第四章 热成像技术.

1、三、红外辐射在大气中的传输三、红外辐射在大气中的传输 对红外辐射衰减最重要的是对红外辐射衰减最重要的是水蒸气、二氧化碳水蒸气、二氧化碳和臭氧和臭氧 若红外辐射是平行光束，则大气吸收使红外辐若红外辐射是平行光束，则大气吸收使红外辐射在传输路程上的功率按射在传输路程上的功率按指数衰减指数衰减 低空低空：水蒸气水蒸气吸收对红外辐射的衰减起主要作吸收对红外辐射的衰减起主要作用用 高空高空：二氧化碳二氧化碳起主要作用起主要作用 若红外辐射是平行光束，则大气吸收使红外辐若红外辐射是平行光束，则大气吸收使红外辐射在传输路程上的功率按射在传输路程上的功率按指数衰减指数衰减四、热目标和背景的红外辐射特性四、热目

2、标和背景的红外辐射特性 坦克的热辐射峰值波长为坦克的热辐射峰值波长为7.245秒秒 人体的热辐射人体的热辐射8-13um和和3.2-4.8um 太阳的热辐射太阳的热辐射0.153um 地面的热辐射地面的热辐射3.5um 天空的热辐射天空的热辐射3um三、红外辐射在大气中的传输三、红外辐射在大气中的传输大气散射：大气中的悬浮微粒和雾霾大气散射：大气中的悬浮微粒和雾霾瑞利散射瑞利散射迈散射迈散射无选择性散射无选择性散射四、热目标和背景的红外辐射特性四、热目标和背景的红外辐射特性 4、军事目标的辐射、军事目标的辐射 分为三类：空中目标、地面目标和海上目标分为三类：空中目标、地面目标和海上目标四、热目

3、标和背景的红外辐射特性四、热目标和背景的红外辐射特性几种军事目标的辐射特性：几种军事目标的辐射特性：飞机飞机海上目标的辐射海上目标的辐射地面车辆的辐射地面车辆的辐射炮口闪光炮口闪光四、热目标和背景的红外辐射特性四、热目标和背景的红外辐射特性四、热目标和背景的红外辐射特性四、热目标和背景的红外辐射特性四、热目标和背景的红外辐射特性四、热目标和背景的红外辐射特性热成像仪的优缺点热成像仪的优缺点-优点优点 不依赖月光、星光、夜天光照明，在全黑的条不依赖月光、星光、夜天光照明，在全黑的条件下观测目标件下观测目标 与雷达激光成像比，隐蔽性好，不易被对方发与雷达激光成像比，隐蔽性好，不易被对方发现，亦不易

4、受敌方干扰现，亦不易受敌方干扰 探测距离低于雷达，但雷达的空间分辨本领较探测距离低于雷达，但雷达的空间分辨本领较低，且多数雷达不成像低，且多数雷达不成像 可以探测到其他手段难以发现的目标可以探测到其他手段难以发现的目标1:4610 可以探测到用其他手段难以发现的目标，例如可以探测到用其他手段难以发现的目标，例如它可以发现军事人员和车辆活动过、后来又撤它可以发现军事人员和车辆活动过、后来又撤离的场所，还可揭露各种军事伪装，透过丛林离的场所，还可揭露各种军事伪装，透过丛林及伪装看清目标及伪装看清目标1:4611 景物热图与人眼直视视觉形象的差别景物热图与人眼直视视觉形象的差别在白天，自然视觉主要是

5、靠区别目标反射率差及在白天，自然视觉主要是靠区别目标反射率差及反射阳光的强弱来区分物体。人习惯于把热成像反射阳光的强弱来区分物体。人习惯于把热成像仪采集、形成的图像与日常通过视觉形成的抽象仪采集、形成的图像与日常通过视觉形成的抽象概念相联系。通常条件下，观察人员可以凭借其概念相联系。通常条件下，观察人员可以凭借其日常的经验来判读热图，即使热成像与日常习惯日常的经验来判读热图，即使热成像与日常习惯的视觉形象不一致，也能凭联想辨别出大多数目的视觉形象不一致，也能凭联想辨别出大多数目标。标。1:4612 另一方面，由于热成像仪接受到的热辐射含两种另一方面，由于热成像仪接受到的热辐射含两种成分，即物体

6、自身辐射和反射两种成分，物体对成分，即物体自身辐射和反射两种成分，物体对热红外辐射的反射率也与日光下不尽相同，因此热红外辐射的反射率也与日光下不尽相同，因此热图既不是单纯测量绝对温度，也不是描绘等温热图既不是单纯测量绝对温度，也不是描绘等温线。线。 由于上述与热图成因有关的多种因素混在仪器，由于上述与热图成因有关的多种因素混在仪器，某些物体在热成像仪视场中的形象面目全非。例某些物体在热成像仪视场中的形象面目全非。例如在黑白屏幕上冬季动物的热成像色调比雪原浅如在黑白屏幕上冬季动物的热成像色调比雪原浅，即灰白背景中的小白点是温血动物，这与人们，即灰白背景中的小白点是温血动物，这与人们先入为主的印象

7、相去甚远。先入为主的印象相去甚远。1:46131:4614 热成像仪的应用热成像仪的应用 红外热像仪有助于侦测并红外热像仪有助于侦测并控制猪流感以及其它病毒控制猪流感以及其它病毒性疾病的传播性疾病的传播,对病毒感染对病毒感染传播加以控制。随着国际传播加以控制。随着国际交流，旅游，商业移民的交流，旅游，商业移民的增长，需要一致，快速，增长，需要一致，快速，高效且国际化的病毒性疾高效且国际化的病毒性疾病预防政策。病预防政策。 人体体温的上升或发烧是大人体体温的上升或发烧是大多数病毒感染的有力可信多数病毒感染的有力可信的预警信号的预警信号,由于严重急性由于严重急性呼吸道综合症的爆发呼吸道综合症的爆发

8、,全球全球公共卫生当局已在寻找快公共卫生当局已在寻找快速速,简单简单,非接触性且可靠的非接触性且可靠的方法以侦测人体体温升高方法以侦测人体体温升高的差异的差异. 红外热像仪是非常有效的红外热像仪是非常有效的排查工具排查工具,能在早期检测出能在早期检测出人体感染病毒性疾病人体感染病毒性疾病,它生它生成的红外图像能显示最细成的红外图像能显示最细微的温度差异。微的温度差异。 人体体温是一个复杂的现人体体温是一个复杂的现象。人的体温是恒温的，象。人的体温是恒温的，他们发散热量，这些热量他们发散热量，这些热量会在环境中挥发。在热源会在环境中挥发。在热源和环境之间媒介就是皮肤和环境之间媒介就是皮肤。该机能

9、器官不断调整人。该机能器官不断调整人体生理需求，和外界环境体生理需求，和外界环境条件间的最佳均衡。红外条件间的最佳均衡。红外热像仪提供实时的皮肤温热像仪提供实时的皮肤温度可视图。此外，它也是度可视图。此外，它也是非常敏感的仪器。非常敏感的仪器。FLIR 公公司生产的司生产的ThermaCAM系列系列热像仪最小可测量到热像仪最小可测量到0.08温差。温差。 人的普通体表温度不等于人的普通体表温度不等于体内核心温度。人的体表体内核心温度。人的体表能给出最可靠结果的最可能给出最可靠结果的最可行测量点（即体表温度接行测量点（即体表温度接近人体体内温度的点）是近人体体内温度的点）是眼角位置，即泪管接近体

10、眼角位置，即泪管接近体表皮肤处。建议使用热像表皮肤处。建议使用热像仪进行测量时，被测人站仪进行测量时，被测人站在离热像仪前方一定距离在离热像仪前方一定距离的位置，通常是距离镜头的位置，通常是距离镜头1到到1.6米的位置，以便其米的位置，以便其脸部覆盖整个图像。脸部覆盖整个图像。 被测人看着热像仪仅需不被测人看着热像仪仅需不到到1秒的时间。因为只从秒的时间。因为只从眼角测量最高温度，所以眼角测量最高温度，所以继续佩带口罩或帽子不影继续佩带口罩或帽子不影响测量过程，因为玻璃和响测量过程，因为玻璃和塑料制品不能传递红外辐塑料制品不能传递红外辐射，所以检查时需要摘下射，所以检查时需要摘下眼镜。眼镜。1

11、:4617热成像仪的优缺点热成像仪的优缺点-局限性局限性 第一代热成像仪使用光机扫描装置和机械式制第一代热成像仪使用光机扫描装置和机械式制冷装置野外不方便，而非致冷装置价格高冷装置野外不方便，而非致冷装置价格高 分辨本领不如近红外和可见光照相系统分辨本领不如近红外和可见光照相系统 夜天光，可见物体阴影立体形象夜天光，可见物体阴影立体形象 热图中没有阴影无立体感热图中没有阴影无立体感热像仪发展概述热像仪发展概述-分类分类 现用热成像仪都是将图像分解为像元，以二维现用热成像仪都是将图像分解为像元，以二维扫描方式成像扫描方式成像 按扫描原理：光机扫描、电子束扫描和自扫描按扫描原理：光机扫描、电子束扫

12、描和自扫描 按显示方式：实时和非实时按显示方式：实时和非实时热像仪发展概述热像仪发展概述-成像实质成像实质 是在保持物体的热像轮廓与可见光轮廓相似的是在保持物体的热像轮廓与可见光轮廓相似的前提下，实现前提下，实现“波长变换波长变换”把波长把波长314 微米微米的红外辐射分布图像转换为可见光图像的红外辐射分布图像转换为可见光图像热像仪发展概述热像仪发展概述-红外探测器红外探测器 红外探测器是实现波长转换的核心部件红外探测器是实现波长转换的核心部件 新型红外探测器的问世，必然导致红外科学技新型红外探测器的问世，必然导致红外科学技术的进一步发展术的进一步发展 红外焦平面阵列技术：可在芯片上封装成千上

13、红外焦平面阵列技术：可在芯片上封装成千上万个探测器，同时又能在焦平面上进行信号处万个探测器，同时又能在焦平面上进行信号处理，因此可用它制成凝视型红外系统理，因此可用它制成凝视型红外系统各国发各国发展重点展重点红外探测器红外探测器红外探测器红外探测器红外探测器红外探测器红外探测器红外探测器 实质：实质：红外辐射与物质相互作用产生各种效应。红外辐射与物质相互作用产生各种效应。 任务：任务：检测红外辐射的存在，测定它的强弱并将其转检测红外辐射的存在，测定它的强弱并将其转变为其他形式的能量（多为电能）变为其他形式的能量（多为电能） 工作原理：工作原理：通过光电转换功能把红外辐射能转变为电信号通过光电转

14、换功能把红外辐射能转变为电信号红外探测器红外探测器组成组成 红外敏感元件、红外辐射入射窗口、外壳、电红外敏感元件、红外辐射入射窗口、外壳、电极引出线以及按需要而加的光学器件；在低温极引出线以及按需要而加的光学器件；在低温工作的探测器还包括杜瓦瓶，或者前置放大器工作的探测器还包括杜瓦瓶，或者前置放大器。红外探测器红外探测器 工作于工作于35 微米波段的热像仪，大多使用光伏微米波段的热像仪，大多使用光伏锑化铟（锑化铟（InSb)探测器探测器 工作于工作于814 微米波段的热像仪，多数使用碲镉微米波段的热像仪，多数使用碲镉汞汞(Hg-Cd) Te探测器探测器红外探测器红外探测器 分为热探测器和光子探

15、测器两大类分为热探测器和光子探测器两大类 热探测器主要有：热探测器主要有：热电阻型、热电偶性热电阻型、热电偶性热释电型和高莱气动型热释电型和高莱气动型 优点优点： 响应响应波段宽，可以在室温下工作，使用方便波段宽，可以在室温下工作，使用方便 缺点缺点： 响应时间响应时间长，灵敏度低，常用于红外辐射变化长，灵敏度低，常用于红外辐射变化缓慢的场合（源于热绝缘设计）缓慢的场合（源于热绝缘设计）红外探测器红外探测器 光子探测器：外光电探测器，内光电探测器（光子探测器：外光电探测器，内光电探测器（分为光电导探测器、光伏探测器和光磁电探测分为光电导探测器、光伏探测器和光磁电探测器三种）器三种） 优点：灵敏

16、度高、响应速度快、响应频率高优点：灵敏度高、响应速度快、响应频率高 缺点：必须在低温下工作，且探测波段较窄缺点：必须在低温下工作，且探测波段较窄红外探测器红外探测器-热探测器热探测器 定义：定义： 利用入射辐射引起敏感元件的温度变化，进而利用入射辐射引起敏感元件的温度变化，进而使其有关物理参数或性能发生相应变化，通过使其有关物理参数或性能发生相应变化，通过测量有关物理参数性能的变化可确定探测器所测量有关物理参数性能的变化可确定探测器所吸收的红外辐射吸收的红外辐射 是一种对一切波长的辐射都具有相同响应的无是一种对一切波长的辐射都具有相同响应的无选择性探测器，对某些波长的红外辐射的响应选择性探测器

17、，对某些波长的红外辐射的响应会偏低会偏低红外探测器红外探测器-热探测器热探测器 热探测器吸收红外辐射后产生温升，然后伴随热探测器吸收红外辐射后产生温升，然后伴随发生某些物理性能的变化。测量这些物理性能发生某些物理性能的变化。测量这些物理性能的变化就可以测量出它吸收的能量或功率。的变化就可以测量出它吸收的能量或功率。 常利用的物理性能变化有四种，利用其中一种常利用的物理性能变化有四种，利用其中一种就可以制备一种类型的热探测器。就可以制备一种类型的热探测器。热探测器热敏电阻热探测器热敏电阻 热敏物质吸收红外辐射后，温度升高，阻值发热敏物质吸收红外辐射后，温度升高，阻值发生变化。生变化。阻值变化的大

18、小与吸收的红外辐射能阻值变化的大小与吸收的红外辐射能量成正比量成正比。热探测器热电偶热探测器热电偶 把两种不同的金属或半导体细丝把两种不同的金属或半导体细丝(也有制成薄膜也有制成薄膜结构结构)连成一个封闭环，当一个接头吸热后其温连成一个封闭环，当一个接头吸热后其温度和另一个接头不同，环内就产生电动势，这度和另一个接头不同，环内就产生电动势，这种现象称为种现象称为温差电现象温差电现象。 半导体温差电偶灵敏度高，响应时间短，常用半导体温差电偶灵敏度高，响应时间短，常用做红外辐射接收元件做红外辐射接收元件 若干个热电偶串联在一起成为热电堆（得到大若干个热电偶串联在一起成为热电堆（得到大的温差电势的温

19、差电势,应用广泛应用广泛热探测器气体探测器热探测器气体探测器 气体在体积保持一定的条件下吸收红外辐射后气体在体积保持一定的条件下吸收红外辐射后会引起温度升高、压强增大。会引起温度升高、压强增大。 压强增加的大小与吸收的红外辐射功率成正比压强增加的大小与吸收的红外辐射功率成正比，可测量被吸收的红外辐射功率（高莱管），可测量被吸收的红外辐射功率（高莱管）热探测器热释电探测器热探测器热释电探测器 有些晶体如硫酸三甘肽有些晶体如硫酸三甘肽(TGS)、钽酸锂、钽酸锂(LiTaO3)和铌酸锶钡和铌酸锶钡(Sr1xBaxNb206)等，当受到红外辐等，当受到红外辐照时，温度升高，在某一晶轴方向能产生电压照时

20、，温度升高，在某一晶轴方向能产生电压。电压与吸收的红外辐射成正比。电压与吸收的红外辐射成正比 红外探测器红外探测器-光子探测器光子探测器 光子探测器光子探测器吸收光子后发生电子状态的改变，吸收光子后发生电子状态的改变，从而引起几种电学现象从而引起几种电学现象。这些现象统称为光子。这些现象统称为光子效应。测量光子效应的大小可以测定被吸收的效应。测量光子效应的大小可以测定被吸收的光子数。利用光子效应制成的探测器称为光子光子数。利用光子效应制成的探测器称为光子探测器探测器 红外探测器红外探测器-光子探测器光子探测器 光电子发射属于外光电效应。光电导、光生伏光电子发射属于外光电效应。光电导、光生伏特相

21、光磁电三种属于内光电效应。特相光磁电三种属于内光电效应。 红外探测器红外探测器-光子探测器光子探测器 光电子发射器件光电子发射器件 当光入射到某些金属、金属氧化物或半导体表当光入射到某些金属、金属氧化物或半导体表面时，面时，如果光子能量足够大，能使其表面发射如果光子能量足够大，能使其表面发射电子电子，这种现象统称为，这种现象统称为光电子发射光电子发射，属于外光，属于外光电效应电效应 利用光电子发射制成的器件，光电管、光电倍利用光电子发射制成的器件，光电管、光电倍增管，灵敏度高，时间常数较短；增管，灵敏度高，时间常数较短； 只对可见光起作用只对可见光起作用红外探测器红外探测器-光子探测器光子探测

22、器 光电导探测器光电导探测器 当半导体材料吸收入射光子后，半导体内有些当半导体材料吸收入射光子后，半导体内有些电子和空穴电子和空穴从原来不导电的束缚状态从原来不导电的束缚状态转变到能转变到能导电的自由状态导电的自由状态，从而使半导体的电导率增加，从而使半导体的电导率增加，这种现象称为，这种现象称为光电导效应光电导效应 可分为单晶型，多晶薄膜型可分为单晶型，多晶薄膜型 种类最多，应用最广光子探测器种类最多，应用最广光子探测器红外探测器红外探测器-光子探测器光子探测器 光伏探测器光伏探测器 一个一个P-N结吸收光子后产生电子和空穴，在结区结吸收光子后产生电子和空穴，在结区外，它们靠扩散进入结区，在

23、结区内，受结的外，它们靠扩散进入结区，在结区内，受结的静电场作用电子漂移到静电场作用电子漂移到N区，空穴漂移到区，空穴漂移到P区，区，得到得到P-N结的光伏效应。结的光伏效应。 光电二极管、光电三极管光电二极管、光电三极管红外探测器红外探测器-光子探测器光子探测器 光磁电探测器光磁电探测器 在物品横向加一磁场在物品横向加一磁场，当半导体表面吸收，当半导体表面吸收光子后所产生的电子光子后所产生的电子和空穴随即向体内扩和空穴随即向体内扩散，在扩散过程中由散，在扩散过程中由于受横向磁场的作用于受横向磁场的作用，电子和空穴分别向，电子和空穴分别向样品两端偏移，在样样品两端偏移，在样品两端产生电位差品两

24、端产生电位差 红外探测器红外探测器-非制冷红外焦平面探测器非制冷红外焦平面探测器 省去昂贵的低温制冷系统和复杂的光机扫描装省去昂贵的低温制冷系统和复杂的光机扫描装置置 采用非制冷焦平面列阵（采用非制冷焦平面列阵（UFPA） （UFPA）的敏感元件都是热探测器）的敏感元件都是热探测器 非制冷探测器探测率比制冷型要低一个数量级非制冷探测器探测率比制冷型要低一个数量级以上，故制成大规模的以上，故制成大规模的UFPA热探测器与光子探测器性能比较热探测器与光子探测器性能比较 热探测器一般在室温下工作，不需要制冷热探测器一般在室温下工作，不需要制冷 多数光子探测器必须在低温条件下才能有优良多数光子探测器必

25、须在低温条件下才能有优良的性能的性能 热探测器对各种波长的红外辐射均有响应，是热探测器对各种波长的红外辐射均有响应，是无选择性探测器；光子探测器只对短于或等于无选择性探测器；光子探测器只对短于或等于截止波长截止波长c c的红外辐射才有响应，具有选择性的红外辐射才有响应，具有选择性的探测器的探测器 热探测器的响应率比光子探测器的响应率低热探测器的响应率比光子探测器的响应率低1 12个数量级，响应时间比光子探测器长很多个数量级，响应时间比光子探测器长很多红外探测器的性能参数红外探测器的性能参数红外探测器的工作条件红外探测器的工作条件1.辐射源的光谱分布辐射源的光谱分布2.工作频率和放大器的噪声等效

26、带宽工作频率和放大器的噪声等效带宽3.工作温度工作温度 4.光敏面积和形状光敏面积和形状5.探测器的偏置条件探测器的偏置条件6.特殊工作条件特殊工作条件红外探测器的性能参数红外探测器的性能参数红外探测器的性能参数红外探测器的性能参数1.响应率响应率2.噪声电压噪声电压3.噪声等效功率噪声等效功率4.探测率探测率D5.光谱响应光谱响应6.响应时间响应时间7.频率响应频率响应红外探测器的使用和选择红外探测器的使用和选择性能要求：性能要求：1.尽可能高的探测率，以便提高系统灵敏度，保尽可能高的探测率，以便提高系统灵敏度，保证达到所需探测距离证达到所需探测距离2.工作波段与被测目标温度（热辐射波段）匹

27、配工作波段与被测目标温度（热辐射波段）匹配，以便接收更多的红外辐射能，以便接收更多的红外辐射能3.制冷要求不能高，最好采用高水平的常温探测制冷要求不能高，最好采用高水平的常温探测器件器件小型轻便化小型轻便化4.探测器工作频率要尽可能高探测器工作频率要尽可能高高速目标高速目标红外探测器的使用和选择红外探测器的使用和选择选取原则选取原则1.根据目标辐射光谱范围来选取探测器的响应波根据目标辐射光谱范围来选取探测器的响应波段段2.根据系统温度分辨率要求确定探测率、响应率根据系统温度分辨率要求确定探测率、响应率3.根据系统扫描率要求确定探测器响应时间根据系统扫描率要求确定探测器响应时间4.根据系统分辨率

28、要求和光学系统焦距来确定探根据系统分辨率要求和光学系统焦距来确定探测器接收面积测器接收面积热成像的工作原理瞬时视场和总视场热成像的工作原理瞬时视场和总视场 任何光机扫描装置在某一瞬间只能将目标中某任何光机扫描装置在某一瞬间只能将目标中某一小部分的红外辐射呈现在红外探测器上，这一小部分的红外辐射呈现在红外探测器上，这一部分面积通常称为一部分面积通常称为“瞬时视场瞬时视场” 总视场是总视场是“瞬时视场瞬时视场”所有的总和所有的总和热成像的工作原理基本概念热成像的工作原理基本概念 象素：象素： 任何一幅图像，都是由一个一个明暗不同的小点任何一幅图像，都是由一个一个明暗不同的小点构成的（黑白图像）或是

29、由许多颜色不同的小构成的（黑白图像）或是由许多颜色不同的小点组成（彩色图像）的点组成（彩色图像）的 这些组成图像的小点通常称象素这些组成图像的小点通常称象素 图像的分解：把一幅图像分割为许多象素的过图像的分解：把一幅图像分割为许多象素的过程程 图像的综合：许多象素组合在一起便可以构成图像的综合：许多象素组合在一起便可以构成一幅图像一幅图像 无论是可见光成像还是红外热成像，其成像原无论是可见光成像还是红外热成像，其成像原理都是建立在图像的分解和综合的基础上理都是建立在图像的分解和综合的基础上热成像的工作原理热成像的工作原理-基本概念基本概念光学机械扫描光学机械扫描 使用扫描可以把图像分解为一系列象素使用扫描可以把图像分解为一系列象素 其基本功能是：将目标表面的