热成像技术及应用探究

文/丁军

众所周知，热成像技术最早应用在军事领域。该技术被引入到安防领域后，以其隐蔽性好、全天候应用和超远距离覆盖等诸多优点弥补了传统安防监控的不足，在国防、森林防火、港口等特定监控行业应用中发挥着举足轻重的作用，但由于整体成本过高，难以得到广泛应用。

本文试图从技术发展、方案匹配、市场应用等多个维度分析热成像技术在监控领域的应用和发展趋势。

技术发展

热成像是一种被动式红外夜视技术，其原理是基于自然界中一切温度高于绝对零度（-273℃）的物体会辐射出红外线，且不同物体的辐射能力各不相同，那么热成像就是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形成的热量分布图进行成像，从而显示出整个场景的轮廓特征。

热成像系统的核心部件是探测器，其作用等同于光学成像中的光学传感器。光学传感器是将光信号转换为电信号，而探测器是将物体辐射出的热特性转换成电信号，由此形成图像信息。探测器又分为制冷式系统和非制冷式系统，其中制冷式红外热成像系统具有更高的灵敏度，但需要设计复杂的制冷系统，一般应用在军事领域，而非制冷式红外热成像系统虽然灵敏度略差，但系统小巧，相对成本更低，适合应用在安防领域。

在红外探测器研发和制造领域，美国FLIR（前视红外）公司是历史最为悠久的一家，其产品范围涉及红外热像仪、航空摄像机和机械检测系统等，该公司在红外热像仪领域的积累已有50多年，拥有世界一流的红外热像仪产品和配套技术支持。而法国ULIS作为后起之秀，主要为OEM厂家提供非制冷红外传感器及相关模组。

自从热成像技术应用于安防以来，FLIR、ULIS等厂家陆续推出一系列适合监控应用的探测器模组，以满足一些摄像机厂家的集成需求，目前国内主流红外热成像摄像机厂商所采用的模组基本都是来自这两个厂家。当然，从上世纪七十年代开始，我国开始投入对红外热成像技术以来，近几年我国红外成像技术更是得到突飞猛进的发展，有些国内热成像企业自行研制的探测器性能也得到大幅提升。

鉴于上述，安防企业在进入红外热成像领域时，首先会选择低耦合度的实现方案，即选用国外成品的机芯或模组，配合自己擅长的编码，组合成一套热成像监控系统，这套方案的优点是性能更好，系统更稳定，但由于FLIR、ULIS的模组价格过高，整机成本难以控制；而另一类企业则选用国产模组，或基于国产探测器自行开发机芯，以此降低整机成本，但这需要在图像处理方面投入一定的人力进行优化，同时国产模组在工艺水平、成像效果、动态范围等方面与国外厂家均存在差异。

分辨率方面，目前主流的仍是384×288，更高分辨率（如640×480）的模组由于性价比不高，目前还难以应用到安防领域。由于热成像系统提供的是基于热分布的轮廓，而不是像可见光系统那样能够呈现肉眼可分辨的人物细节，因此对分辨率没有特别的要求。

方案匹配

考虑到综合性价比，监控系统中选用的软硬件方案是根据不同应用需求进行设计。

绝大部分监控需求在200米以内，这类监控应用一般采用LED红外灯或白光灯进行补光，前者具有隐蔽效果，后者则具有显色性和警示作用，半球、筒机、枪机、球机等常见机型都属于此应用范畴。这类监控方案中，白天通过自然光获取彩色图像，夜晚则通过补光获取图像，白光补光可以获得和白天相同的彩色图像，而红外补光下只能获得黑白图像，由于不同色彩在红外光和自然光下的反射效果不同，且红外光无显色性，因此红外灯照射情况下获取的图像与自然光下的图像具有较大差异，即便如此，由于人物细节或物体纹理都得到有效还原，因此红外补光仍是当前监控应用中的首选。

当监控距离超过200米时，为保证远距离图像效果，补光光线需要更加聚集，而这已达到LED透镜角度设计极限；同时，考虑到补光行程中能量损耗较大，远距离下照度急剧下降，因此需要设计更多的LED补光灯，这样不仅导致综合成本增加，而且由于LED散热量大，造成热设计复杂度提升；因此，综合考虑选用另一种补光方案——激光灯。激光能量聚集，激光灯产品一般将激光打散、匀化后再作为光源使用，加之激光灯功耗低，因此作为中远距离补光光源的最佳选择。常见采用激光补光的机型有激光球机、激光云台等。激光灯波长处于800～820nm红外波段，其补光效果等同于LED红外补光灯。由于激光灯角度小、能量聚集，夜间近距离凝视可能会灼伤视网膜，因此在产品设计和监控应用中需要进行规避，并尽量避免采用大功率激光器，因此激光在监控中的应用一般在1000米以内。

1000米以上的监控应用一般采用热成像系统，热成像相比传统监控系统具有显著优势：

隐蔽性好：热成像技术基于被动式红外探测技术，通过热敏材料感应物体红外辐射的强度，不会发出任何光线，因此热像仪具有很好的隐蔽性，不容易被监控目标发现。

全天候应用：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”。 热成像技术就是利用这两个窗口感应红外能量，它可以在完全无光的夜晚，或是在雨、雪、大雾等恶劣环境下应用，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。

超远距离：热成像技术探测能力强，因此最早应用于军事。目前手持式及装于轻武器上的热成像仪可让使用者看清800m以上的人体；且瞄准射击的作用距离为2～3km；在舰艇上观察水面可达10km；在1.5km高的直升机上可发现地面单兵的活动；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等。安防领域使用的热成像产品可以发现3～5km以外的人或车。

干扰少：传统监控系统容易受强逆光、夜间车大灯直射等光线因素影响，造成监控图像质量的下降。而热像仪是通过测量物体表面各点温度的高低，直观地显示物体表面的温度场，并以图像形式显示出来，因此不会受到环境光线的影响。

特殊用途：热成像技术基于探测物体表面红外辐射来实现，其对温度具有很高的灵敏度，因此除利用其作为全天候、超远距离监控应用外，在森林防火、防疫等特殊领域应用具有天然优势。如在森林防火中，火灾往往是由不明显的隐火引发的，这是毁灭性火灾的根源。普通监控无法发现这种隐性火灾苗头，而热像仪可以通过监控区域温度分布快速、有效地发现这些隐火，并且可以准确判定火灾的地点和范围，做到早知道、早预防、早扑灭。

虽然热成像技术具备以上诸多优点，弥补了传统监控系统在一系列特殊场景下的应用限制，但也可避免地存在一些缺陷，阻碍了其在安防领域中的应用：

图像对比度低，细节分辨能力差：热像仪通过物体表面温差进行成像，而一般物体表面的温差较小，因此热像仪无法分辨出物体的细节。

不同穿透玻璃等透明障碍物：传统监控系统中，光线可以轻松穿透玻璃，获得清晰的监控图像。而由于热成像系统种，玻璃阻隔了物体的温差，因此热像仪无法透过玻璃进行监控。

成本高：这是目前阻碍热成像技术广泛应用的最重要因素。虽然近年来国产探测器厂家取得了长足的进步，但由于成本过高，导致热成像技术成为少数特殊行业的专业应用，而普通行业则很难染指。

通过分析以上限制，在热成像系统部署时，一般采用彩色系统与热成像系统同步的方式。即在同一台监控平台上同时部署一套彩色监控系统和一套热成像系统，两套系统的成像作相互弥补、相互参照，以此发挥各自系统的优势。

结束语

综述，本文通过多个维度分析了热成像技术的应用现状。在技术方面，国内已经拥有自主开发探测器、机芯的技术能力，打破了国外厂家在这一领域的垄断地位，使热成像系统整体造价得到有效控制，但在工艺水平、灵敏度等方面与国外厂家仍存在差异，国产探测器仍有较长的路要走；在监控方案设计方面，考虑到综合性价比，目前仅1000米以外的监控应用才会考虑选用热成像技术，这使热成像被定位在传统安防领域无法满足的狭小的应用区间内；而在市场方面，热成像系统更是少数特殊行业中的特殊应用。根据红外热成像的技术特点，系统主要应用在森林防火、边防、水利、港口、机场、重要区域或目标安保等监控场合。这类应用场景具有范围广、环境恶劣多变等共性，这正是热成像技术发挥其优势的场合。而在道路监控、平安城市、园区监控等传统监控行业中，由于一般无需覆盖这么大的监控范围，且热成像成本过高，一般不会采用。

因此，未来热成像技术仍将处于技术完善、方案推广阶段，真正的大规模应用很难实现。