红外热成像站在商用高位 - 安防知识网

　高端商业摄像机之所以称为高端，是因为相对普通摄像机而言有其得天独厚的技术优势，比如红外热成像技术的助力。本文便是重点讲叙红外热成像技术在商用摄像机上的应用、其相对于普通摄像机的种种优势以及其未来技术的发展趋势。

　　红外热成像技术基础知识

　　红外热成像的技术原理尽管相对复杂，但也并非不可言说，本文首先试着从热辐射的产生、传播、采集、热红外线、热成像的原理以及热成像技术的关键技术等方面来进行红外热成像技术基础知识的普及。

　　热辐射的产生

　　自然界中，一切高于绝对零度(-273℃)的物质每时每刻源源不断地向外辐射与自身性质、温度相关的电磁波，我们称这一现象为热辐射现象。不同温度下，物体所发出热辐射的波长不一样：

　　37℃的人体，最大辐射出现在约9.3μm处;

　　300℃的饶铁，最大辐射出现在约5.6μm处;

　　5500℃的太阳，最大辐射出现在约0.5μm处，此时热辐射表现为可见光。

　　热红外线

　　通常我们人眼可感知电磁波的波长(可见光)在400到700纳米之间，作为监控辅助照明的红外波长在850纳米，而波长从2.0～1000微米的部分称为热红外线。我们周围的物体只有当它们的温度高达1000℃以上时，才能够发出可见光。相比之下，我们周围所有温度在绝对零度(-273℃)以上的物体，都会不停地发出热红外线。所以，热红外线(或称热辐射)是自然界中存在最为广泛的辐射。红外辐射与光波和无线电波一样，是一种电磁波。

　　热辐射的传播

　　热辐射的红外线是一种电磁波，具有电磁波的一切物理特性, 电磁波在穿过大气层时，会受到大气层的反射、吸收和散射，因而使透过大气层的电磁波能量受到衰减，电磁波通过大气层较少被反射、吸收和散射的那些透射率高的波段成为大气窗口，大气窗口的光谱段主要有:微波波段(300-1GHz)、热红外波段(8-14μm)、中红外波段(3.5-4μm)、可见光和近红外波段(0.4-2.5μm)。

　　红外线根据不同的应用领域可划分为四个更小的波段：

　　近红外线波段：0.75μm—3μm;

　　中红外线波段：3μm—6μm;

　　远红外线波段：6μm—15μm;

　　极远红外线波段：15μm—1000μm。

　　目前商业领域中常用的热成像仪有8μm—14μm的长波热像仪和3μm—5μm的短波热像仪以及一些针对特殊应用的热像仪。

　　热辐射的采集

　　特殊材质的镜头：高纯锗单晶具有高的折射系数，对红外光透明，不透过可见光和紫外线。

　　热红外探测器：热红外探测器是热成像摄像机的心脏，主要功能是将红外辐射转变为电信号，探测器分为制冷型、非制冷型两种。

　　制冷型：以光伏探测器为基础，基于光子探测，集成低温制冷器，用于给探测器降温，这样是为了使热噪声的信号低于成像信号，制冷型探测器成像质量优秀，造价昂贵，体积较大;

　　非制冷型：以微测辐射热计为基础，基于热探测，主要有多晶硅和氧化钒两种探测器，非制冷型探测器成像质量较好，造价较低，体积小。

　　·普通摄像机：采集可见光波段(0.4μm-0.76μm)、近红外波段(0.76μm-1μm)的光。

　　·被动式红外热成像摄像机：采集热红外波段(8μm-14μm)的光。

　　热成像原理

　　热成像摄像机的探测机理是利用目标和背景或目标各部分之间的辐射差异形成的红外辐射特征图像来发现和识别目标。

　　红外探测器输出的图像通常称为“热图像”，由于不同物体甚至同一物体不同部位的辐射能力和它们对红外线的反射强弱不同，利用物体与背景环境的辐射差异以及景物本身各部分辐射的差异，热图像能够呈现景物各部分的辐射起伏，从而能显示出景物的特征。

　　同一目标的热图像和可见光图像是不同，它不是人眼所能看到的可见光图像，而是目标表面温度分布图像，或者说，红外热图像是把人眼不能直接看到目标的表面温度分布，变成人眼可以看到的代表目标表面温度分布的热图像。

　　热成像的关键技术

　　被测目标通过传感器所采集到的数据，通过处理电路产生一种景物的热图像。红外成像是唯一一种可以将热信息瞬间可视化，并加以验证的诊断技术,将不可见的辐射图像转变为人眼可见的、清晰的图像。

　　热成像与可见光成像对比

　　成像方式对比

　　普通摄像机(被动式)：通过采集场景中的可见光，从而生成图像。

　　红外摄像机(主动式)：借助红外发射灯主动发射红外光，通过采集场景中原有的光线及反射回来的红外光，从而生成图像。

　　热成像摄像机(被动式)：探测并采集被测场景中发出的红外热辐射，从而生成图像。见表1

　　热成像摄像机介绍

　　热成像网络摄像机的主要结构如图1所示。根据红外热成像网络摄像机性能，其具备的几大特点介绍如下。

　　探测能力强

　　红外热成像网络摄像机不但能在全黑的环境下工作，同时还可在强光、逆光、眩光的监控环境下运转自如，此外，烟、雾、雨、雪、沙尘对其的影响也很有限，其探测能力之强绝非是一般摄像机可比拟的。

　　探测距离远

　　相对于普通摄像机而言，热成像摄像机拥有更远的探测距离，见表2。

　　温度辨识功能

　　热成像网络摄像机通过探测不同温度物体发出的不同波长的红外热辐射，从而辨识物体表面的温度，见图2。

　　此外，热成像网络摄像机也同样继承了传统网络摄像机的优良特性，如采用H.264编码技术、全实时网络监控、可扩展接入标准平台软件、有线/无线网络传输功能、支持SD卡本地存储，支持PoE网络传输以及智能分析功能等等，通常传统网络摄像机所具备的功能，热成像网络摄像机大多也同样具备。

　　红外热成像技术的缺点

　　图像对比度低，分辨细节能力较差：由于红外热成像仪靠温差成像，而一般目标温差都不大，因此红外热图像对比度低，使分辨细节能力变差;

　　不能透过透明的障碍物看清目标：由于红外热成像仪靠温差成像，而像窗户玻璃这种透明的障碍物，使红外热成像仪探测不到其后物体的温差，因而不能透过透明的障碍物看清目标;

　　成本高、价格贵：目前红外热成像仪的成本仍是限制它广泛使用的最大因素，但一些新型的非制冷红外焦平面阵列探测器的出现，提供了一种以低成本获得高分辨力、高可靠性器件的有效手段。随着科技的发展，关键技术的突破，同时伴随加工效率的提升，今后红外热成像摄像机的成本将会大大降低。

　　热成像摄像机应用

　　尤其是针对一些特殊的应用场所，如在恶劣天气下的24小时全天候监控、边防与周界入侵自动报警、火灾隐患的自动识别、被遗弃的行李和包裹等遗留物体检测、盗窃赃物查找、被埋尸体查找、公共场所的反恐监控等等，若利用红外热成像技术作智能视频监控探测与识别，会更方便和容易，其应用效果如图3所示。

　　结语

　　来自HIS《视频监控全球市场2013年度白皮书》的报道，未来几年，热成像摄像机的市场将会更加开放，价格也会大幅下降。虽然热成像技术一直运用在商业安保中，不过还是未被商业化。2014年，其竞争将会愈发激烈，同时新产品与新终端市场也会有新的突破。未来，热成像摄像机在商业安防市场将面临更大的机遇，同时也伴随着各种挑战。