红外热成像原理

2014-02-24 09:28:12来源: 21ic

    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。热辐射除存在的普遍性之外,还有另外两个重要的特性。

  1.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。

  2.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。

  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。

  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。

  红外探测器分为两类:光子探测器和热探测器。光子探测器在吸收红外能量后,直接产生电效应;热探测器在吸收红外能量后,产生温度变化,从而产生电效应。温度变化引起的电效应与材料特性有关。

  光子探测器非常灵敏,其灵敏度依赖于本身温度。要保持高灵敏度,就必须将光子探测器冷却至较低的温度。通常采用的冷却剂为斯太林(Stirling)或液氮。

  热探测器一般没有光子探测器那么高的灵敏度但在室温下也有足够好的性能,因此不需要低温冷却。

  红外与热成像什么关系

  红外热像仪是通过非接触探测红外热量,并将其转换生成热图像和温度值,进而显示在显示器上,并可以对温度值进行计算的一种检测设备。红外热像仪能够将探测到的热量精确量化,能够对发热的故障区域进行准确识别和严格分析。 照相机成像得到照片,电视摄像机成像得到电视图像,都是可见光成像。自然界中,一切物体都可以辐射红外线,因此利用探测仪测定目标的本身和背景之间的红外线差并可以得到不同的红外图像,热红外线形成的图像称为热图。

  目标的热图像和目标的可见光图像不同,它不是人眼所能看到的目标可见光图像,而是目标表面温度分布图像,换一句话说,红外热成像使人眼不能直接看到目标的表面温度分布,变成人眼可以看到的代表目标表面温度分布的热图像。

  浅谈红外热像仪

  简单地讲:红外热像仪就是利用某些特殊的材料对红外光辐射能产生某些物理量的变化的特性,然后把这种变量转化成电信号,经过调制后再转变成图象并测温。这些特殊的材料多为:碲镉汞、锑化铟、铂化硅、氧化钒、硅掺杂(或多晶硅)等等。市场上所谓的“制冷”和“非制冷”之分,实际上是指有无制冷器而言。

  红外热像仪本身并不发射红外,它只是被动地吸收而已。这有两重含义:第一,这种特征加上自然界任何物体都对外辐射红外信号的特点,使之成为军事价值极高的设备;第二,考虑到红外线在空气中衰减的幅度,作为高灵敏度探测器材料的要求是何等的高!尤其是要考虑红外热像仪本身也有红外辐射的干扰时。因此,从红外热像仪诞生那天开始,对它的技术保密级别及它的价格都非常的高。这里,我们还姑且不谈红外探测器的生产工艺的难度和成品率。

    我们知道:自然界一切温度在绝对零度-273.15°C以上的物体,由于自身的分子热运动都在不停地向周围空间辐射包括红外波段在内的电磁波,其光谱范围比较广。分子和原子的运动愈剧烈,辐射的能量愈大,反之辐射的能量愈小。而现阶段的红外热像仪都只能对其中某一小段光谱范围的红外光产生反应。比如:3~5μm 或8~14μm,也就是所谓的“大气窗口”——大气、烟云等吸收可见光和近红外线,但是对3~5μm和8~14μm的热红外线却受影响较小。因此,这两个波段被称为热红外线的“大气窗口”。同时,物体向外发射的辐射强度取决于目标物体的温度和物体表面材料的辐射特性。同一种物质在不同的状况下(表面光洁度、环境温度、氧化程度等等),向外辐射红外能量的能力都不同,这种能力与假象中的黑体的比值就是该物质在该温度下的发射率。(黑体是一种理想化的辐射体,它吸收所有波长的辐射能量,没有能量的反射和透过,其表面的发射率为1。)应该指出,自然界中并不存在真正的黑体。

  也就是说,红外热像仪能否观察到物体,取决于该红外热像仪的温度分辨率和空间分辨率以及被测物体表面的红外辐射强度和面积,我们甚至可以大略地理解为:温度分辨率即是最小可辨温差的能力,空间分辨率是显示这种温差的能力。现阶段温度分辨率是以NETD实验条件下,环境温度为30℃时探测器的最小可辨温差,而不是热像仪整机的温度分辨率。因为探测器本身的背景噪音如果为0.06℃时,后续处理所带来的背景噪音叠加后肯定要高于0.06℃,至于能达到多少,那就要看各个厂家后续电子线路版块的设计和处理能力了。这里值得说明的是:温度分辨率和测温精度是两回事。前者是最小可辨温差的能力;后者是重复测量的平均温差。刚接触红外热像仪的朋友通常会混淆这两个概念。空间分辨率不能等同于视场角,视场角是指镜头而言,空间分辨率实际是指红外热像仪整机的分辨能力,它与探测器、电路、镜头有关,是个综合指数,以mrad为单位,1.0mrad即千分之一弧度。

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关键字:分辨率  红外热成像  辐射强度

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2014/0224/article_8764.html
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