红外热成像技术应用研究

李宏棋

摘 要 红外热成像是一种高新技术，将光学与电子技术结合，实现各种功能。根据物体辐射能量的大小，以及与场景比对的差异性，将信息转换成实时图像。近年来，随着国内红外成像技术领域的不断拓展，其在民用领域也开始了全面的发展。红外热成像技术的测温方面，在一些设备的故障排查、人体异常温度检测、生物、监控等领域起着非常关键的作用。

关键词 红外热成像技术 测量 监控

中图分类号：TN21 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2017.10.023

Abstract Infrared thermography is a high-tech， combining optics with power technology to realize various functions. The information is converted into real-time images according to the magnitude of the radiation energy of the object and the difference between the scene and the comparison. In recent years， with the development of the domestic infrared imaging technology， it has also started a comprehensive growth in the civil field. Infrared thermal imaging technology of temperature measurement， in some equipment troubleshooting， body abnormal temperature detection， biology， monitoring and other fields play a very important role.

Keywords Infrared Thermography Technology； measure； monitor

0 引言

紅外热成像技术由光学镜头、内部控制电路、信号传输电路、目镜等模块构成，最为核心的是红外探测器。从焦平面工作时温度可分为制冷探测器和非制冷探测器两大类。从封装上有非晶硅、氧化钒、金属封装等几大类。国产探测器目前量产使用的大多为氧化帆探测器，但部分高档产品探测器还需从国外进口，但随着国内技术的发展，相信以后可以摆脱这种现象。

在实际应用当中，非制冷探测器更适合量产与民用，制冷探测器则更精细，但成本也更昂贵。目前国内的红外仪器相比国外还有一定的差距，在硬件、电路、核心探测器技术上都有待提高。

1 红外热成像技术的发展及特性

红外热成像技术可以不受恶劣天气的影响，无论大雾天还是深夜都可正常工作，在车载或夜晚监控上具有显著优势。在海上，通过红外技术，可以让使船舶的日常检查工作更加容易，节约人工检测成本和消除安全隐患。海湾战争期间，美国凭借其红外热成像技术的应用，使夜间或恶劣条件下军事作战能力大为提高，引起了全世界的关注。目前，许多国家为了加强自身国防能力，纷纷在红外方面加大投入，把红外热成像技术当作国家战略进行研究，以求增强自身军事能力。

在以往传统的测量方式当中，对大批量待测物的测量会导致大量人力与时间的浪费，得不偿失。还存在的问题是测量仪器和被测物体之间的表面接触，破坏了物体原有的温度场，影响了温度传感元件的传输，导致输出信号不够准确真实。红外热成像技术的测量不会干扰被测物体的温度，在光信息的传输中没有惯性效应，可以平滑地改变路径，保证数据的完整性。热成像技术目前已经初步进入到测量领域，通过各种对温度场的测试，为了解热量传播提供了有效数据。热成像技术的研究为探索新的物理概念和构建新的物理模型做出了重大的贡献，为一些问题的解决提供了新的思路。

德国科学家霍胥尔在1800年发现了红外光的存在，1900年德国物理学家普朗克提出了量子理论，为红外热成像技术的发展和完善打下了基础。红外热成像技术曾经历了两次世界大战，在战争中发挥了不容忽视的作用。第一次战争应用的是美国得克萨斯仪器公司研制的红外成像装置，称之为红外前视系统（FLIR）。

早期的热成像系统利用光学系统扫描被测目标的热辐射，由单元光子探测器接受，经过一系列图像处理与光电信息转换，输出视频与图像信号，但是不能实时记录。随着铟锗掺杂光子探测器在二十世纪中期的快速发展，这时期出现了可以高速扫描目标热图像的实时显示系统（图1）。伴随着高速扫描目标实时热图像技术的发展，瑞典AGA公司成功研制出新的热成像仪器，该仪器在红外成像系统的基础上增加了测温的功能，这就是最早的红外热成像仪。

在20世纪80年代末，所研发出的热像仪功能已经较为全面。具有测量温度、收集图像信息、修改、分析和存储等功能，重量大幅度减轻，并且准确性和可靠性也有着显著的提升。在第二十世纪90年代中期，美国FSI公司成功地从军事技术向民用发展，新一代红外焦平面红外成像仪（FPA）开始商业化。在进行测量时，只需要关注被测物体的图像，将图像数据保存下来即可完成操作。对一些带存储功能的红外手持产品来说，在室外观测时遇到想要保留的画面时只用按下拍照键即可保存图像，随后可以从电脑上导出，进行冲洗或者打印，十分方便快捷。

上世纪末到新世纪初，中国在红外热成像领域的取得了很大的进步。红外热成像的核心探测器可以做到独立生产，红外产品开始逐步走近中国寻常百姓家。虽然红外技术起步较晚，但在我们不懈努力下，技术指标已达到世界先进水平，打破了国外的垄断。当下，红外热成像技术已在环保、医疗、安防等各大领域初露锋芒，开始在世界经济发展中占据一席之地。endprint

2 红外热像仪的观瞄基本原理

在自然界中，只要物质温度高于零度，在其内就会存在能量转换，并对外产生辐射。光学镜片进行第一道筛选，筛选完成进行信息处理，使人眼可以直观分辨温度图。人眼可分辨光的波长是400～760nm，小于400nm及超过760nm的波长人眼即不能分辨。热成像技术利用的是红外线，不被人眼接收但是可以通过算法与光电转换生成人眼可以查看的图像。

当物体温度高于零下273度时，会向外界辐射能量。物体本身能量越高，辐射出的能量就越多，对外界影响就越大。物体发热时就会产生红外辐射，其红外辐射强度除了温度外，还与发热物体本身发射率、物体表面条件的性质等因素有关。根据普朗克定律，利用物体本身的红外辐射原理测量热场。红外技术核心的探测器将被测物的各个点温度信息进行收集整理，在仪器内部进行分析合并，得到热分布图。

一台观瞄仪器要到达用户手上要经过很多步骤。从最初的探测器选择，软件工程师设计电路，结构工程师设计结构，外观等。产出研发样机后有工程进行测试，并且产出工程样机，后投入生产。装配完成需要模拟用户使用的条件，给探测器采集一个本地，在低温、室温、高温各种条件下进行数据采集，并且进行非均匀校正，将成像有异常的像元坐标用算法更正，并且进行一系列可靠性试验。并且一般电子元件以及红外技术都存在不稳定性，构成装置的原件数量较多，需要各方面的专业知识。虽然对于每个配件都做出了严格的质量管控，但配件越多，产生误差的概率就越大，所以红外产品需做出较长的品质保证期与售后服务，以保证用户的使用体验。

红外热成像技术利用光学镜头筛选，将可识别波的辐射能量反馈到探测器上。红外探测器进过一系列处理将收集到的信息发送到机器内部负责图像处理的部分进行二次处理。图像处理部分把从探测器收集到的数据信息進行整合与分析，处理完成后可以通过目镜或标准视频监视器或液晶显示屏看到成像。红外热像仪是将收集到的辐射信息转换成容易观察识别的温度图，可以从图像中得到各点温度的值，这也是非典时期所用仪器的基本工作原理。实时监控一大片区域，对于温度正常的成像显示正常，对温度超标的进行特殊标注，只需少量人力即可完成一个车站或港口的检测。

物体辐射出的热能量可以通过图像的亮暗来反映。物体发射出的能量越高，图像越亮，反之则越小。观察的图像的亮暗程度直观的反映出了被测物的温度，并且它们之间存在着正相关关系。通过对亮度的分析以及两者之间的关系，可以诊断物体表面的温度（图2）。

3 总结

红外技术属于非接触式检测，可用于远距离高效的实时监控。在故障检测方面，红外技术具有更好的安全优势，更小的误差和在高电压环境下提前做出预警的观测能力，及时消除安全隐患。目前国内还在积极开发车载用红外检测仪，让行车更加安全。相信红外技术会为我们的生活带来更大的改变。

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参考文献

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[3] 曹海洋.基于红外热成像技术的变压器热故障在线检测与诊断[J].实验室研究与探索，2012.endprint