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红外热成像技术的应用与展望
红外热成像技术的应用与展望
摘要源于军事应用的红外热成像技术近年来在器件和系统研制、应用方面急剧发展,受到国内外的普遍重视,已经发展成为现代高技术。
本文着重分析了红外热成像技术的技术原理以及主要组成部件。
并在此基础上,归纳了其主要的发展阶段,指出了每个阶段的技术创新之处。
此外,较为全面地介绍了红外热像仪的广泛应用。
技术的发展是无止境的,本文在分析红外热成像技术发展历史的基础上,对未来的技术发展方向进行了展望。
关键词红外热成像;技术原理;应用领域;发展前景
中图分类号TN21文献标识码A
ApplicationsandDevelopmentofInfraredThermography
AbstractInfraredthermalimagingtechniqueusedprimarilyformilitarypurposeisrapidlyadvancedrecentlyinthedevelopmentandapplicationsofdevicesandsystems.Itisgettingmoreandmoreattentionandhasdevelopedintomodernhightechnology.Thetechnicalprincipleofinfraredthermalimagingtechnologyandthemaincomponentsarediscussed.Basedontheanalysisabouttheprincipleofinfraredthermalimaging,wesummarizethemaindevelopmentstages,pointingouttechnologicalinnovationofeverydevelopmentstage.Infraredimagingtechnologyisappliedwidely;thispapersummarizestheimportantapplicationsinmanyfieldsanddiscussesthewideapplicationoftheinfraredthermalimager.Thedevelopmentoftechnologyisendless;basedonthedevelopmenthistoryofinfraredthermalimagingtechnology,thispaperforecastthefuturedevelopingdirectionofthetechnology.
Keywordsinfraredthermography;technicalprinciples;applications;developmentprospects
OCISCodes(暂无)
1引言
在海湾战争中,高科技武器展示了先进技术的广阔平台,成为世界科技发展的风向计,其中出现的红外热成像技术也迅速成为世界各国竞相研究和开发的方向和重点。
红外热成像技术是以接收景物自身各部分辐射的红外线来进行探测,利用景物自身各部分辐射的差异获得图像的细节,其实质是一种波长转换技术,即把红外辐射图像转换为可视图像的技术,同时,由大气透红外性质和目标自身辐射所决定,红外热成像技术通常采用3~5µm和8~14µm两个波段内工作。
红外热成像技术历经多年的发展,已从当初的机械扫描机构发展到了今天的全固体、小型化、全电子、自扫描凝视摄像,特别是非制冷技术使红外热成像技术从长期的主要军事目的扩展到诸如工业监控测温、执法缉毒、安全防犯、医疗卫生、遥感、设备先期性故障诊断与维护、海上救援、天文探测、车辆、飞行器和舰船驾驶员用夜视增强观察仪等广阔的民用领域,红外热成像技术正走向辉煌。
此外,红外热成像技术也是一个有非常广阔前途的高科技技术,其大量的应用已经引起许多行业变革性的改变,创造了亿万的财富和无法预计的社会效益。
2红外热成像技术的发展历史与国内外研究现状
回顾红外热成像技术的发展历程,不难发现的是,从第一代热红外成像装置研制成功,至今虽然只有短短50年左右的时间,但其始终保持着迅猛的发展态势。
2.1红外热成像技术的起步与发展
红外热成像技术和其他很多技术一样,其主要应用是从军事方面开始的。
该技术出现于本世纪二十年代末,其开拓性的工作是M.Czerny等人在1929年的研究成果——蒸发式热像仪。
这种热像仪由于对比度、灵敏度及响应速度都很低,没有多大实用价值。
30年代初,出现了采用银-氧-铯光发射表面的红外变相管。
随后十年间,经改进的这种成像仪用作夜视镜及夜间瞄准具在美国普遍装备了部队。
除了军事作为红外热成像发展的第一推动力外,医学上的需求则是其第二大发展动力。
红外热成像技术用于医学方面的诊断和研究已经快50年了。
1956年,英国医生Lawson用非接触式的测温装置证实了乳腺癌病灶部位的皮肤温度是增高的。
1957年他用美国巴恩(Barnes)公司的红外扫描仪拍摄了乳腺癌患者的热图,使得乳腺癌在皮肤上形成的热区成为视觉可见的图像。
1963年红外热像仪正式应用于临床诊断。
此后,欧美许多国家和日本相继研制了多种热像仪。
六十年代末期统计数据表明全世界大约有75个医疗机构应用红外热像仪。
1974年统计数字表明,美国医用热像仪有300台,西欧也有300台,日本有100台。
前苏联和东欧国家也有医用红外热像方面的文章发表。
2.2红外热成像系统的产生与发展
1964年,随着美国德克萨斯仪器公司(TI)首次研制成功第一代热红外成像装置,历史拉开了红外热成像发展的序幕。
TI公司制作的这套装置,叫红外前视系统(FLIR),这类装置利用光学元件运动机械,对目标的热辐射进行图像分解扫描,然后应用光电探测器进行光——电转换,最后形成视频图像信号,并在荧屏上显示,红外前视系统至今任是军用飞机、舰船和坦克上的重要装置【1】。
六十年代中期,瑞典AGEMA公司研制出第一套工业用的实时成像系统,该系统由液氮制冷,110V电源电压供电,重约35公斤。
1988年推出的全功能测温热像仪,将温度的测量,修改、分析、图像采集、存储合于一体,重量小于7公斤,仪器的功能,精度和可靠性都得到了显著的提高。
九十年代中期,美国一些公司首先将非制冷焦平面技术成功应用于民用热像仪开发,研制成功新一代的红外测温热像仪,技术性能更加先进,现场测温时只需对准目标社区图像,并将上述信息存储到机内的PC卡上,即完成全部操作,各种参数的设定可回到室内用软件进行修改和分析数据,最后直接得出检测报告。
2.3我国的红外热成像技术研究
我国于1976年在上海首先试制成功第一台医用红外热像仪,并投入临床试用。
随后几年内,北京、杭州也相继研制了医用红外热像仪。
但是,热像仪的生产规模都不大,全国只有十几个医院使用。
七十年代和八十年代,医用红外热像仪处于缓慢发展时期。
九十年代开始,我国的医用红外热像技术发展步伐加快了,武汉、重庆、郑州、深圳等地也相继研制了多种医用红外热像仪。
进入21世纪以后,电脑的迅速普及更是催化了我国医用红外热像技术的发展。
其中,最典型的应用就是2003年在我国爆发SARS疫情时,红外热像仪成为最合适的高效仪器【2】。
而在国内,1975年由上海引进了第一套AGEMA公司的红外热像仪,这在当时是国内最先进的红外测温热像仪。
应用后,取得了很大的经济效益,打开了AGEMA的中国市场。
八十年代初,电力系统结合500KV平武工程在电力工业上首次引进三套瑞典AGEMA公司生产的红外热像仪。
应用后,大大提高了电力设备探测、诊断的技术水平【3】。
纵观红外热成像技术短短几十年的发展历史,不管是官方的军用还是普通老百姓的民用,都呈现出一幅蓬勃发展的迅猛态势!
3红外成像系统的工作原理与结构
3.1红外成像系统的工作原理
3.1.1红外成像系统的基本工作原理概述
光学系统将景物发射的红外辐射收集起来,经过光学滤波后,将景物的辐射能量分布汇聚到位于光学系统焦平面的探测器光敏面上。
光机扫描器包括两个扫描机组,一个做垂直扫描,另外一个做水平扫描。
扫描器位于聚焦光学系统和探测器之间。
扫描器工作时,从景物到探测器的光束随之移动,在物空间扫出像电视一样的光栅,与此同时探测器逐点接受景物的辐射并转换成对应的电信号。
经过视频处理的信号,在同步扫描的显示器上显示出景物的红外图像。
图1给出了光机扫描型红外成像系统的工作原理。
图1光机扫描型红外成像系统工作原理【4】
Fig.1Raymachinescanninginfraredimagingsystemworkingprinciple
3.1.2红外成像系统的类型和组成
目前的红外成像系统可以分为以下两大类:
光机扫描型和非扫描型。
图1所示即光机扫描型的,借助光机扫描器使单元检测器依次扫过景物各部分,并随之形成二维图像。
尽管这种红外成像系统结构复杂,成本较高,但其发展仍然受到重视并日趋完善。
非扫描型红外成像系统利用多元探测器阵列,使探测器中每个单元与景物的一个微面元对应,可以取消光机扫描。
比较典型的应用是凝视型红外成像系统。
随着相关技术及材料的发展,近几年硅化物肖特基势垒焦平面阵列技术有了很大的进展,利用硅超大规模集成电路技术的工艺技术,可获得高均匀响应度、高分辨率探测器面阵,大大推动了非扫描型红外成像技术的发展和实用化。
另外,热释电红外成像系统也属于非扫描型红外成像系统,采用热释电材料做靶面,制成热释电摄像管,利用电子束扫描及其相应的处理电路,完全取消了光学扫描,又不需要制冷,成本下降的同时结构还变得简单,发展前景十分广阔,但性能上不如光机扫描型红外成像系统稳定。
从图2所示的红外成像系统框图中可以看出,整个系统包括四个部分:
光学系统、红外探测器及制冷器、电子信号处理系统和显示系统。
图2红外成像系统的工作过程【5】
Fig.2Infraredimagingsystemworks
3.1.3红外成像系统的基本参数
1)光学系统入瞳口径D0和焦距ƒ’
热像仪光学系统的D0、ƒ’是决定其性能、体积和重量的重要因素。
2)瞬时视场
在光轴不动的情况下,系统所能观察到的空间范围就是瞬时视场。
它取决于但元探测器的尺寸及红外物镜的焦距,并决定着系统的最高空间分辨力。
例如,探测器如果为矩形,尺寸为
则
,
(1)
即为瞬时视场平面角。
3)总视场
总视场指的是热像仪的最大观察范围。
通常以水平方向和垂直方向的两个平面角来描述。
4)帧频周期
与帧频
系统扫描完成一幅完整画面所花的时间
叫做帧频周期或帧时;而一秒钟内所构成的画面帧数叫做帧频或帧速
,即存在如下关系:
(2)
5)扫描效率
热像仪对景物成像时,由于同步扫描、回扫、直流恢复等都需要时间,而在这些时间段内不产生视频信号,将其归总为空载时间
。
所以,(
-
)即为有效扫描时间,将其与帧周期的比定义为扫描效率,即
(3)
6)驻留时间
系统光轴扫过一个探测器所经历的时间称为驻留时间,记为
,是光机扫描热像仪的重要参数。
若帧周期为
,扫描效率为
,热像仪采用单元探测器,则探测器驻留时间
即为
(4)
式中,
、
分别为水平和垂直方向的视场角;
、
为瞬时视场角。
当探测器由
个与行扫描方向正交的单元探测器组成的线列时,驻留时间
即为
(5)
由上式可得,在帧周期和扫描效率相同时,如果把
个同样的单元探测器沿着与行扫描正交的方向排成线列,则在单个探测器上的驻留时间就延长至
倍,这有利于提高热像仪的信噪比。
另外要说明的是,探测器的驻留时间应该大于其时间常数。
3.2红外光学系统
红外光学系统主要由红外物镜系统和光机扫描系统组成。
3.2.1红外物镜系统
1)投射式红外光学系统
投射式红外光学系统又称折射式红外光学系统,一般由几个透镜构成,如图3所示。
透射式红外光学系统的主要优点是:
无挡光,加工球面透镜较容易,通过光学设计易消除各种像差。
但缺点是光学系统光量损失较大,装配调整较困难。
2)反射式红外光学系统
由于红外辐射的波长较长,能透过它的材料很少,因而大都采用反射式红外光学系统。
按反射镜截面的形状不同,反射系统有球面形、抛物面形或椭球面形几种。
一下介绍几种典型的反射系统。
图3透射式光学系统【6】图4牛顿光学系统【6】
Fig.3TransmissiveopticalsystemFig.4Newtonopticalsystem
牛顿系统的主镜是抛物面,次镜是平面,如图4所示。
这种系统结构简单,易于加工,但挡光大,结构尺寸也较大。
卡塞格林系统的主镜是抛物面,次镜是双曲面,如图5所示。
这种系统较牛顿系统挡光小,结构尺寸也较小,但加工比较困难。
格里高利系统的主镜是抛物面,次镜是椭球面,如图6所示。
其加工难度介于牛顿系统与卡塞洛林系统之间。
图5卡塞洛林光学系统【6】图6格里高利光学系统【6】
Fig.5ThejamLorraineopticalsystemFig.6Gregoryopticalsystem
在实际工作中,应用最广的是球面镜和抛物镜。
反射镜的性能很大程度上也取决于反射表面的状态以及反射层局部的破损、玷污以及潮湿情况,因此要仔细保护好反射镜表面的清洁和完整性。
反射式光学系统的优点是:
对材料的要求不是很高、重量轻、成本低、光量损失小、不存在色差等等。
但也有明显的缺点:
有中心挡光,有较大的轴外像差,难于满足大视场大孔径成像的要求。
3)折反射组合式光学系统
由反射镜和透镜组合的折射反射式光学系统可以结合反射式和投射式系统的特点,采用球面镜取代非球面镜,同时用补偿透镜来矫正球面反射镜的像差,从而获得良好的像质。
但缺点是这种系统往往体积大,加工困难,成本也比较高,典型的折反射系统举例如下:
1)施密特系统的主镜是球面反射镜,前面安装有一个校正板,如图7所示。
可以根据校正板厚度的变化来校正球面镜的像差,但这种系统的结构尺寸较大,校正板加工困难。
2)马克苏托夫系统的主镜为球面镜,采用负透镜(称为马克苏托夫校正版)校正球面镜的相差,如图8所示。
如果把光阑和马克苏托夫校正板设在主镜的球心附近,则可以进一步减小物镜的轴外像差。
图7施密特光学系统【6】图8马克苏托夫光学系统【6】
Fig.7SchmittopticalsystemFig.8Maksutovopticalsystem
3.2.2光机扫描系统
常用的光机扫描部件有摆动平面镜、旋转反射镜鼓、旋转折射棱镜、旋转折射光楔等。
它们单独或组合成为常用的几种扫描结构。
1)旋转反射镜鼓作二维扫描
能兼作行扫、帧扫的反射镜如图9所示。
它是一个多面体,其每一侧面与旋转轴构成不同的倾角
。
例如,第1面倾角
=0,第2面倾角
;第3面倾角
;第
面倾角
如此等等。
这样,当第一面扫完第一行转到第二面时,光轴在列的方向上也偏转了
角。
若使
角正好对应于探测器面阵在列方向的张角,则这个单一的旋转反射镜鼓就可以兼有二维扫描的功能。
这种方案结构紧凑,帧扫描效率很高,适用于中低档水平的热像仪和手持式热像仪。
由于反射镜的反射面系绕镜鼓的中心轴线旋转,致使反射面位置有相对于光线的位移,这种位移若出现在会聚光路中,则会产生“散焦”现象,影响像质。
故反射镜鼓多用在平行光路中。
2)平行光路中旋转反射镜鼓与摆镜组合
图10所示的机构是右旋转反射镜作行扫描、摆镜作帧扫描的实例。
镜鼓、摆镜均在平行光路中,其外形尺寸必须保证有效光束宽度
和所要求的视场角
,所以会比较庞大,加之摆镜运动的周期往复以及在高速摆动情况下使视场边缘不稳定,不易高速扫描。
这种二维扫描机构没有附加像差,实施容易。
图9产生带扫描的多面镜鼓【7】图10旋转镜鼓作行扫描摆镜作帧扫描【7】
Fig.9Generatedwiththescanningpolygonmirrordrum
Fig.10Rotatingmirrordrumforlinescanningoscillatingmirrorframescan
3)平行光路中反射镜鼓加会聚光路中摆镜
图11所示的机构是由会聚光路中的摆镜绕平面内的轴线
摆动完成帧扫描,由准直镜组之间(平行光路)的反射镜鼓绕与图面垂直的轴线旋转完成行扫描。
这种机构扫描效
图11会聚光束摆镜扫描系统【7】
Fig.11Convergentbeamtiltmirrorscanningsystem
率与上述“2”相同,但由于摆镜在会聚光路中,摆动时会产生“散焦”而影响像质,所以不宜作大视场扫描用。
4)折射棱镜与反射镜鼓组合
在图12所示系统中,四方折射棱镜,在前置望远镜的会聚光路里旋转执行帧扫描,而反射镜鼓2位于物镜前的平行光路中旋转做行扫描。
前者转轴与图面垂直,后者转轴在图面内。
由于折射棱镜扫描效率比摆镜高,故这种组合的总扫描效率比摆镜扫描方案高。
另外,反射镜鼓处在经望远镜压缩的平行光路中,故尺寸可以相对减小。
但这折射棱镜在会聚光路中产生像差,且折射棱镜要旋转,系统像差设计较难。
如果设计恰当,可用于大视场及多元探测器串并扫的场合。
图12折射棱镜帧扫描【7】
Fig.12Refractiveprismframescan
5)会聚光路中两旋转折射棱镜组合
图13所示的结构是由会聚光路中两旋转的折射棱镜组合完成二维扫描。
其中帧扫描在前,转轴与图面垂直;行扫描棱镜在后,转轴在图面内且与光轴正交。
两者棱面数量相当(图中是八棱柱体)。
由于行扫描棱镜入射面靠近物镜焦平面,这里光束宽度变窄,故其厚度尺寸可以小些,使之易于实现高速旋转,达到高速扫描。
这种系统的最大优点是扫描速度快,扫描效率高(帧频可达20Hz,若用多元探测器,帧频可达50Hz);缺点是像差设计困难。
由于它的高帧频特点,使之能与普通电视兼容,因此成为高速热像仪采用的扫描方案。
例如,现在非常具有代表性的高速热像仪AGA系列(瑞典)。
图13AGA680型热像仪原理图【8】
Fig.13ThethermalimagerAGA680schematics
6)两个摆动平面镜组合
用两个摆轴互相垂直的平面镜可构成二维扫描机构,其中一个完成行扫描,另一个完成帧扫描。
图所示的单元探测器光机扫描热像仪即为一例。
由于摆动平面镜可安置在平行光路或会聚光路中,给系统方案留有较多的选择余地。
但由于摆镜稳定性差,不适合做高速扫描。
实际应用的扫描机构还有旋转V形镜、旋转多面体内镜鼓、旋转物镜序列、摆动探测器列阵等等【9】。
4红外热成像技术特点及红外热像仪
红外热成像技术在海湾战争中出尽风头,此后该技术受到广泛关注和重视。
许多国家为加强自身防御能力和提高夜战水准,不仅把红外热成像技术作为现代先进武器装备的重要技术纳入国防发展战略和计划,而且加大了红外热成像技术研制经费的投入。
红外热成像技术发展迅速。
4.1红外热成像技术特点
与其他成像方法相比,红外热成像技术具有十分鲜明的特点:
1)测量范围宽。
玻璃温度计的测温范围为-200~600℃,热电偶的测温范围为-273~2750℃,而辐射测温的理论下限是绝对零度(即-273.16℃)以上,没有理论上限。
目前实际的辐射测温上限可达5000~6000℃【10】。
2)非接触测量。
由于测取的是物体表面的红外辐射能,不用接触被测物体,也不会干扰被测的温度场,故红外热像技术非常适合于测量运动的物体、危险的物体。
3)响应速度快。
传统的测温技术(如热电偶)的响应时间一般为秒级,而热像仪测温的响应时间多为毫秒甚至微秒级,因此热像仪可以测取快速变化的温度。
4)测量结果直观形象。
红外热像仪以彩色或黑白图像的方式输出被测目标表面的温度场,不仅比单点测温提供更为完整、丰富的信息,且非常直观形象。
因此,它不仅在军事领域得到了充分的重视,成为现代军事对抗的制胜关键技术之一,而且在民用领域,也获得了越来越广泛的关注,已在材料缺陷的检测与评价、建筑节能评价、设备状态热诊断、生产过程监控、自动测试、减灾防灾等诸多方面获得了应用,并显示出越来越强大的生命力。
4.2红外热像仪
红外热像仪是红外热成像技术的核心仪器。
在自然界中一切温度高于绝对零度的物体都会不断地辐射着红外线,这种现象称为热辐射。
红外线是一种人眼看不见的光波,人类有必要借助于相关的仪器设备来感测物体的红外辐射。
红外热像仪就是接受物体发出的红外线,通过有颜色的图片来显示物体表面的温度分布。
红外热像仪利用红外探测器、光学成像物镜接受被测目标的红外辐射信号,经过红外光学系统、红外探测器光敏源,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、转换成标准视频信号,将标准视频信号通过视频或检测显示器显示成红外热图像【11】。
红外探测器是热成像技术的核心。
红外成像仪有光子探测和热探测两种不同的原理。
光子探测主要利用光子在半导体材料上产生的电效应进行成像,灵敏度高,但探测器本身的温度会对其产生一定影响。
热探测是将光线引发的热量转化为电信号,灵敏度不如前者但无需制冷。
探测器的技术水平决定了热成像的技术水平。
红外探测器通常使用的有铟锑(InSb)和碲镉汞(CMT)器件,目前发展的是高性能多元CMT探测器。
器件元数已高达60元、J20元和180元。
多元CMT器件不但提高了探测度,而且可以增大视场,提高分辨率和信噪比,并可在3~5微米和8~1微米两个大气窗口波段下下作【12】。
Sprite探测器(或称扫积型探测器),它是由n条纵横比大于10:
1的窄条光导CMT元件所组成,在高偏压下工作。
Sprite探测器除了具有探测功能外,叉能在元件内部实现信号的时间延迟和积分,从而取消了普通线列器件所需的后接信号处理电路,减少了元件引线,使得热质量更轻、可靠性更好、能耗更少、自动化程度更高,扩展了应用范围。
面阵探测器即红外焦平面探测器列阵【13】,它是位于光学系统焦平面、具有n×m元且具有信号处理功能。
它是借助集成电路的方法将探测器装在同一块芯片上,并利用极少量引线把每个芯片上成千上万个探测器信号传输到信号处理器中。
这种焦平面列阵既能在焦平面上封装高密度探测器,又能在焦平面上进行信号处理。
红外焦平面列阵是探测器制造技术和大规模集成电路结合的产物。
有两种工作方式:
一种是扫描式,其列阵规模多在50x4~1000×32元之间,前一数字表示分辨通道的数目,后一数字决定时间延迟和积分的次数;另一种是凝视式,其列阵规模在32×32~512×512元之间。
列阵中元数越多。
能获得视场景物的分辨率就越高。
目前红外焦平面凝视式列阵(称为第二三代红外热成像器件)日趋成熟。
目前非制冷红外热成像仪发展迅速。
虽然光子探测器如碲镉汞探测器(工作在8~14um波段)和锑化铟探测器(工作在3~5um波段)的灵敏度、响应速度、探测距离等性能都比较高,但必须用低温致冷器进行制冷,限制了应用。
所以非致冷焦平面及其成像系统成为一种必然的发展趋势。
非致冷热成像技术采用热电探测器探测景物的热辐射,利用热电探测器对红外辐射引起的温度变化敏感,而温度变化速度和探测器某些电参量成正比,通过光电和电光转换成像【14】。
4.3红外热像仪成像的
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