专家讲解红外热成像技术及在智能视频监控中的应用
一、引言
1672年，牛顿使用分光棱镜把太阳光（白光）分解为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等各色单色光，证实了太阳光（白光）是由各种颜色的光复合而成。1800年，英国物理学家F. W. 赫胥尔从热的观点来研究各种色光时，偶然发现放在光带红光外的一支温度计，比其他色光温度的指示数值高。经过反复试验，这个所谓热量最多的高温区，总是位于光带最边缘处红光的外面。于是他宣布:太阳发出的辐射中除可见光线外，还有一种人眼看不见的“热线”，这种看不见的“热线”位于红色光外侧，叫做红外线。这种红外线，又称红外辐射，是指波长为0.78～1000μm的电磁波。其中波长为0.78 ～1.5μm 的部分称为近红外，波长为1.5 ～10μm的部分称为中红外，波长为10～1000μm的部分称为远红外线。而波长为2.0 ～1000μm的部分，也称为热红外线。
红外线辐射是自然界存在的一种最为广泛的电磁波辐射，它在电磁波连续频谱中的位置是处于无线电波与可见光之间的区域。这种红外线辐射是，基于任何物体在常规环境下都会产生自身的分子和原子无规则的运动，并不停地辐射出热红外能量。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。
在自然界中，一切物体都会辐射红外线，因此利用探测器测定目标本身和背景之间的红外线差，可以得到不同的红外图像，称为热图像。同一目标的热图像和可见光图像不同，它不是人眼所能看到的可见光图像，而是目标表面温度分布的图像。或者可以说，它是人眼不能直接看到目标的表面温度分布，而是变成人眼可以看到的代表目标表面温度分布的热图像。运用这一方法，便能实现对目标进行远距离热状态图像成像和测温，并可进行智能分析判断。
众所周知，海湾战争已成为展示高科技武器使用先进技术的平台。在这些新科技中，红外热成像技术就是其中最为闪亮的高科技技术之一。红外热成像技术(Infrared thermal imaging technology)是利用各种探测器来接收物体发出的红外辐射， 再进行光电信息处理， 最后以数字、信号、图像等方式显示出来，并加以利用的探知、观察和研究各种物体的一门综合性技术。它涉及光学系统设计、器件物理、材料制备、微机械加工、信号处理与显示、封装与组装等一系列专门技术。该技术除主要应用在黑夜或浓厚幕云雾中探测对方的目标，探测伪装的目标和高速运动的目标等军事应用外，还可广泛应用于工业、农业、医疗、消防、考古、交通、地质、公安侦察等民用领域。如果将这种技术大量地应用到安防监控领域中，将会引起安防监控领域的变革。
红外热成像仪
原理：
用红外热成像技术，探测目标物体的红外辐射，并通过光电转换、信号处理等手段，将目标物体的温度分布图像转换成视频图像的设备，我们称为红外热成像仪。
我们人眼能够感受到的可见光波长为：0.38—0.78微米。通常我们将比0.78微米长的电磁波，称为红外线。自然界中，一切物体都会辐射红外线，因此利用探测器测定目标本身和背景之间的红外线差，可以得到不同的红外图像，称为热图像。 同一目标的热图像和可见光图像是不同，它不是人眼所能看到的可见光图像，而是目标表面温度分布图像，或者说，红外热图像是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。
用红外热成像技术，探测目标物体的红外辐射，并通过光电转换、信号处理等手段，将目标物体的温度分布图像转换成视频图像的设备，我们称为红外热成像仪。 红外热成像仪大致分为致冷型和非致冷型两大类。 目前，世界上最先进的红外热像仪（热成像仪或红外热成像仪），其温度灵敏度可达0.03℃。 红外热像仪（热成像仪或红外热成像仪）的应用范围愈来愈广泛，在科研领域的主要应用包括： 汽车研究发展－射出成型、模温控制、刹车盘、引擎活塞、电子电路设计、烤漆； 电机、电子业－印制电路板热分布设计、产品可靠性测试、电子零组件温度测试、笔记本电脑散热测试、微小零组件测试；引擎燃烧试验风洞实验； 目标物特征分析； 复合材料检测； 建筑物隔热、受潮检测；热传导研究； 动植物生态研究；模具铸造温度测量；金属熔焊研究； 地表/海洋热分布研究等。
红外热像仪（热成像仪或红外热成像仪）可以十分快捷准确探测电气设备的不良接触，以及过热的机械部件，以免引起严重短路和火灾。对于所有可以直接看见的设备，红外热像仪（热成像仪或红外热成像仪）能够确定所有连接点的热隐患。那些由于遮蔽而无法直接看到的部分，则可以根据其热量传导到外面的部件上的情况，来发现隐患。这种情况对传统的方法来说，除解体检查和清洁接头外，没有其它的办法。断路器、导体、母线及其它部件的运行测试，红外热像仪（热成像仪或红外热成像仪）是无法取代的。红外热像仪（热成像仪或红外热成像仪）可以很容易地探测到回路过载或三相负载的不平衡。在美国有几十家公司提供红外热像仪（热成像仪或红外热成像仪）检查服务，为客户的所有电气设备、配电系统，包括高压接触器、熔断器盘、主电源断路器盘、接触器、以及所有的配电线、电动机、变压器等等，进行红外热像仪（热成像仪或红外热成像仪）检查，以保证客户的所有运行的电气设备不存在潜伏性的热隐患，有效防止火灾事故发生。
2014至2015学年第一学期
光电成像原理与技术期末作业
题目： 红外成像技术的发展及应用
学 院：电子与电气工程学院
专 业：电子信息工程
班 级：119411班
姓 名：杨发明
学 号：1109635010
指导老师：胡雪梅
日 期：2014年11月10
红外成像技术的发展及应用
红外线，又称红外辐射，是指波长为0.78~1000微米的电磁波。其中波长为2~1000微米的部分称为热红外线。
从1800年，英国物理学家赫胥尔发现了红外线后，开辟了人类应用红外技术的广阔道路。在第二次世界大战中，德国人用红外变像管，研制出了主动式夜视仪和红外通信设备，为红外技术的发展奠定了基础。
二次世界大战后，首先由美国德克萨斯仪器公司（TI）在1964年首次开发研制成功第一代用于军事领域的红外成像装置，称之为红外寻视系统（FLIR）。它是利用光学机械系统对被测目标的红外辐射扫描，由光子探测器接收两维红外辐射，经光电转换及处理，最后形成热图像视频信号，并在荧屏上显示。六十年代中期，瑞典AGA公司和瑞典国家电力局，在红外寻视装置的基础上，开发了具有温度测量功能的热红外成像装置。这种第二代红外成像装置，通常称为热像仪。七十年代，法国汤姆荪公司又研制出，不需致冷的红外热电视产品。 1986年，瑞典研制出工业用的实时成像系统，它无须液氮或高压气，而以热电方式致冷，可用电池供电;1988年又推出全功能热像仪，它将温度的测量、修改、分析、图像采集、存储合于一体，重量小于7kg，使仪器的功能、精度和可靠性都得到了显著的提高。九十年代中期，美国FSI公司首先研制成功由军用转民用并商品化的新一代红外热像仪，它是属焦平面阵列式结构的一种凝视成像装置，技术功能更加先进，现场测温时只需对准目标摄取图像，并存储到机内的PC卡上。各种参数的设定，可回到室内用软件进行修改和分析，最后直接得出检测报告。由于取代了复杂的机械扫描，仪器重量已小于2kg，如同手持摄像机一样，单手即可操作使用。随着红外焦平面阵列技术的迅速发展，美、英、法、德、日、加拿大、以色列等西方发达国家都在竞相研制和生产先进的红外焦平面阵列摄像仪，其中美国在红外焦平面阵列传感器的发展水平方面处于遥遥领先地位，其焦平面阵列规模已大达2048×2048元，已接近于可见光硅CCD摄像阵列的水平。日本在世界上最先实现了100万像元集成度的单片式红外焦平面阵列，在品种方面，从HgCdTe、InSb、GaAlAs/GaAs量子阱和PtSi到非致冷红外焦平面阵列等种类产品推向市场，抢占商机;
一、 红外成像技术
1、 基本原理：就是依据物体温度与红外辐射强度之间的关系，通过记录目标与背景的红外辐射差（温度差），经过一系列的技术处理将不可见的红外辐射差（温度差）转变为可见的或可测量的物理量，进而对所得到的物理量进行相应处理以满足人们不同需求的技术。
2、 军事应用：
（1）红外夜视技术：利用红外成像技术为人们提供在没有可见光的条件下进行观察的一种重要手段，分为主动式和被动式两种 。主动式红外夜视仪的基本原理是用近红外光束照射目标，将目标反射的近红外辐射转换为可见光图像，从而实现有效的“夜视”。被动式红外夜视仪是根据不 同性质的材料在不同温度下辐射特征不同这一自然现象，利用对中、远红外非常敏感的半导体材料做探测器，将目标与背景以及目标各部分之间的热辐射的差别用可见光图像表示出来，从而达到观察的目的。
（2）红外侦察技术：红外侦察主要是依据目标与背景之间的红外辐射差，将目标与背景进行比较，将潜在的目标提取出来。
（3）红外搜索与跟踪技术：红外搜索与跟踪技术是利用目标的红外辐射特征，将目标从背景中鉴别出来，通过信号处理，实施跟踪的技术。
（4）红外雷达技术：红外雷达是利用红外技术研制的一种新型雷达，具有搜索、跟踪、测距等多种功能，精度很高，可达几角分的精度，用来警戒空中、地面或海上目标，进行侦察和导航 ，配合指挥控制系统射击，测量并记录洲际导弹的运动轨迹等。
（5）红外精确制导技术：红外精确制导技术是利用目标自身的红外辐射引导导弹自动跟踪接近目标，提高命中率的技术。分为点源式和红外成像式两种方式。
（6）红外隐身技术：通过改变目标的红外辐射波段，使目标的红外辐射处于探测器的响应波段之外，或者使目标的红外辐射避开大气窗口而被大气层所吸收和散射掉，从而达到隐身的目的。红外隐身技术大致可以概括为改变目标红外辐射波段、降低目标红外强度和调节目标红外辐射的传输过程这三种。
（7）红外对抗技术：红外对抗技术主要通过发射红外干扰信号、投放红外诱饵等方式欺骗、干扰敌方的红外探测器，降低敌方红外探测器的探测精度或距离，达到降低目标发现、跟踪、打击概率的技术。
