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热成像技术的发展历程及现代应用领域中的重要作用

2014-11-15 14:45:29      点击:

热成像技术是指利用红外探测器和光学成像物镜接受被测目标的红外辐射能量分布图形反映到红外探测器的光敏元件上,从而获得红外热像图,这种热像图与物体表面的热分布场相对应。通俗地讲红外热像仪就是将物体发出的不可见红外能量转变为可见的热图像。热图像上面的不同颜色代表被测物体的不同温度。

从第二次世界大战开始,热成像技术就已应用在军事上。由于这种仪器是靠热辐射来工作的,它能够透过漆黑的战场让士兵们清楚地看到敌方的行踪。又由于它为无源性接收系统,比无线电雷达等可见光装置更安全、隐蔽。
现在,热成像技术已经广泛应用在日常生活当中。一个重要应用是诊断疾病,大家都知道,当某一部位出现炎症时,体温会升高,测量体温能够判断有无炎症,但不能确定炎症的具体位置,而热像仪可以直观给出人体温度场分布图,将病变的热图与正常热图比较,就可以从异常变化上诊断病灶部位。热成像技术也能在手术室大显身手。当血液流经刚刚被安置的动脉血管时,热像仪上的动脉管的颜色由灰变白,而在通常情况下,肉眼是很难观察到血管是否畅通无阻的。
与诊断疾病类似,高压输变电的电器部件、火车轴箱、电路板等出现故障,也可以用热像仪直接观测检查,避免故障带来的损失。热像仪也可以用于地质调查,地热探查,森林植被分布,大气与海洋监测,火灾的发现与救援。热像仪可以帮助救援者发现那些被浓烟和黑暗隐僻住的遇难者,从而救出他们。
热成像技术还能帮助科学家们进一步探索宇宙的奥秘。可以预期未来热成像技术的应用领域将会得到更充分的开发,推广和普及。

中国的热成像技术起步于70年代中期,经过20多年来不懈的努力,依靠我们自己的技术力量,中国工程人员已经成功地研制开发出了多种热像仪和热成像系统。性能优良的红外热像仪正在广泛地应用于中国的国防和国民经济建设中。
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,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。六十年代中期,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。
七十年代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。
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。
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。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。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。近几年来,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。红外热成像产品,可以分为致冷型的.非致冷型两大类。目前,最先进的红外热成像仪,其温度灵敏的可达0.03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。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”。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。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。