分享关于红外热成像知识的原理及应用

红外线原理

1. 红外线定义

在自然界中，只要温度高于绝对零度（-273℃）的物体都能辐射电磁波。红外线是自然界中的电磁波最为广泛的一种存在形式，它是一种能量，而这种能量是我们肉眼看不见的。任何物体在常规环境下都会产生的自身的分子和原子无规则运动，并不停地辐射出热红外能量。

2. 红外线波段范围

太阳发出的光波又叫电磁波。可见光是人眼能够感受的电磁波，经三棱镜折射后，能见到红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七色光

红外线是这些电磁波的一部分，它和可见光、紫外线、X射线、γ射线和无线电波一起，构成了一个完整连续的电磁波谱。

如上图所示，波长范围是0.76μm到1000μm的电磁辐射，我们称为红外线辐射。

3. 红外线的“大气窗口”

红外辐射电磁波在空气中传播要受到大气的吸收而使得辐射的能量被衰减，如果吸收的能量过多，就无法使用热像仪进行观察。

大气、烟云等吸收红外线也跟红外辐射的波长有关，对于3~5微米和8~14微米的红外线是透明的。因此，这两个波段被称为红外线的“大气窗口”。利用这两个窗口，红外热像仪可以正常的环境中进行观测而不换产生红外辐射衰减的情形。

如图：

烟雾中看不清汽车，通过红外热像仪可以清晰看到。

红外热成像原理

1. 热成像原理

通俗的说，红外热成像是将不可见的红外辐射变为可见的热图像。   

不同物体甚至同一物体不同部位辐射能力和它们对红外线的反射强弱不同。利用物体与背景环境的辐射差异以及景物本身各部分辐射的差异，热图像能够呈现景物各部分的辐射起伏，从而能显示出景物的特征。   

热图像其实是目标表面温度分布图像。

如图：热图像可以分辨出物体表面的热辐射差异。

2. 红外热成像系统

热成像系统就是通过一系列光学组件和光电处理等技术，接受红外热辐射，然后转换成人眼可以见的热图像，显示在屏幕上的整体系统。

3. 红外热像仪组成

红外热像仪基本工作原理为：红外线透过特殊的光学镜头，被红外探测器所吸收，探测器将强弱不等的红外信号转化成电信号，再经过放大和视频处理，形成可供人眼观察的热图像显示到屏幕上。方框图如下：       

名词解释

红外热像仪按照工作温度分为制冷型和非制冷性

制冷式热成像仪：

其探测器中集成了一个低温制冷器，这种装置可以给探测器降温度，这样是为了使热噪声的信号低于成像信号，成像质量更好。

非制冷式热成像仪：

其探测器不需要低温制冷，采用的探测器通常是以微测辐射热计为基础，主要有多晶硅和氧化钒两种探测器。

红外热像仪按照功能分为测温型和非测温型

测温型红外热像仪：

测温型红外热像仪，可以直接从热图像上读出物体表面任意点的温度数值，这种系统可以作为无损检测仪器，但是有效距离比较短。

非测温型红外热像仪，只能观察到物体表面热辐射的差异，这种系统可以作为观测工具，有效距离比较长。

红外探测器：

红外探测器是将不可见的红外辐射转换成可测量的信号的器件，是红外整机系统的核心关键部件。

探测器尺寸：

探测器尺寸指探测器上单个探测元的大小，一般的规格有25μm，35μm等。探测元越小，则成像的质量越好。

红外探测器的分辨率：

分辨率是衡量热像仪探测器优劣的一个重要参数，表示了探测器焦平面上有多少个单位探测元。目前市场主流分辨率为160×120，384×288等，此外还有320×240，640×480等。分辨率越高，成像效果也就越清晰。      

红外光学镜头：

红外光学镜头通常是由一组透镜组成，它们可以将接收到的各种红外线最终焦距到红外探测器上，进行光电转换处理。

红外光学镜头中使用最多得是折射率为4得锗晶体，它适用于2～25μm波段。折射率为3得Si常用在1～6μm波段。耐热冲击的导弹整流罩，以采用热压的MgF2和ZnS最佳。

视场角（FOV）：

视场角是由镜头系统主平面与光轴交点看景物或看成像面的线长度时所张的角度，通俗的说，镜头有一个确定的视野，镜头对这个视野的高度和宽度的张角称为视场角。        

测温精度：

测温精度是指测温型红外热像仪进行温度测量时，读取的温度数据与实际温度的差异。此数值越小，代表热像仪的性能越好。

测温范围：

测温范围是指测温型红外热像仪可以测量到的最高温度和最低温度的范围。

焦距：

透镜中心到其焦点的距离，通常用f表示。焦距的单位通常用mm(毫米)来表示，一个镜头的焦距一般都标在镜头的前面，如f=50mm（这就是我们通常所说的“标准镜头”），28-70mm（我们最常用的镜头）、70-210mm（长焦镜头）等。焦距越大，可清晰成像的距离就越远。

空间分辨率：

空间分辨率是指图像中可辨认的临界物体空间几何长度的最小极限，即对细微结构的分辨率。数值越小，分辨率越高。     

最小可分辨温差（MRTD）：

在热成像中，MRTD是综合评价系统温度分辨率和空间分辨力的重要参数。在确定空间频率下，观察者刚好能分辨（50%概率）出四条带图案时，目标与背景之间的温差称为该空间频率的最小可分辨温差。MRTD值越小，红外热像仪性能越好。

噪声等效温差（NETD）：

热像仪对测度图案进行观察，当系统的基准电子滤波器输出的信号电压峰值和噪声电压的均方根之比为1时，黑体目标和黑体背景的温差称为噪声等效温差。NETD越小，表示成像画面质量越好。           

鬼影：

其指红外图像中出现的不随目标变化的或明或暗的纹路，它是由于红外探测器的探测元对红外辐射的响应率不均匀造成的。

坏点：

坏点指在红外图像中坐标不随目标变化的明暗斑点，是由探测器的单个探测元对红外辐射的响应率过高或过低造成的，也称无效像元 。

非均匀性校正：

由于红外探测器制造工艺的局限，红外探测器每个探测元对红外辐射的响应率不同，成像面上会出现上述鬼影和坏点现象，影响热像仪的成像质量。

非均匀性校正是指有效降低探测器的响应率不均匀性，提高热像仪成像质量的一种技术手段。经过非均匀性校正的热像仪成像画面均匀，鬼影和坏点现象消失，成像效果得到明显改善，可大大提高热像仪的观察能力。

补偿：

补偿也成为校正，是为了获得非均匀性校正所需的原始数据，从而得到理想的红外图像，在图像出现不清晰的时候，可对热像仪进行补偿操作。补偿目标可以根据现场环境和目标特性选择不同的但温度均匀的物体，这个物体可以是干净无云的天空、热像仪的内置快门、或者关闭的镜头盖等。