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红外热成像摄像机原理分析以及应用

随着技术的进步，监控系统已经在各个领域得到了广泛的应用。目前的视频监控系统主要采用可见光摄像机和人工监视、录像相结合的方式进行日常的安全防护，但由于可见光摄像机在恶劣天气或照度较低的条件下，很难滤除干扰得到有用的视频图像，因此使得整个安防系统在夜间或恶劣天气条件下的防范能力大打折扣。
　　同时，由于现在的视频监控系统仍然依托于人工监视，安保人员需要对监控画面进行24小时不间断的监视、人为对视频图像进行分析报警，否则系统就起不到实时报警的功能，而更多的只是事发后取证的作用。从整体上来说，目前的视频监控系统还处于在半天时、半天候和半自动状态。
在伊拉克战争中，美军平均每个士兵拥有1.7台红外热像仪产品
　　一项统计数据表明，世界上47%的暴力犯罪案件发生在晚6点到早6点之间。原因很简单，在夜幕的笼罩下，犯罪分子容易隐蔽，犯罪场面也不容易被看见——黑暗掩盖了犯罪行为。即使安装了一般的视频监控系统，也有可能让犯罪分子逃之夭夭。因此，如何提高在“夜黑风高”的案件高发时间段的自动报警防范能力，成为安防系统当成亟待解决的难题之一。
　　在这种情况下，红外热成像技术以其作用距离远、穿透能力强、能识别隐蔽目标等优势被引入安防领域，成为监控领域的一份子。
热成像摄像机的监控原理
　　在自然界中一切温度高于绝对零度(-273.16摄氏度)的物体都不断地辐射着红外线，这种现象称为热辐射。红外线是一种人眼不可见的光波，无论白天黑夜，物体都会辐射红外线，但红外线不论强弱，人们都看不到。
热成像摄像机(又叫热像仪)就是利用红外探测器、光学成像物镜接收被测目标的红外辐射信号，经过红外光学系统红外探测器的光敏源上利用电子扫描电路对被测物的红外热像进行扫描转换成电信号，经放大处理、转换或标准视频信号通过电视屏或监测器显示红外热图像。利用这种原理制成的仪器为热成像摄像机。它通过探测微小的温度差别，将温度差异转换成实时的视频图像，显示在监视器上。与其他需要少量光线产生影像的夜视系统不同，其完全不需要任何光，这使它成为人们在全黑环境、黑暗的夜晚监控的完美工具。
现代的热成像装置工作在中红外区域（波长3~5μm）或远红外区域（波长8~12μm）。通过探测物体发出的红外辐射，热成像仪产生一个实时的图像，从而提供一种景物的热图像。并将不可见的辐射图像转变为人眼可见的、清晰的图像。
红外热成像原理现代的热成像装置工作在中红外区域（波长3~5μm）或远红外区域（波长8~12μm）。通过探测物体发出的红外辐射，热成像仪产生一个实时的图像，从而提供一种景物的热图像。并将不可见的辐射图像转变为人眼可见的、清晰的图像。热成像仪非常灵敏，能探测到小于0.1℃的温差。 波长为2.0~1000μm的部分称为热红外线。我们周围的物体只有当它们的温度高达1000℃以上时，才能够发出可见光。相比之下，我们周围所有温度在绝对零度（-273℃）以上的物体，都会不停地发出热红外线。所以，热红外线（或称热辐射）是自然界中存在最为广泛的辐射。

　　由此可见，红外热像仪在完全无光、距离较远时都可对物体成像，它不仅可在完全无光的情况下观测，而且可以在黑夜或浓厚的烟幕、云雾中探测到对方的目标，包括已伪装的目标和高速运动目标，同时还要求在远距离上识别目标，因而热成像摄像机属现今最高档的夜视仪。被观察物体一般都比周围环境温度高，因此也就成了热像仪最好的观察对象。
　　在夜间以及恶劣气候条件下，红外热成像监控设备可以对各种目标，如人员、车辆等进行监控。红外热像仪的工作波段可达到中、远红外区域，但由于大气对波长为3至5微米和8至14微米以外的红外线有强烈的衰减作用，所以实际上热像仪主要工作在3至5微米和8至14微米两个红外波段。
　　红外热成像在机场的应用
　　随着航空事业的不断发展，各地都在兴建、扩建机场，飞机出行已成为中国百姓商务旅行首选，飞机高效、快捷的运输手段在带来方便的同时也成为治安事件及恐怖袭击的重点区域。因此，机场的安防建设历来是中国乃至世界关注的热点。
　　由于机场占地面积非常庞大，监控布置的难度较大，面对非法入侵甚至恐怖袭击，确保乘客及机场安全乃头等大事，红外热成像仪能在机场夜间监控起到非常大的作用
热辐射除存在的普遍性之外，还有另外两个重要的特性。 1．物体的热辐射能量的大小，直接和物体表面的温度相关。热辐射的这个特点使人们可以利用它来对物体进行无接触温度测量和热状态分析，从而为工业生产，节约能源，保护环境等等方面提供了一个重要的检测手段和诊断工具。 2．大气、烟云等吸收可见光和近红外线，但是对3~5μm和8~14μm的热红外线却是透明的。因此，这两个波段被称为热红外线的“大气窗口” 。利用这两个窗口，可以使人们在完全无光的夜晚，或是在烟云密布的战场，清晰地观察到前方的情况。正是由于这个特点，热红外成像技术军事上提供了先进的夜视装备并为飞机、舰艇和坦克装上了全天候前视系统。这些系统在海湾战争中发挥了非常重要的作用。 工作时，热成像仪利用光学器件将场景中的物体发出的红外能量聚焦在红外探测器上，然后来自与每个探测器元件的红外数据转换成标准的视频格式，可以在标准的视频监视器上显示出来，或记录在录像带上。由于热成像系统探测的是热而不是光，所以可全天候使用；又因为它完全是被动式的装置，没有光辐射或射频能量，所以不会暴露使用者的位置。
红外热像仪除了能显示物体表面的热状态分布图之外，还有一个特点：非接触测温。这个功能，在当年的“非典”中应用是非常广泛的。但是，笔者认为：红外在“非典”中的应用，对普及红外热像仪相关知识有一定的作用；可在某些地方的应用方式上却是有待商榷的。我们知道：人体是个恒温体，传统测温所采取的部位是：腋窝、口腔、直肠。其中，直肠的温度最高也最接近人体内部温度。体表呢？——要知道红外热像仪只能测量表面的热辐射（体表的不同位置温度也不一定相同，但多在26度到31度左右），而人又分男女、老少，每个人在体表热辐射上都有差异，同时，同一个人在24小时内的体表温度也是有差异的。你怎么能排除人受环境的影响？（比如说人多而空间小、有空调、刚喝过热水吃过饭、刚运动过、心情紧张等等）由于人有这些特性，即使你用相对温差法或热谱图法也无法准确判断。 相关人士在谈及该问题时，开玩笑说：“红外热像仪测温是绝对不准的，发现相对温差的能力是一流的。”当然，这只是和接触式测温相比而言。应该说红外热像仪测温虽然有误差，但还是比较准确的。 另外，我们国家有些行业已制订的检测规则中规定：用红外热像仪检测带电、高温的设备的方法是：1，热谱图法2，相对温差法。 从核心技术的角度来说，国内工业红外热像仪行业根本没有什么可以自豪的地方。因为非制冷焦平面探测器制造技术完全国外厂家手中，我们面临的是长期的技术封锁。期待我国方面的技术有待突破！

——09机电蒋佳晖
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