紅外熱成像技術(shù)

由于絕對(duì)零度以上的物體都會(huì)發(fā)出紅外光，紅外熱成像技術(shù)就是通過(guò)吸收目標(biāo)物體輻射的紅外光，然后將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，即將肉眼不可見(jiàn)的紅外輻射轉(zhuǎn)換為可視圖像的。同時(shí)，紅外大氣窗口有三個(gè)：1～3uｍ（短波）、3～5uｍ（中波）和8～14uｍ（長(zhǎng)波）。紅外熱成像通常工作在中波紅外和長(zhǎng)波紅外兩個(gè)波段。該技術(shù)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，且具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：（1）溫度測(cè)量范圍廣，通常為-170～2000℃（或需加濾光片）；（2）探測(cè)準(zhǔn)確度高，能分辨小于0.1℃的溫度；（3）響應(yīng)時(shí)間短，可在幾秒內(nèi)測(cè)出物體的溫度場(chǎng)；（4）可用于測(cè)量小目標(biāo)或點(diǎn)目標(biāo)物體；（5）屬于被動(dòng)測(cè)量，不會(huì)破壞被測(cè)溫場(chǎng)（測(cè)溫距離可近可遠(yuǎn)，從幾厘米到天文距離）。

紅外熱像儀在民用領(lǐng)域的應(yīng)用

紅外成像可以應(yīng)用于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、城市管理、工業(yè)生產(chǎn)、交通管控、資源勘探、檢驗(yàn)檢疫和消防安保等領(lǐng)域，市場(chǎng)需求廣闊。由于應(yīng)用廣泛，且能為生產(chǎn)生活提供極大的便利性，未來(lái)對(duì)紅外成像的市場(chǎng)需求可能會(huì)保持持續(xù)穩(wěn)定增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。除了傳統(tǒng)的應(yīng)用行業(yè)之外，將會(huì)有更多的新興市場(chǎng)需求成為紅外成像市場(chǎng)新的增長(zhǎng)點(diǎn)。 目前，紅外熱成像技術(shù)的應(yīng)用正在變得越來(lái)越普及，涉及民航、安防、邊防、工業(yè)、建筑、交通、戶外以及自動(dòng)化等眾多領(lǐng)域。

01

民航領(lǐng)域

隨著現(xiàn)代航空科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，民用飛機(jī)的安全性越來(lái)越高。在裝備綜合環(huán)境監(jiān)視系統(tǒng)（Intergrated Surveillance System，ISS）以后，飛機(jī)能夠?yàn)闄C(jī)組人員提供全面的地面與空中交通、飛行氣象、復(fù)雜地貌等信息，使空中環(huán)境感知能力不斷增強(qiáng)。然而ISS系統(tǒng)只是解決了飛機(jī)在空中飛行時(shí)的安全問(wèn)題，但對(duì)于在大霧或雷雨等能見(jiàn)度較低以及天氣惡劣的條件下進(jìn)行著陸和位于跑道上的安全性問(wèn)題，則無(wú)法提供有效的解決措施。現(xiàn)有的ISS系統(tǒng)具有兩個(gè)缺陷：第一，飛機(jī)降落時(shí)飛行員無(wú)法對(duì)跑道情況有充分了解；第二，飛機(jī)在跑道上移動(dòng)時(shí)不能對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)和識(shí)別，以致經(jīng)常發(fā)生與其他飛機(jī)碰撞、對(duì)地勤人員造成傷害等事故。這一缺陷可以通過(guò)在飛機(jī)前下方增加紅外輔助系統(tǒng)進(jìn)行彌補(bǔ)。由于紅外熱成像技術(shù)能夠?qū)ε艿兰爸苓叚h(huán)境進(jìn)行檢測(cè)和識(shí)別，通過(guò)借助紅外可視圖像進(jìn)行導(dǎo)航可以提高飛機(jī)的起降等級(jí)，從而提升飛機(jī)起降的安全性，如圖１所示。

▲圖1 紅外探測(cè)在民航領(lǐng)域的應(yīng)用

02

電力領(lǐng)域

電力行業(yè)在預(yù)防檢測(cè)領(lǐng)域中是目前應(yīng)用最成熟、最穩(wěn)定的。作為最有效的在線電力檢測(cè)手段，紅外熱成像技術(shù)可以快速地對(duì)電力設(shè)備進(jìn)行檢修，從而有效降低設(shè)備檢修的時(shí)間成本和提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性。

利用紅外熱成像進(jìn)行電力檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)有很多：遠(yuǎn)離設(shè)備，安全性強(qiáng)；非接觸式測(cè)溫，不影響設(shè)備運(yùn)行；掃描速度快，節(jié)省時(shí)間；測(cè)溫范圍寬，精度高；監(jiān)測(cè)到位，可準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)設(shè)備缺陷。重要區(qū)域的發(fā)電、配電及變電站均可配備高端的紅外成像監(jiān)控設(shè)備，如圖2所示。

▲圖2 紅外熱成像技術(shù)在電力領(lǐng)域的應(yīng)用

03

石油化工領(lǐng)域

石油化工領(lǐng)域的許多重要設(shè)備需要在高溫高壓環(huán)境下工作，容易產(chǎn)生安全隱患。根據(jù)安全生產(chǎn)要求，需要對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)消除隱患。使用紅外熱成像技術(shù)能對(duì)產(chǎn)品傳送和管道，耐火及絕熱材料，各種反應(yīng)爐的腐蝕、破裂、減薄、堵塞以及氣體泄漏等進(jìn)行檢測(cè)，從而搜集有關(guān)檢測(cè)信息。煉油廠采用熱成像技術(shù)可以對(duì)催化裂化裝置、反應(yīng)堆尾氣設(shè)備和熔爐、安全閥與凝氣閥的泄漏、地下管道的裸露與淺埋等安全隱患等進(jìn)行檢測(cè)，在早期就能迅速、準(zhǔn)確地對(duì)其進(jìn)行排查與定位，如圖3所示。這些技術(shù)的應(yīng)用對(duì)于預(yù)防安全事故和降低能耗十分有效。

早期的氣體泄漏檢測(cè)方法采用機(jī)械探頭，需要與被檢目標(biāo)進(jìn)行密切接觸或近距離接觸。檢測(cè)人員可能會(huì)暴露在看不見(jiàn)的有害化學(xué)物質(zhì)中，而且這種檢測(cè)方法對(duì)檢測(cè)環(huán)境條件有著特殊要求，不利于實(shí)時(shí)檢測(cè)。隨著紅外技術(shù)的不斷進(jìn)步，基于紅外熱像儀的氣體泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)也將會(huì)逐漸普及。紅外熱像儀可以利用圖像實(shí)現(xiàn)泄漏氣體的可視化，從而實(shí)時(shí)、迅速地鎖定泄漏點(diǎn)。

▲圖3 紅外熱成像技術(shù)在石油化工領(lǐng)域的應(yīng)用

04

森林防火和環(huán)境監(jiān)測(cè)

從紅外熱像儀觀察到的目標(biāo)圖像中可以提取出物體表面溫度信息并對(duì)其進(jìn)行量化。利用這一特點(diǎn)可以應(yīng)用于消防預(yù)防領(lǐng)域。如圖4所示，在大面積的森林中，不明顯的隱火容易引起大火，僅僅靠人工監(jiān)控是難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)的，等發(fā)現(xiàn)時(shí)已經(jīng)發(fā)展成了難以控制的局面。高靈敏度紅外熱像儀可以通過(guò)設(shè)置目標(biāo)溫度上限來(lái)對(duì)監(jiān)測(cè)目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析。如果目標(biāo)溫度達(dá)到設(shè)定上限就會(huì)發(fā)出報(bào)警信息，由此便可迅速確定起火點(diǎn)的位置和規(guī)模，將森林火災(zāi)消滅在萌芽階段，從而消除火災(zāi)隱患。

▲圖4 紅外熱成像技術(shù)在森林防火中的應(yīng)用

05

醫(yī)療領(lǐng)域

人體本身也是一個(gè)紅外輻射源，其組織細(xì)胞在新陳代謝的過(guò)程中產(chǎn)生熱量并向體表傳遞。當(dāng)人體的某處生理狀況發(fā)生變化或病變時(shí)，該處的表面溫度就會(huì)偏離正常值。如圖5所示，醫(yī)用紅外熱像儀可以將這部分變化繪制成溫度圖譜。作為一種無(wú)創(chuàng)傷、非接觸、無(wú)輻射、綠色的輔助診斷技術(shù)，醫(yī)用紅外熱成像具有高敏感度、全面、快速的特點(diǎn)，能夠起到早篩查、早診斷、全程動(dòng)態(tài)監(jiān)控的作用，從而達(dá)到“治未病”的目的。它與核磁共振、CT、X光、超聲并稱為五大醫(yī)學(xué)影像技術(shù)。醫(yī)用紅外熱成像技術(shù)的主要應(yīng)用包括體質(zhì)辨識(shí)、慢性病預(yù)防/控制（老年保健）、重大疾病預(yù)防、常見(jiàn)病診斷、亞健康綜合評(píng)估、康復(fù)服務(wù)、精神衛(wèi)生檢查、中醫(yī)辨證及療效評(píng)估等。該技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用才剛起步，我國(guó)社會(huì)也將逐漸步入老年社會(huì)，所以紅外熱像儀在醫(yī)療領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用市場(chǎng)。

▲圖5 紅外熱成像技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用

06

安防監(jiān)控

紅外熱成像技術(shù)在安防方面的應(yīng)用包括防盜監(jiān)控，偽裝及隱蔽目標(biāo)識(shí)別，夜間及惡劣氣候條件下的治安巡邏，重點(diǎn)部門(mén)、建筑、倉(cāng)庫(kù)的安保工作，防火監(jiān)控，陸上和港通安全保障，機(jī)場(chǎng)監(jiān)控等領(lǐng)域，如圖6所示。高端紅外成像設(shè)備具有隱蔽性強(qiáng)、誤報(bào)率低以及夜間無(wú)需任何輔助光源等優(yōu)點(diǎn)，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并記錄現(xiàn)場(chǎng)情況，從而準(zhǔn)確定位越界人員的位置。 港口、機(jī)場(chǎng)、核電廠等屬于重要領(lǐng)域，容易遭到偷竊，甚至是恐怖襲擊。使用熱像儀則可在防護(hù)方面發(fā)揮重要作用。機(jī)場(chǎng)、水力發(fā)電站、精煉廠、油氣管道以及其他任何的大型基礎(chǔ)設(shè)施都可能擁有長(zhǎng)達(dá)數(shù)公里的圍護(hù)邊界。此時(shí)，紅外熱像儀能夠?yàn)槠涮峁┌踩闹芙鐖?bào)警解決方案。在2003年的非典時(shí)期，安檢中就已經(jīng)采用了紅外熱成像技術(shù)，并取得了良好的效果。 此外，紅外熱像儀還可用于無(wú)人機(jī)、航空模型、空飄氣球等“低、慢、小”目標(biāo)的監(jiān)測(cè)與預(yù)警。由于此類目標(biāo)具有雷達(dá)散射面積小、運(yùn)動(dòng)速度慢等特點(diǎn)，雷達(dá)技術(shù)手段難以對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)。而紅外熱成像技術(shù)則不受上述特點(diǎn)的限制，可以實(shí)時(shí)地對(duì)空域內(nèi)的“低、慢、小”目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與預(yù)警，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)“低、慢、小”目標(biāo)的有效探測(cè)和驅(qū)離。

▲圖6紅外熱成像技術(shù)在安防監(jiān)控領(lǐng)域的應(yīng)用

07

海事領(lǐng)域

紅外熱成像技術(shù)在海洋環(huán)境中高效實(shí)用，能夠滿足以下客戶的需求：港口、航道及沿海安全，海事安全，海上非法入境偵測(cè)，海上執(zhí)法，反海盜與威脅探測(cè)，漁船隊(duì)保護(hù)，船舶跟蹤與觀察，搜索救援行動(dòng)以及環(huán)境保護(hù)。即便是雷達(dá)系統(tǒng)無(wú)法探測(cè)到的物體（如帆船、木船及漂浮物等），均可利用紅外熱成像技術(shù)對(duì)其進(jìn)行探測(cè)。 紅外熱像儀可以提供針對(duì)常見(jiàn)危害的“早期預(yù)警系統(tǒng)”，即可顯示潛在危害所發(fā)出的不可見(jiàn)的熱能（見(jiàn)圖7），包括漂浮物、航線交通、拋錨的船舶和小船只；也可顯示漂浮、橋墩、碼頭等人工建筑，還可以識(shí)別出冰山以及淺游的鯨魚(yú)。 紅外熱像儀可以幫助油輪安全通過(guò)冰層覆蓋的水域，在夜晚看清一切事物，并可看清其他船只上的任何細(xì)節(jié)信息，包括駕駛艙、橋樓、錨具等一切細(xì)節(jié)。同時(shí)，它還可以用于海上搜救任務(wù)。搜救人員可使用紅外熱像儀精準(zhǔn)地尋找和定位受害者，進(jìn)而順利展開(kāi)水中搜救工作。紅外熱成像技術(shù)還可以幫助海事工作人員了解陸地上的動(dòng)態(tài)，在犯罪現(xiàn)場(chǎng)或搜索區(qū)域周圍劃定警戒范圍，為陸地上的執(zhí)法人員提供觀察到的信息，有利于海上與海濱執(zhí)法人員展開(kāi)高效且安全的合作。

▲圖7 紅外熱成像技術(shù)在海事領(lǐng)域的應(yīng)用

08

工業(yè)制造領(lǐng)域

紅外熱成像技術(shù)在工業(yè)制造領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用（見(jiàn)圖8）。由于電子組件的尺寸越來(lái)越小，要準(zhǔn)確了解其熱信息變得異常困難。但是工程師們借助紅外熱成像技術(shù)便能輕松地對(duì)制造設(shè)備的熱像圖進(jìn)行可視化和量化處理。同時(shí)，在電路設(shè)計(jì)的前期階段，可以利用熱成像來(lái)預(yù)先優(yōu)化設(shè)計(jì)。顯微鏡同紅外熱成像技術(shù)相結(jié)合后就變成了一臺(tái)熱成像顯微鏡，能夠?qū)π≈?um的目標(biāo)進(jìn)行精確測(cè)溫。研究人員可使用熱成像顯微鏡以非接觸方式描繪組件和半導(dǎo)體襯底的熱性能。紅外熱成像技術(shù)能幫助汽車工程師改善安全氣囊系統(tǒng)設(shè)計(jì)，驗(yàn)證供暖和制冷系統(tǒng)的效率，量化熱沖擊對(duì)輪胎磨損的影響，檢測(cè)連接處和焊接處的性能質(zhì)量等。借助紅外技術(shù)進(jìn)行新藥品研發(fā)。科學(xué)家們通過(guò)觀測(cè)化學(xué)反應(yīng)的溫度變化來(lái)研究滴定盤(pán)中發(fā)生的變化。借助紅外熱成像技術(shù)，制造業(yè)可以縮短研發(fā)周期和提高產(chǎn)品質(zhì)量，從而增加公司盈利。 紅外無(wú)損檢測(cè)是一種廣泛用于材料、組件和系統(tǒng)屬性評(píng)估且不會(huì)對(duì)檢測(cè)對(duì)象構(gòu)成損害的方法。紅外熱成像技術(shù)不僅能夠完成各種先進(jìn)檢測(cè)，比如無(wú)損檢測(cè)、應(yīng)力測(cè)繪和表面裂紋，而且還能用于發(fā)現(xiàn)低至1mK的細(xì)小溫差。紅外無(wú)損檢測(cè)能夠基于目標(biāo)激發(fā)，通過(guò)觀察目標(biāo)表面的熱差異來(lái)檢測(cè)內(nèi)部缺陷。該技術(shù)對(duì)于檢測(cè)復(fù)合材料的孔洞、層離和藏水頗有價(jià)值。 應(yīng)力測(cè)試和疲勞測(cè)試是機(jī)械工程和材料科學(xué)中的常用測(cè)試方法，但對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)卻只能提供有限信息。即便是幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜的組件，用于熱應(yīng)力測(cè)繪的紅外熱成像技術(shù)也能同時(shí)提供數(shù)千個(gè)應(yīng)力測(cè)量結(jié)果。與應(yīng)變儀相比，這種技術(shù)可為研究人員提供更快速、更完整的信息。

▲圖8 紅外熱成像技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用 經(jīng)過(guò)多年的積累，紅外熱成像技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了功能模塊化、小型化、電子化和全自動(dòng)化，并具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、對(duì)人體無(wú)害、產(chǎn)品易于維護(hù)以及使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。非制冷熱成像技術(shù)更是推動(dòng)其廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控、公共安全執(zhí)法、平安城市建設(shè)、醫(yī)療輔助診斷、民用衛(wèi)星遙感、設(shè)備預(yù)防性故障診斷與維護(hù)、海上執(zhí)法、星系深空探測(cè)和車輛輔助駕駛等民用領(lǐng)域。隨著制冷型紅外探測(cè)器技術(shù)的不斷發(fā)展，高性能、大面陣、高可靠性、高分辨率紅外探測(cè)器的成本將會(huì)逐漸降低，使得制冷型紅外熱像儀在高端民用領(lǐng)域得到越來(lái)越多的應(yīng)用。

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