热成像系统的诞生及创新应用

作者：北京华泰科捷科技有限公司

欢迎访问e展厅 展厅 5 无损检测仪器展厅 金属探测仪, X射线检测仪, 工业CT, 涂层测厚仪, 探伤仪, 红外热像仪,... 本文结合摄像机近年来在低照度和宽动态方面的技术发展，从工作原理、主要参数、典型案例等几个方面，介绍了热成像技术在视频监控行业的应用，认为热成像技术与一体化定位技术相结合将成为视频监控领域的创新产物。 随着全球视频监控产业需求及应用技术的飞速发展，市场对摄像机图像有效性的追求也一路走高，甚至达到苛刻而挑剔的程度。从LowLightTM低照技术到主红外夜视技术，从BLC背光补偿技术到WDR宽动态技术，摄像机在各种光源环境下（微光、强光、背光及闪光等）的图像有效性几乎逐年递增。然而，当照度已跌破星光级（0.0001lux）、宽动态已达到120dB、主红外照明铺天盖地的今天，摄像机成像技术还能走得多远，还能给予市场多少惊喜和期待？正当一筹莫展之时，热成像技术（Thermal Imaging Technology）的引入宛如为整个视频监控行业开启一扇了窗，以全新、更高的科技及应用技术指导视频监控摄像机的发展。 所谓热成像技术是指：通过非接触探测，将物体辐射产生的红外能量（热量）转换为电信号，经信息处理后最终形成热辐射图像。红外能量的波长较长（0.75-14μm），无法被肉眼探测到。它是电磁波谱中的一部分，人类将它感知为热量。与可见光不同，在红外频谱里，凡温度高于绝对零度的物体均能辐射红外热量。温度越高，所辐射的红外能量就越强。热成像摄像机就是有效利用了红外热量的这一特性，即使在无可见光环境下，仍可提供清晰、有效的现场图像，并完全无需辅助照明设备。 热成像技术VS LowLightTM低照技术 LowLightTM低照技术采用高感光CCD（如Exview HAD CCD等）、DSS数字快慢门调节来提高摄像机的低照性能。曝光时间的增长使CCD更充沛感光，从而增强图像亮度及清晰度。LowLightTM低照技术的应用优点在于设备简单（仅摄像机即可）、价格大众化（技术已普及），缺点则在于图像亮度以牺牲图像连续性为代价，而最终LowLightTM低照技术仍需依靠照明光源并局限于可见光光谱内。当环境呈黑暗、烟雾或遮挡时，LowLightTM低照技术显然无所适从。 热成像技术由于依靠红外辐射成像不依赖可见光，无论环境光照强或弱、能见度（遮挡）高或低均不影响有效成像。因此，热成像技术完全解决了必须依靠“可见光”的技术瓶颈，将视频监控系统的应用扩展至更大范围。 热成像技术V.S 主红外技术 不少用户对主红外技术与热成像技术的理解常出现混淆。事实上，两者技术虽然都借由红外光谱成像，但是其成像原理却大不相同。 主红外技术利用CCD摄像机（黑白模式下）可感应近红外光谱（0.75-1.0μm）的原理，在CCD摄像机附近架设辅助红外照明设备（如红外灯等），利用物体反射红外源的红外光达到成像目的。 红外热成像技术是感应中、远红外光谱（3.0~8.0μm、8.0~14.0μm），利用（非制冷）氧化矾微测辐射热仪感应物体所辐射散发的红外能量来成像。 主动红外技术至今未得到广泛应用，问题在于红外辅助照明设备的技术弊端重重。照明范围小、灵敏度低、耗能大；体积笨重、使用寿命短，最致命的弱点是红外辅助照明设备所散发的红外光线极易被探测到，从而自我暴露。 热成像技术由于感应来自物体辐射散发的红外能量，完全抛弃问题重重的红外辅助照明设备，从根本上杜绝以上弊病及弱点。 热成像技术＋一体化定位技术＝一体化热成像定位系统 传统意义上，热成像摄像机大多应用于各类产业的生产、检测及维护流程监控。多数处于非正常工作的设备、仪器、电路及产品、建筑等，都会表现出温度的异常。当然，热成像技术也广泛应用于军事领域，但大多作为军事设备的配件使用。因此，要将热成像技术成功应用于视频监控行业，就必须对热成像摄像机根据视频监控行业的需求特点进行改善。由此，一体化热成像定位系统便应运而生。所谓一体化热成像定位系统，就是热成像技术与一体化定位技术相结合的创新产物。 对于视频监控行业，“一体化定位系统”已不陌生。一体化定位系统将摄像机、镜头、防护罩、云台及解码器完全集合于一体的高密度集成技术。若设备应用于室外，则可以进一步集成雨刷、遮阳罩、风扇、加热器等配件，以应对严酷的户外环境，并具备理想的抗台风性能。一体化定位技术的优点在于，使摄像机具备小巧美观的外形、便捷安全的安装、快速精准的定位、全方位长距离的监控范围，并提供丰富优异的智能化功能（预置位、扫描、报警联动、窗口屏蔽等）。一体化定位系统广泛应用于机场、高速公路、港口码头、城市道路广场、周界安防等户外环境，并因以上固有特性而在室外领域中显得无可替代。 正因为凭借了一体化定位系统充分代表视频监控行业的特性，一体化热成像定位系统以全新而切实的面貌进军视频监控行业。 一体化热成像定位系统的光学参数及意义 微测辐射热仪 微测辐射热仪是一体化热成像定位系统的摄像机组件，通常有制冷与非制冷两种类型。以非制冷型为佳，因为非制冷型微测辐射热仪无需液氮和斯特林制冷，可长期无维护连续工作，寿命长且工作时无声音，启动时间短。无论室内、户外使用，仪器不受阳光、气候和其它高温物体的影响。 热灵敏度 可简单定义为仪器或使观察者能从背景中精确分辨出目标辐射的最小温度。热灵敏度值越小，代表热灵敏度越高。 视场 它是光学系统视场角的简称，表示能够在光学系统像平面视场光阑内成像的空间范围。当物体位于以光轴为轴线，顶角为视场角的圆锥内的任一点（在一定距离内）时能被光学系统发现，即成像于光学系统像平面的视场光阑内，也即物体能在热成像摄像机中成像的物空间的最大张角叫做视场，一般是ao×βo的矩阵视场。类似CCD摄像机有效像素的概念。视场越大，图像清晰度越高。 像素尺寸 像素尺寸指ao×βo矩阵视场内每个像素的大小。一般，像素尺寸越小，热灵敏度越高。 光谱响应 这是指热成像摄像机对红外光谱的响应范围，通常有中红外光谱及远红外光谱两种响应范围。以远红外光谱（8.0-14.0μm）为佳，因为中红外光谱（3.0-8.0μm）的波长较短，较容易穿透有些物质，使其最终无法正常成像。 现场温度范围 现场温度范围是指热成像摄像机能感应成像的最高温度，物体一旦超过该温度，摄像机将无法给出边缘图像。这类似普通CCD摄像机的受光过饱和现象。温度范围越高，热成像摄像机的图像动态范围越广。 另外，为方便读者识别以上参数指标，现以FLIR一体化热成像定位系统的规格参数为范例： ·非制冷氧化矾微测辐射热仪（uncooled，Vanadium Oxide Microbolometer）； ·热灵敏度（sensitivity）：<40mk@F1.0； ·视场(array format)：320×240； ·像素尺寸（pixel size）：38μm； ·光谱响应（spectrum response）：7.5-13.5μm，远红外感应（LWIR）； ·现场温度范围（scene temp range）：至150℃，最高可达560℃（可选）； ·图像显示模式（display format）：White Hot、Black Hot、Sepia、Rainbow。 一体化热成像定位系统的典型应用 军事警戒 一体化热成像定位系统只需凭借微弱的物体温层变化，即可看清大桥、水坝、管道、发电站或月台，任意建筑物均一览无余。任何环境活动，动物、人类，均在视线之内。值得一提的是，无论现场是否处于黑暗、浓雾及烟尘，或存在枝叶以及其它遮挡物，一体化热成像摄像机仍就可率先发现可疑侵入目标，优先于肉眼乃至高清晰高变倍的标准摄像机。 制造加工 对制造加工的产品及设备进行合格性及安全性测试。不少产品及设备出现品质问题之时，往往会出现温度的异常变化，如漏电、短路、断裂等。一体化热成像定位系统则可在问题发生的当即在图像上显示并反映，加强了工艺流程的安全管理，也节省了人力监控的付出。 石油化工 可对熔炉温度、容器内液体位置、电气机械、运输管道以及石油化工产品的加工过程进行安全监控。石油化工行业属于高危险性监控场，环境内经常存在易燃、易爆性物质，现场需尽量避免人员出入，而大多数泄露及爆炸事故都会预先表征为温度异常。一体化热成像定位系统，是石油化工领域的安全伙伴。 森林防火 森林防火预警保护我国林业财产的重大项目举措。目前的森林防火监控多采用高变倍云台摄像机，然而由于摄像机的变焦倍数有限、森林枝叶繁茂遮挡，火情的发现及报警率相对较低。采用一体化热成像定位系统则可克服枝叶遮挡及远距离监控的问题，并从根本上加强对火情的提早发现（温度变化）。同时，一体化热成像定位系统的监控范围广、敏捷灵活、定位精准及智能化发达等特色，更为森林监控的快速预警机制带来福利。 电力冶金 变电站、电厂、钢铁厂等应用领域，也是一体化热成像定位系统大展身手之处。检测电流通过电阻接点积聚热量是否正常，检测充满铁水的鱼雷罐内部耐火材料是否损坏，无疑是电力冶金行业的监控重中之重。 其它行业，诸如道路铺设、建筑工程、科研检测及动物医疗都是一体化热成像定位系统职能发挥其所长的场合。 结语 一体化热成像定位系统的引入，使视频监控行业进入了成像技术应用新纪元。热成像技术彻底地打破了CCD摄像机“光照限制”的瓶颈，为全球市场揭开了全新的发展空间。相信在未来，一体化热成像定位系统将在大量应用领域中替代CCD摄像机，成为集多种监控功能（安全监控、设备监控、工艺流程监控等）于一身的全新视频安全伙伴。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (8/5/2010)