(四)紅外熱成像測溫

1.紅外熱成像測溫原理

自然界中的一切物體，只要其溫度高于OK，就會向外發射輻射能，因此從原理上講，只要能收集并探測這些輻射能，就可以獲得物體的熱圖像，從而推測出物體的溫度。

紅外熱成像系統的工作原理如圖2-12所示，光學系統先將現場的紅外輻射能匯集起來，經光譜濾波和光機掃描，聚集到探測器的紅外元件的陣列上，探測器將強弱不同的輻射信號變成電信號，然后經放大和視頻處理，形成視頻信號，再送至顯示器。

2.紅外熱成像系統的類型

紅外熱成像系統可以分成兩種類型，即光機掃描型和非光機掃描型。光機掃描型紅外熱成像系統的特點是通過光機掃描使單元探測器依次掃過被測溫對象的各部分，形成被測溫對象的二維圖像。非光機掃描型紅外熱成像系統是利用多元探測器面陣，使探測器中的每個單元與被測溫對象的一個微元面對應，因此無需光機掃描。常用的凝視型熱成像系統就屬于這種類型。

與非光機掃描型紅外熱成像系統相比，光機掃描型紅外熱成像系統掃描速度慢，系統結構復雜，但其測溫誤差小，適合于穩態和測量精確度要求高的場合。

由于超大規模硅集成電路技術的迅速發展，目前已可獲得高均勻響應度、高密度的探測器面陣，使非光機掃描型紅外熱成像技術獲得了極大的進步。圖2-13所示為非光機掃描型紅外熱成像系統(凝視型)原理框圖。

與光機掃描型紅外熱成像系統相比，凝視型紅外熱成像系統的最大優點是，無需光機掃描機構，簡化了結構，編小了體積，大大提高了熱成像系統的快速響應特性。從理論上講，這種熱成像系統對景物輻射的響應時間只受探測器時間常數的限制，而不再受掃描機構掃描速度的影響，故凝視型紅外熱成像系統所能達到的快速響應能力，是光機掃描型紅外熱成像系統所無法比擬的，故適合于動態測溫;缺點是，受探測器光譜響應范圍的限制，其所能測量的溫度有一定的范圍，改變測溫范圍時，要換探測器和相應的處理軟件。

熱釋電紅外熱成像系統也屬于非光機掃描型紅外熱成像系統，它采用熱釋電材料作靶面，制成熱釋電攝像管，直接利用電子束掃描和相應的處理電路，將被測物體的溫度信號轉換成電信號。熱釋電紅外熱成像系統的優點是：結構簡單，不需要制冷，光譜響應范圍可以覆蓋整個紅外波段，故可測量常溫至3570℃的溫度;其缺點是測溫誤差較大。

3.紅外熱成像系統的基本參數

紅外熱成像系統的基本參數有瞬時視場、取像速率、掃描效率、駐留時間、熱靈敏度、總視場、最小可分辨溫差、最小可探測溫差等。

(1)瞬時視場。瞬時視場代表了紅外熱成像系統的空間分辨能力，它是指探測器的線性尺寸對系統景物空間的二維張角，取決于探測器的形狀、尺寸和光學系統的焦距。

如果探測器為矩形，其邊長為a和6，則瞬時視場的場角分別為

(2)總視場。總視場代表紅外熱成像系統可測量區域的大小，即系統所觀察到的景物空間的二維視場角。總視場取決于景物空間的大小和光學系統的焦距。假設總視場在水平方向和垂直方向的尺寸分別為W。和Wp，則系統一幀圖像中所包含的像元數的最大值為

該式表明，探測器的尺寸越大，系統的分辨率越高。

(3)取像速率。取像速率表示紅外熱成像系統在單位時間內所能給出的完整畫面數，如25幀/s。取像速率也稱為幀頻或幀速，其倒數，即系統掃過一幅完整畫面所需的時間，稱為幀周期或幀時。若用fp表示幀頻，Tf表示幀時，則它們之間的關系為

(4)掃描效率。紅外熱成像系統對景物掃描時，由于同步掃描、回掃、直流恢復等都要占時間，因此在這個時間內將不產生視頻信號，稱此時間為空載時間，通常用T1f表示。幀

時和空載時間之差(Tf-T1f)稱為有效掃描時間。

有效掃描時間與幀時之比稱為系統的掃描效率nsc，即

(5)駐留時間。探測器駐留時間是掃過一個探測器張角所需的時間。當掃描速度為常

數，系統的空載時間為零時，單元探測器的駐留時間Tdl為

若探測器為押個單元并聯的探測器，則駐留時間Cd為

實際上系統的空載時間不可能為零，因此當空載時間不為零時，式(2-11)和式(2-12)還應乘以掃描效率。

(6)熱靈敏度。對紅外熱成像系統而言，探測器不僅能接受到入射輻射能的信號，還能接受由其他因素，如環境和本機等所引起的噪聲信號。噪聲信號的存在限制了探測器對微弱信號的探測能力。通常用噪聲等效功率NEP來表示探測器或紅外熱成像系統的熱靈敏度，即

可見噪聲等效功率表征了探測器所能探測的最小輻射強度，該值越小，探測器的性能越好。