01

可見(jiàn)光、中波、長(zhǎng)波光譜分析

上面的光譜圖（下圖中的透射率圖來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)），熱像儀有兩個(gè)重要波段：3.0-5μm（MWIR）和 8-14μm（LWIR）。5-8μm波段被水蒸氣對(duì)大氣的光譜吸收阻擋大，以至于很少用于成像。配備非制冷傳感器的熱像儀設(shè)計(jì)用于在波長(zhǎng)介于 7 至 14 微米之間的長(zhǎng)波紅外(LWIR)波段工作，在該波段，地面目標(biāo)發(fā)射大部分紅外能量，非制冷檢測(cè)很容易。配備冷卻探測(cè)器（傳感器冷卻至低溫）的熱像儀對(duì)場(chǎng)景溫度的微小溫差最敏感，通常設(shè)計(jì)用于在中波紅外波段(MWIR)或長(zhǎng)波(LWIR)中成像。

紅外線(xiàn)在大氣中穿透比較好的波段，通常稱(chēng)為“大氣窗口”。紅外熱成像檢測(cè)技術(shù)，就是利用了所謂的“大氣窗口”。短波窗口在1~5um之間，而長(zhǎng)波窗口則是在8~14um之間

02

專(zhuān)業(yè)解讀： 霧對(duì)紅外熱像儀性能影響

霧分類(lèi)：

一種常用的分類(lèi)是國(guó)際民用航空組織(ICAO)使用的分類(lèi)。根據(jù)該系統(tǒng)，霧可分為4類(lèi)：

I類(lèi)：可視范圍1220米
II類(lèi)：可視范圍610米
IIIa類(lèi)：可視范圍305米
IIIc類(lèi)：可視范圍92米

在有霧的大氣中能見(jiàn)度下降的原因是霧粒子對(duì)自然或人工照明的吸收和散射。吸收和散射的量取決于霧粒子的微觀物理結(jié)構(gòu)，也稱(chēng)為氣溶膠。

霧對(duì)紅外熱像儀性能影響：

熱像儀根據(jù)物體發(fā)出的熱輻射差異產(chǎn)生圖像，這種紅外信號(hào)必須從目標(biāo)傳播到相機(jī)的距離越遠(yuǎn)，沿途丟失的信號(hào)就越多。這意味著需要考慮衰減因子，即入射輻射與通過(guò)屏蔽材料傳輸?shù)妮椛涞谋嚷?。潮濕的空氣充?dāng)紅外輻射的“屏障”，由于濕度水平增加，夏季月份的大氣通常比冬季月份具有更高的衰減。一般來(lái)說(shuō)，冬季晴朗的天空和良好的天氣條件使用熱像儀比夏季看得更遠(yuǎn)。

可見(jiàn)光、中波、長(zhǎng)波在不通類(lèi)型的霧模型中透過(guò)率比較

大氣傳輸模型-霧

不同范圍的大氣光譜傳輸可以對(duì)不同大氣窗口中的能見(jiàn)度進(jìn)行簡(jiǎn)單的定性比較。

CAT I 可視范圍：1220m

可見(jiàn)光波段（0.4-0.75um）,透射率明顯低于兩個(gè)紅外窗口，在這些條件下，無(wú)論是使用長(zhǎng)波探測(cè)器還是中波探測(cè)器，熱像儀都將比肉眼看得更遠(yuǎn)。

當(dāng)我們?cè)谀Ｐ椭袑⒛芤?jiàn)度降低到具有輻射霧的CAT II條件時(shí)，它預(yù)測(cè)只有LWIR（8-12微米）波段優(yōu)于可見(jiàn)波段，并且中波紅外熱像儀不會(huì)比裸眼看得更遠(yuǎn)眼睛

最后，在能見(jiàn)度低于300 m的Cat III條件下（圖3），使用熱像儀可以看到的距離與用肉眼可以看到的距離之間沒(méi)有顯著差異。

下表比較了肉眼（視覺(jué)）、MWIR相機(jī)和LWIR相機(jī)在霧中的檢測(cè)范圍（以公里為單位），假設(shè)目標(biāo)與背景之間的溫差為10°C，檢測(cè)閾值為0.15 ?

專(zhuān)業(yè)分析

使用長(zhǎng)波紅外熱像儀，絕對(duì)濕度低，最佳條件出現(xiàn)在冬季，在MWIR波段，檢測(cè)范圍在夏季或熱帶氣候中常見(jiàn)的高溫條件下是最佳的。

IR的所有檢測(cè)范圍都明顯優(yōu)于Cat I霧的視覺(jué)范圍。對(duì)于Cat II霧，配備LWIR探測(cè)器的熱像儀的結(jié)果是可見(jiàn)光的四倍。

在Cat IIIa和Cat IIIc霧中，使用熱像儀和肉眼可以看到的距離幾乎沒(méi)有區(qū)別，因?yàn)榇髿馐窍拗埔蛩?。輻射不?huì)在所有（可見(jiàn)光、MWIR和LWIR）光譜帶中穿透這種濃霧。

在所有研究案例中，與MWIR波段相比，LWIR成像儀實(shí)現(xiàn)了更高程度的霧穿透。對(duì)于Cat II霧，與MWIR波段相比，LWIR光譜波段的范圍性能大約提高了四倍。但是，必須考慮傳感器熱靈敏度和目標(biāo)特征，才能為任何給定應(yīng)用提供最佳系統(tǒng)。

專(zhuān)業(yè)解讀結(jié)論與結(jié)果

根據(jù)這些模型，與第一類(lèi)和第二類(lèi)霧中的可視波段相比，熱紅外波段提供了更好的距離性能。因此，熱紅外熱像儀非常適合幫助用戶(hù)看穿這些類(lèi)型的霧。這些模型還表明，熱成像攝像機(jī)可能會(huì)用作飛機(jī)的著陸輔助設(shè)備，或作為交通和汽車(chē)行業(yè)駕駛員視覺(jué)增強(qiáng)系統(tǒng)的一部分。

此外，在所有研究案例中，與MWIR波段相比，LWIR成像儀實(shí)現(xiàn)了更高程度的霧穿透。對(duì)于II類(lèi)霧，與MWIR波段相比，長(zhǎng)波紅外光譜波段的射程性能提高了約四倍。然而，必須考慮傳感器的熱靈敏度和目標(biāo)特征，以獲得適用于任何給定應(yīng)用的最佳系統(tǒng)。

MWIR輻射受到大氣污染物和污染氣體的不利影響（可能會(huì)增加大氣吸收和/或增加路徑內(nèi)輻射水平，這兩者都會(huì)降低目標(biāo)圖像對(duì)比度），而LWIR受到的影響要小得多。雨水可以顯著降低目標(biāo)對(duì)比度（由于大氣散射和一般遮蔽的增加），而LWIR和MWIR在降雨情況下的表現(xiàn)類(lèi)似。由于降雨，紅外系統(tǒng)性能下降對(duì)距離非常敏感，在100-500米范圍內(nèi)急劇下降。

就像很難對(duì)“用熱成像相機(jī)我能看到多遠(yuǎn)”這個(gè)問(wèn)題給出簡(jiǎn)單的答案一樣，同樣不可能說(shuō)在霧天或雨天的情況下，距離會(huì)短多少。這不僅取決于大氣條件和霧的類(lèi)型，還取決于使用的紅外熱像儀和目標(biāo)的特性（目標(biāo)和背景的大小、溫差等）。

03

紅外熱像儀相比于可見(jiàn)光相機(jī)的優(yōu)勢(shì)

現(xiàn)狀：雖然滿(mǎn)足各種透霧要素的透霧攝像機(jī)雖一定程度上獲得了用戶(hù)的認(rèn)可，但高清透霧攝像機(jī)的問(wèn)世，很大程度上得益于透霧高清電動(dòng)鏡頭，得益于濾光片，還有優(yōu)秀的算法。可見(jiàn)光的透霧處理集合了多種圖像算法，但這種基于圖像還原的技術(shù)，其致命缺陷在于霧霾嚴(yán)重時(shí)無(wú)法還原丟失的信息，這是其成像原理決定的，即使圖像還原算法再先進(jìn)，也無(wú)法改善。霧霾天氣，以可見(jiàn)光為首的監(jiān)控安防系統(tǒng)如果不滿(mǎn)足透霧的所有要素，就顯得無(wú)可奈何、力不從心。

普通可見(jiàn)光相機(jī)的工作波長(zhǎng)在380到780納米之間，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于2.5微米，物體反射的可見(jiàn)光被pm2.5所阻擋, 無(wú)法到達(dá)相機(jī)端，從而導(dǎo)致了常常在可見(jiàn)光相機(jī)在霧霾天氣中無(wú)法使用。因此，如何解決霧霾所導(dǎo)致能見(jiàn)度低的問(wèn)題成為當(dāng)今人們所關(guān)注的重點(diǎn)。但擁有波長(zhǎng)8- 14um的紅外熱像儀卻不需要任何光學(xué)和電子透霧的模型和算法，甚至青出于藍(lán)更勝于藍(lán)，可以有效的避免氣候環(huán)境所帶來(lái)的干擾，尤其是在霧霾天可見(jiàn)光相機(jī)可視范圍嚴(yán)重受影響的情況下，紅外熱像儀仍然能夠保證很好的監(jiān)控效果,基本不受霧霾影響，完美的解決霧霾所導(dǎo)致能見(jiàn)度低的問(wèn)題。

大霧天，紅外熱像儀與可見(jiàn)光相機(jī)成像效果對(duì)比

通過(guò)對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)，在霧霾天氣中，可見(jiàn)光沒(méi)有穿透功能，而紅外熱成像具有透煙透霧透霾

審核編輯 ：李倩