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描述物体温度的标尺─温标

温度是用于衡量物体冷热程度 的物理量，描述物体温度高低量度的 标尺称为温标(如图)。我们用于表达温度高低的常用温标有三种，它们是摄氏温标(℃)、华氏温标(℉)和凯氏温标 (K)。华氏温标和凯氏温标关系是：℃＝ 5/9 (℉-32)，℉=9/5℃+32，凯氏温标和摄氏温标换算关系为：℃=K-273.15或 K=℃+273.15，凯氏温标与摄氏温标的分度值是一样的。凯氏温标的零度我们也称为“绝对零度”，也是人类在现代科技条件下永远无法跨越的门槛，人类在现代科技条件下无法跨越的另一个门槛是“光速”。华氏温标在欧美使用比较普遍，摄氏温标在亚洲使用较多，凯氏温标主要用于科技领域。本文涉及的温度均采用凯氏温标(K)。

具有热效应的电磁波谱━红外波段

可见光是电磁波谱(如图)中人的裸 眼可以感知的部分，一般来说，人眼可以感知的可见光波长在400到700纳米之间。在电磁波谱中，波长比红光波长还要长的1.0～1000微米的电磁波，我们人类的眼睛看不见，但其具有明显的热效应，我们把这一段的电磁波称为红外线，也称为热红外线。从热力学原理我们得知，物质内部原子和分子的振动或分子的旋转运动对外辐射的能量特征频率分布在电磁波谱的红外光谱区。因此，我们周围所有温度在绝对零度(K=0，℃=－273)以上的物体， 都不停地发出热红外线。所以，热红外线(或称热辐射)是自然界中物体存在的最为广泛的电磁辐射。为便于研究红外线的大气窗口(如图)传播特点和具体应用，红外热成像领域里将红外线波谱段划分成三部分，即近红外段，波长为1～3μm之间；中红外段，波长为3～5μm之间；远红外段，波长为 8～14μm 之间。工程中习惯把1～5μm 段称为短波段，把8～14μm段称为长波段。

正是因为绝对零度以上的物体都自身发射红外电磁辐射，利用红外热成像观 察物体也就无需外界光源，相比可见光成像具有更好的隐蔽性，从红外大气窗口特性得知，红外线还具有穿透大气雨，雪，雾，霾的能力，所以说红外热成像是视频信息中对可见光图像的重要补充手段。根据普朗克定律，物体的红外辐射强度与其热力学温度直接相关，我们还可以通过检测物体的红外辐射进行非接触测温(图4)。

红外热成像原理

利用红外探测器探测和接收目标 物体自身发射的红外辐射，并通过光电转换、电信号处理等手段将目标物体的温度分布图像转换成视频图像，该图像既反映了目标表面不同部位辐射红外线的强弱，也表明了该部位温度的高低， 这种技术就是红外热成像(如图)。 

红外热成像仪就是利用热成像技术来探测目标的红外辐射, 并通过光电转换、电信号处理等手段,将目标物体的温度分布图像转换成视频图像的设备, 是集光、机、电等尖端技术于一体的高新技术产品。利用热辐射传输几乎不受 大气影响的特点，我们白天黑夜都可透 过雨、雪、雾、霾来观察目标的热成像，所以，红外热成像在军事和民用 领域具有很高的应用价值。但是，红外热成像仅仅是接收目标的温差来成像， 显示的是被测物体红外辐射的热像分布图。大多数情况下目标的红外信号辐射非常弱，目标表面的温差又不大，而接收设备的像元较大，热灵敏度有限， 因此形成的视频图像灰度等级不够，分辨率低，对比度低，与可见光图像相比， 缺少层次和立体感，分辨细节能力差， 远远不如可见光成像的视频图像。即使 我们加大热成像仪的感光像元数量，仍不可能得到根本改变。因此，在实际应用中为更有效判断被测目标的红外热分布场，常采用伪色彩描绘。 

一些技术措施来增强和改善图像 的显示，如图像亮度对比度控制、数字 细节增强、伪色彩描绘、插值、插帧等。 在现在的科学技术条件下，我们不能做到热成像的视频图像达到可见光成像 的视频效果，随着技术的发展我们在逐渐缩小这种差别。

热成像技术的发展过程与分类

热成像的红外探测器件最早是采用单元探测器，为了提高灵敏度和分辨 率，后来发展为多元线列探测器，又从多元线列发展到红外焦平面阵列。完成了用焦平面阵列凝视成像技术取代非常复杂的光学元件和光机扫描结构。相应的系统已实现了从点温探测到目标整体热成像的飞跃。 红外焦平面阵列可分为制冷型和非制冷型。制冷型红外焦平面阵列的探测率比非制冷型要高出两个数量级，响应速度也比较快，成像效果也比较好。 早期的机芯使用液氮或复杂的制冷系统将红外探测器冷却至70K(－200℃)， 来提高机芯对目标热信号的灵敏度。由于系统造价高昂以及不能小型化，不便于携带等因素，使得制冷型红外热成像技术多年来只能应用在国防、航空航天等特殊领域。

随着非制冷型红外焦平面阵列技术的飞速发展和与其配套技术日益成熟， 制造成本和体积已比制冷型系统大大降低，其性能基本可以满足部分军事用途和几乎所有的民用领域的需求。由于微加工技术的发展，绝大多数非制冷型红外焦平面阵列技术都与硅超大规模集成技术兼容，这可以使红外探测器具有数据处理能力，真正实现了网络化、小型化和高可靠性。这使红外探测和红外视频成像极具发展前途和市场潜力，也拓展了热成像技术在警用和民用领域的应用。红外热成像不同于CCD器件可见光成像，红外焦平面阵列(FPA)响应的是热 量而不是光，并且需要将FPA中的每个像素和与其相邻的像素隔离开，能量落在每个像素上都会对性能产生影响。随着邻近的电子元件产生的热量或封装外壳 温度的变化，或视野中的目标本身辐射热量的变化，探测器的增益和标准值将发生固有的漂移而偏离稳定区，并导致图像不均匀。而且这些热源可以产生随时间而增长的噪声。为了校正这种不均匀性，需要人为地在探测器前面安装一个机械控制校准挡片，用于暂时阻隔来自目标的入射能量，选择内部一个固定 的热源对探测器进行校正，这种重新校 正的时间间隔为几秒钟到几分钟不等。 在实际使用中每次启动热成像设备，往往需要用FPA的机芯“挡片”进行频繁 的校准，用于阻隔入射信号，这就使得观察者每次对场景产生几秒钟的 “盲视”。在目标跟踪、在线机器视觉、 头盔显示或武器应用等危险环境中，这 种对视觉的完全阻碍可能会带来很多 不便，甚至危险。针对红外焦平面阵列 (FPA)“挡片”的弊端，SUNCTI公司最早推出了新型非晶硅FPA热成像机芯，它采用了无挡片的NST专利技术， 这种机芯没有挡片和任何运动部件，并且不受冲击或振动的影响，可以做到即瞬时操作、功耗更小、成本更低。采用 了NST技术，信号处理过程就不需要挡片，使用者就可以不间断地进行图像观 测，为夜视和热成像在不同领域中的应 用提供了便利条件，这一技术很快就被 应用到氧化钒的成像技术中。

通常，红外焦平面阵列的成像方式可分为扫描型和凝视型两种，扫描型采用时间延迟积分技术，用串行方式对像元产生的电信号进行逐个读取；凝视型则由阵列直接形成二维平面图像，无需 延迟积分，用并行方式对像元产生的电信号进行帧读取。 

作为非制冷热成像器件，根据其物理特性划分，常见的有电阻型、铁电型 和热释电型。最有民用市场前景的是电阻型热成像器件。电阻型热成像的敏感元是热敏电阻，根据使用的热敏电阻材料的不同可以分为氧化钒VOx探测器和非晶硅A-Si探测器两种。从目前的技术发展来看，未来相当长的时间内，民用非制冷型热成像的市场将是VOx技术与 A-Si技术两者统领的舞台。 

氧化钒VOx技术由美国的Honeywell 公司在九十年代初研发成功，国外主要由美国FLIR-INDIGO等几家公司生产。 非晶硅A-Si技术由法国的CEA/ LETI/ LIR实验室在九十年代末研发成功，国外主要由法国的ULIS公司生产。 

氧化钒的技术优势是红外光电转换效率更高一些，相比于多晶硅探测器 有着更高的信噪比和强光保护能力，而且温度稳定性好，寿命长，热差小，功耗低，启动快，基本可以做到开机即用。 氧化钒机芯的热灵敏度比多晶硅要高出一个数量级，图像的清晰度是多晶硅 的三倍。现在新型的氧化钒机芯， 在处理信息的电路中采取了完善的温度 补偿措施，已经不需要使用半导体制冷 器(TEC)来稳定焦平面的工作温度，在－40～＋75℃的工作范围内仍然可以获得良好的图像均匀性和动态范围，这样一来，既减小了功耗，又缩小体积，还取消了机芯“挡片”，但这也导致了氧化钒机芯的制造成本要高于多晶硅。 

非制冷红外焦平面技术在过去的几年内得到了飞速发展，非制冷焦平面阵列由原来的小规模，发展到中、大规模384X288、640X480、1024X768阵列， 超大规模的2048X2048、4096X4096。 更高阵列的非制冷焦平面器件已应用在军用领域和天文摄影中，一亿像素 的非制冷焦平面阵列也在军用领域出现。非制冷焦平面阵列的像元尺寸也由早期的75μm、50μm减小到 25μm、20 μm 、17 μm，现在14μm、 12μm像元的非制冷焦平面阵列已有成品出现，10μm、8μm、6μm像元也在研发中。在观察快速旋转、高速运动目标而使用的高帧率非制冷焦平面阵列也由初期的30帧发展到广泛使用的60、120 帧，现在240、480帧的高帧率产品也已经实用化，2000帧的非制冷焦平面阵列已有产品出现。 红外热成像的NETD(热灵敏度)是热成像系统灵敏度的客观评价指标， 定义为：景物上两个相邻单元之间给出等于系统噪声信号时的温差。例如： 某红外热像仪在25℃时的热灵敏度为 100mk，表示被测物的表面温度为25℃ 时，当发生100mk(0.1℃)的温度变化时， 该红外热像仪的探测器就可以感应到。 热灵敏度决定热像仪区分细微温差的能力。目前，非制冷红外焦平面技术的这一指标逐步做到了100mk、80mk、 50mk、40mk、30mk，甚至接近10mk。但 这还没有达到自然界里响尾蛇的热感应灵敏度，响尾蛇的颊窝内有一层1/40毫 米的薄膜，薄膜上分布着5对神经末梢， 这些神经末梢的热感应灵敏度非常惊 人，它可以感应到3‰℃的温度变化，它 的NETD达到了3mk，目前人类的技术还暂时达不到。 

--节选于王达，邓文杰，杨再平，刘恩元的《红外热成像技术与应用》