數(shù)未來新寵 還看熱成像技術(shù)

　　工作原理

　　紅外熱成像技術(shù)是一種被動紅外夜視技術(shù)，其原理是基于自然界中一切溫度高于絕對零度(-273℃)的物體，每時每刻都在輻射出紅外線，同時這種紅外線輻射都載有物體的熱特征信息，這就為利用紅外技術(shù)判別各種被測目標(biāo)的溫度高低和熱分布場提供了客觀的基礎(chǔ)。利用這一特性，通過光電紅外探測器將物體發(fā)熱部位輻射的功率信號轉(zhuǎn)換成電信號后，成像裝置就可以一一對應(yīng)地模擬出物體表面溫度的空間分布，最后經(jīng)系統(tǒng)處理，形成熱圖像視頻信號，傳至顯示屏幕上，就得到與物體表面熱分布相對應(yīng)的熱像圖。

　　杭州?？低晹?shù)字技術(shù)股份有限公司(以下簡稱“?？怠?前端技術(shù)支持經(jīng)理田振華為我們介紹紅外熱成像系統(tǒng)是由鏡頭、熱紅外探測器及攝像機(jī)系統(tǒng)組成。鏡頭材質(zhì)為可透過可見光的高純鍺單晶，具有高的折射系數(shù)，對紅外光透明，不透過可見光和紫外線。熱紅外探測器是熱成像攝像機(jī)的心臟，主要功能是將紅外輻射轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?。探測器分為制冷型、非制冷型兩種，常見為非制冷型，主要由多晶硅和氧化釩兩種材質(zhì)。針對該系統(tǒng)的工作原理，前視紅外熱像系統(tǒng)貿(mào)易(上海)有限公司(以下簡稱“Flir”)的分銷經(jīng)理張宇說是由光學(xué)系統(tǒng)接受被測目標(biāo)的紅外輻射經(jīng)光譜濾波將紅外輻射能量分布圖形反映到焦平面上的紅外探測器陣列的各光敏元件上，探測器將紅外輻射能轉(zhuǎn)換成電信號，由探測器偏置與前置放大的輸入電路輸出所需的放大信號，并注入到讀出電路，以便進(jìn)行多路傳輸。高密度、多功能的CMOS多路傳輸器的讀出電路能夠執(zhí)行稠密的線陣和面陣紅外焦平面陣列的信號積分、傳輸、處理和掃描輸出，并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，以送入微機(jī)作視頻圖像處理。由于被測目標(biāo)物體各部分的紅外輻射的熱像分布信號非常弱，缺少可見光圖像那種層次和立體感，因而需要進(jìn)行一些圖像亮度與對比度的控制、實(shí)際校正與偽彩色描繪等處理。經(jīng)過處理的信號送入到視頻信號形成部分進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換并形成標(biāo)準(zhǔn)的視頻信號，最后通過電視屏或監(jiān)視器顯示被測目標(biāo)的紅外熱像圖。

　　產(chǎn)品優(yōu)勢

　　就目前應(yīng)用而言，紅外熱成像技術(shù)要比微光成像技術(shù)在安防上使用得更廣泛，在安防監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用中，例如到了晚上可見光的監(jiān)視器材便不能正常工作，如果采用人工照明無疑容易暴露目標(biāo)。這時如果有紅外熱成像儀就可以解決問題，紅外熱成像儀是被動接受目標(biāo)自身的紅外熱輻射，它不受光照條件影響，無論白天黑夜都可以正常工作并且不會暴露自己。

　　同樣的，如果在雨霧等惡劣的氣候環(huán)境下，可見光由于波長較短，克服障礙的能力差，觀察的效果就會大打折扣，但紅外熱成像儀利用的是紅外線原理，紅外線波長較長，穿透效果好，即使在雨霧的惡劣環(huán)境下仍然可以正常觀測。因此在夜間及雨霧等惡劣天氣情況下，利用紅外熱成像儀可以對目標(biāo)進(jìn)行正常的監(jiān)控。

　　在安防領(lǐng)域中，紅外熱成像儀用在探測威脅(防范入侵者)、森林防火、罪犯追捕等方面。

　　火災(zāi)這樣的意外災(zāi)害時有發(fā)生，而且這種災(zāi)害多半是由不明顯的隱火引發(fā)的，如果能即時發(fā)現(xiàn)這些隱火，準(zhǔn)確的判斷火災(zāi)的位置，這樣就能做到早預(yù)防早撲滅，減少很多不必要的損失。

　　紅外熱成像儀是被動接受目標(biāo)自身的熱輻射，這一特點(diǎn)也可以應(yīng)用到公安機(jī)關(guān)追捕罪犯的行動中，一般罪犯容易隱藏到草叢樹林之類的野外環(huán)境中，公安人員的一般視覺容易產(chǎn)生錯誤判斷，很容易讓罪犯逍遙法外，人體和車輛的溫度以及紅外輻射一般都遠(yuǎn)大于草木的溫度及輻射，這時候利用紅外熱成像儀很容易就可以準(zhǔn)確判斷出罪犯隱藏的位置，讓他們無所遁形。

　　新技術(shù)與困境

　　熱成像技術(shù)是以利用目標(biāo)、背景或目標(biāo)各部分之間的輻射差異形成的紅外輻射特征圖像來發(fā)現(xiàn)和識別目標(biāo)，采用的是非制冷焦平面技術(shù)。由于近年來熱成像技術(shù)在軍事和民用方面都得到了廣泛的應(yīng)用。隨著熱成像技術(shù)的成熟以及各種低成本適于民用的熱像儀的問世，它在國民經(jīng)濟(jì)各部門發(fā)揮的作用也越來越大。

　　從運(yùn)用領(lǐng)域的變化來分析，北京和普威視光電技術(shù)有限公司(以下簡稱“和普威視”)技術(shù)總工張超岳看來在工業(yè)生產(chǎn)中，許多設(shè)備常用于高溫、高壓和高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，應(yīng)用紅外熱成像儀對這些設(shè)備進(jìn)行檢測和監(jiān)控，既能保證設(shè)備的安全運(yùn)轉(zhuǎn)，又能發(fā)現(xiàn)異常情況以便及時排除隱患。同時，利用熱像儀還可以進(jìn)行工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量控制和管理。

　　由于紅外系統(tǒng)比雷達(dá)系統(tǒng)的分辨率高，隱蔽性好，且不易受電子干擾，較之可見光系統(tǒng)具有能識別偽裝、可晝夜工作、受天氣影響較小等優(yōu)點(diǎn)，因此，熱成像技術(shù)在軍事上得到廣泛應(yīng)用。熱像儀在軍事上的應(yīng)用范圍較主動紅外夜視儀和微光夜視儀更廣，可用于戰(zhàn)術(shù)與戰(zhàn)略偵察、武器的瞄準(zhǔn)和制導(dǎo)、各種戰(zhàn)斗、運(yùn)輸車輛的夜間駕駛，并可提供飛機(jī)在黑暗中的起飛、著陸燈，是一種性能優(yōu)越較為理想的夜視器材，目前在陸軍、海軍、空軍都得到了應(yīng)用，同時紅外熱像儀在醫(yī)療、治安、消防、考古、交通、農(nóng)業(yè)和地質(zhì)等許多領(lǐng)域均有重要的應(yīng)用。

　　從熱成像技術(shù)層面的發(fā)展來分析，?？档那岸思夹g(shù)支持經(jīng)理田振華認(rèn)為近些年在熱成像基礎(chǔ)上，導(dǎo)入了H.264編碼壓縮技術(shù)、智能分析技術(shù)。H.264技術(shù)將采集的熱輻射圖像編碼壓縮成網(wǎng)絡(luò)信號，便于被系統(tǒng)集成。智能分析技術(shù)能通過對輻射差異形成的紅外輻射特征圖像進(jìn)行智能算法分析，提高圖像的應(yīng)用價(jià)值。同時Flir的張宇則認(rèn)為實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)輸出，網(wǎng)絡(luò)模擬雙輸出產(chǎn)品開始出現(xiàn);部分產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了POE供電;軟件分析更加智能易用;探測器像素得到提升;探測距離遠(yuǎn)近皆宜，多視場，連續(xù)變焦產(chǎn)品的應(yīng)用逐漸增多。

　　對于目前紅外熱成像攝像機(jī)存在的不足之處在于分辨率只有384*288，相當(dāng)于CIF大小，只能作為探測目標(biāo)用，不足以清晰地分辨目標(biāo)。?？档奶镎袢A認(rèn)為后續(xù)的發(fā)展可以提高熱紅外探測器的像素大小，從而提高清晰度來解決這一問題。除了圖像對比度低，分辨細(xì)節(jié)能力較差外，F(xiàn)lir的張宇與和普威視的張超岳還認(rèn)為不足之處有：

　　★不能透過透明的障礙物看清目標(biāo)：如窗戶玻璃。像窗戶玻璃這種透明的障礙物，使紅外熱成像儀探測不到其后物體的溫差，因而不能透過透明的障礙物看清目標(biāo)。

　　★高價(jià)格：目前紅外熱成像儀的成本仍是限制它廣泛使用的最大因素，但隨著肖特基勢壘非致冷紅外焦平面陣列的出現(xiàn)，為廣泛應(yīng)用提供了一種以低成本獲得高分辨力、高可靠性器件的有效手段。隨著科技的發(fā)展，關(guān)鍵技術(shù)的突破，并提高了加工效率，今后的成本會大為降低的。

　　在智能視頻中的應(yīng)用表現(xiàn)

　　由紅外熱成像技術(shù)的原理與特點(diǎn)可知， 幾乎現(xiàn)在普通視頻監(jiān)控?cái)z像機(jī)能做的智能分析，在紅外熱成像技術(shù)里都能很好地應(yīng)用，并且往往是普通攝像監(jiān)控機(jī)所不能完成的。對于在智能視頻中的應(yīng)用表現(xiàn)和普威視的張超岳為我們做了一些解析。

　　1.、能真正24小時及在惡劣氣候條件下的全天候的智能視頻監(jiān)控

　　紅外熱成像儀，是被動接受目標(biāo)自身的紅外熱輻射，無論白天黑夜24小時均可以處于運(yùn)行狀態(tài)而正常工作，并隨時對背景資料進(jìn)行分析，一旦發(fā)現(xiàn)變化，可以及時發(fā)出預(yù)/報(bào)警，并可以通過其他智能設(shè)備自動對有關(guān)情況進(jìn)行處理與上報(bào)。

　　在雨、霧等惡劣的氣候條件下，由于可見光的波長短，克服障礙的能力差，因而觀測效果差。而工作在8～14μm波長的長波紅外熱成像儀，其穿透雨、霧的能力較高，從而仍可以正常地觀測目標(biāo)。因此，在夜間以及惡劣氣候條件下，采用紅外熱成像監(jiān)控設(shè)備可以對各種目標(biāo)，如人員、車輛等進(jìn)行24h監(jiān)控。

　　2、能對偽裝及隱蔽的目標(biāo)進(jìn)行智能視頻監(jiān)控與識別：

　　紅外熱成像儀是被動接受目標(biāo)自身的熱輻射，當(dāng)人體和車輛隱蔽在草叢及樹林中時，它的溫度及紅外輻射一般都遠(yuǎn)大于草木的溫度及紅外輻射，因此很容易被自動識別出來。

　　3、能進(jìn)行火災(zāi)的視頻監(jiān)控與識別

　　由于紅外熱成像儀是反映物體表面溫度而成像的設(shè)備，因此除了夜間可以作為現(xiàn)場監(jiān)控使用外，還可以作為有效的防火報(bào)警設(shè)備。如在大面積的森林中，火災(zāi)往往是由不明顯的隱火引發(fā)的，這是毀滅性火災(zāi)的根源。

　　在住宅小區(qū)、機(jī)場、碼頭、學(xué)校等人流密集的場所，通過紅外熱成像儀探測的紅外熱圖像，均能迅速及時監(jiān)測到火災(zāi)源頭，進(jìn)行預(yù)/報(bào)警，以便及時采取行動進(jìn)行處理。

　　谷物糧倉往往會發(fā)生自燃現(xiàn)象，過去一般采用溫度計(jì)測量其溫度變化。而采用紅外熱像儀可以準(zhǔn)確判定這些火災(zāi)的位置和范圍，從而做到早知道早預(yù)防，早撲滅。此外，即使是在火災(zāi)過后，消防人員也能通過現(xiàn)場紅外熱成像儀的監(jiān)視圖像，開展對火災(zāi)現(xiàn)場卓有成效地搜救工作。

　　4、能對邊防、周界入侵進(jìn)行遠(yuǎn)距離有效的監(jiān)控與識別

　　利用紅外熱成像儀，可以探測到不同物體的紅外輻射，因而可以遠(yuǎn)距離地進(jìn)行觀察，尤其適用于風(fēng)雨天氣。如在邊境地區(qū)放置紅外熱成像儀，就可成功地破獲非法入境者案件，顯然，其效率大大高于人工巡查。

　　5、能對被遺棄的行李包裹等遺留物體進(jìn)行有效地檢測與識別

　　由于物體產(chǎn)生的熱量在發(fā)出紅外輻射的同時，還在物體周圍形成了一定的表面溫度分布場，而不同物體的發(fā)熱功率也不盡相同，因而不同的物體內(nèi)部所發(fā)出的熱擴(kuò)散和物體表面溫度也是不同的。因此，利用紅外熱成像技術(shù)，可以輕而易舉地對行李包裹的內(nèi)部物品進(jìn)行透視與分析。

　　趨勢發(fā)展與前景展望

　　現(xiàn)階段，由于紅外熱成像監(jiān)控在國內(nèi)還處于推廣階段，用戶或甲方對相關(guān)的功能普遍不是很了解，而且對其必要性也沒有形成統(tǒng)一的認(rèn)識。因此紅外熱成像監(jiān)控目前真正的應(yīng)用還不是很多。對于未來發(fā)展是怎樣的情況，和普威視的張超岳認(rèn)為紅外熱成像技術(shù)在安防領(lǐng)域必然是呈快速增長的發(fā)展趨勢。紅外熱成像的監(jiān)控圖像加載的信息很多，它不僅提供了圖像像素，決定畫質(zhì)的還包括溫度。大多數(shù)路口監(jiān)控探頭采用外接照明燈，這對于監(jiān)控成本來說似乎十分可觀。熱成像本著綠色環(huán)保的技術(shù)，有助于減少使用昂貴密集型照明設(shè)備，降低能源消耗。隨著時間的推移，現(xiàn)在一些高端市場如軍隊(duì)、銀行、武警和公安系統(tǒng)已經(jīng)對此系統(tǒng)形成了正確的認(rèn)知，而且隨著國內(nèi)恐怖活動的增多，許多領(lǐng)域已經(jīng)對其提出比較明確的使用意向，相信在未來幾年內(nèi)，紅外熱成像監(jiān)控會有比較快速的發(fā)展。

　　?？档奶镎袢A說因?yàn)闊岢上駭z像機(jī)的鏡頭和熱紅外探測器成本較高，目前僅限在特殊行業(yè)中應(yīng)用，未來如果能有效降低成本，相信會有不錯的發(fā)展前景。另外國內(nèi)市場對24小時不間斷室外監(jiān)控，特別是公共安全和道路監(jiān)控領(lǐng)域需求較大。此外，國內(nèi)生成的彩色攝像機(jī)和紅外攝像機(jī)的差價(jià)不大，很多用戶在選擇24小時監(jiān)控?cái)z像機(jī)時更傾向于選擇紅外型攝像機(jī)。同時Flir的張宇也認(rèn)為隨著成本的不斷下降和技術(shù)的不斷進(jìn)步，一些入門級的紅外熱成像監(jiān)控設(shè)備將對傳統(tǒng)的主動紅外攝像機(jī)形成巨大沖擊，同時中高端應(yīng)用市場的需求穩(wěn)定，相信紅外熱成像技術(shù)將會受到越來越多的關(guān)注。