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浅解红外热成像技术的发展与应用
2016/5/24 9:01:00      来源:《中国安防》    作者:赵国顺
随着我国安防行业技术的不断发展,全天候夜视监控已经成为检测视频监控系统是否完善、是否具有先进性的潜在衡量标准,因此主动红外夜视与被动红外夜视遍地开花,短短几年时间迅速涌向各行业领域。


  随着我国安防行业技术的不断发展,全天候夜视监控已经成为检测视频监控系统是否完善、是否具有先进性的潜在衡量标准,因此主动红外夜视与被动红外夜视遍地开花,短短几年时间迅速涌向各行业领域。现已广泛应用于森林防火、水利、海事、公安、交通、武警、海关等部门在夜间巡检、侦破、取证、道路执法、安保缉私、辑毒、扫黄反恐等重要领域中;银行、金库、文物、重要物资和仓库的夜间监控、保卫工作中;在与犯罪分子作斗争、反间谍保卫国家安全工作中,夜视产品也是最重要的监控监测手段之一;在其他领域中,凡需要在黑暗的地方工作时,如感光化学工业、海底资源勘察、海上石油钻井平台的监视、远洋捕捞、环保监测等都是最重要的取证工具。而被动红外中的红外热成像技术以其透雾能力卓越,夜间成像视角广等优点得到了业内外专业人士的推荐。

  一、红外热成像技术概况

  1800年英国天文学家赫胥尔(William Herschel)用分光棱镜发现人眼不可见的“热线”,后称为“红外线”,即通常所说的“红外辐射”。红外线普遍存在,任何温度高于绝对零度即-273.16℃的物体都会发出红外线,即便冰块也不例外。红外热成像技术属于红外辐射成像,它采用一种内光电效应半导体器件作探测器,被动吸收目标与周围环境之间由于温度或红外辐射率的差异,而把红外辐射能量密度分布图显示出来成为热像,再通过热像将红外图像变为人眼可见的电视图像。根据其成像器件工作方式不同主要分为非制冷型热成像仪和制冷型热成像仪。

  无论哪种红外热像仪大体来说均由四部分构成,探测器、光学镜头、信号处理器、显示设备,其中核心元器件是红外探测器和光学镜头。就目前而言生产热像仪探测器的厂商有很多,主要来源于美国、法国、英国、日本、加拿大等地区或国家,此项技术在我国主要依赖于国外厂商。而红外热成像配套的光学镜头并非普通安防产品应用的CCTV 镜头,目前国内很多光学研究机构所生产出的红外热成像镜头均远销国内外,属于技术成熟、品质可靠的优秀光学产品。

  红外热成像技术最初是军方为达到某些军事目的而研发的,是一种较昂贵的成像技术。当前所被认知的红外热成像技术的发展是从1940年光子型红外探测器的出现开始,在热追踪导弹技术研发的基础上演变而来的。第一个实用的现代红外探测器是二战中德国研制的PbS探测器,1991年的海湾战争美国的红外热成像仪成为备受全球军事界瞩目的新技术产品。

  红外热成像探测器发展从60年代开始的美国光导HgCdTe器件,法国光伏HgCdTe器件,英国4条(或8条)扫积型HgCdTe器件等,至70年代后的扫描型和凝视型焦平面结构,均属于焦平面阵列。而目前应用较多且性价比适合民用安防的是非制冷红外焦平面阵列探测器,此类红外热成像探测器强调双波长(双色)或多波长(多色)响应,有更强的智能化逻辑处理功能,且在多个国家均取得了技术的突破,实现了产品化。国内安防领域应用的大多数红外热成像仪都是基于此类探测器类型,即能发挥出红外热成像的成像优势,又能有效降低投入成本。而国际上发达国家的制冷型HgCdTe(MCT)焦平面探测器出现百万或近千万像素级的高清成像器件,其发展的重点是多色(或多波段)焦平面探测器,由MCT红外探测器和GaAs/AlGaAs等Ⅲ-Ⅴ族材料制作的量子阱红外探测器(QWIP),此类高清红外热成像探测器件国产化仍需有较长时间的技术积累和技术突破。

  二、我国红外热成像技术的现状

  目前,我国红外热成像技术的研究开发能力有了很大的提高,但由于红外热成像技术的研发涉及的学科较为复杂,如光学、微电子、视频编解码、计算机网络、材料物理学、图像处理算法、新材料科学、机械设计等多个领域,所以其研发技术瓶颈多。近几年来我国涌现了一批红外热成像仪生产企业,虽然在红外热像仪核心零部件(如探测器)的开发以及红外热像仪新产品的开发方面获得重大的突破,使我国红外热成像类产品应用有效地降低了投入成本,但在红外热成像探测器高分辨率(如百万像素以上)和多帧(如30帧以上)红外热成像探测器上仍是难以攻克的专业技术领域。而国际上,红外热成像技术企业,如美国RNO、FILR、FLUKE,德国InfraTec,日本NEC及法国等公司均在高分辨率探测器上有了技术突破。据美国某军事期刊报道,美国现有红外热成像探测器最高分辨率已达千万像素。而国际上此类高端技术产品对华处于禁售范畴,因此我国红外热成像技术企业的研发与发展仍任重道远。

  三、红外热成像技术在民用及安防领域的应用

  红外热成像技术起初应用在军事上,到目前为止在军事上的应用较为广泛,如夜视侦查、武器瞄具、夜视导引、红外搜索和跟踪、卫星遥感等多个领域,尤其是在卫星、导弹、飞机等军事武器上,红外热成像技术发挥了至关重要的作用。

  虽然红外热成像行业的发展始于美国军事领域,但随着非制冷红外探测技术的发展,红外热成像技术在我国民用领域也得到了广泛的应用,除了在消防、电力、建筑等行业应用的推广,目前红外热成像应用的快速增长主要来源于安防领域市场应用的不断扩大。由于红外热成像具备良好的成像透雾效果,且能满足夜间远距离广角搜索目标的需求,该类设备应用在重要的安防监控领域能有效地震慑夜间违法犯罪行为的发生,因此国内很多复杂场合的全天候监控系统中均能找到红外热成像技术与产品的应用,如:海上与内河上的巡检、巡查,团雾多发区的施工现场的监控,森林防火安防监控探测系统,文物保护区安防监控系统,水源保护区的安防监控系统,机场铁路安防监控系统,特种基地安防监控系统等。由于红外热成像的细节展现能力有限,在发展中北京索斯克科技将红外热成像系统与高清激光夜视系统相结合,利用红外热成像远距离大面积搜索目标的优势,再通过激光夜视系统定位追踪目标进行细节展现,这种应用既满足了安防行业夜视监控的远距离大范围的技术需求,又能实现远距离全方位的细节监控探测要求。

  目前我国红外热成像技术的应用还处于初级发展阶段,但在安防行业的渠道市场已能捕捉到红外热成像技术较成熟的应用模型,即一类是移动手持或便携类设备,另一类是工程架设类设备。

  第一,移动手持或便携类应用。自从非制冷型红外热成像探测器诞生以来,其成像器件小巧更容易集成便携、手持类产品。这类产品广泛应用于电力巡检系统、消防热源检测系统、状态巡检监控系统、警用安保取证系统、移动架设临时布控系统。手持或便携类设备在军、警行业应用比较集中,在发达国家已配置在陆军、空军、海军等各个军种中。与发达国家相比,目前我国军队中红外热成像仪应用相对较少,但需求巨大,据有关机构统计其潜在市场空间可达200多亿元。相比安防市场而言军队需求数量相对较固定。

  第二,工程架设类应用。近年来,随着红外热成像探测器的成本不断得到可控,其在定点架设监控、预防性维护、无损探测、温度探测、热测试、系统化监视安防及安全生产过程控制等各个环节中得到了广泛应用。作为最成熟、最有效的电力在线检测手段,红外热像系统实现了供电设备可视化运行的实时监控功能,大大提高了人工巡检进行设备检修的效率。另外在建筑行业《红外热像法检测建筑外墙饰面层脱粘结缺陷技术规程》的推出,使红外热成像技术在建筑行业得到了规范与推广。而制造业如果利用红外热像技术作为过程性检测控制,则能大大提高企业的产品品质。

  结语

  近年来,随着平安中国、智慧城市的建设,“一带一路”政策的鼓励和国防现代化建设的进一步推进,我国安防、电力、制造业的发展对红外热像技术的市场需求快速增长。从长期来看,虽然我国与国外发达国家在红外热成像产品的配比相对较低,但我国红外热成像技术市场的潜在需求仍不断增加,据不完全统计我国红外热成像技术市场的潜在需求可达500-600亿元,而目前市场状况仅处于起步阶段。未来红外热成像行业技术的发展与提高仍面临较为严峻的挑战,北京索斯克科技将在此行业深耕,与业内各红外热成像专业技术厂商推进我国红外热成像技术的发展。

编辑:侯雨婷
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