一文深度了解红外传感器之热成像仪的应用场景
在上一篇文章里我们了解了红外热成像仪的原理、种类和特点。在现实世界里，热成像仪的用途非常广泛，特别是在军事上，利用热成像仪可以在夜间发现散发热量的坦克发动机、士兵。在工业上，可以利用热像仪快速探测出加工件的温度，从而掌握必须的信息。由于电动机、晶体管等电子器件发生故障时往往伴随着温度的异常升高，利用热成像仪也可以快速诊断故障。在流行性感冒、肺炎等疾病流行时，可以利用热成像仪快速判断是否有发热现象。由于癌细胞的温度较高，也可用其判断诊断乳腺癌等疾病。边防部门也可用其判断交通工具中是否有偷渡客。随着热成像技术的发展，使它在国民经济、生产建设、科学研究以及国防军事等众多方面有着广泛的应用，其在军事上应用也已涉及到红外警戒、跟踪、瞄准以及制导的各个方面。美国的弹道导弹防御（B 划是当前国际上广泛关注的一个热点问题，BMD计划针对敌方导弹在发射助推段、大气层外弹道飞行段和再入大气层段这三个阶段的不同特点，采取不同的方法，建立多层次的、全程的拦截体系。在这种拦截体系中，红外焦平面列阵成像技术扮演着一种核心的角色，主要表现在以下3个方面。1、全球性监视。在敌方导弹发射的初始阶段，就探测到其位置和数量，主要依靠部署在空间的预警卫星进行。2、跟踪和鉴别。在敌方导弹发射的初始阶段和弹道飞行阶段，鉴别真、假目标并跟踪其轨迹。3、识别和制导。在己方发射的拦截导弹上，以红外成像方式实现目标识别和精确的导，命中摧毁敌弹。采用红外成像制导可使导弹获得更远的全向探测距离和识别，对抗红外诱饵等人工干扰的能力，大大提高导弹威力，而且也使其成为对付隐形飞机等的“杀手锏”，也是热成像技术在军事应用中的重中之重。随着红外成像技术的快速发展，世界各国相继研制了多种红外成像制导导弹。如美国的毒刺改进型 (Stinger Post和Stinger RMP)，斯拉姆AGM284E远程攻击型导弹，苏联的SAM213和法国的西北风改进型, 美国幼畜AGM265D /F空地、空舰导弹，法国MICA导弹（红外型），英国ASRAAM导弹，德国 IRIS-T导弹，美国AIM-9x导弹，其中，美国的AIM-9x近距空空导弹是美国重点发展的最新型空空导弹。应用凝视红外焦平面阵列成像技术的典型代表有德、英、法合研的远程崔格特导弹、美国的标枪便携式反坦克导弹以及战区高空防空导弹THADD等。在红外焦平面技术发展初期，最先成功应用的领域是反装甲导弹系统的热瞄准器和精确制导寻的器，美国和欧洲的一些主要先进反装甲导弹计划，现已处于装备、服役阶段，主要有美国“标枪”Javelin导弹系统，欧洲第三代远程反坦克导弹（TriGAT-L，又名ATGW-3），美国“狱火”导弹（Hellfire）。红外热成像仪是应用最广泛的红外装置，而在热成像技术的发展初期，只能研制出基于单元器件的热像仪，场频较低，只限于小范围应用。直到20世纪70年代中长波碲镉汞(MCT)材料与光导型多元线列器件工艺成熟之后，热像仪才开始大量生产并装备军队，发展很快，种类繁多。第一代军用红外热成像仪大都采用MCT的60、120和180元线列“通用组件”制造的前视红外系统，即FLIR，它占红外军事应用的50％以上，而到90年代，性能更高的第二代热成像仪SADA应运而生，即美国陆军标准先进杜瓦组件，SADAⅠ为240×2长波MCT TDI扫描焦平面，SADAⅡ为 480×6（以及480×4）长波MCT TDI扫描焦平面，使用SADAⅡ的第二代热成像仪比使用180元通用组件的第一代热成像仪的探测距离提高了一倍，且如果是凝视型焦平面热像仪具有更多的优点，小巧、坚固、可靠、省电、灵敏度更高，640×凝视焦平面热成像仪探测距离是通用组件的4倍。SADAⅡ已广泛用于各种机载，舰载和车载的热像仪和搜索跟踪系统中，如Bradley战车，Abrams M1坦克，Comanche装甲，而美国的超级战机F-22，V-22和F-18都使用了凝视型的焦平面热成像仪。目前，红外热成像的空间应用主要有3方面：环球表面监测，行星和空间探索以及军事事件的监视。自1960年第一颗气象卫星上天，到美国最为先进的空间红外望远镜Spitzer发射，红外热成像技术在空间的应用也是发挥的淋漓尽致。所谓民用领域，就是指的电力、建筑、医学和石化等几个领域。国际上，红外热像仪在这些领域应用的十分广泛。但是，红外热像仪在我国这些民用领域的应用尚处于起步阶段，整个发展空间还是比较大的。虽然目前电力行业是我国民用红外热像仪应用最多的行业，作为最成熟、最有效的电力在线检测手段，红外热像仪可以大大提高供电设备运行可靠性。因此，随着我国经济的不断发展，其他省份的电力行业也将更多地应用红外热像仪。据相关部门对红外热像仪在建筑行业的应用情况调查，目前我国的建筑企业数量虽然很多，但是每家一台红外热像仪都为达到。如果将每家建筑企业都配备一台红外热像仪的话，不仅促进红外热像仪市场需求大增，还会大大提高建筑企业的工作效率，降低成本。人体其实就是一个天然的红外辐射源。当人体产生疾病的时候，人体的热平衡就会受到破坏，因此测定人体温度的变化是临床医学诊断疾病的一项重要指标。热像仪则可以准确地显示和记录人体的温度分布，以便进一步地进行病理分析。现如今，医用热像仪已成为诊断浅表肿瘤、血管疾病和皮肤病症等的有效工具，在医疗学科研究中，热像仪在医学中的应用已成为一个专门的研究课题。我们知道，石油化工生产中的许多重要设备都是在高温高压状况下工作的，潜伏着一定的危险，因而对生产过程的在线监测是非常重要的。实用热像仪能检测产品传送和管道、耐火及绝热材料、各种反应炉的腐蚀、破裂、减薄、堵塞以及泄漏等有关信息，可快速而准确地得到设备和材料表面二维温度分布。机场是比较典型的场所，哥本哈根机场每天有108架飞机要停留，每个人在进入的CRSA前需要进行彻底的安全检查。面临的问题之一是CRSA接近跑道，飞机从栈桥到起飞区域或者刚刚着陆的飞机将乘客送到一个栈桥上并从“非安全区域”进入CRSA。另外，从飞机场内但从CRSA外的其他区域的汽车和人员可能进入该区。在白天用可见光相机很容易监视和跟踪目标，但在夜间，可见光相机存在一定的局限性，机场环境复杂，夜晚对于可见光成像效果有较大的干扰。影响触发报警时有可能因为图像效果不佳而无法看到引起报警的事件。解决该问题的办法就是采用红外热成像摄像机。内河航道应用中，很多时候需要检测来往船只的数量，传统做法是通过AIS或VTS，但是AIS不是像我们想象的那么准确的，AIS要依赖船舶本身打开设备，否则是接收不到信息，VTS则是主动去探测的，很多小船，还有船舶交叉时也测不准。所以即使是一些重大活动下，进行强制要求，也只能测70%的船舶，平时可能只有50%。因此用户特别希望能够通过视频实现船舶流量统计。但普通可见光要在水面上实现区域入侵功能难度很大，特别是受到波浪、天气等因素的影响，而热成像为实现这类应用提供了可能，能够借助热成像对温度的感知，确定船只的位置、速度、数量等等信息。另外在主要航道两侧一般都会设一些浮标，船舶正常航行是不能偏离航道，越过浮标的。因此该区域同样可以用热成像实现入侵检测，作为VTS系统的补充。众所周知，边界防卫是一件非常困难的事情。我国边境线甚长，海洋也辽阔，由于野外环境的恶劣，许多系统都不可能很好地担当起防范作用，特别在下雨、下雪、大雾、大风的日子，边界巡逻也是很苦的任务。如果采用人员巡逻，利用望远镜进行观察，往往由于可见光波长短，因而观查效果甚差，造成漏查、误查和失查的现象。红外热成像仪可以探测到波长较短的红外线，因而可以远距离进行观察，特别适用于风雨天气。广东惠州警方在某一边境地区放置了五套红外热成像仪，在试用过程中，成功地破获了多起非法入境者案件，效率大大高于原来用人工巡查。红外热成像技术在安防领域中的应用一：夜间及恶劣气候条件下目标的监控夜晚，由于众所周知的原因，可见光器材已经不能正常工作，如果采用人工照明的手段，则容易暴露目标。若采用微光夜视设备，它同样也工作在可见光波段，依然需要外界光照明。而红外热成像仪是被动接受目标自身的红外热辐射，无论白天黑夜均可以正常工作，并且也不会暴露自己。同样在雨、雾等恶劣的气候条件下，由于可见光的波长短，克服障碍的能力差，因而观测效果差，但红外线的波长较长，特别是工作在8～14um的热成像仪，穿透雨、雾的能力较高，因此仍可以正常观测目标。因此在夜间以及恶劣气候条件，采用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。红外热成像技术在安防领域中的应用二：防火监控由于红外热成像仪是反映物体表面温度而成像的设备，因此除了夜间可以作为现场监控使用外，还可以作为有效防火报警设备，在大面积的森林中，火灾往往是由不明显的隐火引发的。这是毁灭性火灾的根源，用现有的普通方法，很难发现这种隐性火灾苗头。而应用红外热成像仪可以快速有效地发现这些隐火，并且可以准确判定火灾的地点和范围，透过烟雾发现着火点，做到早知道早预防，早扑灭。红外热成像技术在安防领域中的应用三：伪装及隐蔽目标的识别普通的伪装是以防可见光观测为主。一般犯罪分子作案通常隐蔽在草丛及树林中，由于野外环境的恶劣及人的视觉错觉，容易产生错误判断。红外热成像装置是被动接受目标自身的热辐射，人体和车辆的温度及红外辐射一般都远大于草木的温度及红外辐射，因此不易伪装，也不容易产生错误判断。随着光电信息、微电子、网络通信、数字视频、多媒体技术及传感技术的发展，安防监控技术已由传统的模拟走向高度集成的数字化、智能化、网络化。随着市场的需求的增加，现代高新技术几乎在安防监控系统中都有应用或即将应用。现代传感技术中发展迅速的红外热成像技术在安全防范系统中也开始得到了应用。红外热成像夜视仪是红外热成像仪的一个分支，传统的红外热成像仪更多的为手持型，而非望远镜型，主要在传统工程检测上使用。在上世纪末，随着红外热成像仪技术的发展，由于红外热成像仪技术相对于传统夜视仪的技术优势，美国军方逐渐开始配备红外热成成像夜视仪。红外热成像夜视仪，另一个名称为热成像望远镜，其实其在白天依然能很好使用，但是由于主要在夜晚使用才能发挥其效力，所以就叫红外热成像夜视仪。红外热成像夜视仪在近10年得到常驻的发展，美国知名的军工企业RNO可以说功不可没。RNO与美国军方的合作，另外一方面也推动了红外热成像夜视仪在民用方面的发展。红外热成像夜视仪在生产上对技术要求很高，所以目前在全球能够生产红外热成像夜视仪的厂家很少很少。首先要确定购买红外热像仪的像素级别，大多红外热像仪的级别和像素有关。民用红外热像仪中相对高端的产品像素为640*480=307,200，此高端红外热像仪拍摄的红外图片清晰细腻，在12米处测量的最小尺寸是0.5*0.5cm;中端红外热像仪的像素为320*240=76,800，在12米处测量的最小尺寸是1*1cm;低端红外热像仪的像素为160*120=19,200，在12米处测量的最小尺寸是2*2cm。可见像素越高所能拍摄目标的最小尺寸越小.根据被测物体的温度范围确定测温范围，来选择合适温度段的红外热像仪。目前市场上的红外热像仪大多会分成几个温度档，比如-40-120℃0-500℃，并不是温度档跨度越大越好，温度档的跨度小测温相对会更准确些。另外一般红外热像仪需要测量500℃以上的物体时，则需要配备相应的高温镜头。温度分辨率体现了一台红外热像仪的温度敏感性，温度分辨率越小红外热像仪对温度的变化感知越明显，选择时尽量选择此参数值小的产品。红外热像仪测试被测物的主要目的是通过温度差异找出温度故障点，测量单个点的温度值并没有太大意义，主要是通过温度差异来找相对的热点，起到预维护的作用。简单来说，空间分辨率数值越小则空间分辨率越高，测温越准确，空间分辨率数值越小时，被测最小目标可以覆盖红外热像仪的像素，测试的温度即被测目标的真实温度。如果空间分辨率数值越大则空间分辨率越低，被测的最小目标不能完全覆盖红外热像仪的像素，测试目标就会受到其环境辐射的影响，测试温度是被测目标及其周围温度的平均温度，数值不够准确。红外热像仪的核心部件为红外探测器，目前主要有两种探测器，即氧化钒晶体和多晶硅探测器。氧化钒探测器主要的优势是测温视域MFOV(MeasurementFieldofView)为1，温度测量是精确到1个像素点。AmorphousSilicon(多晶体硅)传感器，MFOV为9，即每点的温度是基于3×3=9个像素点平均而获得。氧化钒探测器的温度稳定性好、寿命长，温度漂移小。如果红外图像和可见光图像组合显示就减少了大量工作，可根据可见光图片来判断红外图片中热点的未知，同时报告自动生成也会大大减少操作时间。我国国产红外热像仪的产品性能已经基本接近进口产品，但由于品牌影响力等原因，价格只是进口产品的一半。红外热像仪的核心部件主要靠进口，核心技术受制于人。国内企业的竞争力主要体现在总体技术、光学系统、后续电路、图像处理软件等方面。当然、人才、管理、市场也是竞争力的一部分。近几年来，中国的红外产品市场发展很快，但由于核心器件（如非致冷探测器）依靠进口，价格、质量和维护等因素严重地制约了国内红外产业的发展和市场的广泛推广。远不能适应国内日益增长的市场需求，无法在国际市场中建立竞争优势。在红外技术产业中，与红外热成像技术和红外探测技术相关的产品占主导地位，而其它红外技术类的产品在整个产业格局中所占比重过小或发展缓慢，加之大家各自为战，缺少顶层规划和行业约束，容易导致恶性竞争。一、技术创新能力和科研成果转化能力弱，缺乏资金支持红外探测器是红外技术的核心部件，目前我国对探测器的研制尚处于初级阶段，探测器的发展还赶不上系统产品的发展需求，尤其是高端应用的红外探测器仍依赖进口。在红外技术领域、科研和生产分家是我国长期存在的一个问题，科研单位往往有很强的科技力量,但不少产品只停留在样品、展品或小批量生产的水平上,看广告各种产品一应俱全,市场需求时却无法快速提供产品，大部分科研成果不能迅速地转化为生产力。二、缺少规范化的行业标准体系目前，在红外光学镜头加工、红外成像器整机测试等专业领域没有统一的国家规范与行业标准，标准体系的不完善导致了相关领域低水平的重复研究、重复设计比较普遍，新产品推广速度较慢。国家规范和行业标准的确立可以促进产业统一、协调、高效率地发展，是红外技术在科研、生产和使用三者之间的桥梁。红外技术产业中的科技成果只有在纳入相应标准后才能够迅速得以推广和应用。三、产业规模小，产品成本高我国对红外技术方面的研究主要集中在部分科研院所和高等院校。这些研究单位主要进行探测器阵列及其工艺的研究，无法形成规模量产；而众多的经营红外产品的公司大部分只停留在制作一些外围设备和开发一些软件的业务上，研发实力弱，品牌影响力小。弱小的产业规模不仅直接导致了红外产品成本较高，增加了产品推广的难度，同时又制约了对红外技术相关基础研究的投入，形成恶性循环。红外技术产业的相关产品并不能完全适应市场的需要，潜在的市场需求尚待开发。红外技术应用最多的是军事、电力、消防等行业，只有将红外技术自身的特点结合应用行业的具体需求，才能在更为广阔的领域开发新的符合市场需求的产品，才能更好地服务于国民经济。如一美国公司的车载探测器，仅此一项应用市场定位准确的产品就达到量产数十万台的产业规模，拉动了光学、电子、结构等数个行业。而在我国类似规模的应用产品种类还不多，所形成的市场牵引还很不够。随着国内红外系统的逐步推广和应用，红外光学材料也发展很快，国内红外材料生产单位也逐渐增多，但其光学参数大多采用国外数据，没有一套完整准确的测量仪器和标准，性能偏差情况有待应用考证。一些材料具有较大偏差且欠稳定；给应用带来很多的不确定性。研制、生产工艺、测量等基础薄弱对红外系统产品的规模化发展有着一定的制约作用，是产业化发展过程中需要着力解决的问题。红外热成像技术历经多年的发展，已从当初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。同时，我们应清醒的认识到，红外热成像技术已经走上了一条充满挑战的发展道路，要想发展，必须解决更多的问题，以提高灵敏度，增加识别距离，降低成本，为未来的应用提供新的优势。综合目前红外技术产业化进程在国际和国内发展的现状和趋势，国家应从宏观上对该行业加以支持和引导，使之步入良性的发展轨道，建立起政府、行业协会和企业间有效的协调机制，形成可以拉动国民经济增长的一个新的高技术领域。免责声明：本文版权归原作者所有。本文所用视频、图片、文字如涉及作品版权问题，请第一时间告知，我们将根据您提供的证明材料确认版权并按国家标准支付稿酬或立即删除内容！本文内容为原作者观点，并不代表本公众号赞同其观点和对其真实性负责。