淺談紅外熱像儀
2012-11-21
淺談紅外熱像儀
簡單地講：紅外熱像儀就是利用某些特殊的材料對紅外光輻射能產(chǎn)生某些物理量的變化的特性，然后把這種變量轉(zhuǎn)化成電信號，經(jīng)過調(diào)制后再轉(zhuǎn)變成圖象并測溫。這些特殊的材料多為：碲鎘汞、銻化銦、鉑化硅、氧化釩、硅摻雜（或多晶硅）等等。市場上所謂的“制冷”和“非制冷”之分，實際上是指有無制冷器而言。
我們知道：自然界一切溫度在絕對零度-273.15°C以上的物體，由于自身的分子熱運動都在不停地向周圍空間輻射包括紅外波段在內(nèi)的電磁波，其光譜范圍比較廣。分子和原子的運動愈劇烈，輻射的能量愈大，反之輻射的能量愈小。而現(xiàn)階段的紅外熱像儀都只能對其中某一小段光譜范圍的紅外光產(chǎn)生反應(yīng)。比如：3～5μm 或8～14μm，也就是所謂的“大氣窗口”——大氣、煙云等吸收可見光和近紅外線，但是對3~5μm和8~14μm的熱紅外線卻受影響較小。因此，這兩個波段被稱為熱紅外線的“大氣窗口”。同時，物體向外發(fā)射的輻射強度取決于目標物體的溫度和物體表面材料的輻射特性。同一種物質(zhì)在不同的狀況下（表面光潔度、環(huán)境溫度、氧化程度等等），向外輻射紅外能量的能力都不同，這種能力與假象中的黑體的比值就是該物質(zhì)在該溫度下的發(fā)射率。（黑體是一種理想化的輻射體，它吸收所有波長的輻射能量，沒有能量的反射和透過，其表面的發(fā)射率為1。）應(yīng)該指出，自然界中并不存在真正的黑體。
紅外熱像儀本身并不發(fā)射紅外，它只是被動地吸收而已。這有兩重含義：第一，這種特征加上自然界任何物體都對外輻射紅外信號的特點，使之成為軍事價值極高的設(shè)備；第二，考慮到紅外線在空氣中衰減的幅度，作為高靈敏度探測器材料的要求是何等的高！尤其是要考慮紅外熱像儀本身也有紅外輻射的干擾時。因此，從紅外熱像儀誕生那天開始，對它的技術(shù)保密級別及它的價格都非常的高。這里，我們還姑且不談紅外探測器的生產(chǎn)工藝的難度和成品率。
這里，還要介紹一下像素數(shù)。通常我們看到國內(nèi)外的紅外生產(chǎn)廠家在其產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)上標明：320×240、160×120、120×120甚至是382×288、640×480，這一般是指探測器聚焦平面陣列數(shù)，可以理解為：單元探測器的數(shù)量，那當然是越多越好了。
也就是說，紅外熱像儀能否觀察到物體，取決于該紅外熱像儀的溫度分辨率和空間分辨率以及被測物體表面的紅外輻射強度和面積，我們甚至可以大略地理解為：溫度分辨率即是最小可辨溫差的能力，空間分辨率是顯示這種溫差的能力?，F(xiàn)階段溫度分辨率是以NETD實驗條件下，環(huán)境溫度為30℃時探測器的最小可辨溫差，而不是熱像儀整機的溫度分辨率。因為探測器本身的背景噪音如果為0.06℃時，后續(xù)處理所帶來的背景噪音疊加后肯定要高于0.06℃，至于能達到多少，那就要看各個廠家后續(xù)電子線路版塊的設(shè)計和處理能力了。這里值得說明的是：溫度分辨率和測溫精度是兩回事。前者是最小可辨溫差的能力；后者是重復測量的平均溫差。剛接觸紅外熱像儀的朋友通常會混淆這兩個概念?？臻g分辨率不能等同于視場角，視場角是指鏡頭而言，空間分辨率實際是指紅外熱像儀整機的分辨能力，它與探測器、電路、鏡頭有關(guān)，是個綜合指數(shù)，以mrad為單位，1.0mrad即千分之一弧度。
簡單地講：紅外熱像儀就是利用某些特殊的材料對紅外光輻射能產(chǎn)生某些物理量的變化的特性，然后把這種變量轉(zhuǎn)化成電信號，經(jīng)過調(diào)制后再轉(zhuǎn)變成圖象并測溫。這些特殊的材料多為：碲鎘汞、銻化銦、鉑化硅、氧化釩、硅摻雜（或多晶硅）等等。市場上所謂的“制冷”和“非制冷”之分，實際上是指有無制冷器而言。
我們知道：自然界一切溫度在絕對零度-273.15°C以上的物體，由于自身的分子熱運動都在不停地向周圍空間輻射包括紅外波段在內(nèi)的電磁波，其光譜范圍比較廣。分子和原子的運動愈劇烈，輻射的能量愈大，反之輻射的能量愈小。而現(xiàn)階段的紅外熱像儀都只能對其中某一小段光譜范圍的紅外光產(chǎn)生反應(yīng)。比如：3～5μm 或8～14μm，也就是所謂的“大氣窗口”——大氣、煙云等吸收可見光和近紅外線，但是對3~5μm和8~14μm的熱紅外線卻受影響較小。因此，這兩個波段被稱為熱紅外線的“大氣窗口”。同時，物體向外發(fā)射的輻射強度取決于目標物體的溫度和物體表面材料的輻射特性。同一種物質(zhì)在不同的狀況下（表面光潔度、環(huán)境溫度、氧化程度等等），向外輻射紅外能量的能力都不同，這種能力與假象中的黑體的比值就是該物質(zhì)在該溫度下的發(fā)射率。（黑體是一種理想化的輻射體，它吸收所有波長的輻射能量，沒有能量的反射和透過，其表面的發(fā)射率為1。）應(yīng)該指出，自然界中并不存在真正的黑體。
紅外熱像儀本身并不發(fā)射紅外，它只是被動地吸收而已。這有兩重含義：第一，這種特征加上自然界任何物體都對外輻射紅外信號的特點，使之成為軍事價值極高的設(shè)備；第二，考慮到紅外線在空氣中衰減的幅度，作為高靈敏度探測器材料的要求是何等的高！尤其是要考慮紅外熱像儀本身也有紅外輻射的干擾時。因此，從紅外熱像儀誕生那天開始，對它的技術(shù)保密級別及它的價格都非常的高。這里，我們還姑且不談紅外探測器的生產(chǎn)工藝的難度和成品率。
這里，還要介紹一下像素數(shù)。通常我們看到國內(nèi)外的紅外生產(chǎn)廠家在其產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)上標明：320×240、160×120、120×120甚至是382×288、640×480，這一般是指探測器聚焦平面陣列數(shù)，可以理解為：單元探測器的數(shù)量，那當然是越多越好了。
也就是說，紅外熱像儀能否觀察到物體，取決于該紅外熱像儀的溫度分辨率和空間分辨率以及被測物體表面的紅外輻射強度和面積，我們甚至可以大略地理解為：溫度分辨率即是最小可辨溫差的能力，空間分辨率是顯示這種溫差的能力?，F(xiàn)階段溫度分辨率是以NETD實驗條件下，環(huán)境溫度為30℃時探測器的最小可辨溫差，而不是熱像儀整機的溫度分辨率。因為探測器本身的背景噪音如果為0.06℃時，后續(xù)處理所帶來的背景噪音疊加后肯定要高于0.06℃，至于能達到多少，那就要看各個廠家后續(xù)電子線路版塊的設(shè)計和處理能力了。這里值得說明的是：溫度分辨率和測溫精度是兩回事。前者是最小可辨溫差的能力；后者是重復測量的平均溫差。剛接觸紅外熱像儀的朋友通常會混淆這兩個概念?？臻g分辨率不能等同于視場角，視場角是指鏡頭而言，空間分辨率實際是指紅外熱像儀整機的分辨能力，它與探測器、電路、鏡頭有關(guān)，是個綜合指數(shù)，以mrad為單位，1.0mrad即千分之一弧度。
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