紅外熱成像相關知識

紅外成像原理

自然界中的物體,除了具有我們所熟悉的可見光圖像外,還具有一種紅外熱輻射圖像,但人的肉眼看不到紅外熱輻射,這是因為它所發出的是紅外線,為不可見光。物體溫度越高時它所發出的紅外線強度越強,通過探測、接收物體向外界發散的紅外線強度即可計算出溫度,進而人為的將溫度值轉變為不同的顏色顯示出來,當探測紅外線的傳感器足夠多足夠密時,就可生成用顏色表示溫度的熱像圖。紅外成像是將人眼看不見的另一個用溫度(熱量)表達的世界人為轉換為顏色圖像的技術。

紅外熱成像用處

軍事:從第二次世界大戰開始,熱成像技術就已應用在軍事上。由于這種儀器是靠熱輻射來工作的(與可見光無關,與環境亮度無關),它能夠透過漆黑的戰場讓士兵們清楚地看到敵方的行蹤。又由于它為無源性接收系統,比無線電雷達等可見光裝置更安全、隱蔽。醫學:例如:當某一部位出現炎癥時,體溫會升高,測量體溫或者驗血能夠判斷有無炎癥,但不能確定炎癥的具體位置,而熱像儀可以直觀給出人體溫度場分布圖,將病變的熱圖與正常熱圖比較,就可以找到病變的部位。再如:當血液流經剛剛被安置的人造血管時,熱像儀上的動脈管的顏色由灰變白,而在通常情況下,肉眼是很難觀察到血管是否暢通無阻的。工業:配電框、電器部件、變速箱、電路板、發動機等出現故障,也可以用熱像儀直接觀測檢查,避免故障帶來的損失??梢杂糜诳照{、暖氣施工及效果檢查。熱像儀也可以用于地質調查,地熱探查,森林植被分布、防火,大氣與海洋監測,火災的發現與救援。熱像儀可以幫助救援者發現那些被濃煙和黑暗隱僻住的遇難者,從而救出他們(生命探測儀)。

輻射率

輻射率是描述面輻射源特性的物理量。它表示某物體的單位面積輻射的熱量和黑體在相同溫度、相同條件下的輻射熱量之比。即:輻射率通俗的說就是某物體會將自身溫度轉換為輻射擴散出去的能力,1 表示可以將自身溫度轉換為 100%的輻射,0.9 表示可以將自身溫度的 90%轉換為熱輻射擴散出去。實際上輻射率為 1 的物質(黑體)是不存在的,所以任何材料的輻射率均是 0~1 之間的數值。任何物體在高于絕對零度(-273.15℃)的時候,其物體表面就會有紅外能量也就是紅外線發射出來,溫度越高,發射的紅外能量越強。紅外線測溫儀和紅外熱像儀就是根據這個特點來測量物體表面的溫度的,因為紅外線測溫儀和紅外熱像儀是測量物體表面的溫度,所以在測量時會被物體表面的光潔度所影響。實驗證明:物體表面越接近于鏡面(反射越強),其表面所發出的紅外能量衰減越厲害,就需要對不同物體的表面對紅外能量的衰減情況做出補

償,即設置一個補償系數,這個補償系數就是輻射率。

溫度分辨率與絕對精度

噪聲等效溫差(NETD)是指紅外探測器能探測到的最小溫差,即:當被測物體的溫度變化多少時紅外探測器可以探測出來。衡量紅外探測器性能的主要指標之一。

熱探測器的噪聲等效溫差在 100mK 左右(0.1℃)。第二代光探測器在 20mK 左右(0.02℃)。第三代探測器目標在 1mK(0.001℃)。紅外探測計算出的絕對溫度值與被測物體的輻射率參數有直接關系,不同材料的輻射率值是不同的,更為嚴重的是即便是同種材料,表面光潔度、含水率、溫度高低等因素的影響也會直接改變輻射率,這就導致了紅外探測絕對溫度無法絕對準確,問題不在于紅外探測器的對輻射量的感知準確度而在于材料的輻射率是隨時在小范圍變化的。所以,衡量紅外探測器的性能指標一般不能用絕對溫度,而應該用溫度靈敏度,即:噪聲等效溫差(NETD)。這也可以得出一個結論,紅外熱成像儀的主要作用是盡量區分出不同區域的溫度差異,用數字表現

出來,進而展示為帶有顏色的圖像,只有溫度區分開以后,圖像才會細致分明。

探測距離

紅外熱成像儀是用光學鏡頭來收集被測物體的熱輻射能量的,故此探測距離會受鏡頭視場角和熱成像像素分辨率有關。假如某成像儀的成像分辨率為 32*32 像素,視場角為 75 度,則可以理解為從鏡頭發射出32*32=1024 條激光來探測 1024 個點的溫度(32 行*32 列),每行 32 個點,每列 32 個點。則每相鄰兩條激光線的夾角為 75/31=2.4193°發散出去。隨著距離的增長,兩條激光線的間距會變大,當被測物體足夠小時,有可能處于兩條激光線之間未被探測到,這就是探測距離的問題。

即:當成像儀的像素數量和視場角一定時,它的有效探測距離就與被測物體的大小有關。當被測物體尺寸已知時,對其進行探測的理論最遠距離為:

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