红外热成像系统在航空领域的应用有哪些

红外热成像无损检测技术研究发展现状作者：魏嘉呈刘俊岩何林王扬何宇来源：《哈尔滨理工大学学报》2020年第02期摘要：紅外热成像无损检测技术是近年来发展较快的一种新型数字化无损检测技术，因为其具有便捷、高效、直观、探测面积大以及远距离非接触探测等优点广泛应用于航天航空、军事、电池、电力、电子、建筑、医疗、文物保护等诸多领域。

本文主要对红外热成像无损检测技术中卤素灯、超声波、激光、脉冲光等几种主要热激励方法的特点及研究现状进行了介绍与对比，同时也介绍了红外热成像无损检测图像序列处理技术申热信号重建理论、锁相法、相位法、主成分分析法、动态热层析法、相似光流法等处理方法的研究现状，最后展望了红外热成像无损检测技术的未来发展趋势。

关键词：无损检测;红外;热激励;热波成像DOI：10.15938/j.jhust.2020.02.009中图分类号：TGll5.28;TN219文献标志码：A文章编号：1007-2683（2020）02-0064-090 引言无损检测技术作为一种灵活、快捷的通用技术，已广泛应用于航天航空、军事、电池、电力、电子、建筑、医疗、文物保护等诸多领域。

红外热成像无损检测技术作为一门跨学科、跨应用领域的通用型实用技术，是对传统无损检测技术的有效替代和补充。

红外热成像无损检测技术（infrared thermogra-phy，IT），是一种基于红外辐射原理，通过扫描、记录或观察被探测表面温度变化，从而实现对被检测工件的表面及内部缺陷或结构进行分析的一种无损检测（nondestructive testing，NDT）方法。

红外热成像无损检测技术相比于射线、超声、涡流、渗透以及电磁等传统无损检测技术，具有测量速度快速、测量结果直观、探测面积大以及易于实现自动化等优点，是一种新型的数字化无损检测技术。

红外热成像无损检测技术根据是否依赖于外部热源激励可分为被动式红外热成像无损检测技术和主动式红外热成像无损检测技术。

摘要：近年来，随着红外热成像技术及计算机技术的发展，红外热成像无损检测与诊断技术应用越来越广泛，其应用领域之多是其它检测方法所无法比拟的。

因为红外热成像技术能直观迅速的捕捉监测对象表面大范围的温度场，而这些温度场体现了设备的运行状况和内部特征，通过这些特征的变化我们可方便、迅速的检测设备的故障和缺陷。

红外热成像无损检测技术是利用红外热成像原理来工作的。

它是由热成像技术、红外标定技术、图象处理技术和图象压缩与恢复技术等多项高技术的集成。

举个例子，就石油化工企业生产程序来说，对这个生产线所需要的仪器设备进行检测，首先是启动设备，之后在设备工作的时候就会散发出热量，每个仪器所散发出的热量是不一样的，在设备工作的时候，可以利用红外热成像仪器检测被测仪器的热量，这些热量会发射出辐射，在自然界中一切物体都会有电磁波辐射，之后根据辐射就会在红外热成像仪器上成像，根据成像的不同可以判断被测仪器的工作状态。

1、红外热成像无损检测技术的原理相位法红外无损检测利用调制激励源在被测物体内部产生周期热波，由于物体内部缺陷产生的反射受到入射波的干扰而在物体表面形成一个可被红外热像仪记录的波形，用红外热像仪采集多幅热图像，经过图像序列信号重构，得到被测物体表面温度变化信号，提取被测物体表面各点温度变化的相位图和幅值图，据此判定缺陷的存在和特征。

1.1红外无损检测系统的组成一个典型的红外无损检测系统由以下几部分组成：热激励系统、红外热成像系统、红外图像采集、处理和分析系统。

1.2 激励系统主动式红外无损检测系统必须要有一个热激励系统，用以造成被测材料内部稳态或瞬态不均匀温度场，使被测材料内部缺陷显示出来。

光源激励系统主要包括三部分，一是函数信号发生器;二是功率放大器;三是卤素光源。

1.3 红外图像采集系统红外图像采集系统主要指红外热像仪，它负责把物体自身的红外辐射变成人眼可识别的可见图像，即把物体表面的温度分布转换成图像，以直观、形象的热图像显示出来。

航空照相机的红外成像技术随着科技的不断进步，航空照相机的红外成像技术正在逐渐成为无人机、飞机和卫星等航空设备中的重要组成部分。

红外成像技术通过检测物体散发的热能来获取图像，相较于可见光成像，它可以在夜间、低光照条件下进行成像，具有独特的优势。

本文将重点探讨航空照相机的红外成像技术的原理、应用以及未来发展趋势。

首先，我们来了解一下航空照相机红外成像技术的原理。

红外成像技术利用物体或场景辐射的热能来进行成像。

物体或场景散发的热能会被红外相机捕捉并转化为电信号，通过信号处理后生成热像图像。

仪器会将红外辐射能量转换成电信号，利用红外探测器进行提取，并通过信号处理、图像传输和图像显示等步骤来生成可见的红外图像。

在降低能效运营和提高作战效能方面，航空照相机的红外成像技术具有广泛的应用。

首先，它可以在夜间或低照度条件下获取高质量的图像。

传统的可见光成像技术在光照不足的情况下往往无法提供清晰的图像，而红外成像技术可以利用物体自身的热能发射进行成像，因此在夜间或低照度条件下也能获得清晰的图像。

这对于军事侦察、安全监控、搜救行动等领域非常重要。

其次，航空照相机的红外成像技术在火灾检测和监测中扮演着重要的角色。

红外成像技术可以快速地检测到发热源，并生成高分辨率的热像图像。

在火灾监测中，红外成像技术可以帮助人们准确地发现火源和隐患，进而采取及时有效的措施进行灭火和救援。

同时，在火灾后的监测和评估中，红外成像技术也可以帮助人们定位残留的热点，防止火势复燃。

此外，航空照相机的红外成像技术还被广泛应用于农业领域。

通过对农田和植物进行红外热成像，可以非常精确地评估植物的生长状况、病虫害情况和灌溉需求等。

这些信息可以帮助农民制定科学合理的农业管理方案，提高农作物的产量和质量。

红外成像技术的发展也带来了一些挑战和未来发展的潜力。

首先，红外成像技术的设备成本较高，限制了其大规模应用。

随着技术的进步和市场竞争的加剧，相信设备成本会逐渐下降，使得红外成像技术更加普及。

红外技术的发展及其在航空中的应用红外技术的发展红外技术发展的先导是红外探测器的发展。

1800年：F·W·赫歇尔发现红外辐射时使用的是水银温度计，这是最原始的热敏型红外探测器。

1830年以后：相继研制出温差电偶的热敏探测器、测辐射热计等。

在1940年以前，研制成的红外探测器主要是热敏型探测器。

19世纪：科学家们使用热敏型红外探测器，认识了红外辐射的特性及其规律，证明了红外线与可见光具有相同的物理性质，遵守相同的规律。

它们都是电磁波之一，具有波动性，其传播速度都是光速、波长是它们的特征参数并可以测量。

20世纪初开始：测量了大量的有机物质和无机物质的吸收、发射和反射光谱，证明了红外技术在物质分析中的价值。

30年代：首次出现红外光谱代，以后，它发展成在物质分析中不可缺少的仪器。

40年代初：光电型红外探测器问世，以硫化铅红外探测器为代表的这类探测器，其性能优良、结构牢靠。

50年代：半导体物理学的迅速发展，使光电型红外探测器得到新的推动。

到60年初期：对于1～3、3～5和8～13微米三个重要的大气窗口都有了性能优良的红外探测器。

在同一时期内，固体物理、光学、电子学、精密机械和微型致冷器等方面的发展，使红外技术在军、民两用方面都得到了广泛的应用。

60年代中叶：60年代中叶起，红外探测器和系统的发展体现了红外技术的现状及发展方向。

1.在1～14微米范围内的探测器已从单元发展到多元，从多元发展到焦平面阵列。

2.红外探测器的工作波段从近红外扩展到远红外。

3.轻小型化。

非致冷、集成式、大面阵红外探测器方向发展。

4.红外探测系统从单波段向多波段发展。

在红外技术的发展中，需要特别指出的是：60年代激光的出现极大地影响了红外技术的发展，很多重要的激光器件都在红外波段，其相干性便于移用电子技术中的外差接收技术，使雷达和通信都可以在红外波段实现，并可获得更高的分辨率和更大的信息容量。

在此之前，红外技术仅仅能探测非相干红外辐射，外差接收技术用于红外探测，使探测性能比功率探测高好几个数量级。

热成像技术的研究进展热成像技术是一种基于红外线热辐射的无损检测技术，可以快速、准确、非接触地获取被测对象的温度分布情况，被广泛应用于电力、建筑、航空、医疗等领域。

随着科技的不断发展，热成像技术也在不断升级与改善，本文将对其研究进展进行探讨。

一、单板棱镜热成像技术单板棱镜热成像技术是一种新型的热成像技术，它采用了捕获转换率极高的单板棱镜折射热成像模式，可实现更高的热灵敏度和分辨率。

该技术通过对传感器上的单板棱镜进行优化设计，实现了热成像模式与棱镜光学性能的高度兼容。

同时，较小的探测器面积也有助于提高传感器的速度和响应能力。

二、热成像技术在航空领域的应用热成像技术在航空领域的应用广泛。

航空器表面以及空间舱内的各种元器件都可能产生大量的热辐射，而这些热辐射的分布信息又与这些元器件的状态有着紧密的联系。

因此，用热成像技术检测这些元器件的状态，以判断它们是否正常运转，对于保障飞行安全至关重要。

此外，热成像技术还可以用于载人飞船的故障诊断、太阳能电池板故障的检测等领域。

三、与机器学习的结合近年来，人工智能技术的迅速发展使得机器学习算法在热成像技术中得到了越来越广泛的应用。

通过将机器学习算法与热成像数据的处理和分析相结合，可以实现更加精确的诊断和预测。

例如，在电力设备故障诊断方面，以前需要专业技术人员对热成像图像进行一一分析，而现在可以通过机器学习算法进行自动识别和分类，大大提高了效率和准确性。

四、热成像技术在医疗领域的应用热成像技术在医疗领域也有着广泛的应用。

它可以用于体温监测、疾病诊断、热锅诊断等方面。

例如，在乳腺癌筛查中，热成像技术可以显示出不同部位的温度分布差异，从而确定异常区域的位置并进一步进行诊断。

在口腔病理诊断中，热成像技术可以检测牙周炎、颈部淋巴结引起的口腔炎症、阻塞性睡眠呼吸暂停综合症等。

总之，随着科技的不断进步，热成像技术也在不断拓展应用领域和提高热灵敏度和分辨率。

它的出现为工业、医疗等领域提供了一种新的无损检测技术，为人类创造了更加美好的生活。

热成像监控带热安防市场各领域随着信息技术、网络通信、数字视频、多媒体技术及传感技术的快速发展，监控技术也由传统的模拟向数字、网络、高清、智能方向转变。

随着市场的需求的不断增加，现代高新技术应运而生。

红外技术也让监控实现了从昼到夜的24小时不间断工作。

在军队、消防、高铁等关乎国家安全的重点领域取得广泛应用的热成像技术，以最强隐蔽性、最强针对性着称的热成像仪已经开始"跳出"高端应用行业的“象牙塔”，进入许多安防领域。

摆脱光依赖实现监控"被动化"人们通过反射、折射等光学作用看清物体，一但光线过强或过暗则无法辨认清物体。

因此普通监控摄像机遇到逆光或夜晚就会出现监控盲区，无法"看"清或到被检测地点。

为了保证监控的稳定性及实时性，热成像技术通过物体自身产生的热量获取图像，从而摆脱了对可见光的依赖。

尽管热成像技术并不是一项新兴技术，但随着技术的不断成熟热成像技术已经可以应用于重点地段的周界防范。

据安讯士相关人员介绍，目前部分网络摄像机拥有日/夜转换模式，可以在光线极暗的环境下工作，但在某些情况下，仍会出现效率低、摄录到阴影等问题，而热成像视监控产品摆脱了普通光学摄像机监控过程中对可见光的依赖。

热成像网络摄像机利用物体辐射的热量成像，在所有监控环境下都可以"透视"到遮挡物后面的图像，以帮助用户侦测可疑行为，以便及时采取相应措施。

不畏惧恶劣天气表现依旧完美热成像网络摄像机在恶劣环境下依然有着完美表现，不仅可以在完全黑暗的环境下正常工作，在薄雾、雨雪和烟尘等苛刻的天气条件下也可保持良好运行。

此外，热感摄像机在强光或激光束下也不会失去监控能力。

利用这种技术，可以使人们在完全无光的夜晚、烟云密布的战场，清晰地观察到前方的情况，正是基于这个特点，红外热成像技术为安防监控领域提供了先进的夜视装备，并为安防监控工程装上了“全天候”的监视系统。

目前我国高铁、高速等地方都装上了热成像仪，从军事重地到高速高铁热成像技术实现了平民化的过渡。

红外遥感技术的军事应用红外遥感是继可见光遥感之后发展起来的又一种光学遥感手段，它可以通过探测目标的红外辐射能量获取目标的有关信息，具有不受暗夜限制和穿透云雾的优点。

随着红外探测技术的不断进步，红外遥感能力不断增强，红外遥感已经广泛应用于军事领域和地球勘探、天气预报、森林火灾监视等民用领域。

红外遥感在军事领域的应用主要集中在3个方面，即机载红外成像、星载红外成像和星载导弹预警，这也是本文所要介绍的内容。

1.机载红外成像伊拉克战争的经验证明，从空中昼夜获取战场的情报信息，对获取战场的主动权及至最后夺取战争的胜利极为重要。

采用机载成像技术直接从空中获取地面信息，对地面目标进行侦察监视方法的应用已有几十年时间。

美国军方一直强烈地依赖于这一手段获取情报，其U-2、P-3和“食肉者”侦察机就是这种应用的典型实例。

U-2飞机上装有高分辨率的摄像系统，可获得地面目标的高分辨率清晰图像，其侦察范围沿飞行航线纵深可达数十公里的大面积地区，为指挥机关和作战部队提供了极为直观的准确情报。

美、英、法等国军队一直非常重视发展这种先进的战术机载成像侦察监视系统，从越南战争到波斯湾战争，仅美国海军就有500多架抓侦察机，迄今为止仍有100多架抓-彳鬼怪式侦察机在世界各地服役。

特别是在最近几年美军发动的几场战争中，如科索沃、阿富汗和伊拉克战争，美军的机载战术侦察技术发挥得淋漓尽致，在夺取战争的主动权方面起到了至关重要的作用。

2．星载红外成像星载红外成像是获取敌情、采取自卫的重要途径，它有许多优点：能24h昼夜工作，能适应不良天气，能提供定时信息，能把捕捉目标和攻击结合起来，有远距离探测和透过能力，能识别伪装，能排除电子干扰等。

红外成像不仅能揭露地面、森林里的伪装，还可揭露地下、水下的军事目标，显示热源目标的运动状态和踪迹。

美国在50年代末、60年代初，出于军事和政治上的需要，花了很大的气力发展空间遥感技术，以用于卫星侦察。

很多国家现役的光学成像侦察卫星上一般都配备了红外成像系统，如美国的“高级69-11”卫星上配备了热红外成像仪，使其具备了夜间成像能力；俄罗斯的“宇宙2344”卫星以及法国的“太阳神2”卫星也都具备了红外成像能力。

无人机技术在航空巡检中的应用研究近年来，随着无人机技术的快速发展，无人机在各个领域都得到了广泛应用，特别是在航空巡检领域。

本文将对无人机技术在航空巡检中的应用进行研究。

首先，无人机技术在航空巡检中的应用可以大大提高工作效率。

传统的航空巡检需要人员搭乘直升机或飞机进行，这不仅费时费力，而且可能存在安全风险。

而利用无人机进行巡检，不但可以避免人员搭乘飞机，而且无人机可以更加灵活地进行巡检，不受天候等因素的限制。

这样一来，航空巡检的工作效率将大大提高，节省了时间和人力成本。

其次，无人机技术在航空巡检中的应用可以提高巡检质量。

无人机可以配备各种传感器和摄像设备，能够对航空设施进行高清晰度的拍摄和数据采集。

无人机通过搭载红外线热成像摄像头，可以检测出设施是否存在异常的温度分布，从而及时发现潜在的问题，避免设备故障的发生。

此外，无人机还可以进行精确的测量和检测，比如测量建筑物的高度、拍摄设施细节等，从而提供准确全面的巡检数据。

此外，无人机技术在航空巡检中还具有灾后评估的优势。

在自然灾害或其他事故发生后，无人机可以快速到达现场，进行航空巡查和数据采集。

无人机不仅可以提供实时的图像和视频，还可以进行距离测量、地形建模等工作，为灾区的评估和救援提供更准确的数据支持。

无人机的快速响应和高效性，使它成为一种非常有价值的灾后应急工具。

此外，无人机技术在航空巡检中也存在一些挑战和问题。

首先是技术限制，包括无人机的续航能力、载荷能力等。

目前无人机的续航能力有限，一般只能飞行30分钟至1小时左右，而航空巡检可能需要长时间飞行。

此外，无人机的载荷能力也比较有限，无法携带过重的设备。

这些技术限制限制了无人机在航空巡检中的应用范围和效果。

其次是隐私和安全问题。

随着无人机的普及和应用，人们对于隐私和安全问题的担忧逐渐增加。

无人机通过搭载摄像设备可以拍摄到大量的图像和视频数据，如果这些数据被滥用或泄露，将对个人的隐私权产生不利影响。

此外，无人机在航空巡检中也可能遭遇网络攻击或信号干扰，可能导致无人机失控或数据丢失。