[科普中国]-热红外线图像

简介

热红外图像是热辐射成像，它是随着红外成像技术的出现而诞生的。红外成像技术是一种热辐射信息探测技术，它是根据物体的红外辐射差异成像的，红外热成像系统能够把物体表面的自然发射的红外辐射分布转变为可见图像。由于不同物体或同一物体的不同部位通常具有不同的热辐射特性，如温差、发射率等，在进行热红外成像后，热红外图像中的物体因为其热辐射的差异而区别开来。热红外图像的获取不依赖于外部光线，具有全天侯特点。

红外线波长在可见光红端与微波之间的电磁辐射。又称红外光。波长范围约在7×10-7～1×10-3米之间。1800年，英国天文学家赫谢耳将温度计放在日光光谱的红端以外，观察到有增温现象，发现了红外线。一切物体都在向外辐射红外线，物体温度越高，发射的红外线波段越宽，且长波段的能量越丰富。在实验室里，常用电灯、电弧作为红外光源。红外线产生的机理是原子的外层电子受到激发。红外线不能引起人眼的视觉；有极强的热效应；易于为物体吸收而转为其内能；有较强的穿透雾的能力，不易被散射；也能产生化学效应；并能吸收磷光。红外线可以用温差电偶、热敏电阻、特殊的光电管来探测，也可以根据磷光被熄灭的现象来检测红外线的波长。

利用红外线可以隔着薄雾和烟雾拍摄景物，即使夜间也可以进行红外摄影。用红外线代替普通光线的摄影，物形的细节更加突出；在卫星上采用红外线对地面摄影。夜间研究天体的近红外辐射的吸收光谱，可以了解天体上的气体成分。红外线讯号只要中途没有障碍，能被远处的接收站接到，并转变成电流脉动被记录下来，类似无线电通讯。此外，可以用红外线来烘烤金属表面的油漆、烘烤食物。红外遥感测量技术可用在地质勘探、气象预报等。

热红外图像的特点热红外图像是灰度图像，没有色彩或阴影，图像分辨率低，图像缺乏层次感；由于景物热平衡、传输距离和大气衰减等原因，造成热红外图像空间相关性强、对比度低、视觉效果模糊；外界环境的随机干扰和红外成像系统的不完善，给热红外图像带来多种多样的噪声，这些分布复杂的噪声使得热红外图像的信噪比高不利于后续环节如图像融合、目标识别的处理。热红外图像中普遍存在着目标边缘轮廓模糊，背景对比度差等缺点，如果红外传感器较远，再加之受大气恶劣条件的影响，此时获得的热红外图像信噪比和对比度将更低，图像质量很差。1

红外热成像仪的原理红外热成像技术是一种非接触式的可视化探测方法，具有探测范围大、信息损耗小等优点。该技术可进行全天二十四小时不中断作业，白天黑夜均不影响其探测效果，同时通过光电转化、目标处理等方法将红外信号转换成可供人类视觉分辨的图像，并且可以将每点的温度值计算出来。红外热成像技术使人类可以直观的识别物体表面温度分部状况，从而进一步分析物体内部存在的问题，为我们由表至里的探测提供了可能。

红外热成像仪是以对红外线敏感的光敏元件为基础，由红外线探测器、光机扫描系统组成，接收物体因内部热能量而向外辐射的红外线，使用光学成像原理将这种能量以光学可视化的形式显示出来。面阵焦平面阵列器件因其没有光机扫描及探测器转换过程，简化了可视化的过程，而成为当前比较领先的热成像手段。模拟信号经过解调器处理、放大后使用探测器或者在显示屏上显示所生成的热红外图像或者温度值，而且可以对获取的温度值进行进一步计算及统计。

对象的选择是左右探测效果的重要因素，选取对象时需考虑其所处的环境情况，当对象温度与其背景温度相差不大时，探测会有很大难度。在这种状况下，需要探测人员熟知热辐射的特点，调节合适工作波段，让探测对象在该波段下的热辐射能量能显著的显示出来。除此之外，还需详细了解目标的外形特征、尺寸大小、正常温度范围等一些系类详细信息，方便我们在探测时给出正确判断。

红外热成像技术的特点**(1)安全系数高、高效。**

热成像技术采用非接触式的红外电磁波探测方式，同时具有被动式探测、识别功能，在保证探测效果的同时保障了探测系统的安全性。同时操作简单，可以有效地观察温度分布状况。

(2)跟踪目标能力强，复数目标跟踪效果好，探测距离远，抗干扰能力强。

红外探测技术是根据目标的红外辐射进行目标跟踪，并且不受目标周围电磁物质干扰，这点在探测的实际应用中相当重要。同时采用了红外搜索技术，支持多目标跟踪，对远距离目标同样有着很好的探测效果。

(3)全天24小时目标监控。

红外热成像技术是通过探测两种不能被空气及云雾所吸收的红外线来进行物体探测的。正是由于这个特点，无论被探测目标所处的环境有多恶劣即使是无光或者雨雪天气，均可发挥其该有的探测效果，保证24小时监控，时刻获取温度信息。

(4)探测精度高，距离远。

红外热成像技术对温差极为敏感，对突然出现的微小变化反映速度快，在复杂的环境下也能保证较高的精度。即使目标距离远，一样有着良好的探测效果。这点可以由红外技术在军事防御系统及武器的应用中看出，利用该成像技术，可以探测到处在各种距离下的目标，即使是便携式的手持式热成像仪探测范围也达到2500英尺以上。

(5) 测量范围大，可直观的显示温度场。

红外热成像仪能对一片区域内的温度进行探测，同时绘制目标区域表面温度场信息，为我们分析现场情况提供更多、更直观的信息，在实际应用中探测范围的增加，可以让我们更迅速捕获异常点温度信息，并观察其变化规律。

红外热成像技术的发展历程与趋势热成像技术的发展按照其每个时期的特点不用大致可概括为四个阶段：第一阶段红外探测器是由单元件扫描成像升级到了探测效果更好的多元件扫描成像；第二阶段是由多元件升级到了焦平面列阵，随着硬件的升级完成了由单点探测到目标区域探测成像这一巨大的技术进步。第三阶段为红外探测器及集成化红外焦平面列阵；第四阶段即现今的阶段，以实现高分辨率的探测、大面阵及多波段对象探测为目的，制造出具有信号识别处理功能、带有更强大的波段分析能力的探测器。

红外线热成像技术的应用范围非常广泛，无论是在科学研究、民用探测等领域都可以看到它的身影。并且随着技术的成熟、高性价比的热成像仪的推出，会使得红外成像技术会应用到人们生活的各个角落。在工业生产中，大量生产设备长期处于高温、高压、高强度的运转中，如何对其进行监测，保证安全生产作业就显得尤为重要，红外成像仪就可以解决这一问题，使安检人员可及时发现生产设备的异常并快速处理，降低生产中的安全事故发生率。另外，热成像仪在医药卫生、安防、消防、地质等多个方面都有广泛的应用，如探测建筑物漏热、导弹发动机热量检查、材料制品的无损检查、森林探火等，可见热图像对实际问题解决有着很大的帮助。

红外高光谱遥感技术是通过采集红外光的光谱数据，并对数据进行一系列后续处理达到探测的目标。具体包括前期的光谱提取、分类，并将处理后的结果与数据库里的存储样本进行比对等，最终实现探测。目前该技术在煤、气、石油的勘探等方面的应用取得了举世瞩目的成就，当然在技术革新方面还有着很大的上升空间。虽然很多民用领域己经使用红外成像技术解决实际中的问题，可仍处于起步阶段，还需要不断进行理论创新与应用研究。2