红外热成像基本原理概论

红外热成像仪基本原理与发展前景概论

光电1201 王知权 120150111

前言

红外热像仪是利用红外探测器、光学成像物镜和光机扫描系统（目前先进的焦平面技术则省去了光机扫描系统）接受被测目标的红外辐射能量分布图形反映到红外探测器的光敏元上，在光学系统和红外探测器之间，有一个光机扫描机构（焦平面热像仪无此机构）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、转换或标准视频信号通过电视屏或监测器显示红外热像图。

原理

红外线是一种电磁波，具有与无线电波和可见光一样的本质。红外线的发现是人类对自然认识的一次飞跃。利用某种特殊的电子装置将物体表面的温度分布转换成人眼可见的图像，并以不同颜色显示物体表面温度分布的技术称之为红外热成像技术，这种电子装置称为红外热像仪。

这种热像图与物体表面的热分布场相对应；实质上是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，在实际动作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、打印等。

红外成像系统简介

红外技术是一门研究红外辐射的产生、传播、转化、测量及其应用的技术科学。任何物体的红外辐射包括介于可见光与微波之间的电磁波段。通常人们又把红外辐射称为红外光、红外线。实际上其波段是指其波长约在0.75μm到1000μm 的电磁波。通常人们将其划分为近、中、远红外三部分。近红外指波长为

0.75-3.0μm；中红外指波长为3.0-20μm；远红外则指波长为20-1000μm。由于大气对红外辐射的吸收，只留下三个重要的“窗口”区，即1-3μm、3-5μm 和8-13μm可让红外辐射通过。

红外探测器是红外技术的核心，它是利用红外辐射与物质相互作用所呈现出来的物理效应来探测红外辐射的传感器，多数情况下是利用这种相互最用所呈现出的电学效应。红外探测器主要分为光子探测器和热敏感探测器两大类型。其中，光子探测器按原理啊可分为光电导探测器、光伏探测器、光电磁探测器和量子阱探测器。

光子探测器的材料有PbS,PbSe,InSb,HgCdTe(MCT),GaAs/InGaAs等，其中HgCdTe和InSb斗需要在低温下才能工作。光子探测器按其工作温度又可分为制

冷型（低温）红外探测器和非制冷（室温）型红外探测器，制冷光子探测器常使用于优质热成像等性能要求较高的场合。

非晶硅红外探测器工作原理非晶硅红外探测器结构

应用

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。在工业生产中，许多设备常用于高温、高压和高速运转状态，应用红外热成像仪对这些设备进行检测和监控，既能保证设备的安全运转，又能发现异常情况以便及时排除隐患。同时，利用热像仪还可以进行工业产品质量控制和管理。

热成像的优势自然界中的一切物体的温度都高于绝对零度，都会有红外辐射．这是由于物体内部分子热运动的结果。其辐射能量正比于自身温度的四次方成正比，辐射出的波长与其温度成反比。红外成像技术就是根据探测到的物体的辐射能的大小。经系统处理转变为目标物体的热图像，以灰度级或伪彩色显示出来，即得到被测目标的温度分布从而判断物体所处的状态。林区背景温度一般在-40～60摄氏度，而森林可燃物产生的火焰的温度为600～1200摄氏度，两者温度相差较大。在热图像中很容易将可燃物的燃烧情况从地形背景中分离出来。根据热图像的温度分布，我们不仅可以判断火的性质还能探测出火的位置、火场面积、从而估计火势。

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。北京和普威视光电技术有限公司坐落在国家级高新产业基地-----首都中关村科技园区内，是集自主研发、生产、销售，拥有核心技术制造高端光电设备和系统解决方案于一体的高科技企业。

红外成像系统市场的需求和前景

据荷兰国家应用科学研究院（ TNO ）的预测，未来 10 年红外成像系统研

发中，对硬件投入增长渐缓，系统软件的投入将大幅增加。显然，在红外器件和应用市场上，靠改进器件固然可以提高红外系统性能，但是技术难度大，开发周期长，并且受器件材料特性、工艺手段的限制。而运用图像处理技术可以有效地提高红外系统性能，并且可以大范围扩展红外成像系统应用领域。

可以预见在未来 10～20 年内，红外成像系统中图像处理及应用所带来产值的比重会逐渐增长，并逐步占有较高的比重产值。在发达国家的军用领域，红外热像仪已得到及其广泛的配置，例如海湾战争中平均每个美国士兵配备 1.7 具红外热像仪。与发达国家相比，目前中国军队中红外热像仪的应用相对较少，其市场远景需求量相当巨大。

随着高性能多色红外焦平面以及智能灵巧型片上图像处理技术的发展，预计这一比例还将继续走高。在民用领域，红外成像系统广泛应用于消防、电力、建筑、安防等领域。中国红外热像仪在这些行业的应用还处于起步阶段，发展空间巨大。 2006 年，全球民用红外热像仪的销售额为 16.3 亿美元，同比增长17.35% ，呈现出较快的增长态势。

其快速增长要来源于新应用领域的不断扩大。据美国高科技行业咨询公司Maxtech International 预测，未来 5 年，全球民用红外热像仪市场需求年均增长率将达到 15% ，到2012 年，全球民用红外热像仪的市场需求将达到

38.12 亿美元。由于国内经济高速发展，中国红外热像仪市场的年均增长率可以达到 20% ， 2007 年为 4.80 亿元，中国民用红外热像仪市场的需求量预计在 2008 年为 5.76 亿元， 2009 年为 6.91亿元， 2010 年为 8.26 亿元，2011 年为 9.95 亿元。若考虑到新的应用领域的开发，其实际的市场需求总量将可能超过这一预测。目前，中国民用红外热像仪的供应商不多，具有较强的独立研发实力（包括系统电路与图像处理算法并能实时实现等）与自主知识产权的国内民用生产企业有若干家，需要继续发展企业的研发实力，提高品牌影响力。结论

目前，中国红外成像系统及图像处理技术正处于蓬勃发展的黄金阶段，其虽与国外先进技术存在着差距，这是挑战，也无疑是孕育创新研究成果的强大动力。广阔的市场需求将进一步推动新概念探测器的研制，高性能图像处理功能与实时系统的设计、跨学科方向的交叉发展也将开拓崭新的应用领域，创造巨大的经济价值。把握中国红外成像及其图像处理技术的发展方向与脉络，制定研究与发展策略，对今后的工作具有重要的指导意义。