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2008-07-09 10:31 |
红外成像仪器的分类及其发展
能够将物体红外辐射(即热辐射)分布转换成人眼可见的图象，并能进行检测的仪器统称为红外热像仪。红外成像仪器可应用于民用、工业、医疗等各个领域。 ("H:T?4Qs
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红外成像仪器主要有三大类: OL=IUg"
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1.红外热像仪(简称热像仪)。 C{A eud #5
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特点:光学机械扫描，光学探测器，使用液氮、高压氩气或热电元件制冷。 D2?~03c
价格:国际市场上为每套4―12万美圆。 }54\NSj0
性能:性能好(温度分辨率可达0.1℃)、功能多。 d![EnkyL;
应用:由于结构复杂、使用不便、维修困难、除了研究等特殊场合使用外，不便现场 使用。 ^B]M- XG
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2.红外热电视(简称热电视)。 ) `;?%N\
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特点:电子束扫描，热电探测，不需制冷。 SU
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价格:国际市场上为每套1.5―2.5万美圆，国内同类产品5-7万人民币。 YZ/mTQn_D
性能:温度分辨率略底(接近0.1℃)。 e|Lh~sVq
应用:由于结构简单，携带、使用、维修方便，适合现场使用。 I#$u(2.H
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3.红外ccd成像(简称irccd)。 #pOW2 Uj8\
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特点:全固体化，目前只能工作在3~5微米波段，需制冷。 7J0 PO}N
价格:国际市场上为每套5万美圆以上。 S }fIZ1
目前尚未形成大批量生产能力。 <0&];5
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人类的发展可分为三个阶段，第一个阶段是人类通过制造工具，扩展体力活动的能力；第二个阶段通过提高判断能力，寻求更清晰和更广泛的理解与判断事物的标准；而人类近年来致力的增强获得输入信息的能力，扩大感觉范围或增添新的感官，使我们的大脑能接受更多的信息，正是人类发展的第三阶段。在这个阶段中，红外技术的发展已经把人类的感官由五种增加到六种。 Q.vtU%T
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在海湾战争中，高科技武器展示了先进技术的广阔平台，成为世界科技发展的风向计，也成为世界各国竞相研究和开发的方向和重点。这些高科技技术也因此成为新的产业和投资热点，创造了亿万的财富和无法预计的社会效益。 在这些新科技中，以卫星定位（gps）和红外热成像（tis）两项技术。 *B@<{x r
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卫星定位系统（又称gps）已经非常广泛地应用于各行各业，成为从军事到民用都有宽广发展前途的行业，其应用的发展速度，远远超过人们的预想，例如：在在广泛使用的汽车防盗定位系统等。 红外热成像技术，也是一个有非常广阔前途的高科技技术，其大量的应用将会引起许多行业变革性的改变。
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一、什么是红外热成像？ }ZR3
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光线是大家熟悉的。光线是什么？光线就是可见光，是人眼能够感受的电磁波。可见光的波长为：0.38—0.78微米。比0.38微米短的电磁波和比0.78微米长的电磁波，人眼都无法感受。比0.38微米短的电磁波位于可见光光谱紫色以外，称为紫外线，比0.78微米长的电磁波位于可见光光谱红色以外，称为红外线。红外线，又称红外辐射，是指波长为0.78~1000微米的电磁波。其中波长为0.78~2.0微米的部分称为近红外，波长为2.0~1000微米的部分称为热红外线。 ]sbu9O ^"f
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照相机成像得到照片，电视摄像机成像得到电视图像，都是可见光成像。自然界中，一切物体都可以辐射红外线，因此利用探测仪测定目标的本身和背景之间的红外线差并可以得到不同的红外图像，热红外线形成的图像称为热图。 3#5sj >
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目标的热图像和目标的可见光图像不同，它不是人眼所能看到的目标可见光图像，而是目标表面温度分布图像，换一句话说，红外热成像使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。 %Ix^Xb0
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二、 红外热成像的特点是什么？ 1gCp/m2r7
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有位著名的美国红外学者指出：“人类的发展可分为三个阶段。第一个阶段是人类通过制造工具，扩展体力活动的能力，第二阶段通过提高判断能力，寻求更清晰和更广泛的理解与判断事物的标准，而人类近年来致力的增强获得输入信息的能力，扩大感觉范围或增添新的感官，使我们的大脑能接受更多的信息，正是人类发展的第三阶段。在这个阶段中，红外技术的发展已经把人类的感官由五种增加到六种” 。这一席话，我认为恰如其分的道出了红外成像技术在当代的重要性。因为，我们周围的物体只有当它们的温度高达1000℃以上时，才能够发出可见光。相比之下，我们周围所有温度在绝对零度（-273℃）以上的物体，都会不停地发出热红外线。例如，我们可以计算出，一个正常的人所发出的热红外线能量，大约为100瓦。所以，热红外线（或称热辐射）是自然界中存在最为广泛的辐射。热辐射除存在的普遍性之外，还有另外两个重要的特性。 h9SS
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1．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微米的热红外线却是透明的。因此，这两个波段被称为热红外线的“大气窗口” 。利用这两个窗口，可以使人们在完全无光的夜晚，或是在烟云密布的战场，清晰地观察到前方的情况。正是由于这个特点，热红外成像技术军事上提供了先进的夜视装备并为飞机、舰艇和坦克装上了全天候前视系统。这些系统在海湾战争中发挥了非常重要的作用。 D Q~+\
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2．物体的热辐射能量的大小，直接和物体表面的温度相关。热辐射的这个特点使人们可以利用它来对物体进行无接触温度测量和热状态分析，从而为工业生产，节约能源，保护环境等等方面提供了一个重要的检测手段和诊断工具。 se7_:0+w
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根据物体能够发射红外线的特点，各国竞相开发出各种红外热成像仪器。 ^Z2%b>
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美国德克萨斯仪器公司（ti）在1964年首次研制成功第一代的热红外成像装置，叫红外前视系统(flir)，这类装置利用光学元件运动机械，对目标的热辐射进行图像分解扫描，然后应用光电探测器进行光——电转换，最后形成视频图像信号，并在荧屏上显示，红外前视系统至今仍是军用飞机、舰船和坦克上的重要装置。 ><^A4s
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六十年代中期瑞典aga公司和瑞典国家电力局，在红外前视装置的基础上，开发了具有温度测量功能的热红外成像装置。这种第二代红外成像装置，通常称为热像仪。 5?6 ATP:[
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七十年代法国汤姆荪公司研制出，不需致冷的红外热电视产品。 九十年代出现致冷型和非致冷型的焦平面红外热成像产品，这是一种最新一代的红外电视产品，可以进行大规模的工业化生产，把红外热成像的应用提高到一个新的阶段。 &bA;>Lu#|o
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七十年代中国有关单位已经开始对红外热成像技术进行研究，到八十年代初，中国在长波红外元件的研制和生产技术上有了一定进展。到了八十年代末和九十年代初，中国已经研制成功了实时红外成像样机，其灵敏度、温度分辨率都达到很高的水平。 MqXA8D
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进入九十年代，中国在红外成像设备上使用低噪音宽频带前置放大器，微型致冷器等关键技术方面有了发展，并且从实验 走向应用，主要用途用于部队，例如便携式野战热像仪，反坦克飞弹、防空雷达以及坦克、军舰火炮等。 }7Pd\t G]
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中国在红外热成像技术方面，已经投入了大量人力物力，形成了相当规模的研发力量，但是总的来讲，与世界先进水平差距很大，与西方相比，约差10年以上。 wk)gxn1A,
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目前国外已经开始在部队装备第二代红外热成像仪，并开始了第三代的研发工作，但中国现在才推广第一代红外成像仪。在国际上，美国、法国、以色列是这方面的先行者，其它国家包括俄罗斯均处下游水平。 :t9(T ?2
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近几年来，在党的政策方针指引下，中国的红外成像技术得到突飞猛进的发展，与西方的差距正在逐步缩小，有些设备的先进性也可同西方同步，相信中国和西方的差距会进一步缩小，尤其在新技术的应用方面更可以独树一帜。 D~8f6Ko"m
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红外热成像产品，可以分为致冷型的非致冷型两大类。红外电视产品和非致冷焦平面热成像仪是非致冷型产品，其他为致冷型红外热成像仪。 pE15[fJ`
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目前，最先进的红外热成像仪，其温度灵敏的可达0.05摄氏度。无论白天、黑夜均可用于持红外仪来探测丛林中的敌人，其距离可达百米之遥，作为边防缉私，更可以追踪海上走私的大飞，其距离可达数公里。 W 6 ~<7
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通过热像仪不仅可实时对目标进行观测，更可以通过其行踪轨迹 的“热痕迹”进行动态分析，因为一般物体的热发散有一定的时间性，有些物体的热发散需要很大时间。例如部队点燃的炊烟，曾经发动过的车辆等都可以留下“热痕迹” 。 sOVaQ&+y
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第一代热像仪主要由带有扫描装置的光学仪器和电子放大线路、显示器等部件组成，已经成功装备部队，并在夜间的地面观察、空中侦察、水面保险等作出重要的贡献。 {s _0[>
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第二代热成像仪主要采用焦平面阵列技术，集成数万个乃至数十万个信号放大器，将芯片置于光学系统的焦平面上，取得目标的全景图像，无需光——机扫描系统，大大提高了灵敏度和热分辨率，可以进一步提高目标的探测距离和识别能力。第三代热成像仪也正在研发中。
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