紅外熱成像技術

由于絕對零度以上的物體都會發出紅外光，紅外熱成像技術就是通過吸收目標物體輻射的紅外光，然后將光信號轉換為電信號，即將肉眼不可見的紅外輻射轉換為可視圖像的。同時，紅外大氣窗口有三個：1～3uｍ（短波）、3～5uｍ（中波）和8～14uｍ（長波）。紅外熱成像通常工作在中波紅外和長波紅外兩個波段。該技術廣泛應用于各個領域，且具有以下幾個特點：（1）溫度測量范圍廣，通常為-170～2000℃（或需加濾光片）；（2）探測準確度高，能分辨小于0.1℃的溫度；（3）響應時間短，可在幾秒內測出物體的溫度場；（4）可用于測量小目標或點目標物體；（5）屬于被動測量，不會破壞被測溫場（測溫距離可近可遠，從幾厘米到天文距離）。

紅外熱像儀在民用領域的應用

紅外成像可以應用于基礎設施建設、城市管理、工業生產、交通管控、資源勘探、檢驗檢疫和消防安保等領域，市場需求廣闊。由于應用廣泛，且能為生產生活提供極大的便利性，未來對紅外成像的市場需求可能會保持持續穩定增長的態勢。除了傳統的應用行業之外，將會有更多的新興市場需求成為紅外成像市場新的增長點。 目前，紅外熱成像技術的應用正在變得越來越普及，涉及民航、安防、邊防、工業、建筑、交通、戶外以及自動化等眾多領域。

01

民航領域

隨著現代航空科學技術的不斷發展，民用飛機的安全性越來越高。在裝備綜合環境監視系統（Intergrated Surveillance System，ISS）以后，飛機能夠為機組人員提供全面的地面與空中交通、飛行氣象、復雜地貌等信息，使空中環境感知能力不斷增強。然而ISS系統只是解決了飛機在空中飛行時的安全問題，但對于在大霧或雷雨等能見度較低以及天氣惡劣的條件下進行著陸和位于跑道上的安全性問題，則無法提供有效的解決措施。現有的ISS系統具有兩個缺陷：第一，飛機降落時飛行員無法對跑道情況有充分了解；第二，飛機在跑道上移動時不能對周圍環境進行檢測和識別，以致經常發生與其他飛機碰撞、對地勤人員造成傷害等事故。這一缺陷可以通過在飛機前下方增加紅外輔助系統進行彌補。由于紅外熱成像技術能夠對跑道及周邊環境進行檢測和識別，通過借助紅外可視圖像進行導航可以提高飛機的起降等級，從而提升飛機起降的安全性，如圖１所示。

▲圖1 紅外探測在民航領域的應用

02

電力領域

電力行業在預防檢測領域中是目前應用最成熟、最穩定的。作為最有效的在線電力檢測手段，紅外熱成像技術可以快速地對電力設備進行檢修，從而有效降低設備檢修的時間成本和提高設備運行的可靠性。

利用紅外熱成像進行電力檢測的優點有很多：遠離設備，安全性強；非接觸式測溫，不影響設備運行；掃描速度快，節省時間；測溫范圍寬，精度高；監測到位，可準確發現設備缺陷。重要區域的發電、配電及變電站均可配備高端的紅外成像監控設備，如圖2所示。

▲圖2 紅外熱成像技術在電力領域的應用

03

石油化工領域

石油化工領域的許多重要設備需要在高溫高壓環境下工作，容易產生安全隱患。根據安全生產要求，需要對其進行實時監測，及時消除隱患。使用紅外熱成像技術能對產品傳送和管道，耐火及絕熱材料，各種反應爐的腐蝕、破裂、減薄、堵塞以及氣體泄漏等進行檢測，從而搜集有關檢測信息。煉油廠采用熱成像技術可以對催化裂化裝置、反應堆尾氣設備和熔爐、安全閥與凝氣閥的泄漏、地下管道的裸露與淺埋等安全隱患等進行檢測，在早期就能迅速、準確地對其進行排查與定位，如圖3所示。這些技術的應用對于預防安全事故和降低能耗十分有效。

早期的氣體泄漏檢測方法采用機械探頭，需要與被檢目標進行密切接觸或近距離接觸。檢測人員可能會暴露在看不見的有害化學物質中，而且這種檢測方法對檢測環境條件有著特殊要求，不利于實時檢測。隨著紅外技術的不斷進步，基于紅外熱像儀的氣體泄漏監測技術也將會逐漸普及。紅外熱像儀可以利用圖像實現泄漏氣體的可視化，從而實時、迅速地鎖定泄漏點。

▲圖3 紅外熱成像技術在石油化工領域的應用

04

森林防火和環境監測

從紅外熱像儀觀察到的目標圖像中可以提取出物體表面溫度信息并對其進行量化。利用這一特點可以應用于消防預防領域。如圖4所示，在大面積的森林中，不明顯的隱火容易引起大火，僅僅靠人工監控是難以及時發現的，等發現時已經發展成了難以控制的局面。高靈敏度紅外熱像儀可以通過設置目標溫度上限來對監測目標進行實時分析。如果目標溫度達到設定上限就會發出報警信息，由此便可迅速確定起火點的位置和規模，將森林火災消滅在萌芽階段，從而消除火災隱患。

▲圖4 紅外熱成像技術在森林防火中的應用

05

醫療領域

人體本身也是一個紅外輻射源，其組織細胞在新陳代謝的過程中產生熱量并向體表傳遞。當人體的某處生理狀況發生變化或病變時，該處的表面溫度就會偏離正常值。如圖5所示，醫用紅外熱像儀可以將這部分變化繪制成溫度圖譜。作為一種無創傷、非接觸、無輻射、綠色的輔助診斷技術，醫用紅外熱成像具有高敏感度、全面、快速的特點，能夠起到早篩查、早診斷、全程動態監控的作用，從而達到“治未病”的目的。它與核磁共振、CT、X光、超聲并稱為五大醫學影像技術。醫用紅外熱成像技術的主要應用包括體質辨識、慢性病預防/控制（老年保健）、重大疾病預防、常見病診斷、亞健康綜合評估、康復服務、精神衛生檢查、中醫辨證及療效評估等。該技術在醫療領域的應用才剛起步，我國社會也將逐漸步入老年社會，所以紅外熱像儀在醫療領域具有巨大的應用市場。

▲圖5 紅外熱成像技術在醫療領域的應用

06

安防監控

紅外熱成像技術在安防方面的應用包括防盜監控，偽裝及隱蔽目標識別，夜間及惡劣氣候條件下的治安巡邏，重點部門、建筑、倉庫的安保工作，防火監控，陸上和港通安全保障，機場監控等領域，如圖6所示。高端紅外成像設備具有隱蔽性強、誤報率低以及夜間無需任何輔助光源等優點，可及時發現目標并記錄現場情況，從而準確定位越界人員的位置。 港口、機場、核電廠等屬于重要領域，容易遭到偷竊，甚至是恐怖襲擊。使用熱像儀則可在防護方面發揮重要作用。機場、水力發電站、精煉廠、油氣管道以及其他任何的大型基礎設施都可能擁有長達數公里的圍護邊界。此時，紅外熱像儀能夠為其提供安全的周界報警解決方案。在2003年的非典時期，安檢中就已經采用了紅外熱成像技術，并取得了良好的效果。 此外，紅外熱像儀還可用于無人機、航空模型、空飄氣球等“低、慢、小”目標的監測與預警。由于此類目標具有雷達散射面積小、運動速度慢等特點，雷達技術手段難以對其進行監測。而紅外熱成像技術則不受上述特點的限制，可以實時地對空域內的“低、慢、小”目標進行監測與預警，從而實現對“低、慢、小”目標的有效探測和驅離。

▲圖6紅外熱成像技術在安防監控領域的應用

07

海事領域

紅外熱成像技術在海洋環境中高效實用，能夠滿足以下客戶的需求：港口、航道及沿海安全，海事安全，海上非法入境偵測，海上執法，反海盜與威脅探測，漁船隊保護，船舶跟蹤與觀察，搜索救援行動以及環境保護。即便是雷達系統無法探測到的物體（如帆船、木船及漂浮物等），均可利用紅外熱成像技術對其進行探測。 紅外熱像儀可以提供針對常見危害的“早期預警系統”，即可顯示潛在危害所發出的不可見的熱能（見圖7），包括漂浮物、航線交通、拋錨的船舶和小船只；也可顯示漂浮、橋墩、碼頭等人工建筑，還可以識別出冰山以及淺游的鯨魚。 紅外熱像儀可以幫助油輪安全通過冰層覆蓋的水域，在夜晚看清一切事物，并可看清其他船只上的任何細節信息，包括駕駛艙、橋樓、錨具等一切細節。同時，它還可以用于海上搜救任務。搜救人員可使用紅外熱像儀精準地尋找和定位受害者，進而順利展開水中搜救工作。紅外熱成像技術還可以幫助海事工作人員了解陸地上的動態，在犯罪現場或搜索區域周圍劃定警戒范圍，為陸地上的執法人員提供觀察到的信息，有利于海上與海濱執法人員展開高效且安全的合作。

▲圖7 紅外熱成像技術在海事領域的應用

08

工業制造領域

紅外熱成像技術在工業制造領域也有著廣泛的應用（見圖8）。由于電子組件的尺寸越來越小，要準確了解其熱信息變得異常困難。但是工程師們借助紅外熱成像技術便能輕松地對制造設備的熱像圖進行可視化和量化處理。同時，在電路設計的前期階段，可以利用熱成像來預先優化設計。顯微鏡同紅外熱成像技術相結合后就變成了一臺熱成像顯微鏡，能夠對小至3um的目標進行精確測溫。研究人員可使用熱成像顯微鏡以非接觸方式描繪組件和半導體襯底的熱性能。紅外熱成像技術能幫助汽車工程師改善安全氣囊系統設計，驗證供暖和制冷系統的效率，量化熱沖擊對輪胎磨損的影響，檢測連接處和焊接處的性能質量等。借助紅外技術進行新藥品研發。科學家們通過觀測化學反應的溫度變化來研究滴定盤中發生的變化。借助紅外熱成像技術，制造業可以縮短研發周期和提高產品質量，從而增加公司盈利。 紅外無損檢測是一種廣泛用于材料、組件和系統屬性評估且不會對檢測對象構成損害的方法。紅外熱成像技術不僅能夠完成各種先進檢測，比如無損檢測、應力測繪和表面裂紋，而且還能用于發現低至1mK的細小溫差。紅外無損檢測能夠基于目標激發，通過觀察目標表面的熱差異來檢測內部缺陷。該技術對于檢測復合材料的孔洞、層離和藏水頗有價值。 應力測試和疲勞測試是機械工程和材料科學中的常用測試方法，但對于復雜結構卻只能提供有限信息。即便是幾何結構復雜的組件，用于熱應力測繪的紅外熱成像技術也能同時提供數千個應力測量結果。與應變儀相比，這種技術可為研究人員提供更快速、更完整的信息。

▲圖8 紅外熱成像技術在工業領域的應用 經過多年的積累，紅外熱成像技術已經實現了功能模塊化、小型化、電子化和全自動化，并具有靈敏度高、響應速度快、對人體無害、產品易于維護以及使用壽命長等特點。非制冷熱成像技術更是推動其廣泛應用于工業生產監控、公共安全執法、平安城市建設、醫療輔助診斷、民用衛星遙感、設備預防性故障診斷與維護、海上執法、星系深空探測和車輛輔助駕駛等民用領域。隨著制冷型紅外探測器技術的不斷發展，高性能、大面陣、高可靠性、高分辨率紅外探測器的成本將會逐漸降低，使得制冷型紅外熱像儀在高端民用領域得到越來越多的應用。

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