红外成像技术原理
2021-05-21 · 百度认证:武汉高德智感科技有限公司官方账号
高德智感红外热成像仪
1.什么是红外线？
在自然界中，凡是温度大于绝对零度dao(-273℃)的物体都能辐射红外线，它和可见光、紫外线、X射线、伽玛线、宇宙线和无线电波一起，构成了一个完整连续的电磁波谱。其波长在0.78μm至1000μm之间，是比红光波长长的非可见光。
红外线
2. 红外热像仪工作原理
红外热像仪是将红外热辐射转换成相应的电信号，然后经过放大和视频处理，形成可供肉眼观察的视频图像。通俗来讲，就是将不可见的红外辐射变为可见的热像图，并且能反映出目标表面的温度分布状态。
红外热成像工作原理
3. 红外热像图Tips：
1）热像图反映的是物体表面的红外辐射分布状况，它取决于物体的发射率与温度的空间分布。
2）不同厂家的红外热像仪预设有不同的调色板，对图像颜色处理的效果也各不相同。
3）下图采用的是经典的铁红调色板，黄色代表高温区域，紫色代表低温区域。
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（1）红外摄影成物体的热图就是它的红外像；
（2）可见光不能使红外线胶片感光，只有红外线能使它感光；
（3）红外线胶片所记录的是目标物体发出的红外线；
（4）普通相机也能使用红外线胶片进行红外摄影。
事实上，这些理解都是错误的。引起错误认识的根源是没有说明红外摄影所成的红外像与热像仪所成的热图之间的区别，并且对红外线胶片的介绍也不够准确。下面就这两个问题做一阐述，不妥之处，敬请指正。
一、红外线的发现和分类
1800年，英国物理学家赫歇尔研究单色光的温度时发现：位于红光外，用来对比的温度计的温度要比色光中温度计的温度高，于是称发现一种看不见的“热线”，称为红外线。
红外线位于电磁波谱中的可见光谱段的红端以外，介于可见光与微波之间，波长为0.76～1000μm，不能引起人眼的视觉。在实际应用中，常将其分为三个波段：近红外线，波长范围为0.76～1.5μm；中红外线，波长范围为1.5～5.6μm；远红外线，波长范围为5.6～1000μm。它们产生的机理不太一致。我们知道温度高于绝对零度的物体的分子都在不停地做无规则热运动，并产生热辐射，故自然界中的物体都能辐射出不同频率的红外线，如相机、红外线胶片自身等。在常温下，物体辐射出的红外线位于中、远红外线的光谱区，易引起物体分子的共振，有显著的热效应。因此，又称中、远红外线为热红外。当物体温度升高到使原子的外层电子发生跃迁时，将会辐射出近红外线，如太阳、红外灯等高温物体的辐射中就含有大量的近红外线。借助不同波段的红外线的不同物理性质，可制成不同功能的遥感器。
二、不同波段的红外线成像原理和特点
红外遥感是指借助对红外线敏感的探测器，不直接接触物体，来记录物体对红外线的辐射、反射、散射等信息，通过分析，揭示出物体的特征及其变化的科学技术。红外遥感技术中能获得图像信息的仪器有：使用红外线胶片的照相机，具有红外摄影功能的数码相机，热像仪等。虽然它们都利用红外线工作，但成像原理和所成的图像的物理意义有很大的区别。红外摄影通常指利用红外线胶片和数码相机进行的摄影；前者属于光学摄影类，后者属于光电摄影类。
1．光学摄影类
红外胶片是一种能够感应红外线的胶片，有黑白红外胶片和彩色红外胶片两类。其成像原理与普通胶片相似：曝光时，卤化银发生化学变化，记录景物反射到胶片上电磁波的信息，通过显影、定影等技术获得景物图像。普通胶片记录的是波长为0.4～0.76μm范围内的可见光；由于红外胶片中加入了红外增感染料，使得它能记录波长在0.4～1.35μm间的可见光和近红外线。为了获得景物纯粹的红外像，需要在镜头前加装一个红外滤镜，滤掉可见光，只通过近红外线。那么，这部分近红外线是不是景物发出的呢？显然，日常摄影中的人体、树木等景物达不到能辐射近红外线的温度，它们的热辐射也不能使胶片形成足够清晰的像，所以应该是景物反射太阳辐射中的近红外线。故近红外线也称为摄影红外。
红外胶片成的像与普通胶片成的像有较大的差异。人体、草地对红外线反射较强，它们的黑白红外像就较白；河流、天空对红外线反射较弱，成的黑白红外像就较黑。由于彩色红外胶片的感光光谱、成色剂和普通彩色胶片的不同，彩色红外相片上的颜色也就不是景物真实颜色的反映，所以又称它为假彩色红外胶片。例如，健康绿色植物反射近红外线，它的红外像为红色，清澈的河水的红外像是深蓝色。虽然在肉眼看来病态的植物和健康的植物都为绿色，文件涂改前后的墨迹也没什么区别，但它们对红外线的反射强弱不同，成的红外像就有明显的差异。因此，它常用于刑侦、国土资源调查、环保等领域。
红外线较强的穿透能力和红外胶片易受热辐射影响的这些特点决定了在用红外胶片摄影时，对操作有较高的要求。红外胶片对波长为0.76～0.9μm的近红外线有最佳的感光性能，随着能感应的波长增大，感光药剂受温度的影响越来越显著，感光药剂化学稳定性也随之下降。例如，感光波长上限为1.1μm的红外胶片能保存三个月，当感光波长上限达到1.35μm时，只能保存8天。所以无论是保存还是携带都需要冷藏，装卸胶片都需要在暗室或者专用防红外线的暗袋中进行。由于红外胶片的曝光时间较长，出厂时没有标感光度，需要根据经验手动调整感光度，且自动相机的红外计数器发出的红外线能使其曝光；所以最好使用手动金属机身的相机。红外摄影调焦时须注意，有的相机物镜上有红外线聚焦指数，其标记为“R”；若没有此标记，则要先对可见光调焦后，再将镜头前移可见光焦距的1/250左右。
2．光电摄影类
自然界中的一些物质在受到辐射后，会引起它的电化学性质变化。例如温度升高后，电阻变小，产生电压。利用它们的这种物理性质可制成光电探测器，遥感仪器的光学系统收集到的辐射能量通过探测器实现光电转换。根据电磁波和探测器的作用机理不同，分为光子探测器和热电探测器。
光子探测器是利用光敏感材料的光电效应，把一定波长的电磁波信号转化为电信号输出。如一些具有红外摄影功能的数码相机的光电耦合器（CCD）能响应的波谱为0.4～1.1μm，同样在进行红外摄影时要加装红外滤镜，CCD所感应到的是景物反射太阳辐射中的或者是相机自带的红外灯发出的近红外线。
热电探测器是利用目标辐射的热效应对热敏电阻的电学性质的影响而工作。例如热红外成像装置，它是被动地接受目标的热辐射，通过其中光学成像系统聚焦到探测元件上进行光电转换，放大信号，数字化后，经多媒体图像技术处理，在屏幕上以伪色显示出目标的温度场—热红外图像（热图、热像）。热图像色调的明暗决定于物体表面温度及辐射率。它反映了目标的红外辐射能量分布情况，但是不能代表目标的真实形状。比如飞机升空后，在它原来停放的位置还能获得飞机停放时的热图像。探测元件工作的波段常为3～5μm和8～14μm，为获得足够的灵敏度，需要对探测器冷却。第二代热电探测器增加了测温功能的热红外成像装置，又称为热像仪，它在医疗、消防、航空遥感、军事等领域有广泛用途。
综上所述，红外摄影所成的红外像利用了景物反射的近红外线，体现了景物的几何形状；热像仪对人体成的热图，是利用人体自身热辐射获得的表示人体表面温度分布的图像。是两个不同的概念。红外胶片中的感光物质是卤化银，可见光也能使它感光。（
红外线是一种肉眼不可见的光线，在1800年被英国天文学家威廉·赫谢尔发现，又称为红外热辐射。红外辐射本质是一种电磁辐射，在物理学上定义波长在0.75~1000μm的电磁波。红外辐射的波长介于可见光和微波之间，其短波与可见光波段的红光相邻，长波段与微波相接。
根据红外辐射的产生机理、红外辐射的应用和发展情况并结合考虑了红外辐射在地球大气层中的传输特性，进一步将0.75~1000μm的红外辐射划分为四个波段：
（1）近红外或短波红外，波长范围为0.75~3μm；
（2）中红外或中波红外，波长范围为3~6μm；
（3）远红外或长波红外，波长范围为6~15μm；
（4）极远红外，波长范围为15~1000μm。
红外辐射虽然不能直接被人眼感知，但它却是自然界中最广泛存在的辐射之一。任何温度在绝对零度（-273.15℃）以上的物体都会源源不断的向外辐射包括红外辐射在内的全谱段辐射信号，辐射能力的大小与物体表面的温度和材料的特性有关，温度越高，辐射的能量越大。
红外热成像仪运用光电技术以被动的方式探测物体所发出的红外辐射，算出物体表面每一点的温度，以不同的颜色来显示不同的温度，从而转换为可供人类视觉分辨的图像和图形。红外热成像仪可以突破人类视觉障碍，能在完全黑暗的环境下探测到物体，即使在有烟雾、粉尘的情况下也可实现探测，且不需要光源照明，因此可以全天候使用。由于红外热成像具有隐蔽性好、抗干扰性强、目标识别能力强、全天候工作等特点。
2020-11-12 · 百度认证:上海热像科技股份有限公司官方账号
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