微型红外热像仪的新兴应用

发布日期：2022/7/14来源：网络

过去十年，热成像技术的使用和公众对其功能的认识都得到了显著提升。过去，红外热成像只是一项昂贵的军用技术，而如今，越来越多的人认识这项技术及其所具备的优势。红外热像仪能够在漆黑的夜晚、薄雾、轻烟以及各种天气条件下生成清晰的图像。

通过电视节目（例如“911营救”(Rescue 911)）与其它报道有关消防员、警察和其他救援人员活动的纪实节目，越来越多的人了解到红外热像仪和其具有的功能。相信许多人都已经在电视上看到过热成像是如何帮助警察在完全漆黑的环境下锁定跟踪疑犯。

从边境处的远距离监视，卡车和船运集装箱检查，到高安全级别装置的监控，如核电站、机场和水坝，人们对各种安防应用热成像的兴趣也有所提高。但是，热成像远非只为安防应用提供夜视解决方案这么简单。

红外热像仪：一项拯救生命的技术

红外热像仪用途众多，但是，无论是在火灾中定位受困人员，在完全漆黑的环境下搜寻疑犯，或是帮助司机和船长在夜间驾驶，都没有比拯救生命的用途更为重要。警察、消防员、救援工作者和安保人员人手一台由电池供电的轻巧型热像仪也许只是时间问题。

与此同时，消费者如今越来越容易接触到热成像技术。汽车制造商在汽车内集成夜视模块来扩大驾驶视野。夜视模块让司机在夜间看得更清楚，从而避免事故的发生。船艇配备热像仪，用于夜间航行和其他海事应用，如搜寻落水人员。全世界范围内对热像仪不断增长的需求令制造商有能力大幅降低生产成本。随着价格降低以及对该技术兴趣的提高，众多不同产品领域内愈来愈多的制造商看到了热像仪的附加价值，并愿意将热像仪集成到他们的产品中。通常，热像仪只是完整成品的一个小部件，因此它必须尽量小巧、轻盈、便宜。

Photon：FLIR Systems开发的微型红外热像仪

微型红外热像仪的最新研究进展促成了FLIR Systems Photon红外热像仪的问世。Photon是一款具有高灵敏度、高可靠度的非制冷型长波红外热像仪。其紧凑的设计、轻巧的重量以及较低的能耗，成为众多红外热成像应用的理想选择，尤其是涉及电池供电操作的应用。Photon采用基于氧化钒微量热型探测器技术的红外传感器，可生成像素阵列为320x256的图像，定位为一款商用红外热像仪，现已作为标准产品进行大量生产，同时它还附带各种可选功能以吸引更广阔的市场空间。Photon可搭载各种镜头，适用于几乎所有的应用。

能够批量高产地制造红外传感器是实现低价的关键。FLIR Systems已基于商业硅铸造工艺模型，开展了高度自动化的微量热型探测器生产线。该生产线拥有目前为止世界上最高的生产能力，使用了盒对盒式晶圆传送技术来加快生产，并将计量融入生产线以确保连续工艺反馈。

小巧轻便，影像清晰

Photon只有手掌大小，极其轻便（19mm镜头款仅130克），且功耗不到1.6W，外形上与用于可见光成像的紧凑型CMOS摄像头十分相似。

Photon红外传感器为320x256像素焦平面阵列(FPA)，在7.5-13.5微米或长波红外波段内成像。长波红外波段对于看清黑暗甚至烟雾中的人十分有用。Photon是一款完全集成的热像仪，同时拥有模拟视频和14位数字数据输出以及RS-232串行通信端口，三者均引入一个单独的包含功率输入引脚的15个引脚高密度连接器。

未搭载热电冷却器

Photon的FPA无需稳定温度，因此免去了其它微量热型探测器摄像机中的热电冷却器(TEC)。尽管存在其它搭载少量TEC的热像仪，但它们均不具备搭载少量TEC的FLIR 热像仪如此广的工作温度范围（-40°C-+80°C）。FLIR开发了专利读出电路和全新的非均匀性校正算法，制造出未搭载TEC的热像仪。这一设计特性带来了大量搭载TEC的红外热像仪所不具备的主要优势：

Photon可在通电后两秒内生成图像，因为其与TE稳定的热像仪不同，不需要FPA在特定温度下进行操作。这对于消防应用有着巨大的优势，因为红外热像仪可被开启和关闭以节省电池电量，任何成像延迟均潜在危险。

能耗可降低，这对于采用电池供电热像仪的应用至关重要。其能耗随着热像仪外壳与FPA的温差增大而增加，这种情况在环境空气温度可达几百摄氏度的消防等应用中十分普遍。

红外热像仪包装聚积的热量大幅减少，这对于封装在绝缘和自动加热外壳内的热像仪的应用尤为重要。TEC会消耗大量电流，从而产生大量废热。

由于光学组件和FPA外壳的杂散辐射效应降低，Photon的场景动态范围可通过TE稳定的热像仪大幅扩展。扩大的动态范围使热像仪无需令图像达到饱和，即可观察场景内更大的温度范围，这在消防应用中十分常见。

Photon：包含各种产品和应用的卓越热像仪

若希望在商业市场取得成功，红外热像仪则必须适应各种应用。随着价格的降低，红外热像仪的应用数量正在以惊人的速度增加。Photon的先进信号处理用途广泛，能够以各种不同的方式进行编程，从而实现针对不同应用的专门特征。例如，消防市场推动粗点辐射计的发展，以2x2像素显示观察区域的温度。软件采用的另一消防功能是图像内的像素伪彩色。这些像素颜色与用于快速识别场景内热区的可调阈值内的温度相对应。

驾驶员视觉增强

夜间驾驶给卡车、公交和其他重型车辆的司机带来了严重的安全隐患。重大事故多发生在夜间和雨雾天气，因为司机难以看清事故源，无法及时避免碰撞。每年，大型车辆发生夜间事故达成千上万例，有许多都是因为恶劣的天气条件。在这种情况下，司机的快速减速能力下降，疲劳会影响反应时间，而且视力在黑暗中严重减退。

红外热像仪是一个强大的驾驶员视觉增强系统，它显著降低了夜间驾驶的风险，使司机能够看到高达车头灯5倍之远的距离。它在任何情况下都不需要光线进行操作。正因为有了红外热像仪，司机才能够快速检测并识别潜在的危险，避免致命事故的发生。红外热像仪还能帮助司机更好地看清道路边缘，提前发现前方弯道，避免因前方车灯眩光造成的瞬时盲区，以及能够穿透轻烟、粉尘、薄雾和小雨看清前方。

宝马已开始在其7系、6系、5系轿车中采用了该技术辅助夜间驾驶。与轿车相比，公共汽车和卡车更能够受益于这项技术。

FLIR Systems出售PathFindIR作为为交通运输业的严苛需求量身定制的专用红外热像仪。本质上来说，PathFindIR的机芯是Photon红外热像仪，包装在极其坚硬的外壳中，可经受严苛的驾驶条件。

航空——使飞行更安全

Photon也是FLIR Systems EVS3的核心，它是一款可用于提升飞行员夜视的低成本热像仪，即使在完全黑暗、薄雾、粉尘和轻烟的环境下，它仍能通过提高飞行员远距离观察地形和其它飞机的能力对其提供帮助。

EVS3用于集成现有多功能显示器，配有简单的“电源输入和标准视频输出”接口。Photon采用了FLIR的数字细节增强(DDE)专利技术，无论场景的动态特性如何，均能确保卓越的图像质量，显示竞争对手制造的价格更昂贵的系统所无法捕捉的场景细节。可选择不同镜头适应各种宽、中、窄视场角下的飞行剖面。

消防——穿透烟雾

多年来，为了能够在完全黑暗中透过烟雾进行观察，以及探测地板、墙壁和天花板上的热点，消防员一直使用热像仪。烟雾中含有大量微米级碳黑颗粒，非常容易吸收可见光。但是，当颗粒远小于传感器所使用的光纤的波长时，将大大降低散射程度，使烟雾中的视线变得清晰。长波红外线的波长约为可见光波长的20倍，因而长波热像仪完美适合该应用。

对于通常必须打开通往火灾现场的大门，或者必须快速可靠地确定起火位置和火势蔓延情况的消防员而言，探测物体温差的能力至关重要。

由于以前的一些用于消防系统的热像仪笨重且使用不便，在某些情况下缺乏充足的动态范围，且对大多数消防部门而言过于昂贵，因此，降低尺寸、重量和成本的同时提高性能，已成为该行业最重要的需求。

矿井安全装置公司(MSA)（宾夕法尼亚州匹兹堡）将一款Photon热像仪集成到其Evolution®5200、EvolutionHD2和New Evolution 5600用于消防救火。ThermalTracTM热像仪中用于执法。消防设施要求热像仪有较宽的场景动态

范围，以便定位熊熊烈火的方向，并生成温度较低的周围环境或人员的未饱和图像。Photon拥有14位场景动态范围，使用非线性直方图AGC算法将14位范围映射到8位模拟视频显示器上。热像仪还有两种增益状态，可根据高于或低于阈值的图像的像素比例进行自动选择。这使热像仪可在消防员经常遇到的两种极限环境下工作，如黑暗潮湿的地下室和着火的房间。

无人机（UAV）

无人机在军用和民用领域的应用越来越普遍，尤其是专为低空飞行设计的小型飞机。这些无线电控制的飞机可装载下行连接至地面站的摄像机。热像仪能够使飞机在完全漆黑的环境下飞行，并穿透烟雾探测目标。此类飞机还可以用于森林火灾等类似应用。温度高于周围环境的区域表示可能发生火灾，并能在热图像上清晰地看到。

无人机系统领导者AeroVironment（AVAV）（加州西米谷市）将Photon融入其部分产品，包括手动Raven B。由于Raven B是由电池供电的轻型UAV，因此尽量缩小机载设备的重量和尺寸至关重要。Photon通常安装在飞机的前锥上，指向前方并向下方呈一定角度以便侦查和航行。该功能使Raven B提供真正的昼夜运行，成为在各种环境和应用中获取实时环境感知的强大工具。

热监视

总部位于英国的Qioptiq是红外和图像加强夜视设备设计者和制造商。该公司将Photon集成入其所谓的“VIPIR2-S”手持式热监视视线产品以及武器安装式“VIPIR-2”中。

由于该设备需小巧轻便，以便在战场上易于携带，因此Photon是集成到VIPIR中的最佳仪器。此外，Photon的低功耗使VIPIR能够仅靠4节商用AA电池便工作6个多小时。Photon未采用热电冷却器，使VIPIR的操作者一旦开启装置便立即获得清晰的图像。

无处不在的红外线

FLIR Systems Photon红外热像仪是将经济的微型红外热像仪打入技术市场的重要一步。随着产量加大和价格持续降低，我们将看到大量原始设备制造商在其应用和打包方案中结合Photon等类似产品。

在不久的将来，热成像将成为像GPS和雷达一样普遍的技术，它们最早均由军事实验室发明，但今天已被世界各地的消费者所广泛传播和接受。

鸣谢本文作者Austin Richards哲学博士，鸣谢B.Terre先生和S.Laband先生提供宝贵资料和建议。