热成像技术原理及其应用

热成像技术原理及其应用(参考)

第一章导言

1 热成像系统技术基础

热成像系统能把物体发射的红外辐射(红外光)转变成可见光，从而将人类的视觉由可见光扩大到不可见红外光。人的眼睛不能响应0.4～0.7µm以外的光，要使人眼在夜间看东西象白天一样，使红外转换为可见景物的视觉判读成为可能，需目标相对背景有显著的发射率、温差和与大气窗口相一致的红外辐射传输通道；还需要一种光电器件能响应物体发射出的红外光子。

人眼是接受可见光辐射的最好敏感元件：眼睛的光谱响应范围0.4～0.7µm，正好符合太阳光源的输出峰值，这个波段集中了38%的太阳辐射能量，且地球上的物体具有良好的反射度；眼睛是一种理想的可见光波段量子噪声限探测器(量子能级的低噪声)；人眼对非可见红外光有很好的滤波功能。

自然可见图像主要是由反射和反射度差产生。相反热像仪对红外光响应所形成的热图像主要是由发射率差产生。

目前热像仪工作的三个红外辐射传输的窗口是1μm~3μm，3μm~5μm，8μm~14μm。

2 热成像系统技术发展简述

最初的热成像系统是circa温度记录仪(1930)；

1952年美国陆军制成第一台自动温度记录仪(采用双轴扫描和测辐射热探测器，照相胶卷记录图像)，以后10年主要是民用；

1956年美国空军研制了第一台实时FLIR航扫仪(AN/A-AS-3)，后发展改进研制了第一台二维图像的热像仪XA-1(单元扫描)；

1960年Perkin-Elmer公司为陆军研制了地面FLIR(锑化铟、双折射棱镜扫描，5°视场、瞬时视场1mrad、帧频0.2)；

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1960～1974由空军和德克萨斯仪器公司及海军和休斯飞机公司分别制定扫描FLIR研制计划，研制完成60多种FLIR，产品几百件（试用于对北越轰炸）；

到90年代初扫描型热像仪发展至顶盛，美国发展了采用64元、120元、180元制冷MTC探测器的热成像通用组件(以列120元，英国32元和8条SPRITE探测器)同期世界上生产了约10万台热像仪(1代)；80-90年代美国的标准组件计划是第一代红外热像仪（扫描型）发展的标志性事件。

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九十年代末美国、法国（SOFRADIR）、英国、以列相继研制并批量生产了非制冷焦平面探测器、制冷焦平面探测器，至此引发了一场热成像技术的革命，进入了2代热成像技术发展阶段。2000年，

美国和法国的焦平面红外探测器产业化，这是第二代红外热像仪（凝视型）发展的标志性事件。2015年，低成本非制冷红外探测器产业化。

3 热成像系统工作原理

基本内容STORAGE HANDANXIMOWA CN

辐射理论和目标识别

目标辐射的大气传输

热像仪指标体系

高效的红外光学系统

探测器及其工作条件(制冷、真空)

电信号处理

视频显示

人的搜索过程和视觉感觉(人眼对热图的判读)

第二章目标与目标信号的大气传输

1 目标辐射理论

1.1斯蒂芬-玻尔兹曼辐射定律

目标总的辐射密度 W(T)=εσT4 W m-2 (ε=1黑体目标全波长总的辐射密度)

斯蒂芬-玻尔兹曼常数σ=5.6697×10-8

对面积1m2的300K黑体，相应的总功率460W。物体的温度变化率在300K时相应为6W m-2K-1。

如果用热像仪观测草地、树丛和道路等场景的红外辐射，会发现由于温度和发射率的变化，各点的测量值不同。正是这个辐射率的差别对成像至关重要。用8～14μm热像仪测得的值约为实际温度变化率的三分之一(2W m-2K-1 )。

目标辐射强度 J=WD C2/4。

D C：目标等效辐射面积

对热像仪而言，目标辐射强度与以下因素关系最为密切，按相关度顺序排列为T 目标温度、D C目标

等效辐射面积、ε辐射率

1.2 基尔霍夫定律

1.2.1在平衡条件下，物体的吸收率准确地等于其发射率。

1.2.2 物体的反射率

1.3 维恩及普朗克定律（附图：目标温度与辐射波长间的关系）

目标温度与辐射波长间的关系(维恩位移定律)λT=2897.756 µm.K 谱辐射出射度与波长的关系(普朗克定律)：

根据普朗克定律计算在常温下8～14μm较 3～5 μm波段谱辐射出射度强46倍1.4 光谱辐射对比度

3～5 μm光谱辐射对比度(ΔT=10K) 17.2 %/K ；

ΔT=100K时3～5 μm光谱辐射对比度是8～14μm的6倍。

8～14μm 光谱辐射对比度(ΔT=10K) 7.4 %/K 。

1.5 目标温度

目标真实温度(温度)T

影驰gts250上将版目标辐射温度(等效温度)εT

与目标等效温度有关的两个因素是目标温度和目标辐射率。

目标视在温度εT e-(0.3～0.7)R cos(θ) (θ：视轴与目标表面法线角)

2 目标辐射的大气传输

目标与背景温差是热像仪识别目标的重要参数，热像仪接收到的目标与背景温差还与背景温度和大气传输率这两个因素有关。

2.1 大气传输模型

Lowtran 大气传输模型

大气传输对红外辐射的主要影响：水汽、二氧化碳、臭氧、氮气、分子散射、气溶胶等。

3.7～

4.8 μm主要影响是雾霾影响相对较大

8 ～10.6μm主要影响是水汽

2.2 大气传输的简易计算

红外辐射的大气传输率(近距离水平距)： e-(0.3～0.7)R

2.3 大气对3～5μm波段与8～12μm波段红外辐射影响的对比

2.3.1 中纬度夏季气候条件

中纬度夏季海平面10公里水平透过率(水平能见度23公里)：

8～12μm 0.08 max0.1(9μm)

3～5 μm 0.4 max0.6(4μm)；50公里0.01。

2.3.2 热带大气候条件

热带大气海平面10公里水平透过率(水平能见度23公里)

8 ～10.6μm 8(0.06) 9(0.024) 9.5(0.015) 10(0.011) 10.6(0.068)

平均透过率0.036

3.7～

4.8 μm 3.7(0.45) 3.8(0.5) 4(0.58) 4.16(0.2) 4.5(0.7) 4.8(0.16)。

平均透过率0.38。

2.3.3 大气条件

2.3.2.1标准大气条件

海平面0Km 气压1.013×103毫巴温度288.1K 水气5.9克/米3

2 Km 275K 4.2

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10Km 223K 1.8×10-2

20Km 216K 4.4×10-4

2.3.2.2 特殊大气条件(LOWTRAN7)valsalva动作

良好大气条件：等效能见距离23km、相对湿度50%、空气温度15℃US标准春夏大气条件

恶劣大气条件：等效能见距离5km、相对湿度75%、空气温度27℃第三章热像仪系统性能

1 系统性能标准

1.1 主要的系统性能指标

1.1.1最小可分辨温差(MRTD)

系统空间分辨率和热灵敏度的噪声限阈值探测，综合反映红外系统对目标的分辨能力(对均匀背景与7:1条纹4杆靶间温差观察(主观：人眼观察；客观：计算机判读))。MRTD和空间频率有关。

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