红外热成像技术在民用领域的应用

MEMS 2021-04-18 00:00

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红外热成像技术

由于绝对零度以上的物体都会发出红外光，红外热成像技术就是通过吸收目标物体辐射的红外光，然后将光信号转换为电信号，即将肉眼不可见的红外辐射转换为可视图像的。同时，红外大气窗口有三个：1～3uｍ（短波）、3～5uｍ（中波）和8～14uｍ（长波）。红外热成像通常工作在中波红外和长波红外两个波段。该技术广泛应用于各个领域，且具有以下几个特点：（1）温度测量范围广，通常为-170～2000℃（或需加滤光片）；（2）探测准确度高，能分辨小于0.1℃的温度；（3）响应时间短，可在几秒内测出物体的温度场；（4）可用于测量小目标或点目标物体；（5）属于被动测量，不会破坏被测温场（测温距离可近可远，从几厘米到天文距离）。

红外热像仪在民用领域的应用

红外成像可以应用于基础设施建设、城市管理、工业生产、交通管控、资源勘探、检验检疫和消防安保等领域，市场需求广阔。由于应用广泛，且能为生产生活提供极大的便利性，未来对红外成像的市场需求可能会保持持续稳定增长的态势。除了传统的应用行业之外，将会有更多的新兴市场需求成为红外成像市场新的增长点。

目前，红外热成像技术的应用正在变得越来越普及，涉及民航、安防、边防、工业、建筑、交通、户外以及自动化等众多领域。

民航领域

随着现代航空科学技术的不断发展，民用飞机的安全性越来越高。在装备综合环境监视系统（Intergrated Surveillance System，ISS）以后，飞机能够为机组人员提供全面的地面与空中交通、飞行气象、复杂地貌等信息，使空中环境感知能力不断增强。然而ISS系统只是解决了飞机在空中飞行时的安全问题，但对于在大雾或雷雨等能见度较低以及天气恶劣的条件下进行着陆和位于跑道上的安全性问题，则无法提供有效的解决措施。现有的ISS系统具有两个缺陷：第一，飞机降落时飞行员无法对跑道情况有充分了解；第二，飞机在跑道上移动时不能对周围环境进行检测和识别，以致经常发生与其他飞机碰撞、对地勤人员造成伤害等事故。这一缺陷可以通过在飞机前下方增加红外辅助系统进行弥补。由于红外热成像技术能够对跑道及周边环境进行检测和识别，通过借助红外可视图像进行导航可以提高飞机的起降等级，从而提升飞机起降的安全性，如图１所示。

▲图1 红外探测在民航领域的应用

电力领域

电力行业在预防检测领域中是目前应用最成熟、最稳定的。作为最有效的在线电力检测手段，红外热成像技术可以快速地对电力设备进行检修，从而有效降低设备检修的时间成本和提高设备运行的可靠性。

利用红外热成像进行电力检测的优点有很多：远离设备，安全性强；非接触式测温，不影响设备运行；扫描速度快，节省时间；测温范围宽，精度高；监测到位，可准确发现设备缺陷。重要区域的发电、配电及变电站均可配备高端的红外成像监控设备，如图2所示。

▲图2 红外热成像技术在电力领域的应用

石油化工领域

石油化工领域的许多重要设备需要在高温高压环境下工作，容易产生安全隐患。根据安全生产要求，需要对其进行实时监测，及时消除隐患。使用红外热成像技术能对产品传送和管道，耐火及绝热材料，各种反应炉的腐蚀、破裂、减薄、堵塞以及气体泄漏等进行检测，从而搜集有关检测信息。炼油厂采用热成像技术可以对催化裂化装置、反应堆尾气设备和熔炉、安全阀与凝气阀的泄漏、地下管道的裸露与浅埋等安全隐患等进行检测，在早期就能迅速、准确地对其进行排查与定位，如图3所示。这些技术的应用对于预防安全事故和降低能耗十分有效。

早期的气体泄漏检测方法采用机械探头，需要与被检目标进行密切接触或近距离接触。检测人员可能会暴露在看不见的有害化学物质中，而且这种检测方法对检测环境条件有着特殊要求，不利于实时检测。随着红外技术的不断进步，基于红外热像仪的气体泄漏监测技术也将会逐渐普及。红外热像仪可以利用图像实现泄漏气体的可视化，从而实时、迅速地锁定泄漏点。

▲图3 红外热成像技术在石油化工领域的应用

森林防火和环境监测

从红外热像仪观察到的目标图像中可以提取出物体表面温度信息并对其进行量化。利用这一特点可以应用于消防预防领域。如图4所示，在大面积的森林中，不明显的隐火容易引起大火，仅仅靠人工监控是难以及时发现的，等发现时已经发展成了难以控制的局面。高灵敏度红外热像仪可以通过设置目标温度上限来对监测目标进行实时分析。如果目标温度达到设定上限就会发出报警信息，由此便可迅速确定起火点的位置和规模，将森林火灾消灭在萌芽阶段，从而消除火灾隐患。

▲图4 红外热成像技术在森林防火中的应用

医疗领域

人体本身也是一个红外辐射源，其组织细胞在新陈代谢的过程中产生热量并向体表传递。当人体的某处生理状况发生变化或病变时，该处的表面温度就会偏离正常值。如图5所示，医用红外热像仪可以将这部分变化绘制成温度图谱。作为一种无创伤、非接触、无辐射、绿色的辅助诊断技术，医用红外热成像具有高敏感度、全面、快速的特点，能够起到早筛查、早诊断、全程动态监控的作用，从而达到“治未病”的目的。它与核磁共振、CT、X光、超声并称为五大医学影像技术。医用红外热成像技术的主要应用包括体质辨识、慢性病预防/控制（老年保健）、重大疾病预防、常见病诊断、亚健康综合评估、康复服务、精神卫生检查、中医辨证及疗效评估等。该技术在医疗领域的应用才刚起步，我国社会也将逐渐步入老年社会，所以红外热像仪在医疗领域具有巨大的应用市场。

▲图5 红外热成像技术在医疗领域的应用

安防监控

红外热成像技术在安防方面的应用包括防盗监控，伪装及隐蔽目标识别，夜间及恶劣气候条件下的治安巡逻，重点部门、建筑、仓库的安保工作，防火监控，陆上和港通安全保障，机场监控等领域，如图6所示。高端红外成像设备具有隐蔽性强、误报率低以及夜间无需任何辅助光源等优点，可及时发现目标并记录现场情况，从而准确定位越界人员的位置。

港口、机场、核电厂等属于重要领域，容易遭到偷窃，甚至是恐怖袭击。使用热像仪则可在防护方面发挥重要作用。机场、水力发电站、精炼厂、油气管道以及其他任何的大型基础设施都可能拥有长达数公里的围护边界。此时，红外热像仪能够为其提供安全的周界报警解决方案。在2003年的非典时期，安检中就已经采用了红外热成像技术，并取得了良好的效果。

此外，红外热像仪还可用于无人机、航空模型、空飘气球等“低、慢、小”目标的监测与预警。由于此类目标具有雷达散射面积小、运动速度慢等特点，雷达技术手段难以对其进行监测。而红外热成像技术则不受上述特点的限制，可以实时地对空域内的“低、慢、小”目标进行监测与预警，从而实现对“低、慢、小”目标的有效探测和驱离。

▲图6 红外热成像技术在安防监控领域的应用

海事领域

红外热成像技术在海洋环境中高效实用，能够满足以下客户的需求：港口、航道及沿海安全，海事安全，海上非法入境侦测，海上执法，反海盗与威胁探测，渔船队保护，船舶跟踪与观察，搜索救援行动以及环境保护。即便是雷达系统无法探测到的物体（如帆船、木船及漂浮物等），均可利用红外热成像技术对其进行探测。

红外热像仪可以提供针对常见危害的“早期预警系统”，即可显示潜在危害所发出的不可见的热能（见图7），包括漂浮物、航线交通、抛锚的船舶和小船只；也可显示漂浮、桥墩、码头等人工建筑，还可以识别出冰山以及浅游的鲸鱼。

红外热像仪可以帮助油轮安全通过冰层覆盖的水域，在夜晚看清一切事物，并可看清其他船只上的任何细节信息，包括驾驶舱、桥楼、锚具等一切细节。同时，它还可以用于海上搜救任务。搜救人员可使用红外热像仪精准地寻找和定位受害者，进而顺利展开水中搜救工作。红外热成像技术还可以帮助海事工作人员了解陆地上的动态，在犯罪现场或搜索区域周围划定警戒范围，为陆地上的执法人员提供观察到的信息，有利于海上与海滨执法人员展开高效且安全的合作。

▲图7 红外热成像技术在海事领域的应用

工业制造领域

红外热成像技术在工业制造领域也有着广泛的应用（见图8）。由于电子组件的尺寸越来越小，要准确了解其热信息变得异常困难。但是工程师们借助红外热成像技术便能轻松地对制造设备的热像图进行可视化和量化处理。同时，在电路设计的前期阶段，可以利用热成像来预先优化设计。显微镜同红外热成像技术相结合后就变成了一台热成像显微镜，能够对小至3um的目标进行精确测温。研究人员可使用热成像显微镜以非接触方式描绘组件和半导体衬底的热性能。红外热成像技术能帮助汽车工程师改善安全气囊系统设计，验证供暖和制冷系统的效率，量化热冲击对轮胎磨损的影响，检测连接处和焊接处的性能质量等。借助红外技术进行新药品研发。科学家们通过观测化学反应的温度变化来研究滴定盘中发生的变化。借助红外热成像技术，制造业可以缩短研发周期和提高产品质量，从而增加公司盈利。

红外无损检测是一种广泛用于材料、组件和系统属性评估且不会对检测对象构成损害的方法。红外热成像技术不仅能够完成各种先进检测，比如无损检测、应力测绘和表面裂纹，而且还能用于发现低至1mK的细小温差。红外无损检测能够基于目标激发，通过观察目标表面的热差异来检测内部缺陷。该技术对于检测复合材料的孔洞、层离和藏水颇有价值。

应力测试和疲劳测试是机械工程和材料科学中的常用测试方法，但对于复杂结构却只能提供有限信息。即便是几何结构复杂的组件，用于热应力测绘的红外热成像技术也能同时提供数千个应力测量结果。与应变仪相比，这种技术可为研究人员提供更快速、更完整的信息。

▲图8 红外热成像技术在工业领域的应用

经过多年的积累，红外热成像技术已经实现了功能模块化、小型化、电子化和全自动化，并具有灵敏度高、响应速度快、对人体无害、产品易于维护以及使用寿命长等特点。非制冷热成像技术更是推动其广泛应用于工业生产监控、公共安全执法、平安城市建设、医疗辅助诊断、民用卫星遥感、设备预防性故障诊断与维护、海上执法、星系深空探测和车辆辅助驾驶等民用领域。随着制冷型红外探测器技术的不断发展，高性能、大面阵、高可靠性、高分辨率红外探测器的成本将会逐渐降低，使得制冷型红外热像仪在高端民用领域得到越来越多的应用。

本文内容转载自《红外》2019年第6期