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                                    紅外傳感器之熱成像儀的應用場景
                                    發表時間:2018-07-17

                                    在現實世界里,熱成像儀的用途非常廣泛,特別是在軍事上,利用熱成像儀可以在夜間發現散發熱量的坦克發動機、士兵。


                                    在工業上,可以利用熱像儀快速探測出加工件的溫度,從而掌握必須的信息。由于電動機、晶體管等電子器件發生故障時往往伴隨著溫度的異常升高,利用熱成像儀也可以快速診斷故障。


                                    在流行性感冒、肺炎等疾病流行時,可以利用熱成像儀快速判斷是否有發熱現象。由于癌細胞的溫度較高,也可用其判斷診斷乳腺癌等疾病。邊防部門也可用其判斷交通工具中是否有偷渡客。

                                     


                                    紅外熱成像的軍事應用

                                     

                                    隨著熱成像技術的發展,使它在國民經濟、生產建設、科學研究以及國防軍事等眾多方面有著廣泛的應用,其在軍事上應用也已涉及到紅外警戒、跟蹤、瞄準以及制導的各個方面。


                                    彈道導彈防御

                                    美國的彈道導彈防御(B 劃是當前國際上廣泛關注的一個熱點問題,BMD計劃針對敵方導彈在發射助推段、大氣層外彈道飛行段和再入大氣層段這三個階段的不同特點,采取不同的方法,建立多層次的、全程的攔截體系。


                                    在這種攔截體系中,紅外焦平面列陣成像技術扮演著一種核心的角色,主要表現在以下3個方面。  

                                     

                                    1、全球性監視。在敵方導彈發射的初始階段,就探測到其位置和數量,主要依靠部署在空間的預警衛星進行。  

                                     

                                    2、跟蹤和鑒別。在敵方導彈發射的初始階段和彈道飛行階段,鑒別真、假目標并跟蹤其軌跡。

                                     

                                    3、識別和制導。在己方發射的攔截導彈上,以紅外成像方式實現目標識別和精確的導,命中摧毀敵彈。

                                     

                                    常規導彈武器:

                                     

                                    采用紅外成像制導可使導彈獲得更遠的全向探測距離和識別,對抗紅外誘餌等人工干擾的能力,大大提高導彈威力,而且也使其成為對付隱形飛機等的“殺手锏”,也是熱成像技術在軍事應用中的重中之重。

                                     

                                    1、典型的紅外熱成像制導導彈

                                     

                                    隨著紅外成像技術的快速發展,世界各國相繼研制了多種紅外成像制導導彈。如美國的毒刺改進型 (Stinger Post和Stinger RMP),斯拉姆AGM284E遠程攻擊型導彈,蘇聯的SAM213和法國的西北風改進型, 美國幼畜AGM265D /F空地、空艦導彈,法國MICA導彈(紅外型),英國ASRAAM導彈,德國 IRIS-T導彈,美國AIM-9x導彈,其中,美國的AIM-9x近距空空導彈是美國重點發展的最新型空空導彈。 

                                     


                                    應用凝視紅外焦平面陣列成像技術的典型代表有德、英、法合研的遠程崔格特導彈、美國的標槍便攜式反坦克導彈以及戰區高空防空導彈THADD等。

                                     

                                    2、先進反裝甲導彈系統: 

                                     


                                    在紅外焦平面技術發展初期,最先成功應用的領域是反裝甲導彈系統的熱瞄準器和精確制導尋的器,美國和歐洲的一些主要先進反裝甲導彈計劃,現已處于裝備、服役階段,主要有美國“標槍”Javelin導彈系統,歐洲第三代遠程反坦克導彈(TriGAT-L,又名ATGW-3),美國“獄火”導彈(Hellfire)。

                                     

                                    軍用紅外熱成像儀

                                     

                                    紅外熱成像儀是應用最廣泛的紅外裝置,而在熱成像技術的發展初期,只能研制出基于單元器件的熱像儀,場頻較低,只限于小范圍應用。


                                    直到20世紀70年代中長波碲鎘汞(MCT)材料與光導型多元線列器件工藝成熟之后,熱像儀才開始大量生產并裝備軍隊,發展很快,種類繁多。


                                    第一代軍用紅外熱成像儀大都采用MCT的60、120和180元線列“通用組件”制造的前視紅外系統,即FLIR,它占紅外軍事應用的50%以上,而到90年代,性能更高的第二代熱成像儀SADA應運而生,即美國陸軍標準先進杜瓦組件,SADAⅠ為240×2長波MCT TDI掃描焦平面,SADAⅡ為 480×6(以及480×4)長波MCT TDI掃描焦平面,使用SADAⅡ的第二代熱成像儀比使用180元通用組件的第一代熱成像儀的探測距離提高了一倍,且如果是凝視型焦平面熱像儀具有更多的優點,小巧、堅固、可靠、省電、靈敏度更高,640×480元InSb凝視焦平面熱成像儀探測距離是通用組件的4倍。   

                                     


                                    SADAⅡ已廣泛用于各種機載,艦載和車載的熱像儀和搜索跟蹤系統中,如Bradley戰車,Abrams M1坦克,Comanche裝甲,而美國的超級戰機F-22,V-22和F-18都使用了凝視型的焦平面熱成像儀。

                                     

                                    空間紅外熱成像

                                     

                                    目前,紅外熱成像的空間應用主要有3方面:環球表面監測,行星和空間探索以及軍事事件的監視。自1960年第一顆氣象衛星上天,到美國最為先進的空間紅外望遠鏡Spitzer發射,紅外熱成像技術在空間的應用也是發揮的淋漓盡致。 

                                     

                                    紅外熱成像的民事應用

                                     

                                    所謂民用領域,就是指的電力、建筑、醫學和石化等幾個領域。國際上,紅外熱像儀在這些領域應用的十分廣泛。但是,紅外熱像儀在我國這些民用領域的應用尚處于起步階段,整個發展空間還是比較大的。

                                     

                                    電力行業的應用

                                     



                                    雖然目前電力行業是我國民用紅外熱像儀應用最多的行業,作為最成熟、最有效的電力在線檢測手段,紅外熱像儀可以大大提高供電設備運行可靠性。因此,隨著我國經濟的不斷發展,其他省份的電力行業也將更多地應用紅外熱像儀。 


                                    建筑行業的應用

                                     

                                    據相關部門對紅外熱像儀在建筑行業的應用情況調查,目前我國的建筑企業數量雖然很多,但是每家一臺紅外熱像儀都為達到。



                                    如果將每家建筑企業都配備一臺紅外熱像儀的話,不僅促進紅外熱像儀市場需求大增,還會大大提高建筑企業的工作效率,降低成本。 


                                    醫學行業的應用

                                      

                                    人體其實就是一個天然的紅外輻射源。當人體產生疾病的時候,人體的熱平衡就會受到破壞,因此測定人體溫度的變化是臨床醫學診斷疾病的一項重要指標。



                                    熱像儀則可以準確地顯示和記錄人體的溫度分布,以便進一步地進行病理分析。現如今,醫用熱像儀已成為診斷淺表腫瘤、血管疾病和皮膚病癥等的有效工具,在醫療學科研究中,熱像儀在醫學中的應用已成為一個專門的研究課題。 


                                    石化行業的應用

                                     

                                    我們知道,石油化工生產中的許多重要設備都是在高溫高壓狀況下工作的,潛伏著一定的危險,因而對生產過程的在線監測是非常重要的。



                                    實用熱像儀能檢測產品傳送和管道、耐火及絕熱材料、各種反應爐的腐蝕、破裂、減薄、堵塞以及泄漏等有關信息,可快速而準確地得到設備和材料表面二維溫度分布。 


                                    機場安檢中的應用


                                    機場是比較典型的場所,哥本哈根機場每天有108架飛機要停留,每個人在進入的CRSA前需要進行徹底的安全檢查。面臨的問題之一是CRSA接近跑道,飛機從棧橋到起飛區域或者剛剛著陸的飛機將乘客送到一個棧橋上并從“非安全區域”進入CRSA。另外,從飛機場內但從CRSA外的其他區域的汽車和人員可能進入該區。 

                                     



                                    在白天用可見光相機很容易監視和跟蹤目標,但在夜間,可見光相機存在一定的局限性,機場環境復雜,夜晚對于可見光成像效果有較大的干擾。影響觸發報警時有可能因為圖像效果不佳而無法看到引起報警的事件。解決該問題的辦法就是采用紅外熱成像攝像機。


                                    港口河道中的應用

                                     

                                    內河航道應用中,很多時候需要檢測來往船只的數量,傳統做法是通過AIS或VTS,但是AIS不是像我們想象的那么準確的,AIS要依賴船舶本身打開設備,否則是接收不到信息,VTS則是主動去探測的,很多小船,還有船舶交叉時也測不準。


                                    所以即使是一些重大活動下,進行強制要求,也只能測70%的船舶,平時可能只有50%。因此用戶特別希望能夠通過視頻實現船舶流量統計。



                                    但普通可見光要在水面上實現區域入侵功能難度很大,特別是受到波浪、天氣等因素的影響,而熱成像為實現這類應用提供了可能,能夠借助熱成像對溫度的感知,確定船只的位置、速度、數量等等信息。

                                     

                                    另外在主要航道兩側一般都會設一些浮標,船舶正常航行是不能偏離航道,越過浮標的。因此該區域同樣可以用熱成像實現入侵檢測,作為VTS系統的補充。


                                    在邊防領域的應用

                                     

                                    眾所周知,邊界防衛是一件非常困難的事情。我國邊境線甚長,海洋也遼闊,由于野外環境的惡劣,許多系統都不可能很好地擔當起防范作用,特別在下雨、下雪、大霧、大風的日子,邊界巡邏也是很苦的任務。



                                    如果采用人員巡邏,利用望遠鏡進行觀察,往往由于可見光波長短,因而觀查效果甚差,造成漏查、誤查和失查的現象。紅外熱成像儀可以探測到波長較短的紅外線,因而可以遠距離進行觀察,特別適用于風雨天氣。


                                    廣東惠州警方在某一邊境地區放置了五套紅外熱成像儀,在試用過程中,成功地破獲了多起非法入境者案件,效率大大高于原來用人工巡查。 

                                     

                                    除了以上方面,近年來,紅外成像技術在安防應用領域也越來越處于重要的地位

                                     

                                    紅外熱成像技術在安防領域中的應用一:夜間及惡劣氣候條件下目標的監控 


                                    夜晚,由于眾所周知的原因,可見光器材已經不能正常工作,如果采用人工照明的手段,則容易暴露目標。若采用微光夜視設備,它同樣也工作在可見光波段,依然需要外界光照明。而紅外熱成像儀是被動接受目標自身的紅外熱輻射,無論白天黑夜均可以正常工作,并且也不會暴露自己。



                                    同樣在雨、霧等惡劣的氣候條件下,由于可見光的波長短,克服障礙的能力差,因而觀測效果差,但紅外線的波長較長,特別是工作在8~14um的熱成像儀,穿透雨、霧的能力較高,因此仍可以正常觀測目標。因此在夜間以及惡劣氣候條件,采用紅外熱成像監控設備可以對各種目標如人員、車輛等進行監控。 

                                     

                                    紅外熱成像技術在安防領域中的應用二:防火監控  


                                    由于紅外熱成像儀是反映物體表面溫度而成像的設備,因此除了夜間可以作為現場監控使用外,還可以作為有效防火報警設備,在大面積的森林中,火災往往是由不明顯的隱火引發的。



                                    這是毀滅性火災的根源,用現有的普通方法,很難發現這種隱性火災苗頭。而應用紅外熱成像儀可以快速有效地發現這些隱火,并且可以準確判定火災的地點和范圍,透過煙霧發現著火點,做到早知道早預防,早撲滅。 

                                     

                                    紅外熱成像技術在安防領域中的應用三:偽裝及隱蔽目標的識別


                                    普通的偽裝是以防可見光觀測為主。一般犯罪分子作案通常隱蔽在草叢及樹林中,由于野外環境的惡劣及人的視覺錯覺,容易產生錯誤判斷。


                                    紅外熱成像裝置是被動接受目標自身的熱輻射,人體和車輛的溫度及紅外輻射一般都遠大于草木的溫度及紅外輻射,因此不易偽裝,也不容易產生錯誤判斷。 



                                    隨著光電信息、微電子、網絡通信、數字視頻、多媒體技術及傳感技術的發展,安防監控技術已由傳統的模擬走向高度集成的數字化、智能化、網絡化。


                                    隨著市場的需求的增加,現代高新技術幾乎在安防監控系統中都有應用或即將應用。現代傳感技術中發展迅速的紅外熱成像技術在安全防范系統中也開始得到了應用。 

                                     

                                    熱成像儀家族的重要成員——紅外熱成像夜視儀

                                     

                                    紅外熱成像夜視儀是紅外熱成像儀的一個分支,傳統的紅外熱成像儀更多的為手持型,而非望遠鏡型,主要在傳統工程檢測上使用。


                                    在上世紀末,隨著紅外熱成像儀技術的發展,由于紅外熱成像儀技術相對于傳統夜視儀的技術優勢,美國軍方逐漸開始配備紅外熱成成像夜視儀。


                                    紅外熱成像夜視儀,另一個名稱為熱成像望遠鏡,其實其在白天依然能很好使用,但是由于主要在夜晚使用才能發揮其效力,所以就叫紅外熱成像夜視儀。


                                    紅外熱成像夜視儀在近10年得到常駐的發展,美國知名的軍工企業RNO可以說功不可沒。RNO與美國軍方的合作,另外一方面也推動了紅外熱成像夜視儀在民用方面的發展。

                                     


                                    紅外熱成像夜視儀在生產上對技術要求很高,所以目前在全球能夠生產紅外熱成像夜視儀的廠家很少很少。

                                     

                                    選擇紅外熱成像儀的六大要素

                                     

                                    一、像素

                                     

                                    首先要確定購買紅外熱像儀的像素級別,大多紅外熱像儀的級別和像素有關。民用紅外熱像儀中相對高端的產品像素為640*480=307,200,此高端紅外熱像儀拍攝的紅外圖片清晰細膩,在12米處測量的最小尺寸是0.5*0.5cm;中端紅外熱像儀的像素為320*240=76,800,在12米處測量的最小尺寸是1*1cm;低端紅外熱像儀的像素為160*120=19,200,在12米處測量的最小尺寸是2*2cm。可見像素越高所能拍攝目標的最小尺寸越小.

                                     

                                    二、測溫范圍和被測物

                                     

                                    根據被測物體的溫度范圍確定測溫范圍,來選擇合適溫度段的紅外熱像儀。目前市場上的紅外熱像儀大多會分成幾個溫度檔,比如-40-120℃0-500℃,并不是溫度檔跨度越大越好,溫度檔的跨度小測溫相對會更準確些。另外一般紅外熱像儀需要測量500℃以上的物體時,則需要配備相應的高溫鏡頭。

                                     

                                    三、溫度分辨率

                                     

                                    溫度分辨率體現了一臺紅外熱像儀的溫度敏感性,溫度分辨率越小紅外熱像儀對溫度的變化感知越明顯,選擇時盡量選擇此參數值小的產品。紅外熱像儀測試被測物的主要目的是通過溫度差異找出溫度故障點,測量單個點的溫度值并沒有太大意義,主要是通過溫度差異來找相對的熱點,起到預維護的作用。

                                     

                                    四、空間分辨率

                                     

                                    簡單來說,空間分辨率數值越小則空間分辨率越高,測溫越準確,空間分辨率數值越小時,被測最小目標可以覆蓋紅外熱像儀的像素,測試的溫度即被測目標的真實溫度。


                                    如果空間分辨率數值越大則空間分辨率越低,被測的最小目標不能完全覆蓋紅外熱像儀的像素,測試目標就會受到其環境輻射的影響,測試溫度是被測目標及其周圍溫度的平均溫度,數值不夠準確。

                                     

                                    五、溫度穩定性

                                     

                                    紅外熱像儀的核心部件為紅外探測器,目前主要有兩種探測器,即氧化釩晶體和多晶硅探測器。氧化釩探測器主要的優勢是測溫視域

                                    MFOV(MeasurementFieldofView)為1,溫度測量是精確到1個像素點。


                                    AmorphousSilicon(多晶體硅) 傳感器,MFOV為9,即每點的溫度是基于3×3=9個像素點平均而獲得。氧化釩探測器的溫度穩定性好、壽命長,溫度漂移小。

                                     

                                    六、紅外與可見光圖像的組合功能

                                     

                                    如果紅外圖像和可見光圖像組合顯示就減少了大量工作,可根據可見光圖片來判斷紅外圖片中熱點的未知,同時報告自動生成也會大大減少操作時間。

                                     

                                    我國目前紅外熱成像儀產業發展狀況及存在的主要問題

                                     

                                    我國國產紅外熱像儀的產品性能已經基本接近進口產品,但由于品牌影響力等原因,價格只是進口產品的一半。紅外熱像儀的核心部件主要靠進口,核心技術受制于人。國內企業的競爭力主要體現在總體技術、光學系統、后續電路、圖像處理軟件等方面。當然、人才、管理、市場也是競爭力的一部分。

                                     

                                    近幾年來,中國的紅外產品市場發展很快,但由于核心器件(如非致冷探測器)依靠進口,價格、質量和維護等因素嚴重地制約了國內紅外產業的發展和市場的廣泛推廣。遠不能適應國內日益增長的市場需求,無法在國際市場中建立競爭優勢。

                                     

                                    在紅外技術產業中,與紅外熱成像技術和紅外探測技術相關的產品占主導地位,而其它紅外技術類的產品在整個產業格局中所占比重過小或發展緩慢,加之大家各自為戰,缺少頂層規劃和行業約束,容易導致惡性競爭。

                                     

                                    目前我國紅外產業存在的主要問題有:

                                     

                                    一、技術創新能力和科研成果轉化能力弱,缺乏資金支持

                                     

                                    紅外探測器是紅外技術的核心部件,目前我國對探測器的研制尚處于初級階段,探測器的發展還趕不上系統產品的發展需求,尤其是高端應用的紅外探測器仍依賴進口。


                                    在紅外技術領域、科研和生產分家是我國長期存在的一個問題,科研單位往往有很強的科技力量,但不少產品只停留在樣品、展品或小批量生產的水平上,看廣告各種產品一應俱全,市場需求時卻無法快速提供產品,大部分科研成果不能迅速地轉化為生產力。

                                     

                                    二、缺少規范化的行業標準體系


                                    目前,在紅外光學鏡頭加工、紅外成像器整機測試等專業領域沒有統一的國家規范與行業標準,標準體系的不完善導致了相關領域低水平的重復研究、重復設計比較普遍,新產品推廣速度較慢。


                                    國家規范和行業標準的確立可以促進產業統一、協調、高效率地發展,是紅外技術在科研、生產和使用三者之間的橋梁。紅外技術產業中的科技成果只有在納入相應標準后才能夠迅速得以推廣和應用。

                                     

                                    三、產業規模小,產品成本高


                                    我國對紅外技術方面的研究主要集中在部分科研院所和高等院校。這些研究單位主要進行探測器陣列及其工藝的研究,無法形成規模量產;而眾多的經營紅外產品的公司大部分只停留在制作一些外圍設備和開發一些軟件的業務上,研發實力弱,品牌影響力小。弱小的產業規模不僅直接導致了紅外產品成本較高,增加了產品推廣的難度,同時又制約了對紅外技術相關基礎研究的投入,形成惡性循環。

                                     

                                    四、市場牽引不足,應用領域有待進一步開拓


                                    紅外技術產業的相關產品并不能完全適應市場的需要,潛在的市場需求尚待開發。紅外技術應用最多的是軍事、電力、消防等行業,只有將紅外技術自身的特點結合應用行業的具體需求,才能在更為廣闊的領域開發新的符合市場需求的產品,才能更好地服務于國民經濟。


                                    如一美國公司的車載探測器,僅此一項應用市場定位準確的產品就達到量產數十萬臺的產業規模,拉動了光學、電子、結構等數個行業。而在我國類似規模的應用產品種類還不多,所形成的市場牽引還很不夠。

                                     

                                    五、光學材料及相關數據基礎薄弱


                                    隨著國內紅外系統的逐步推廣和應用,紅外光學材料也發展很快,國內紅外材料生產單位也逐漸增多,但其光學參數大多采用國外數據,沒有一套完整準確的測量儀器和標準,性能偏差情況有待應用考證。


                                    一些材料具有較大偏差且欠穩定;給應用帶來很多的不確定性。研制、生產工藝、測量等基礎薄弱對紅外系統產品的規模化發展有著一定的制約作用,是產業化發展過程中需要著力解決的問題。

                                     

                                    紅外熱成像技術歷經多年的發展,已從當初的主要軍事目的擴展到諸如工業監控測溫、執法緝毒、安全防犯、醫療衛生、遙感、設備先期性故障診斷與維護、海上救援、天文探測、車輛、飛行器和艦船駕駛員用夜視增強觀察儀等廣闊的民用領域,紅外熱成像技術正走向輝煌。


                                    同時,我們應清醒的認識到,紅外熱成像技術已經走上了一條充滿挑戰的發展道路,要想發展,必須解決更多的問題,以提高靈敏度,增加識別距離,降低成本,為未來的應用提供新的優勢。

                                     

                                    綜合目前紅外技術產業化進程在國際和國內發展的現狀和趨勢,國家應從宏觀上對該行業加以支持和引導,使之步入良性的發展軌道,建立起政府、行業協會和企業間有效的協調機制,形成可以拉動國民經濟增長的一個新的高技術領域。



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