熱成像技術及應用探究

文/丁軍

眾所周知，熱成像技術最早應用在軍事領域。該技術被引入到安防領域后，以其隱蔽性好、全天候應用和超遠距離覆蓋等諸多優(yōu)點彌補了傳統(tǒng)安防監(jiān)控的不足，在國防、森林防火、港口等特定監(jiān)控行業(yè)應用中發(fā)揮著舉足輕重的作用，但由于整體成本過高，難以得到廣泛應用。

本文試圖從技術發(fā)展、方案匹配、市場應用等多個維度分析熱成像技術在監(jiān)控領域的應用和發(fā)展趨勢。

技術發(fā)展

熱成像是一種被動式紅外夜視技術，其原理是基于自然界中一切溫度高于絕對零度（-273℃）的物體會輻射出紅外線，且不同物體的輻射能力各不相同，那么熱成像就是利用物體與背景環(huán)境的輻射差異，以及景物本身各部分輻射的差異形成的熱量分布圖進行成像，從而顯示出整個場景的輪廓特征。

熱成像系統(tǒng)的核心部件是探測器，其作用等同于光學成像中的光學傳感器。光學傳感器是將光信號轉換為電信號，而探測器是將物體輻射出的熱特性轉換成電信號，由此形成圖像信息。探測器又分為制冷式系統(tǒng)和非制冷式系統(tǒng)，其中制冷式紅外熱成像系統(tǒng)具有更高的靈敏度，但需要設計復雜的制冷系統(tǒng)，一般應用在軍事領域，而非制冷式紅外熱成像系統(tǒng)雖然靈敏度略差，但系統(tǒng)小巧，相對成本更低，適合應用在安防領域。

在紅外探測器研發(fā)和制造領域，美國FLIR（前視紅外）公司是歷史最為悠久的一家，其產品范圍涉及紅外熱像儀、航空攝像機和機械檢測系統(tǒng)等，該公司在紅外熱像儀領域的積累已有50多年，擁有世界一流的紅外熱像儀產品和配套技術支持。而法國ULIS作為后起之秀，主要為OEM廠家提供非制冷紅外傳感器及相關模組。

自從熱成像技術應用于安防以來，F(xiàn)LIR、ULIS等廠家陸續(xù)推出一系列適合監(jiān)控應用的探測器模組，以滿足一些攝像機廠家的集成需求，目前國內主流紅外熱成像攝像機廠商所采用的模組基本都是來自這兩個廠家。當然，從上世紀七十年代開始，我國開始投入對紅外熱成像技術以來，近幾年我國紅外成像技術更是得到突飛猛進的發(fā)展，有些國內熱成像企業(yè)自行研制的探測器性能也得到大幅提升。

鑒于上述，安防企業(yè)在進入紅外熱成像領域時，首先會選擇低耦合度的實現(xiàn)方案，即選用國外成品的機芯或模組，配合自己擅長的編碼，組合成一套熱成像監(jiān)控系統(tǒng)，這套方案的優(yōu)點是性能更好，系統(tǒng)更穩(wěn)定，但由于FLIR、ULIS的模組價格過高，整機成本難以控制；而另一類企業(yè)則選用國產模組，或基于國產探測器自行開發(fā)機芯，以此降低整機成本，但這需要在圖像處理方面投入一定的人力進行優(yōu)化，同時國產模組在工藝水平、成像效果、動態(tài)范圍等方面與國外廠家均存在差異。

分辨率方面，目前主流的仍是384×288，更高分辨率（如640×480）的模組由于性價比不高，目前還難以應用到安防領域。由于熱成像系統(tǒng)提供的是基于熱分布的輪廓，而不是像可見光系統(tǒng)那樣能夠呈現(xiàn)肉眼可分辨的人物細節(jié)，因此對分辨率沒有特別的要求。

方案匹配

考慮到綜合性價比，監(jiān)控系統(tǒng)中選用的軟硬件方案是根據(jù)不同應用需求進行設計。

絕大部分監(jiān)控需求在200米以內，這類監(jiān)控應用一般采用LED紅外燈或白光燈進行補光，前者具有隱蔽效果，后者則具有顯色性和警示作用，半球、筒機、槍機、球機等常見機型都屬于此應用范疇。這類監(jiān)控方案中，白天通過自然光獲取彩色圖像，夜晚則通過補光獲取圖像，白光補光可以獲得和白天相同的彩色圖像，而紅外補光下只能獲得黑白圖像，由于不同色彩在紅外光和自然光下的反射效果不同，且紅外光無顯色性，因此紅外燈照射情況下獲取的圖像與自然光下的圖像具有較大差異，即便如此，由于人物細節(jié)或物體紋理都得到有效還原，因此紅外補光仍是當前監(jiān)控應用中的首選。

當監(jiān)控距離超過200米時，為保證遠距離圖像效果，補光光線需要更加聚集，而這已達到LED透鏡角度設計極限；同時，考慮到補光行程中能量損耗較大，遠距離下照度急劇下降，因此需要設計更多的LED補光燈，這樣不僅導致綜合成本增加，而且由于LED散熱量大，造成熱設計復雜度提升；因此，綜合考慮選用另一種補光方案——激光燈。激光能量聚集，激光燈產品一般將激光打散、勻化后再作為光源使用，加之激光燈功耗低，因此作為中遠距離補光光源的最佳選擇。常見采用激光補光的機型有激光球機、激光云臺等。激光燈波長處于800～820nm紅外波段，其補光效果等同于LED紅外補光燈。由于激光燈角度小、能量聚集，夜間近距離凝視可能會灼傷視網膜，因此在產品設計和監(jiān)控應用中需要進行規(guī)避，并盡量避免采用大功率激光器，因此激光在監(jiān)控中的應用一般在1000米以內。

1000米以上的監(jiān)控應用一般采用熱成像系統(tǒng)，熱成像相比傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)具有顯著優(yōu)勢：

隱蔽性好：熱成像技術基于被動式紅外探測技術，通過熱敏材料感應物體紅外輻射的強度，不會發(fā)出任何光線，因此熱像儀具有很好的隱蔽性，不容易被監(jiān)控目標發(fā)現(xiàn)。

全天候應用：大氣、煙云等可吸收可見光和近紅外線，但是對3～5μm和8～14μm的紅外線卻是透明的，這兩個波段被稱為紅外線的“大氣窗口”。 熱成像技術就是利用這兩個窗口感應紅外能量，它可以在完全無光的夜晚，或是在雨、雪、大霧等惡劣環(huán)境下應用，能夠清晰地觀察到所需監(jiān)控的目標。正是由于這個特點，紅外熱成像技術能真正做到24h全天候監(jiān)控。

超遠距離：熱成像技術探測能力強，因此最早應用于軍事。目前手持式及裝于輕武器上的熱成像儀可讓使用者看清800m以上的人體；且瞄準射擊的作用距離為2～3km；在艦艇上觀察水面可達10km；在1.5km高的直升機上可發(fā)現(xiàn)地面單兵的活動；在20km高的偵察機上可發(fā)現(xiàn)地面的人群和行駛的車輛，并可分析海水溫度的變化而探測到水下潛艇等。安防領域使用的熱成像產品可以發(fā)現(xiàn)3～5km以外的人或車。

干擾少：傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)容易受強逆光、夜間車大燈直射等光線因素影響，造成監(jiān)控圖像質量的下降。而熱像儀是通過測量物體表面各點溫度的高低，直觀地顯示物體表面的溫度場，并以圖像形式顯示出來，因此不會受到環(huán)境光線的影響。

特殊用途：熱成像技術基于探測物體表面紅外輻射來實現(xiàn)，其對溫度具有很高的靈敏度，因此除利用其作為全天候、超遠距離監(jiān)控應用外，在森林防火、防疫等特殊領域應用具有天然優(yōu)勢。如在森林防火中，火災往往是由不明顯的隱火引發(fā)的，這是毀滅性火災的根源。普通監(jiān)控無法發(fā)現(xiàn)這種隱性火災苗頭，而熱像儀可以通過監(jiān)控區(qū)域溫度分布快速、有效地發(fā)現(xiàn)這些隱火，并且可以準確判定火災的地點和范圍，做到早知道、早預防、早撲滅。

雖然熱成像技術具備以上諸多優(yōu)點，彌補了傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)在一系列特殊場景下的應用限制，但也可避免地存在一些缺陷，阻礙了其在安防領域中的應用：

圖像對比度低，細節(jié)分辨能力差：熱像儀通過物體表面溫差進行成像，而一般物體表面的溫差較小，因此熱像儀無法分辨出物體的細節(jié)。

不同穿透玻璃等透明障礙物：傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)中，光線可以輕松穿透玻璃，獲得清晰的監(jiān)控圖像。而由于熱成像系統(tǒng)種，玻璃阻隔了物體的溫差，因此熱像儀無法透過玻璃進行監(jiān)控。

成本高：這是目前阻礙熱成像技術廣泛應用的最重要因素。雖然近年來國產探測器廠家取得了長足的進步，但由于成本過高，導致熱成像技術成為少數(shù)特殊行業(yè)的專業(yè)應用，而普通行業(yè)則很難染指。

通過分析以上限制，在熱成像系統(tǒng)部署時，一般采用彩色系統(tǒng)與熱成像系統(tǒng)同步的方式。即在同一臺監(jiān)控平臺上同時部署一套彩色監(jiān)控系統(tǒng)和一套熱成像系統(tǒng)，兩套系統(tǒng)的成像作相互彌補、相互參照，以此發(fā)揮各自系統(tǒng)的優(yōu)勢。

結束語

綜述，本文通過多個維度分析了熱成像技術的應用現(xiàn)狀。在技術方面，國內已經擁有自主開發(fā)探測器、機芯的技術能力，打破了國外廠家在這一領域的壟斷地位，使熱成像系統(tǒng)整體造價得到有效控制，但在工藝水平、靈敏度等方面與國外廠家仍存在差異，國產探測器仍有較長的路要走；在監(jiān)控方案設計方面，考慮到綜合性價比，目前僅1000米以外的監(jiān)控應用才會考慮選用熱成像技術，這使熱成像被定位在傳統(tǒng)安防領域無法滿足的狹小的應用區(qū)間內；而在市場方面，熱成像系統(tǒng)更是少數(shù)特殊行業(yè)中的特殊應用。根據(jù)紅外熱成像的技術特點，系統(tǒng)主要應用在森林防火、邊防、水利、港口、機場、重要區(qū)域或目標安保等監(jiān)控場合。這類應用場景具有范圍廣、環(huán)境惡劣多變等共性，這正是熱成像技術發(fā)揮其優(yōu)勢的場合。而在道路監(jiān)控、平安城市、園區(qū)監(jiān)控等傳統(tǒng)監(jiān)控行業(yè)中，由于一般無需覆蓋這么大的監(jiān)控范圍，且熱成像成本過高，一般不會采用。

因此，未來熱成像技術仍將處于技術完善、方案推廣階段，真正的大規(guī)模應用很難實現(xiàn)。