红外热成像系统论文

红外热成像系统

一、诞生

1800年，英国物理学家F. W. 赫胥尔从热的观点来研究各种色光时，偶然发现放在光带红光外的一支温度计，比其他色光温度的指示数值高，经过反复试验，这个所谓热量最多的高温区，总是位于光带最边缘处红光的外面。于是他宣布:太阳发出的辐射中除可见光线外，还有一种人眼看不见的“热线”，这种看不见的“热线”位于红色光外侧，叫做红外线。

这种红外线，又称红外辐射，红外线辐射是自然界存在的一种最为广泛的电磁波辐射，它在电磁波连续频谱中的位置是处于无线电波与可见光之间的区域。其中波长为0.78 ～1.5μm 的部分称为近红外，波长为 1.5 ～10μm的部分称为中红外，波长为10～1000μm的部分称为远红外线。而波长为2.0 ～1000μm的部分，也称为热红外线。

二、原理

在自然界中，一切物体都会辐射红外线，这种红外线辐射是基于任何物体在常规环境下都会产生自身分子和原子无规则的运动，并不停地辐射出热红外能量,分子和原子的运动愈剧烈，辐射的能量愈大;反之，辐射的能量愈小。因此利用探测器测定目标本身和背景之间的红外线差，就可以得到不同的红外图像，称为热图像。同一目标的热图像和可见光图像不同，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的图像。运用这一方法，便能实现对目标进行远距离热状态图像成像和测温，并可进行智能分析判断。

红外热成像技术是一种被动红外夜视技术，其原理是基于自然界中一切温度高于绝对零度（-273℃）的物体，每时每刻都辐射出红外线，同时这种红外线辐射都载有物体的特征信息，这就为利用红外技术判别各种被测目标的温度高低和热分布场提供了客观的基础。利用这一特性，通过光电红外探测器将物体发热部位辐射的功率信号转换成电信号后，成像装置就可以一一对应地模拟出物体表面温度的空间分布，最后经系统处理，形成热图像视频信号，传至显示屏幕上，就得到与物体表面热分布相对应的热像图，即红外热图像。

红外热成像仪，可以分为致冷型和非致冷型两大类，非致冷焦平面红外热成像系统由光学系统、光谱滤波、红外探测器阵列、输入电路、读出电路、视频图像处理、视频信号形成、时序脉冲同步控制电路、监视器等组成。

系统的工作原理是，由光学系统接受被测目标的红外辐射经光谱滤波将红外辐射能量分布图形反映到焦平面上的红外探测器阵列的各光敏元上，探测器将红外辐射能转换成电信号，由探测器偏置与前置放大的输入电路输出所需的放大信号，并注入到读出电路，以便进行多路传输，高密度、多功能的CMOS多路传输器的读出电路能够执行稠密的线阵和面阵红外焦平面阵列的信号积分、传输、处理和扫描输出，并进行

A/D转换，以送入微机作视频图像处理。由于被测目标物体各部分的红外辐射的热像分布信号非常弱，缺少可见光图像那种层次和立体感，因而需进行一些图像亮度与对比度的控制、实际校正与彩色描绘等处理。经过处理的信号送入到视频信号形成部分进行D/A转换并形成标准的视频信号，最后通过电视屏或监视器显示被测目标的红外热像图。

三、优缺点

1.红外热成像技术的优点

1)红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，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，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。

3)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，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。

4)红外热成像技术的探测能力强，可在敌方防卫武器射程之外实施观察，其作

用距离远，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。

5)红外热成像技术可采用多种显示方式，对视频信号进行假彩色处理，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。

6)红外热成像技术能直观地显示物体表面的温度场，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，因此不受强光影响。

7)红外辐射是自然界中存在最为广泛的辐射，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。

2.外热成像技术的缺点

1)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)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。

四、应用与发展

红外热像仪行业是一个发展前景非常广阔的新兴高科技产业，红外热像仪分为军用和民用两大类。军用领域的红外热成像系统是红外技术最早的应用领域，产品以制冷型热像仪为主，对探测器的性能要求很高，价格也相对昂贵；民用领域主要用于预防检测、消防、安防、汽车夜视、法律监督等多个领域。

红外热像仪行业的发展始于美国，最开始应用于军事领域，随着非制冷红外技术的发展，红外热像仪行业在民用领域得到了广泛的应用，而且正展现出更为广阔的市场需求。2004年全球民用红外热像仪及系统产量约为5万台，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，红外热像仪销售额的快速增长主要来源于新应用领域的不断扩大。

随着中国经济、社会的快速发展，中国红外热像仪行业具有巨大的发展空间。在发达国家，红外热像仪已配置在陆军、空军、海军等各个军种中，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，目前我国军队中红外热像仪应用的相对较少，按照我国政府发布的《2006年中国的国防》白皮书，我国军队的人员数量为230万人，如果未来我军10%的部队装备红外热像仪，则我国军用红外热像仪市场容量就可达到23万套。我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。

近几年来，我国红外热像仪行业的研究开发能力有了很大的提高，红外热像仪的研制与开发涉及到光学、电子、计算机、物理学、图像处理、新材料、机械等多个学科，研制的难度非常高，以大立科技为首的红外热像仪生产企业通过人才引进、技术攻关和加大投入，在红外热像仪核心零部件的开发以及红外热像仪新产品的开发方面获得重大的突破，使得我国红外热像仪的研究开发能力得到了很大的提高。

但是，目前红外热像市场实际年需求与潜在需求存在较大的差异，造成这种差异的主要原因是：其一，红外热像仪中的核心部件——探测器的成品率不高，从而造成探测器乃至红外热像仪的成本和售价居高不下，影响了红外热像仪市场潜在需求的开发；其二，目前，红外热像仪应用最多的行业是军事、电力、消防等行业，红外热像仪在更多领域应用的推广需要一个过程。

未来5年，随着红外热像仪市场需求的快速增长，可以预计，包括大立科技在内的红外热像仪供应商将不断增加产能，但总体而言，由于红外热像仪的研制与生产的技术难度大，其它行业的资本难以进入该行业，而新产品的研制周期较长，红外热像仪市场的供给不可能在短期内急速扩张，因此，我们在红外热成像系统产品研发上还得下大力气。