红外热成像仪基本原理介绍

红外热成像仪基本原理介绍

原理综述：红外热像仪是利用红外探测器、光学成像物镜及光机扫描系统（或者焦平面技术）接受被测目标的红外辐射能量分布图形反应到红外探测器的光敏元件上，在光学系统和红外探测器之间，有一个光机扫描机构对被测物体的红外热像进行扫描，并聚焦在单元或分光探测器上，由探测器将红外辐射能转换成电信号，经放大处理，转换成标准视频信号通过电视屏或监测器显示红外图像。

一、什么是红外

为了搞清楚红外热成像仪是如何成像的，我们有必要首先搞清楚什么是红外。那么什么是红外呢？物理学对红外线的解释是：红外或称红外辐射，由物理学家郝歇尔于1800年首先发现，其本质是波长为0.76um~1000um 的电磁波，波长介于可见光和微波之间，其中波长为0.76~3um 的红外称为近红外，波长为3~40um 称为中红外，波长40~1000微米的称为远红外。

二、为什么能用红外进行成像

在明白了什么是红外之后，我们也许会好奇另一个问题：既然红外是波长介于可见光和微波之间的电磁波，是一种无法用肉眼直视的电磁波，那么我们如何能利用它进行成像呢？这要归因于红外的一个重要的物理性质——热效应。事实上，红外频率比较低，能量不高，所以当红外照射物体时只能穿透原子分子的间隙，而不能穿透到原子、分子内部，由于红外只能穿透到原子、分子的间隙，会使原子、分子的振动加快、间距拉大，即增加热运动能量，从宏观上看，物质在融化，沸腾，气化，但物质的本质并没有发生改变，这就是红外的热效应。

三、如何利用红外热效应成像

既然我们可以利用红外的热效应进行成像，那么从技术上如何实现呢？这需要用到一种重要的红外传感器——热探测器。热探测器分为：温差电偶和温差电堆、测辐射热计、高莱管、热电探测器。这里主要介绍热电探测器。热电探测器是利用居里点以下的热电晶体的自发极化强度与温度有关的原理制成的器件。当热电晶体薄片吸收辐射产生温升时，在薄片极化方向产生电荷变换为：DeltaT 式中DeltaQ 为电荷变化量，pT 为温度T 时的热释电系数，A 为吸收辐射的表面的面积，DeltaT 为晶体的温升值，当用调制的辐射照射时晶体的温度不断变化,电荷也随之变化,从而产生电流，它的数值与调制的辐射量有关。在恒温下，晶体内部的电荷分布被自由电子和表面电荷中和,在两极间测不出电压。当温度迅速变化时,晶体内偶极矩会产生变化,产生瞬态电压,所以热（释）电探测器只能探测调制的辐射或辐射脉冲，它的响应时间快，可达纳(10-9)秒数量级,并能在常温下工作。此外它仅由晶体片镀以电极构成探测元,因此机械强度很高,克服了红外探测器容易损坏的缺点，响应的谱段从γ射线到亚毫米波，是目前发展最快的热探测器。热电探测器所用的材料主要有钛酸钡、硫酸三甘肽(TGS)、掺镧的锆钛酸铅(PLZT)、铌酸锂和铌酸锶钡。

四、如何根据热电信号最终成像

,T pTA Q ∆=∆

在明白了为什么能利用红外成像以及怎样利用红外成像之后，我还想知道的另一个问题是，我们究竟怎样利用采集到的信号还原出人眼可视的物理图像？我查阅的一些资料显示，我们可以利用DSP 处理器加工采集到的电信号，再利用D/A 转换器将处理过的图像数字信号转换成模拟信号，然后再显示在显示器上。所以总结上面的探讨，我们可以知道，红外热像仪的成像过程大致为：

1、通过光学系统接受聚焦红外信号。

2、将接受到的红外信号聚焦到焦平面的热释电传感器或者其它热电传感器上，提取红外光信号中的热信号，再将热信号转换为电信号。

3、将采集到的电信号通过模拟电路的放大除噪等处理后转换为模数转换器能采集的信号。

4、利用模数转换器将模拟电信号转换为数字电信号，并送给数字信号处理器进行图像处理。

5、将处理后的数字信号交给数模转换器转变为模拟信号。

6、将转换后的模拟信号显示在显示器上供人们查看。

原理图

五、总结

根据以上一步步的思考和探索，我最终明白了红外热像仪的基本原理。当然，这只是一个非常粗浅的了解，要深入了解红外热像仪，就要深入研究光学系统，传感器技术，模数数模转换以及非常具有挑战性的图像处理的内容。这些内容是如此的复杂，以至于每一个分支的内容都可以耗掉我们毕生的时间去探索和研究，所以在这里我只是简单的介绍了红外热像仪的基本原理。尽管对这个基本原理的学习是简单的，但是通过自己查阅资料，分析问题，最终得到问题的答案，这个过程却是愉快而刺激的。通过对红外热像仪的自主学习，我学到的一个重要的解决问题的办法就是，当面对一个大的问题的时候，我们需要把一个大的问题分成一个一个的小问题，然后逐步的搞清楚每一个小问题，最终再把这些小问题串联起来就比较容易解决大问题了。