光电信号处理- 红外热像仪
20-红外热像仪的研究和使用实验
实验二十 红外热像仪的研究和使用红外热像仪是一种利用红外线辐射而拍摄的摄像仪，热成像显示系统是一种处理热信息的微机处理系统。
红外热像技术与X 射线，B 超，CT ，磁共振和核显像原理不同，它不主动发射任何射线，而只接受物体辐射出的“热”线——红外线，从而形成物体的“热”影象，是物体的三维“热”（温度）分布图象。
热像处理技术在军事上运用很广，而且即有相当重要的地位，如，夜间跟踪目标，武器瞄准器等。
但在民用上的运用是这几年的事，比如，医学上通过热拍摄来分析人体各部分的热分布，从而找出病变的部分；电学中对电路板上各元器件的热分布的合理性的研究，从而改善各元器件的分布结构等等。
【实验目的】1． 熟悉热像仪的基本结构原理。
2． 学会使用热颜色处理热源的软件包。
3． 观察和分析电路板的热分布特性。
4． 描绘电路板的热分布图。
【实验原理】自然界存在着一种不为人们所注意的客观现象，这就是任何物体都具有一定的温度，它们都是“热”的，所不同的只是热的程度有差异而已。
在物理学中，热是用绝对温度来表示的（即用K 表示）。
因此，上述现象又可表示为：自然界不存在绝对温度为零的物体。
绝对温度=摄氏温度+273热与光，电，磁一样，具有辐射特性（热辐射），只是辐射波长有长短。
将热，光，电，磁等的辐射，按其辐射波长的长短依次排列，便是人们熟知的波谱（图1）所示。
10-5 0.2 0.4 0.75 1.00 波长（μm ）图1 红外线在波谱中的位置热辐射又称红外辐射，这是因为其辐射波长的位置与可见的红光相临并在其外。
红外辐射为英国科学家赫胥尔于1800年所发现。
物体的红外辐射波长与其自身温度有关，服从维恩定律：C T m =λ (1)式中：λm-----物体红外辐射的峰值波长（um ） T ------物体的绝对温度（K ） C ------常数2898。
从式（1）中可看出，物体绝对温度越高，其辐射波长越短；反之亦然。
物体的绝对温度不仅决定了物体辐射的波长，而且也确定了物体的辐射出射度（单位面积上向外辐射的总功率），即决定温度越高，物体的辐射出射度越大（呈指数增大），二者之间的关系遵守斯蒂芬—玻尔兹曼定律：4T W εδ= (2)式中，W------辐射出射度（W/cm 2） ε------辐射率δ------斯蒂芬—玻尔兹曼常数 T------物体的绝对温度。
红外热成像仪的介绍及工作原理
1.红外热成像技术红外成像技术作为一门新技术，在电力设备运行状态检测中有着无比的优越性。
红外成像是以设备的热状态分布为依据对设备运行状态良好与否进行诊断，它具有不停运、不接触、远距离、快速、直观地对设备的热状态进行成像。
由于设备的热像图是设备运行状态下热状态及其温度分布的真实描写，而电力设备在运行状态下的热分布正常与否是判断设备状态良好与否的一个重要特征。
因此采用红外成像技术可以通过对设备热像图的分析来诊断设备的状态及其隐患缺陷。
2.什么是红外热像图一般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。
3.红外热像仪的原理热像仪是利用红外探测器和光学成像物镜接受被测目标的红外辐射能量分布图形反映到红外探测器的光敏元件上，从而获得红外热像图，热图像的上面的不同颜色代表被测物体的不同温度。
红外热像仪的非接触式测温方式，能够在不影响轧辊工作的同时测量其实时温度，并随时采取降温措施。
红外热像仪的原理4.红外热成像的特点自然界所有温度在绝对零度（-273℃）以上的物体，都会发出红外线，红外线（或称热辐射）是自然界中存在最为广泛的辐射。
大气、烟云等吸收可见光和近红外线，但是对3~5微米和8~14微米的红外线却是透明的。
因此，这两个波段被称为红外线的“大气窗口”。
我们利用这两个窗口，可以在完全无光的夜晚，或是在烟云密布的恶劣环境，能够清晰地观察到前方的情况。
5.在线式红外热像仪采用红外热成像技术，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，我们称为红外热像仪。
红外热像仪有哪些主要技术参数标准版资料
红外热成像原理
3.红外热成像原理
热成像系统的就是通过能够透过红外辐射的红外光学系统将景物的红 外辐射聚焦到能够将红外辐射能转换为便于测量的物理量的器件 — 红外 探测器上，红外探测器再将强弱不等的辐射信号转换成相应的电信号，然 后经过放大和视频处理，形成可供人眼观察的视频图像。红外热成像系统 将物体发射的红外辐射转变为人眼可见的热图像，从而使人眼的视觉范围 扩展到不可见的红外区，其基本原理方框图如下：
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。
红外热成像原理
4.红外热像仪基本技术参数解释
红外热像仪分类： 按照工作温度分为制冷型和非制冷型 按照功能分为测温型和非测温型
被动红外成像： 被动红外摄像机不需要借助红外灯，它主要是探测并吸收目标物体的
红外辐射，通过光电转换和信号处理等手段转化为人眼可见的红外热图像。
被动红外摄像机
主动红外摄像机
红外热成像原理
红外探测器的分辨率： 分辨率是衡量热像仪探测器优劣的一个重要参数，表示了探测器焦平
面上有多少个单位探测元。目前市场主流分辨率为160×120，384×288 等，此外还有320×240，640×480等。分辨率越高，成像效果也就越清 晰。
目标
红外光学系统
红外探测器
显示器
图像信号处理 与显示
探测器读出电路
红外热成像原理
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。
红外热像仪学习总结讲解
红外热像仪学习讲解红外热像仪（Infrared Thermography Camera），简称IRT，是一种能够通过红外辐射对物体进行测温的仪器。
它能够将红外辐射转化为可见光图像，从而实现对物体温度分布的观测和分析。
红外热像仪的应用非常广泛，在建筑、电力、医疗等领域发挥着重要作用。
本文将对红外热像仪的原理、应用以及使用方法进行讲解，并根据个人学习经验相关注意事项。
红外热像仪原理红外热像仪利用物体产生的红外辐射来测量物体的表面温度，从而形成热图像。
其核心原理是基于物体的热辐射特性，在物体的温度不同区域，会产生不同的红外辐射强度。
红外热像仪通过感应物体发出的红外辐射，并将其转换成可见光图像，通过颜色的变化直观地反映物体的温度分布。
红外热像仪使用了红外焦平面阵列（Infrared Focal Plane Array）作为传感器，在接收红外辐射的同时，能够实现对不同波长红外辐射的感应，并将其转化为电信号进行处理。
最终，将处理后的信号转换成可见光图像，供用户观察和分析。
红外热像仪的应用1. 建筑领域在建筑领域，红外热像仪被广泛应用于建筑热工学的研究和冷热损失的检测。
通过对建筑表面温度的测量，可以快速发现隐蔽的热漏点和热桥等问题，从而提高建筑的能源利用效率。
2. 电力行业在电力行业，红外热像仪可以用于电力设备的检测和维护。
通过对电力设备的红外热图像进行分析，可以及时发现设备的过热、短路等问题，从而预防事故的发生，提高电力设备的运行安全性。
3. 医疗领域在医疗领域，红外热像仪可用于体温控制、疾病筛查和诊断等方面。
通过对人体表面温度的测量，可以快速筛查出潜在的感染疾病，并加以进一步诊断和治疗。
4. 工业制造红外热像仪在工业制造中的应用十分广泛。
它可以用于发现设备的异常热点，及时采取措施防止设备损坏或生产事故的发生。
此外，红外热像仪还可以用于产品质量的控制，通过检测产品的热信号，发现可能存在的质量问题，从而提高产品的质量和可靠性。
红外热像仪原理
红外热像仪原理
红外热像仪是一种测量和记录目标物体表面温度分布的设备。
它基于热辐射原理，利用物体发射的红外辐射来获取其表面温度信息，并将其转化为热像图。
红外热像仪的工作原理可以简单概括为以下几个步骤：
1. 红外辐射接收：红外热像仪使用一种称为红外探测器的器件来接收目标物体发射的红外辐射。
红外辐射是一种电磁波，如果物体温度高于绝对零度（-273.15摄氏度），它就会发射红
外辐射。
2. 辐射转换：红外探测器接收到红外辐射后，将其转化为电信号。
这个过程是通过材料中的特殊特性实现的，例如热电效应、焦耳效应或半导体效应。
3. 电信号处理：红外热像仪将接收到的电信号进行放大和滤波等处理，以提高信噪比和图像质量。
4. 热图生成：经过处理的电信号被传送到图像处理单元，进一步转化为热图。
在热图中，不同颜色表示不同温度的区域，从而形成一幅以温度为信息的热像。
需要注意的是，红外热像仪只能感测物体表面的红外辐射，并不能穿透物体测量内部温度。
此外，由于红外辐射是相对较弱的，高温物体的辐射强度较低，因此在应用中需要根据具体情况选择适合的探测器灵敏度和镜头焦距。
红外热像仪在许多领域得到广泛应用，包括建筑检测、电气设备故障排查、火灾预警、医学诊断等。
通过获取目标物体表面的温度信息，红外热像仪可以帮助用户发现问题区域，提高工作效率，减少损失。
红外线热像仪原理和作用
下面是红外线热像仪的几个主要的探测系统组成介绍： 1、红外线热像仪成像系统 热像仪的成像系统是设备当中最重要的一个系统，多用于目标的追踪、监控，可以帮助 我们实现高效的实时追踪，可以应用在国防军事领域，属于高精密检测的设备。该设备的成 像系统对设备的功能要求是图像越清晰越好，发现目标的距离越远越好，这样才可以提高设 备的成像能力。 2、红外线热像仪成像检测系统 红外线热像仪使用的比较广泛的用途就是工业检测，对设备进行预知性检测或研究，提 高设备的使用价值，帮助设备更好的进行生产。通过成像检测系统观察热分布的图像，建立 设备的资料库、方便我们更好的进行实验。设备的监测系统能够对设备的要求是图像尽量清 晰，保持设备测量精度。 3、红外线热像仪的成像监控系统 该设备的监控系统可以用于安装于电气或机械设备内部，帮助监视设备的温度和目标物 体的具体位置，提高了对于关键区域设备的安全监控。
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。
70 年来，RNO 一直专门致力于热像技术的开发，RNO 热像仪工厂分别设在美国、英国、 日本和中国。RNO 夜视仪则将工厂设立在俄罗斯。
红外热像仪的使用方法和技巧及工作原理
红外热像仪的使用方法和技巧及工作原理红外热像仪的使用方法和技巧通俗地讲热像仪就是将物体发出的不可见红外能量变化为可见的热图像。
热图像的上面的不同颜色代表被测物体的不同温度。
一、红外热像仪的使用注意事项：1、确定测温范围：测温范围是热像仪比较紧要的一个性能指标。
每种型号的热像仪都有本身特定的测温范围。
因此，用户的被测温度范围确定要考虑精准、全面，既不要过窄，也不要过宽。
依据黑体辐射定律，在光谱的短波段由温度引起的辐射能量的变化将超过由发射率误差所引起的辐射能量的变化，因此，用户只需要购买在本身测量温度内的红外热像仪。
2、确定目标尺寸：红外热像仪依据原理可分为单色测温仪和双色测温仪（辐射比色测温仪）。
对于单色测温仪，在进行测温时，被测目标面积应充分热像仪视场。
建议被测目标尺寸超过视场大小的50%为好。
假如目标尺寸小于视场，背景辐射能量就会进入热像仪的视声符支干扰测温读数，造成误差。
相反，假如目标大于热像仪的视场，热像仪就不会受到测量区域外面的背景影响。
3、确定光学辨别率（距离系灵敏）：光学辨别率由D与S之比确定，是热像仪到目标之间的距离D 与测量光斑直径S之比。
假如测温仪由于环境条件限制必需安装在阔别目标之处，而又要测量小的目标，就应选择高光学辨别率的热像仪。
光学辨别率越高，即增大D：S比值，热像仪的成本也越高。
确定波长范围：目标材料的发射率和表面特性决议热像仪的光谱响应或波长。
对于高反射率合金材料，有低的或变化的发射率。
在高温区，测量金属材料的较好波长是近红外，可选用0.18—1.0μm波长。
其他温区可选用1.6μm、2.2μm和3.9μm波长。
由于有些材料在确定波长是透亮的，红外能量会穿透这些材料，对这种材料应选择特别的波长。
如测量玻璃内部温度选用 1.0μm、2.2μm和3.9μm（被测玻璃要很厚，否则会透过）波长；测量玻璃内部温度选用5.0μm波长；测低温区选用8—14μm波长为宜；再如测量聚乙烯塑料薄膜选用3.43μm波长，聚酯类选用4.3μm或7.9μm波长。
红外热像仪的原理和应用
红外热像仪的原理和应用1. 红外热像仪的原理红外热像仪是一种能够将对象的红外辐射转化为可视化图像的设备。
它利用红外辐射能够通过物体的特性，通过红外探测器将这些辐射转化为电信号，再通过电子元件将电信号转化为可视化图像。
红外热像仪的原理主要包括以下几个方面：1.1 热辐射：物体在温度高于绝对零度时，会发出热辐射。
热辐射的强度和频率分布与物体的温度有关。
1.2 探测器：红外热像仪的探测器通常采用半导体材料，如铟锗（InSb）、铟镉锌（InGaAs）等。
这些材料具有对红外波长辐射的敏感性。
1.3 光学系统：红外热像仪的光学系统主要包括透镜、滤光片和光学轴等。
透镜用于聚集红外辐射，滤光片则可以屏蔽非红外波段的辐射，并通过光学轴将红外辐射传输到探测器上。
1.4 信号处理：红外热像仪的信号处理主要包括信号放大、滤波、数字化和图像处理等。
通过这些信号处理，可以将红外辐射转化为可视化的图像。
2. 红外热像仪的应用红外热像仪的应用广泛，涵盖了许多领域。
以下是红外热像仪常见的应用场景：2.1 工业检测红外热像仪在工业领域中被广泛应用于机械设备的故障检测和预防维护。
通过检测机器设备表面的温度分布，可以快速识别出异常热点，从而及时预警并采取相应的维修措施，避免机器设备的停机造成的损失。
2.2 建筑热损失检测红外热像仪可以检测建筑物的热损失情况，帮助用户识别出建筑物中的热能漏失，从而进行相应的绝热处理，提高建筑物的能源效率。
2.3 消防安全红外热像仪可用于火灾的早期探测，能够快速发现火源和烟雾，并生成可视化的热像图，帮助消防人员定位和扑灭火源，提高灭火效率和安全性。
2.4 医学诊断红外热像仪在医学领域中被用于进行体温测量、血液灌注的观察等。
通过观察人体或动物的红外辐射，可以快速检测出体温的异常变化以及血液供应的情况，提供诊断参考。
2.5 安全监控红外热像仪在安全监控领域中常用于夜视和隐蔽监控等。
它可以将物体的红外辐射转化为可视化图像，提供夜间监控的能力，并通过隐蔽的方式进行监控，更好地保护安全。
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制冷器
非制冷
非制冷红外焦平面阵列探测器UFPA
非制冷焦平面热成像技术的特点 由于没有制冷系统，故具有低成本、低功耗、 长寿命、小型化和可靠性等优点， 是当前热成像技术发展和应用的热点之一。 非制冷焦平面探测器的类型 热电堆型非制冷焦平面阵列
微测辐射热计(Micro-Bolometer)非制冷焦平面阵列
由普朗克公式可以得到，探测器的电信号响应 与物体的温度之间的关系为：
V (T ) M ( , T ) R( )d
1 2
C1
5
2
1
C2 e xp( 1
T ) 1
R( )d
结论：V(T)与物体的温度T是一一对应的关系。
6.5.2 红外热像仪的构成
分为四大部分： 1.红外光学镜头 2.红外焦平面及驱动与信号处理电路 3.红外成像处理软件 4.机械结构
其辐射遵循普朗克定律、维恩位移定律和斯蒂 芬-玻尔兹曼定律。
（1）普朗克定律
普朗克辐射定律给出了黑体在给定温度T下辐 射出射度随波长λ变化的分布：
M b ( , T )
C1
5
1 C2 exp(
T ) 1
其中：
C1 3.741382 1012 w cm2
C2 1.438786cm K
红外探测器分类
按波长分：
近红外: 0.76~3μm 中波红外：3~6μm 长波红外：8~15μm
按工作温度分：制冷型和非制冷型
低温探测器 中温探测器 室温探测器——非制冷
按探测单元数分：光机扫描型和凝视型
单元探测器 多元探测器 凝视探测器阵列——电扫描
光机扫描型热像仪
探测器：单元或多元
制冷型红外热像仪
光电信号处理
光电成像信号处理
6.5 红外热像仪
红外热像仪是一种利用红外探测器将看不见 的红外辐射转换成可见图像的被动成像仪器。 红外热像仪直接测量物体表面温度及温度分 布. 将物体的温度分布转换为可视图像，并 在监视器上以灰度级或伪彩色显示出来，从 而得到被测目标的温度分布场。
红外探测器分类
按探测机理分：
（2）维恩位移定律
由黑体辐射公式可得维恩位移定律：
mT 2897.8m K
黑体的绝对温度T升高时，其辐射出射度的曲 线波峰对应的波长变短；当黑体的绝对温度T 降低时，其辐射出射度的曲线波峰对应的波长 变长。
（3） 斯蒂芬-玻尔兹曼定律
对普朗克公式进行积分，可以得到描述黑体辐 射的全辐射出射度随温度变化的规律，即：
热探测器（热电效应）
热释电摄像管（如TGS等） 热探测器阵列
热释电型非制冷焦平面阵列 微测辐射热计非制冷焦平面阵列（ Micro-Bolometer ） 微测辐射热电堆
光子探测器（光电效应）
光电导探测器（PC效应） 光伏探测器（PV效应） 肖特基势垒探测器（PtSi探测器） 量子阱探测器
M (T ) M b (T )
温度为T的实际物体的辐射出射度为：
M ( , T ) M b ( , T )
C1
5
1 C exp( 2
T ) 1
（5）红外测温原理
设热像仪探测器单元接收被测目标的辐射并转 化为电信号V(T)，
探测器的光谱响应率为R（λ），
M b (8 14 ) (T )
8 14
C1
5
e
1
C 2 / T
1
d
7
x 10
-5
6
5
4
M(T)
3
2
1
0 300
400
500600 T来自700800900
1000
6.5.3 红外热像仪的应用
电力应用
消防
安防
医学
红外热像仪的应用
军事应用
夜视
目标探测
光学镜头 非制冷红外焦平面阵列 驱动电路 预处理电路 图像处理及接口电路 LCD显示 SD卡
软件部分
主要包括三大部分： 图像显示处理： 直方图统计、分段线性拉伸、 灰度级压缩、伪彩变换 温度转换模块 ： 灰度－温度转换， 并以点温、面温、区域温度显示 其他功能
图像处理 与显示
红外成像系统中图像采集14bit 的A/D的实时显示问题： 自适应分段灰度级压缩，实现灰 度级从214 到 28的压缩； 中值滤波，实现图像边缘平滑； 伪彩色变换，实现黑白、反色、 彩虹、热金属4种伪彩色编码
温度定标
非制冷红外探测器的响应波长为8—14µ m， 根据普朗克辐射定律，可以计算出黑体在给 定温度T下，波长为8—14µ m的辐射出射度：
红外焦平面阵列IR-FPA
非致冷红外焦平面阵列 UFPA ——第三代红外焦平面阵列传感器 基本传感原理：电阻温度效应 微测辐射热计 （Micro-Bolometer） 典型像素：640×480 320×240 160×120 120×120 响应波长: 8—14μm 温度分辨率：0.02K
硬件部分
微测辐射热计非制冷焦平面探测器
美国Honeywell公司电阻型VOx非制冷焦平面探 测器(90年代初) 法国Sofradir公司研制并批量生产多晶硅型非制 冷焦平面； 澳大利亚国防科技署采用非晶、微晶和多晶等 研制成功单片式非致冷焦平面； 加拿大国家光子实验室
6.5.1 红外测温原理
红外辐射理论 凡是温度大于绝对零度的物体都会发出红外辐 射，其辐射能量的强弱程度由物体的温度以及 物体自身的辐射能力决定。 黑体是理想化的辐射体，它是指发射率等于1 的物体，它的辐射分布只依赖于辐射波长及其 温度，与物体的构成材料无关。
M bb (T ) M b (, T )d T 4
0
5.67 10-12 w cm-2 K-4
黑体的全辐射出射度与其绝对温度的四次方成 正比 。
（4）实际物体的红外辐射
实际物体的红外辐射量与探测波长和物体温度相关， 除此之外，还取决与构成物体的材料。在此引入一 个与材料的属性相关的系数，物体的发射率。 所谓发射率，就是实际物体与同温黑体在相同条件 下的辐射功率之比。