浅析红外热像仪的成像

我们知道：自然界一切温度在绝对零度-273.15°C以上的物体，由于自身的分子热运动都在不停地向周围空间辐射包括红外波段在内的电磁波，其光谱范围比较广。分子和原子的运动愈剧烈，辐射的能量愈大，反之辐射的能量愈校而现阶段的红外热像仪都只能对其中某一小段光谱范围的红外光产生反应。比如：3～5μm 或8～14μm，也就是所谓的“大气窗口”——大气、烟云等吸收可见光和近红外线，但是对3~5μm和8~14μm的热红外线却受影响较校因此，这两个波段被称为热红外线的“大气窗口”。同时，物体向外发射的辐射强度取决于目标物体的温度和物体表面材料的辐射特性。同一种物质在不同的状况下（表面光洁度、环境温度、氧化程度等等），向外辐射红外能量的能力都不同，这种能力与假象中的黑体的比值就是该物质在该温度下的发射率。（黑体是一种理想化的辐射体，它吸收所有波长的辐射能量，没有能量的反射和透过，其表面的发射率为1。）应该指出，自然界中并不存在真正的黑体。

也就是说，红外热像仪能否观察到物体，取决于该红外热像仪的温度分辨率和空间分辨率以及被测物体表面的红外辐射强度和面积，我们甚至可以大略地理解为：温度分辨率即是最小可辨温差的能力，空间分辨率是显示这种温差的能力。现阶段温度分辨率是以NETD实验条件下，环境温度为30℃时探测器的最小可辨温差，而不是热像仪整机的温度分辨率。因为探测器本身的背景噪音如果为0.06℃时，后续处理所带来的背景噪音叠加后肯定要高于0.06℃，至于能达到多少，那就要看各个厂家后续电子线路版块的设计和处理能力了。这里值得说明的是：温度分辨率和测温精度是两回事。前者是最小可辨温差的能力;后者是重复测量的平均温差。刚接触红外热像仪的朋友通常会混淆这两个概念。空间分辨率不能等同于视场角，视场角是指镜头而言，空间分辨率实际是指红外热像仪整机的分辨能力，它与探测器、电路、镜头有关，是个综合指数，以mrad为单位，1.0mrad即千分之一弧度。

　　这里，还要介绍一下像素数。通常我们看到国内外的红外生产厂家在其产品技术参数上标明：320×240、160×120、120×120甚至是382×288、640×480，这一般是指探测器聚焦平面阵列数，可以理解为：单元探测器的数量，那当然是越多越好了。

　　这里要补充一点：现在国外有些厂家因受某些技术或条约的约束，还不能向中国出口高分辨率及高像素的红外热像仪或探测器，但出于资本的本能又希望进入中国市场，于是，采取了插值算法以提高显示像素数，同时又不违反所谓的条约。与此应注意“帧频”指标，即扫描速度。现在市面上出现了一些帧频为9HZ的进口红外热像仪，在某些行业的红外热像仪应用上，我国是有限制规定的。

　　顺便插一段：所谓的 “短波”红外和“长波”红外通常就是指探测波谱范围为3～5μm和8～14μm的红外热像仪。两者各有千秋。比如说：探测波谱范围为3～5μm短波红外热像仪通常为制冷型红外热像仪，材料一般为：碲镉汞、锑化铟、铂化硅等，多用于军事及测高温领域。分辨率一般较高。但由于制冷元件的成本高，导致价格贵。也正是制冷元件的故障率较高及制冷效果的衰退，导致其在工业领域使用范围的日见萎缩。而且，这些制冷仪器从开机到能够使用，通常要等10分钟左右——制冷器正常工作后，这在现场工作中是很不方便的。更不用谈制冷型红外热像仪相对比较重了;非制冷红外热像仪的材料一般为：氧化钒、硅掺杂（或多晶硅），多为8～14μm的红外热像仪。开机即用，成本较低，轻便小巧，维护方便，其探测器的稳定性及分辨能力相对较差（由于科技的发展，其分辨率也越来越高了）。被广泛应用于电力、化工、消防等领域。

这里，还有一个有趣的故事：当初非制冷红外热像仪刚出现在市场时，为了和早期制冷型红外热像仪竞争，有些人士曾屡屡提到阳光干扰问题。有一种说法是：短波红外热像仪（3～5μm）易受阳光干扰，而长波红外热像仪（8～14μm）不受阳光干扰;因此，长波红外可以在白天工作，而短波红外热像仪不行。的确，阳光是有干扰，但是，阳光照射物体表面发生发射或衍射时，其光谱范围跨越了3～5μm的同时也跨越了8μm的范围，也就是说：阳光对两者皆有干扰，轻重不同而已。谁也不敢说：拿长波红外热像仪白天检测就能避免因阳光干扰而产生的误判断！否则，我国相关检测规程中也不会建议：在使用红外热像仪进行检测时，尽量在“日出之前、日落之后”或阴天。其实，这种干扰还包含另外两个因素：第一，阳光照射会使被检测设备本身升温，该温升与设备故障部位的温升有