光电成像技术

2014-2015 第一学期

光电成像技术

——红外热成像技术的发展及其应用

院系电子工程学院光电子技术系

班级光信1104

姓名王凯

学号05113123

班内序号14

考核成绩

红外热成像技术的发展及其应用

摘要：用红外热成像技术，探测目标物体的红外辐射，并通过光电转换、信号处理等手段，将目标物体的温度分布图像转换成视频图像的设备，我们称为红外热成像仪。

关键字：红外线，红外热成像技术，发展及其应用

一、引言

1800年英国的天文学家Mr.William Herschel 用分光棱镜将太阳光分解成从红色到紫色的单色光，依次测量不同颜色光的热效应。他发现，当水银温度计移到红色光边界以外，人眼看不见任何光线的黑暗区的时候，温度反而比红光区更高。反复试验证明，在红光外侧，确实存在一种人眼看不见的“热线”，后来称为“红外线”，也就是“红外辐射”。

二、红外热成像技术

我们人眼能够感受到的可见光波长为：0.38—0.78微米。通常我们将比0.78微米长的电磁波，称为红外线。自然界中，一切物体都会辐射红外线，因此利用探测器测定目标本身和背景之间的红外线差，可以得到不同的红外图像，称为热图像。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。

用红外热成像技术，探测目标物体的红外辐射，并通过光电转换、信号处理等手段，将目标物体的温度分布图像转换成视频图像的设备，我们称为红外热成像仪。红外热成像仪大致分为致冷型和非致冷型两大类。

目前，世界上最先进的红外热像仪（热成像仪或红外热成像仪），其温度灵敏度可达0.03℃。

1、红外热像仪的工作原理

红外热像仪可将不可见的红外辐射转换成可见的图像。物体的红外辐射经过镜头聚焦到探测器上，探测器将产生电信号，电信号经过放大并数字化到热像仪的电子处理部分，再转换成我们能在显示器上看到的红外图像。

（1）红外热像仪的标定 前面曾提到过史蒂芬-波兹曼定律，它给出了黑体的辐射能量与其温度的关系，即：

W=ε*σ*T4

式中σ=5.67×10-8w/m 2.k4， T 为绝对温度， 单位为K 。

红外热像仪的标定正是基于这一理论基础,在设定的环境条件下,用一定数量已知温度的黑体进行标定。

多个黑体放置成半圆形，热像仪放在中心能转动的台子上，并与标定系统的自动控制中心相连 。红外热像仪依次对准各黑体，每个黑体都会在热像仪中产生一个辐射信号，标定系统将此信号与其温度对应起来。将每对信号与温度对应起来，并将各点拟合成一条曲线，这就是标定曲线，此曲线将被存在热像仪的内存里，用来对应物体辐射与温度的关系，所以如果热像仪的探测器接收到物体的辐射信号，此标定曲线将会把信号转换成对应的温度。

信 号 处 理 器

显 示 二维焦平面列

光学校准曲线

三、红外热成像仪的应用

下面是需要采用红外热像仪（热成像仪或红外热成像仪）进行检查的部分设施：

1、电气装置：可发现接头松动或接触不良，不平衡负荷，过载，过热等隐患。这些隐患可能造成的潜在影响是产生电弧、短路、烧毁、起火。

2、变压器：可以发现的隐患有接头松动，套管过热，接触不良（抽头变换器），过载，三相负载不平衡，冷却管堵塞不畅。其影响为产生电弧、短路、烧毁、起火。

3、电动机、发电机：可以发现的隐患是轴承温度过高，不平衡负载，绕组短路或开路，碳刷、滑环和集流环发热，过载过热，冷却管路堵塞。其影响为有问题的轴承可以引起铁芯或绕组线圈的损坏；有毛病的碳刷可以损坏滑环和集流环，进而损坏绕组线圈。还可能引起驱动目标的损坏。

4、电气设备维修检查，屋顶查漏，节能检测，环保检查，安全防盗，森林防火，无损探伤，质量控制，医疗检查等等也很有效益。

5、诊断人体疾病，运用经络学,在人脑的研究工作及在研究疾病治疗方法中的应用;特别是在诊断哮喘病,痹症,腰椎间盘突出症,运动病,恶性

肿瘤等病症具有无放射性,一次多脏器全身扫描的非接触测量的优点.是综合确诊人体某种疾病的一种有用手段。

6、建筑物外墙的监测。通过表面温度可以为我们提供有关楼宇结构、管道系统、供暖通风及空调系统以及电气系统的许多信息。在透过红外镜头观察时，平日肉眼看不到的问题会突现眼前。使用红外热像仪，可以检测到空气泄漏、水分积累、管道堵塞、墙壁后面的结构特征以及过热的电气线路等，并对数据进行可视化记录归档。通过用这种工具对表面进行扫描，您可以快速发现通常代表潜在问题的温度变化，并以详细的图形报告的形式对数据进行记录。

7、红外热成像仪在自然环境方面的应用。监控自然环境，如森林防火、山体滑坡、火山爆发等。

四、红外热成像技术的优缺点

1、红外热成像技术的优点

（1）红外热成像技术是一种被动式的非接触的检测与识别，隐蔽性好

(2)红外热成像技术不受电磁干扰，能远距离精确跟踪热目标，精确制导。

(3)红外热成像技术能真正做到24h全天候监控。

（4）红外热成像技术的探测能力强，作用距离远。

(5)红外热成像技术可采用多种显示方式，把人类的感官由五种增加到六种。

(6)红外热成像技术能直观地显示物体表面的温度场，不受强光影响，应用广泛。

2、红外热成像技术的缺点

(1)图像对比度低，分辨细节能力较差

(2)不能透过透明的障碍物看清目标，如窗户玻璃。

(3)成本高、价格贵

五、国内外红外热像仪市场发展的现状与前景

红外热像仪是一种用来探测目标物体的红外辐射，并通过光电转换、电信号处理等手段，将目标物体的温度分布图像转换成视频图像的高科技产品。同时具有很高的军事应用价值和民用价值。在军事上，红外热像仪可应用于军事夜视侦查、武器瞄具、夜视导引、红外搜索和跟踪、卫星遥感等多个领域；在民用方面，红外热像仪可以用于材料缺陷的检测与评价、建筑节能评价、设备状态热诊断、生产过程监控、自动测试、减灾防灾等诸多方面。

1、红外热像仪行业发展概况

红外热像仪行业是一个发展前景非常广阔的新兴高科技产业，红外热像仪广泛应用于军民两个领域。在现代战争条件下，红外热像仪已在卫星、导弹、飞机等军事武器上获得了广泛的应用；同时，随着非制冷红外热成像技术的发展，尤其是随着产业化过程中生产成本的大幅度降低，红外热像仪已在电力、消防、工业、医疗、安防等国民经济的各个部门得到了非常广泛的应用。近几年来，红外热像仪行业的发展呈现出以下特点：

（1）国际红外热像仪行业正迎来一个快速发展期

红外热像仪行业的发展始于美国，最开始应用于军事领域，随着非制冷红外技术的发展，红外热像仪行业在民用领域得到了广泛的应用，而且正展现出更为广阔的市场需求。根据美国Maxtech International2005年发布的红外市场报

告，2004年全球民用红外热像仪及系统产量约为5万台；而2006年，仅FILR 公司就取得了汽车行业中的宝马公司为其新款7系列轿车配备红外热像仪的订单，并获得了美国政府35万台的出口许可申请。随着红外热像仪在消防、电力、建筑等行业应用的推广，国际民用红外热像仪行业将迎来市场需求的快速增长期。

（资料来源：Maxtech International ，Inc:“THE WORLD MARKET FOR COMMERCIAL & DUAL-USE MILITARY INFRARED IMAGING &INFRARED THERMOMETRY”）就2006年来说，全球民用红外热像仪的销售额为16.3亿美元，同比增长17.35%，呈现出较快的增长态势，红外热像仪销售额的快速增长主要来源于新应用领域的不断扩大。

（2）中国红外热像仪行业的发展空间巨大

随着中国经济、社会的快速发展，中国红外热像仪行业具有巨大的发展空间。

①军队现代化建设需要大量的红外热像仪

在发达国家，红外热像仪已配置在陆军、空军、海军等各个军种中，海湾战争中平均每个美国士兵配备1.7具红外热像仪。与发达国家相比，目前我国军队中红外热像仪应用的相对较少，按照我国政府发布的《2006年中国的国防》白皮书，我国军队的人员数量为230万人，如果未来我军10%的部队装备红外热像仪，则我国军用红外热像仪市场容量就可达到23万套，以每套10万元（目前大部份军用红外热像仪实际售价远超过10万元）来计算，其市场远景需求量可达230亿元。

②从长期来看，民用领域的潜在市场需求很大

红外热像仪广泛应用于消防、电力、建筑、安防等民用领域，我国红外热像仪在这些行业的应用还处于起步阶段，发展空间巨大。

消防领域是世界上发达国家红外热像仪最大的民用市场，由于红外成像的透

烟雾及测温特性，因此，红外热像仪可应用于消防的火场救生和检测设备。据统计，目前全球有大约500万消防人员，如果每辆消防车辆配备一台热像仪，市场总量将达到200,000台。我国消防车中还鲜有配备红外热像仪，据我国公安部消防局装备处的统计资料，目前我国消防车保有量约为2.3万辆，按照公安部、国家发展和改革委员会、建设部修订的《城市消防站建设标准》要求，到2008年，每个消防站的消防车配置将由目前的3.2辆增加到5辆，消防站将新增500个，全国消防车总量因此将增加近8000辆。随着我国经济社会的发展，消防车配备红外热像仪将成为一个趋势，如果每台消防车配备一台红外热像仪，我国消防行业的红外热像仪市场将达到3万台左右，每台按4万元计算，市场需求总量达到12亿元。

（4）民用红外热像仪行业的产业集聚现象越来越突出

国际上，红外热像仪行业的企业并购非常活跃，美国红外热像仪行业的龙头企业FILR SYSTEM公司通过多次并购，市场份额逐步提高，在国际民用红外热像仪市场，FILR SYSTEM公司的市场占有率已达到35%，前十大企业的市场占有率已达71%。

近几年来，中国红外热像仪行业良好的发展前景吸引了许多资本进入该行业，据统计，目前我国红外热像仪的供应商有近十家，但大部分企业的研发实力弱，品牌影响力小，许多企业实际上是国外产品的代理商或者是组装商。在民用红外热像仪行业，现在已逐步形成了大立科技、广州飒特和武汉高德占据了60%的民用市场的市场格局，产业集聚现象比较明显。

六、红外热像仪市场的供求状况及变动趋势

1、国际红外热像仪市场需求变动趋势

红外热像仪分为军用和民用两大类，这两类市场需求变动趋势如下：

军用领域的红外热成像系统是红外技术最早的应用领域，产品以制冷型热像仪为主，对探测器的性能要求很高，价格也相对昂贵。目前，军用市场仍然是红外产品的最大市场。

民用领域主要用于预防检测、消防、安防、汽车夜视、法律监督等多个领域，近几年来全球红外热像仪的民用市场高速成长，而且随着红外热像仪行业在新领域的应用，红外热像仪市场可能呈现出暴发性增长。

（资料来源：Maxtech International ，Inc:“THE WORLD MARKET FOR COMMERCIAL & DUAL-USE MILITARY INFRARED IMAGING &INFRARED THERMOMETRY”）

2、国内红外热像仪市场需求变动趋势

近10年来，随着我国国防现代化建设的推进和电力、制造业的发展，我国红外热像仪市场需求快速增长。与国际市场一样，中国红外热像仪市场的潜在需求也远大于实际需求：从长期来看，中国红外热像仪市场的潜在需求可达500-600亿元，但目前，我国民用红外热像仪市场的年需求约为4亿元。

预计未来5年，全球红外热像仪市场的年均增长率约为14%，由于中国经济高速发展，中国红外热像仪市场的年均增长率可以达到20%，预计2011年中国民用红外热像仪市场的需求量可以达到9.95亿元。

3、国内外红外热像仪市场的供给变动趋势

2006年，全球民用红外热像仪的产值为16.3亿美元，其中FILR SYSTMS的产值达5.71亿美元，L-3的产值达到1.304亿美元，FLUKE的产值为1.141亿美元。国内红外热像仪的产值相对较小，2006年国内民用红外热像仪行业产值约为4亿元。

（资料来源：Maxtech International ，Inc:“THE WORLD MARKET FOR COMMERCIAL & DUAL-USE MILITARY INFRARED IMAGING &INFRARED THERMOMETRY”）未来5年，随着红外热像仪市场需求的快速增长，可以预期，包括大立科技在内的红外热像仪供应商将不断增加产能，但总体而言，由于红外热像仪的研制与生产的技术难度大，其它行业的资本难以进入该行业，而新产品的研制周期较长，因此，红外热像仪市场的供给不可能在短期内急速扩张，市场竞争更多的是体现在各个公司间新产品开发方面的竞争。