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红外热成像原理
2011-07-19 17:35:52
 

波长为2.0~1000μm的部分称为热红外线。我们周围的物体只有当它们的温度高达1000℃以上时,才能够发出可见光。相比之下,我们周围所有温度在绝对零度(-273℃)以上的物体,都会不停地发出热红外线。所以,热红外线(或称热辐射)是自然界中存在最为广泛的辐射。热辐射除存在的普遍性之外,还有另外两个重要的特性。

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1.大气、烟云等吸收可见光和近红外线,但是对3~5μm和8~14μm的热红外线却是透明的。因此,这两个波段被称为热红外线的“大气窗口” 。利用这两个窗口,可以使人们在完全无光的夜晚,或是在烟云密布的战场,清晰地观察到前方的情况。正是由于这个特点,热红外成像技术军事上提供了先进的夜视装备并为飞机、舰艇和坦克装上了全天候前视系统。这些系统在海湾战争中发挥了非常重要的作用。
2.物体的热辐射能量的大小,直接和物体表面的温度相关。热辐射的这个特点使人们可以利用它来对物体进行无接触温度测量和热状态分析,从而为工业生产,节约能源,保护环境等等方面提供了一个重要的检测手段和诊断工具。
 
现代的热成像装置工作在中红外区域(波长3~5μm)或远红外区域(波长8~12μm)。通过探测物体发出的红外辐射,热成像仪产生一个实时的图像,从而提供一种景物的热图像。并将不可见的辐射图像转变为人眼可见的、清晰的图像。热成像仪非常灵敏,能探测到小于0.1℃的温差。
工作时,热成像仪利用光学器件将场景中的物体发出的红外能量聚焦在红外探测器上,然后来自与每个探测器元件的红外数据转换成标准的视频格式,可以在标准的视频监视器上显示出来,或记录在录像带上。由于热成像系统探测的是热而不是光,所以可全天候使用;又因为它完全是被动式的装置,没有光辐射或射频能量,所以不会暴露使用者的位置。
红外探测器分为两类:光子探测器和热探测器。光子探测器在吸收红外能量后,直接产生电效应;热探测器在吸收红外能量后,产生温度变化,从而产生电效应。温度变化引起的电效应与材料特性有关。
光子探测器非常灵敏,其灵敏度依赖于本身温度。要保持高灵敏度,就必须将光子探测器冷却至较低的温度。通常采用的冷却剂为斯太林(Stirling)或液氮。
热探测器一般没有光子探测器那么高的灵敏度但在室温下也有足够好的性能,因此不需要低温冷却。
 

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