

6、红外热成像技术能直观地显示物体表面的温度场,不受强光影响,应用广泛。

红外测温仪只能显示物体表面某一小区域或某一点的温度值,而红外热成像仪则可以同时测量物体表面各点温度的高低,直观地显示物体表面的温度场,并以图像形式显示出来。

由于红外热成像仪是探测目标物体的红外热辐射能量的大小,从而不像微光像增强仪那样处于强光环境中时会出现光晕或关闭,因此不受强光影响。

红外热成像技术除主要应用军事方面外,还可广泛应用于工业、农业、医疗、消防、考古、交通、地质、公安侦察等民用领域。并且,还可将这种技术大量地应用到安防监控领域中,以方便实现智能安防监控。

红外热成像仪的缺点:

1、图像对比度低,分辨细节能力较差

由于红外热成像仪靠温差成像,而一般目标温差都不大,因此红外热图像对比度低,使分辨细节能力变差。

2、不能透过透明的障碍物看清目标,如窗户玻璃。

由于红外热成像仪靠温差成像,而像窗户玻璃这种透明的障碍物,使红外热成像仪探测不到其后物体的温差,因而不能透过透明的障碍物看清目标。

3、成本高、价格贵

4、无法实现较远距离的监控,且监控画面只能判别是否有可疑人员进入,而无法看清楚人脸及外貌特征

红外热像仪在军事和民用方面都有广泛的应用。随着热成像技术的成熟以及各种低成本适于民用的热像仪的问世,它在国民经济各部门发挥的作用也越来越大。

同时,利用红外热像仪还可以进行工业产品质量控制和管理。此外,红外热像仪在医疗、治安、消防、考古、交通、农业和地质等许多领域均有重要的应用。

如建筑物漏热查寻、森林探火、火源寻找、海上救护、矿石断裂判别、导弹发动机检查、公安侦察以及各种材料及制品的无损检查等。

红外热成像技术历经多年的发展,已从当初的主要军事目的扩展到诸如工业监控测温、执法缉毒、安全防犯、医疗卫生、遥感、设备先期性故障诊断与维护、海上救援、天文探测、车辆、飞行器和舰船驾驶员用夜视增强观察仪等广阔的民用领域,红外热成像技术正走向辉煌。在当前抗击新型冠状病毒的斗争中发挥作用。

THE END
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