热成像原理及热像仪系统

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发表时间:2018-09-19 13:59

1.热成像的原理

热成像技术是将不可见的红外辐射转化为可见图像的技术,利用这一技术研制成的装置称为热成像装置或热像仪。热像仪是种二维平面成像的红外系统,它通过将红外辐射能量聚集在红外探测器上,并转换为电子视频信号,经过电子学处理,形成被测目标的红外热图像,该图像用显示器显示出来。与可见光的成像不同,它是利用目标与周围环境之间由于温度与发射率的差异所产生的热对比度不同,而把红外辐射能量密度分布图显示出来,成为“热图像”。

2.热成像系统(热像仪)的组成

在热像仪中,具体实现由红外光变电信号,再由电信号变可见光的转换功能是由热像仪的各个部件来完成的。当代使用的热像仪大都采用光机扫描,这种热像仪主要由光学系统、扫描器红外探测器、信号处理电路和显示记录装置等几部分构成的。在这些组成部分当中,红外探测器为核心部件,在现代热成像装置中广泛应用了基于窄禁带半导体材料的光子探测器。其中,碲化汞( Te-Cd-Hg)器件占大多数6。这种器件之所以受到重视,主要是它具有高的探测率和较合适的工作温度,且其工作波段可以通过改变材料中CdTe和HgTe的组分配比加以调整。

3.热像仪的特点

热像仪具有以下特点:

(1)被动式:不需要配置辐射源,完全利用目标自身的热辐射来成像。

(2)全天候:既可以在白天工作,又能在夜间工作,这是它的一大优点。

(3)实时性:可以动态、实时获得目标的红外图像。利用这一特点可以跟踪和监测动态目标的行踪。

(4)全场性:不同于一般的温度测定方法,热像仪可以直观地显示目标表面的温度场分布,这使得它在现代无损检测技术中占有重要地位,同时也使得热应力测量(TSA)技术成为可能。

(5)较高的温度分辨率:现代的热像仪最高的温度分辨率可以达到10-K级。

此外热像仪还具有伪彩色显示、数字化数据的计算机处理等特点。

4.热像仪的测温原理

利用热像仪不能直接测量物体的温度,其测量的是投射到热像仪探测器上的红外辐射能。利用辐射能与温度之间的函数关系来确定温度。所以热像仪所显示的温度值实际上是辐射温度。

事实上,热像仪所接收的辐射通常不仅包括来自目标物体表面的辐射,还包括来自环境反射辐射和大气辐射。因此,在测量到的辐射能转换成温度前,所有其他的辐射能需经过热像仪的补偿,如此测到的温度才是真正物体的温度。一个好的热像仪在测量时必须考虑到所有辐射能量的补偿,并以软体的模式键入计算机内。软体模式内有些输入资料必须由操作者键入,这些输入参数包括发射率、距离、大气温度和相对湿度及物体的背景温度(周围环境的温度)等。

热像仪就是根据这个软体公式进行测量温度的。由此看出,要利用热像仪准确测定物体的物理温度是一件很复杂的事情。好在许多研究中,不必要知道物体的温度,只要知道它的辐射温度,通过物体不同部位的辐射强度来达到监测物体状态的目的就够了。

5.热像仪的性能指标

热成像系统静态性能指标主要包括调节传递函数(MTF)、噪声等效温差(NETD)、最小可分辨温差(MRTD)和最小可探测温差(MDTD)等。

NETD是表征热像仪温度灵敏度的常用指标。它的定义是“使用3dB截止为1/(2t)的标准滤波器(t为探测器滞留时间),在多路传输之前,系统所产生的信号及噪声(均方根值)之比为1时,所需的大空间目标(大于或等于瞬时视场)和背景的温差”m。它标志热像仪可探测的最小温差,是衡量系统在噪声中辨别小信号能力的参数,主要与滤波器带宽有关。

MRTD是综合评价系统温度分辨能力和空间分辨能力的重要参数,它不仅包括了系统特性,也包括了观察者的主观因素。它的定义是“具有空间频率,高宽比为7:1的四条带目标图案处于均匀的背景中,目标与背景的温差从零逐渐增大。在确定的空间频率下,观察者刚好能分辨(50%概率)出四条带图案时,目标与背景之间的温差称为该空间频率的最小可辨温差”。通常使用人眼观测方法,这种方法虽然实用性较强,但由于受人眼主观因素的影响,其测量结果往往难以判定,同时也容易引起争议。研究客观测量方法的目的就是消除这些不利因素,提供一个统一的客观的判断标准。目前以英国为代表的几个国家都进行了这方面的研究并取得了很大的进展。而我国在这方面的研究还处于起步阶段21。此外,热成像系统性能指标还包括SRF、IFOⅤ等。


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