红外热像原理及应用

郭建军 辛伟大

(赤峰创诺医药科技有限公司，内蒙古赤峰 024000)

1 红外热像原理

19世纪初英国的天文学家威廉汉姆·和瑟尔在对可见光谱进行热效应的实验中发现了红外线及红外辐射现象。

后来的科学实验证明自然界任何物体，只要温度高于绝对零度，就会以电磁辐射的形式在非常宽的波长范围内发射能量，产生电磁波。并且不同的材料、不同的温度、不同的表面光度、不同的颜色等，所发出的红外辐射强度各不相同。

红外热成像技术:热成像技术是利用热感应照相机的红外线成像技术。热感应照相机可生成热而不是光的图像，它可以测量红外(IR)能量，并将数据经过处理转换成相应的温度图像。进而被转换成可见图像，即热图。由于物体所发出的红外辐射在穿过大气到达测量系统时会受到衰减，如果不利用校正措施，那么随着距离增大，测量的温度读数越来越偏小。所以红外热像设备在测量和使用过程中有一些关键参数需要特别注意。

2 红外热像的几个关键参数

1)热灵敏度(NETD)。

热灵敏度:热像仪能精确分辨出目标辐射的最小温度能力。热灵敏度指标越高，可表明红外热像仪不仅能够反映细小的温度变化，而且还可以提供更为清晰、无噪声的优质图像。

2)视场角(FOV)。

视场角又称为总视场角或扫描视场角，表示热像仪位置固定时，所能观察到的最大空间角度范围(见图1)。

3)空间分辨率(IFOV)。

空间分辨率指红外热像仪能够识别的两个相邻目标的最小距离。通常用瞬时视场角(IFOV)来表示(单位:mrad)。表示热像仪的最小角分辨单元。空间分辨率决定着热像仪的清晰度，是热像仪所能测量的最小尺寸。它与像素，视场角有关。

3 红外热像应用中的几个重要问题

1)发射率的变化。

影响发射率的因素。大多数非金属材料发射率较高，且相同材质、不同颜色的目标的发射率非常接近，误差通常不超过测量精度范围;部分表面光亮的非金属材料发射率较低(见图2)。

a.非金属的发射率。

皮肤(0.98)、电气胶带(0.95)、漆(0.90～ 0.95);纸标签(0.90)、空腔(0.95以上)、黑体(0.98);沸水(0.98);

b.金属材料的发射率会受到下列因素的影响。

材料:不同材料发射率不同，如铜的发射率一般比铝高。表面光洁度:通常表面粗糙的材料发射率比光洁表面高。表面颜色:以黑色为代表的深色系表面发射率比浅色系高。表面形状:表面有凹陷、夹角或不平整规则的部位比平整的部位发射率高。

2)关于发射率的注意事项。

a.尽可能拍摄目标上的一个高发射率参考点(胶带、油漆或空腔辐射体)。

b.发射率低于0.50时，最好不要直接进行测量。

c.在必须拍摄低发射率表面时，尝试在视场中放置一个高发射率参考物，或对照接触式测量来检查辐射测量。

3)红外窗口材料。

绝大多数情况下，我们看到的只是表面;然而，我们想要了解的热量却通常源自于内部。我们如何透过密闭的外壳看到内部，对于8μm～14μm的红外波段来说，通常可见光可穿透的玻璃、有机玻璃等材料都变得难以透过，我们需要特殊的材料作为红外测温的窗口(见图3)。

a.硅(Si)。

b.锗(Ge)。

c.氟化钙(CaF)。

d.硫化锌(ZnS)。

e.硒化锌(ZnXe)。

还有一种材料是我们日常生活中经常用到的:保鲜膜现场有较多粉尘和水气时作为保护镜头用。可以作为模拟密闭环境的外壳，在测量时必须先确认其透过率。

4)背景温度(反射温度)补偿。

发射率较低的测量目标可以反射来自附近的物体的能量，这部分额外的反射能量会被添加到测量目标自身发射的能量中，从而使读数变得不准确。部分情况下，位于测量目标附近的物体(设备、发射能量或者其他热源)的温度会比测量目标的温度高出很多(见图4)。

如果不能避免反射干扰，就需要修正背景温度(反射温度补偿)。

5)调焦的问题。

若没有准确调焦，就无法得到清晰的红外热像图，也无法得到准确的目标温度。所有参数都可以在后台软件中方便地进行处理，只有调焦必须在场完成。高级热像仪完全重合的画中画模式(PIP)，为准确调焦提供了方便的判断依据(见图5，图6)。

6)调色板的选择。

热像仪一般会提供3种调色板模式:灰度、铁红、红蓝彩色(彩虹)。

建议选用的调色板:高对比度在红蓝彩色调色板基础上，增加了高对比度模式，更适合现场快速、清晰地捕捉问题点。

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［5］北京华泰科捷科技有限公司.红外热成像原理［Z］.