(四)紅外熱成像測(cè)溫

1.紅外熱成像測(cè)溫原理

自然界中的一切物體，只要其溫度高于OK，就會(huì)向外發(fā)射輻射能，因此從原理上講，只要能收集并探測(cè)這些輻射能，就可以獲得物體的熱圖像，從而推測(cè)出物體的溫度。

紅外熱成像系統(tǒng)的工作原理如圖2-12所示，光學(xué)系統(tǒng)先將現(xiàn)場(chǎng)的紅外輻射能匯集起來(lái)，經(jīng)光譜濾波和光機(jī)掃描，聚集到探測(cè)器的紅外元件的陣列上，探測(cè)器將強(qiáng)弱不同的輻射信號(hào)變成電信號(hào)，然后經(jīng)放大和視頻處理，形成視頻信號(hào)，再送至顯示器。

2.紅外熱成像系統(tǒng)的類型

紅外熱成像系統(tǒng)可以分成兩種類型，即光機(jī)掃描型和非光機(jī)掃描型。光機(jī)掃描型紅外熱成像系統(tǒng)的特點(diǎn)是通過(guò)光機(jī)掃描使單元探測(cè)器依次掃過(guò)被測(cè)溫對(duì)象的各部分，形成被測(cè)溫對(duì)象的二維圖像。非光機(jī)掃描型紅外熱成像系統(tǒng)是利用多元探測(cè)器面陣，使探測(cè)器中的每個(gè)單元與被測(cè)溫對(duì)象的一個(gè)微元面對(duì)應(yīng)，因此無(wú)需光機(jī)掃描。常用的凝視型熱成像系統(tǒng)就屬于這種類型。

與非光機(jī)掃描型紅外熱成像系統(tǒng)相比，光機(jī)掃描型紅外熱成像系統(tǒng)掃描速度慢，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但其測(cè)溫誤差小，適合于穩(wěn)態(tài)和測(cè)量精確度要求高的場(chǎng)合。

由于超大規(guī)模硅集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，目前已可獲得高均勻響應(yīng)度、高密度的探測(cè)器面陣，使非光機(jī)掃描型紅外熱成像技術(shù)獲得了極大的進(jìn)步。圖2-13所示為非光機(jī)掃描型紅外熱成像系統(tǒng)(凝視型)原理框圖。

與光機(jī)掃描型紅外熱成像系統(tǒng)相比，凝視型紅外熱成像系統(tǒng)的最大優(yōu)點(diǎn)是，無(wú)需光機(jī)掃描機(jī)構(gòu)，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，編小了體積，大大提高了熱成像系統(tǒng)的快速響應(yīng)特性。從理論上講，這種熱成像系統(tǒng)對(duì)景物輻射的響應(yīng)時(shí)間只受探測(cè)器時(shí)間常數(shù)的限制，而不再受掃描機(jī)構(gòu)掃描速度的影響，故凝視型紅外熱成像系統(tǒng)所能達(dá)到的快速響應(yīng)能力，是光機(jī)掃描型紅外熱成像系統(tǒng)所無(wú)法比擬的，故適合于動(dòng)態(tài)測(cè)溫;缺點(diǎn)是，受探測(cè)器光譜響應(yīng)范圍的限制，其所能測(cè)量的溫度有一定的范圍，改變測(cè)溫范圍時(shí)，要換探測(cè)器和相應(yīng)的處理軟件。

熱釋電紅外熱成像系統(tǒng)也屬于非光機(jī)掃描型紅外熱成像系統(tǒng)，它采用熱釋電材料作靶面，制成熱釋電攝像管，直接利用電子束掃描和相應(yīng)的處理電路，將被測(cè)物體的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。熱釋電紅外熱成像系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要制冷，光譜響應(yīng)范圍可以覆蓋整個(gè)紅外波段，故可測(cè)量常溫至3570℃的溫度;其缺點(diǎn)是測(cè)溫誤差較大。

3.紅外熱成像系統(tǒng)的基本參數(shù)

紅外熱成像系統(tǒng)的基本參數(shù)有瞬時(shí)視場(chǎng)、取像速率、掃描效率、駐留時(shí)間、熱靈敏度、總視場(chǎng)、最小可分辨溫差、最小可探測(cè)溫差等。

(1)瞬時(shí)視場(chǎng)。瞬時(shí)視場(chǎng)代表了紅外熱成像系統(tǒng)的空間分辨能力，它是指探測(cè)器的線性尺寸對(duì)系統(tǒng)景物空間的二維張角，取決于探測(cè)器的形狀、尺寸和光學(xué)系統(tǒng)的焦距。

如果探測(cè)器為矩形，其邊長(zhǎng)為a和6，則瞬時(shí)視場(chǎng)的場(chǎng)角分別為

(2)總視場(chǎng)。總視場(chǎng)代表紅外熱成像系統(tǒng)可測(cè)量區(qū)域的大小，即系統(tǒng)所觀察到的景物空間的二維視場(chǎng)角?？傄晥?chǎng)取決于景物空間的大小和光學(xué)系統(tǒng)的焦距。假設(shè)總視場(chǎng)在水平方向和垂直方向的尺寸分別為W。和Wp，則系統(tǒng)一幀圖像中所包含的像元數(shù)的最大值為

該式表明，探測(cè)器的尺寸越大，系統(tǒng)的分辨率越高。

(3)取像速率。取像速率表示紅外熱成像系統(tǒng)在單位時(shí)間內(nèi)所能給出的完整畫面數(shù)，如25幀/s。取像速率也稱為幀頻或幀速，其倒數(shù)，即系統(tǒng)掃過(guò)一幅完整畫面所需的時(shí)間，稱為幀周期或幀時(shí)。若用fp表示幀頻，Tf表示幀時(shí)，則它們之間的關(guān)系為

(4)掃描效率。紅外熱成像系統(tǒng)對(duì)景物掃描時(shí)，由于同步掃描、回掃、直流恢復(fù)等都要占時(shí)間，因此在這個(gè)時(shí)間內(nèi)將不產(chǎn)生視頻信號(hào)，稱此時(shí)間為空載時(shí)間，通常用T1f表示。幀

時(shí)和空載時(shí)間之差(Tf-T1f)稱為有效掃描時(shí)間。

有效掃描時(shí)間與幀時(shí)之比稱為系統(tǒng)的掃描效率nsc，即

(5)駐留時(shí)間。探測(cè)器駐留時(shí)間是掃過(guò)一個(gè)探測(cè)器張角所需的時(shí)間。當(dāng)掃描速度為常

數(shù)，系統(tǒng)的空載時(shí)間為零時(shí)，單元探測(cè)器的駐留時(shí)間Tdl為

若探測(cè)器為押個(gè)單元并聯(lián)的探測(cè)器，則駐留時(shí)間Cd為

實(shí)際上系統(tǒng)的空載時(shí)間不可能為零，因此當(dāng)空載時(shí)間不為零時(shí)，式(2-11)和式(2-12)還應(yīng)乘以掃描效率。

(6)熱靈敏度。對(duì)紅外熱成像系統(tǒng)而言，探測(cè)器不僅能接受到入射輻射能的信號(hào)，還能接受由其他因素，如環(huán)境和本機(jī)等所引起的噪聲信號(hào)。噪聲信號(hào)的存在限制了探測(cè)器對(duì)微弱信號(hào)的探測(cè)能力。通常用噪聲等效功率NEP來(lái)表示探測(cè)器或紅外熱成像系統(tǒng)的熱靈敏度，即

可見(jiàn)噪聲等效功率表征了探測(cè)器所能探測(cè)的最小輻射強(qiáng)度，該值越小，探測(cè)器的性能越好。