紅外熱成像技術(shù)

由于絕對零度以上的物體都會發(fā)出紅外光，紅外熱成像技術(shù)就是通過吸收目標(biāo)物體輻射的紅外光，然后將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，即將肉眼不可見的紅外輻射轉(zhuǎn)換為可視圖像的。同時，紅外大氣窗口有三個：1～3uｍ（短波）、3～5uｍ（中波）和8～14uｍ（長波）。紅外熱成像通常工作在中波紅外和長波紅外兩個波段。該技術(shù)廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，且具有以下幾個特點：（1）溫度測量范圍廣，通常為-170～2000℃（或需加濾光片）；（2）探測準(zhǔn)確度高，能分辨小于0.1℃的溫度；（3）響應(yīng)時間短，可在幾秒內(nèi)測出物體的溫度場；（4）可用于測量小目標(biāo)或點目標(biāo)物體；（5）屬于被動測量，不會破壞被測溫場（測溫距離可近可遠，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、檢驗檢疫和消防安保等領(lǐng)域，市場需求廣闊。由于應(yīng)用廣泛，且能為生產(chǎn)生活提供極大的便利性，未來對紅外成像的市場需求可能會保持持續(xù)穩(wěn)定增長的態(tài)勢。除了傳統(tǒng)的應(yīng)用行業(yè)之外，將會有更多的新興市場需求成為紅外成像市場新的增長點。 目前，紅外熱成像技術(shù)的應(yīng)用正在變得越來越普及，涉及民航、安防、邊防、工業(yè)、建筑、交通、戶外以及自動化等眾多領(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，民用飛機的安全性越來越高。在裝備綜合環(huán)境監(jiān)視系統(tǒng)（Intergrated Surveillance System，ISS）以后，飛機能夠為機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。然而ISS系統(tǒng)只是解決了飛機在空中飛行時的安全問題，但對于在大霧或雷雨等能見度較低以及天氣惡劣的條件下進行著陸和位于跑道上的安全性問題，則無法提供有效的解決措施。現(xiàn)有的ISS系統(tǒng)具有兩個缺陷：第一，飛機降落時飛行員無法對跑道情況有充分了解；第二，飛機在跑道上移動時不能對周圍環(huán)境進行檢測和識別，以致經(jīng)常發(fā)生與其他飛機碰撞、對地勤人員造成傷害等事故。這一缺陷可以通過在飛機前下方增加紅外輔助系統(tǒng)進行彌補。由于紅外熱成像技術(shù)能夠?qū)ε艿兰爸苓叚h(huán)境進行檢測和識別，通過借助紅外可視圖像進行導(dǎo)航可以提高飛機的起降等級，從而提升飛機起降的安全性，如圖１所示。

▲圖1 紅外探測在民航領(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手段，紅外熱成像技術(shù)可以快速地對電力設(shè)備進行檢修，從而有效降低設(shè)備檢修的時間成本和提高設(shè)備運行的可靠性。

利用紅外熱成像進行電力檢測的優(yōu)點有很多：遠離設(shè)備，安全性強；非接觸式測溫，不影響設(shè)備運行；掃描速度快，節(jié)省時間；測溫范圍寬，精度高；監(jiān)測到位，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，需要對其進行實時監(jiān)測，及時消除隱患。使用紅外熱成像技術(shù)能對產(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行檢測，從而搜集有關(guān)檢測信息。煉油廠采用熱成像技術(shù)可以對催化裂化裝置、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行檢測，在早期就能迅速、準(zhǔn)確地對其進行排查與定位，如圖3所示。這些技術(shù)的應(yīng)用對于預(yù)防安全事故和降低能耗十分有效。

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

▲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

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其進行量化。利用這一特點可以應(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)控是難以及時發(fā)現(xiàn)的，等發(fā)現(xiàn)時已經(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設(shè)置目標(biāo)溫度上限來對監(jiān)測目標(biāo)進行實時分析。如果目標(biāo)溫度達到設(shè)定上限就會發(fā)出報警信息，由此便可迅速確定起火點的位置和規(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

人體本身也是一個紅外輻射源，其組織細胞在新陳代謝的過程中產(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，該處的表面溫度就會偏離正常值。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。作為一種無創(chuàng)傷、非接觸、無輻射、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，能夠起到早篩查、早診斷、全程動態(tài)監(jiān)控的作用，從而達到“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、慢性病預(yù)防/控制（老年保?。?、重大疾病預(yù)防、常見病診斷、亞健康綜合評估、康復(fù)服務(wù)、精神衛(wèi)生檢查、中醫(yī)辨證及療效評估等。該技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用才剛起步，我國社會也將逐漸步入老年社會，所以紅外熱像儀在醫(yī)療領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用市場。

▲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)識別，夜間及惡劣氣候條件下的治安巡邏，重點部門、建筑、倉庫的安保工作，防火監(jiān)控，陸上和港通安全保障，機場監(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、誤報率低以及夜間無需任何輔助光源等優(yōu)點，可及時發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并記錄現(xiàn)場情況，從而準(zhǔn)確定位越界人員的位置。 港口、機場、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方面發(fā)揮重要作用。機場、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)施都可能擁有長達數(shù)公里的圍護邊界。此時，紅外熱像儀能夠為其提供安全的周界報警解決方案。在2003年的非典時期，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人機、航空模型、空飄氣球等“低、慢、小”目標(biāo)的監(jiān)測與預(yù)警。由于此類目標(biāo)具有雷達散射面積小、運動速度慢等特點，雷達技術(shù)手段難以對其進行監(jiān)測。而紅外熱成像技術(shù)則不受上述特點的限制，可以實時地對空域內(nèi)的“低、慢、小”目標(biāo)進行監(jiān)測與預(yù)警，從而實現(xiàn)對“低、慢、小”目標(biāo)的有效探測和驅(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，海上執(zhí)法，反海盜與威脅探測，漁船隊保護，船舶跟蹤與觀察，搜索救援行動以及環(huán)境保護。即便是雷達系統(tǒng)無法探測到的物體（如帆船、木船及漂浮物等），均可利用紅外熱成像技術(shù)對其進行探測。 紅外熱像儀可以提供針對常見危害的“早期預(yù)警系統(tǒng)”，即可顯示潛在危害所發(fā)出的不可見的熱能（見圖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，還可以識別出冰山以及淺游的鯨魚。 紅外熱像儀可以幫助油輪安全通過冰層覆蓋的水域，在夜晚看清一切事物，并可看清其他船只上的任何細節(jié)信息，包括駕駛艙、橋樓、錨具等一切細節(jié)。同時，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，進而順利展開水中搜救工作。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態(tài)，在犯罪現(xiàn)場或搜索區(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（見圖8）。由于電子組件的尺寸越來越小，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)便能輕松地對制造設(shè)備的熱像圖進行可視化和量化處理。同時，在電路設(shè)計的前期階段，可以利用熱成像來預(yù)先優(yōu)化設(shè)計。顯微鏡同紅外熱成像技術(shù)相結(jié)合后就變成了一臺熱成像顯微鏡，能夠?qū)π≈?um的目標(biāo)進行精確測溫。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，驗證供暖和制冷系統(tǒng)的效率，量化熱沖擊對輪胎磨損的影響，檢測連接處和焊接處的性能質(zhì)量等。借助紅外技術(shù)進行新藥品研發(fā)?？茖W(xué)家們通過觀測化學(xué)反應(yīng)的溫度變化來研究滴定盤中發(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。 紅外無損檢測是一種廣泛用于材料、組件和系統(tǒng)屬性評估且不會對檢測對象構(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檢測，比如無損檢測、應(yīng)力測繪和表面裂紋，而且還能用于發(fā)現(xiàn)低至1mK的細小溫差。紅外無損檢測能夠基于目標(biāo)激發(fā)，通過觀察目標(biāo)表面的熱差異來檢測內(nèi)部缺陷。該技術(shù)對于檢測復(fù)合材料的孔洞、層離和藏水頗有價值。 應(yīng)力測試和疲勞測試是機械工程和材料科學(xué)中的常用測試方法，但對于復(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)力測繪的紅外熱成像技術(shù)也能同時提供數(shù)千個應(yīng)力測量結(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)過多年的積累，紅外熱成像技術(shù)已經(jīng)實現(xiàn)了功能模塊化、小型化、電子化和全自動化，并具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、對人體無害、產(chǎn)品易于維護以及使用壽命長等特點。非制冷熱成像技術(shù)更是推動其廣泛應(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、海上執(zhí)法、星系深空探測和車輛輔助駕駛等民用領(lǐng)域。隨著制冷型紅外探測器技術(shù)的不斷發(fā)展，高性能、大面陣、高可靠性、高分辨率紅外探測器的成本將會逐漸降低，使得制冷型紅外熱像儀在高端民用領(lǐng)域得到越來越多的應(yīng)用。

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