红外热成像基础知识

同样也不存在绝对黑体。科学上造出了吸收约 99.97% 入射辐射的黑体，有时甚至更 高，但我们周围的大部分物体同时发生吸收，反射和透射反应。
绝对黑体
绝对黑体对热红外成像非常重要。完全吸收体也是完全辐射源。这就是著名的基尔霍 夫定律（Kirchhoff’s Law）。物体的辐射特性由来表示，即物体的辐射系数。 Kirchhoff’s law 的数学公式表述为： = 二者随波长而变化，因而表达为： () = (), 表示波长 上式 1 = + + 可变为 1 = + + ，对不透明的物体 (=0)简化为： 1 = + 或 = 1 - ，即 反射率= 1 –辐射系数 而且，在相同的环境、相同的温度下，没有比黑体、即完全辐射体，能辐射更多能量 的物体。（绝对）黑体的辐射特性可以用数学表达式表达。
light
室温附近温度的黑体对应的曲线见下图。
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15 mm
探测器把入射的辐射转换成电信号，进而被处理成可见图像，即热图。 整个过程可用下面的方式图解：
目标
空气影响
热像仪
热图
何为热辐射
热辐射与可见光关系紧密，都属于所谓的电磁辐射。我们对多种电磁辐射都熟悉， 如：无线电，雷达，可见光， X 射线等。它们有相同的性质，以相同的速度、 300 000 km/sec, 即光速传播。
不同的电磁波有各自不同的特性。因而，依据辐射的波长它们分成许多组。
ຫໍສະໝຸດ Baidu
The electromagnetic spectrum
红外线这个术语历史上源于这样一个事实，即红外光谱始于红色可见光的末尾处。 热红外成像利用了红外光谱波段。短波的终点分界线位于可见光感知的极限，即深红 处。长波段的终点，它在毫米波段融入微波无线电波。 红外线波段一般分为四个子波段，它们分界线的选择有随意性，在各个国家略有不 同。它们包括： 近红外线 中红外线 远红外线 极远红外线 0.75 – 3 µm 3 – 6 µm 6 – 15 µm 15 – 1000 µm
“热”红外线是可以被热像仪感知、利用的红外线。波长大概介于 2 -- 13 µm 之间， 这主要取决于探测器的类型。
目标
基础红外物理
目前已经证实有一种不可见的辐射叫做红外辐射。这种辐射的性质和可见光的性质本 质上相似。本章的目的是弄清楚该辐射的特性，目标如何发射该辐射，可能如何以不同的 方式，数学的，图表的，来描述该辐射。 所有物质以覆盖很宽波段的电磁波的形式辐射能量。辐射能量的强度很大程度上随波 长而变化。如果目标很热，炽热，则很大一部分辐射以可见光的形式发射。如果目标温度 低于约 500ºC，则其辐射完全位于红外线波段。可见光辐射的能量强度太弱，人们感觉不 到。 物体不仅只发射辐射。所有物体都暴露在入射辐射中。这辐射可以是来自我们所关注 的目标周围的任何物体。入射到目标的辐射受到目标的三个“反作用”。它可以被目标吸
obj
黑体辐射源, =1 灰体辐射源, <1
光谱辐射能
波长（µm）
大部分物体既非黑体也非灰体，其辐射系数 随波长而变化。因为红外热成像只在有 限的波段操作，这使得在实际上把物体当作灰体成为可能。下面你将看到这样一个例子， 例中物体的辐射系数很大程度上随波长而变化。这样的物体叫做选择性辐射体。 下图，沿着表示玻璃辐射系数的红线，可以看到，在波长到约 2.3 µm 之前 非常低， 在 5—8 µm 波段辐射系数非常高，约 0.95。从图中也可以看到反射和透射随波长的变化。 当然，很明显测量玻璃的好的波段位于 5—8 µm，此处玻璃表现得象灰体。
可以看到黑体辐射覆盖很宽的波谱，但它们有各自不同的辐射强度最大值。最大值处 的波长可以计算出来。这公式就是著名的威恩位移定律，表达为 max = 2898/T T：物体的绝对温度，开氏温标测量 (K) max ：最大强度的波长
Blackbody spectral radiant emittance radiant emittance blackbody radiant emittance
收从而使目标升温；它能被目标反射；它还能穿过目标，即被目标透射。当目标透明时发 生透射，如窗口，相机的光学部件等。
入射辐射 W
吸收辐射 W
透射辐射 W
反射辐射 W
从此图导出下面的方程： 简化为：
W = W + W + W 1=++
象大多数数学公式一样用希腊字母表示。这里 = alfa, = ro ， = tau。 让我们来考虑一个目标。假如此目标的辐射特性可以用下面的式子来描述： =0 那么目标没有透射发生，它不透明。大多数物体如此。相对地，完全镜面反射所有的入射 辐射，即： =1 这时既没有辐射被吸收也没有被透射，可得： =0 且 =0 从而，对于一个完全镜面，下式成立：
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e
我们可以考虑的一个例子是太阳的温度。在其温度约为 6,000 K 时， max 将是 2898/6000 0.5 (µm)，碰巧在可见光波谱的中央，实际上这是人眼 所感觉的最强的可见 光。 从表达普朗克定律的上面两图上可以看到 30º C 的物体辐射最强时的max 约为 10 µm， 而 1000º C 物体辐射最强时的max 约为 2.3 µm ，其强度为 30º C 物体的 1,400 倍。相当大的 辐射能量在可见光波段。
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32º
3
3
2
22º
21º
2
手的温度约为 32ºC ，桌面温度为 21ºC。如果我们对桌面近距离观察，可以发现一些 来自手上的反射。这些反射看上去要比桌子的其他部位的温度略为高些。当然，热像仪不 仅接受目标的直接辐射，还接受别的目标在被热像仪记录之前反射的辐射。 因为热像仪离目标有一定的距离，目标辐射到达热像仪前要通过空气，所以目标辐射 会受到一定程度的影响。 最后辐射到达热像仪。热像仪有物镜，它使热辐射聚焦到热辐射感受器上。此感受器 称为红外探测器。
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史蒂芬-波尓兹曼定律（Stefan-Bolzmann’s law）
从 Planck’s law 推导，物体总的辐出能量可以计算出来。此定律适用于黑体，形式如 下： W = T4 W/m2 叫做 Stefan-Bolzmann 常数(5.67 x 10-8 W/m2K4)。一个例子是人类自身，温度为 300 K， 每平方米面积辐射的能量约为 500 W 。人体的有效辐射面积约为 1 m2，因而它大约辐射 ½ kW 的能量——相当可观的热流失。
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在我们生活的这个世界里，绝大多数时间我们被各种类型的光所包围。也许我们不是总 记着，但是这些光几乎无例外地来自很热的源物体。最通常的来源是太阳。然而，热的源物 体可以是白炽灯，光弧，火花以及事实上的任何物体，只要它们发射辐射。想想图中的灯 泡。
9
癈
5
癈
7
实际上这是种特殊的高亮度灯泡，用于机场等处。此灯泡外壳的温度极高。关掉电源， 灯灭了。用手不接触灯泡来感觉，可以感到关灯后灯泡可以热很长一段时间。灯泡关掉了， 但热辐射会持续挺长一段时间。 事实上温度超过绝对零度即 –273ºC 的物体都辐射热。热红外成像是借助于目标的热辐 射以得到其热图的一项技术。热辐射的性质在很大程度上和可见光的性质相同或相似。 热红外成像使我们人类可以看见并理解热像仪所“看到”的。即象一张不同灰度或不同 色彩的照片。它不仅可以帮助我们看热的变化，还是量化这些变化的一项技术。
辐射系数
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我们已经看到不同物体有不同的辐射性能。虽然理想的黑体辐射源实际很少存在，但 物体的辐射特性通常还是相对于黑体（一个完全辐射体）来描述的。黑体的辐射能量表示 为 Wbb，同温度的“普通”物体的辐射能表示为 Wobj，用两者的比值描述物体的辐射系数 。 Wobj = W bb 它介于 0—1 之间。物体的辐射性能越好，其 越高。一个物体对所有的波长都有同一 的辐射系数 ，则称该物体为灰体。 因而，对灰体来说，Stefan-Bolzmann’s law 形式如下： W = T4 W/m2 这说明灰体辐射的总能量相对于黑体辐射的总能量以辐射系数 为比例而减小。对比下图 两曲线：
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什么是红外热成像？从目标到红外热图
3
6
3
5
3
0
2
5
如图所示，左边是一张热像片，右边是与之相对应的普通照片。这也是红外线应用的一 例。
热像片或热图和普通相片的关系紧密。当我们试着解释热图如何形成时，很 容易看到它与普通摄像术的相似之处。
反射辐射 =入射辐射
类似地，假设目标有如下性质： = 0 且 = 0, 即：既无反射辐射也无透射辐射 这个性质的结果是 = 1。这意味着入射辐射 100% 被吸收。此物体称为绝对黑体。
绝对黑体吸收所有的入射辐射
通常我们考虑的辐射是指可见光和红外线。 在现实世界中没有完全透射，完全反射或完全吸收入射辐射的物体。这样的物体只存 在于数学术语中。然而，有些物体在上述某方面非常近似于完全。有近似完全镜面，好的 可以反射约 98%的入射辐射。为得到尽可能高的透射性能而设计的镜头对某一有限波段来 说可透过高达 99%的入射辐射。
普朗克定律 Planck’s law
黑体的辐射强度由普朗克定律表达。该定律的数学形式复杂，因而用曲线来说明。
Blackbody spectral radiant emittance
该定律说明黑体每单位波长和波谱区域的辐射量——光波辐射量(W/m2x µm)。我们可 Visible 以看到图中有几条曲线，每条曲线对应某一黑体温度，温度越高，辐射强度越强。