在眾多的溫度測(cè)量工具中，研究人員和工程師為何應(yīng)考慮熱成像？

熱成像相機(jī)在軍事研究和測(cè)試范圍應(yīng)用中的最大優(yōu)勢(shì)之一是，它們能夠在無需接觸被測(cè)目標(biāo)物體的情況下進(jìn)行成像和記錄熱數(shù)據(jù)。許多高端研發(fā)和科學(xué)級(jí)相機(jī)還提供了速度、空間分辨率、觸發(fā)和高級(jí)定時(shí)功能，用于表征快速熱瞬態(tài)和高速移動(dòng)的目標(biāo)。熱像儀還可以檢測(cè)到最細(xì)微的溫度變化，能夠測(cè)量小于0.02°C（<20?mK）的溫差。紅外相機(jī)還允許您以您想要的方式全面分析數(shù)據(jù)，無論您使用研發(fā)軟件還是?SDK?解決方案。

紅外相機(jī)能夠生成清晰、實(shí)時(shí)、高分辨率的圖像。紅外探測(cè)和冷卻系統(tǒng)的發(fā)展使得紅外相機(jī)制造商能夠制造出更準(zhǔn)確、速度更快、分辨率更高的熱成像相機(jī)——正是研發(fā)和科學(xué)應(yīng)用所需的系統(tǒng)類型。

在過去的十年中，紅外相機(jī)的科學(xué)型號(hào)產(chǎn)品線不斷擴(kuò)展，提供了對(duì)各種紅外波段、多種探測(cè)器材料、快照速度、溫度范圍等的經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的訪問。連接性和軟件集成選項(xiàng)也得到了擴(kuò)展，因此科學(xué)家可以輕松地將紅外系統(tǒng)集成到他們的研究項(xiàng)目中。

本文將為您提供對(duì)研發(fā)和科學(xué)熱成像的全面了解——從紅外相機(jī)的工作原理到它們?nèi)绾问鼓捻?xiàng)目受益。

了解紅外熱成像

熱成像相機(jī)的工作方式與普通數(shù)碼相機(jī)非常相似——只不過，它們記錄的是紅外光譜段的輻射，而不是可見光。

熱成像相機(jī)收集視野內(nèi)物體發(fā)出的紅外輻射（A）。光學(xué)元件（B）將輻射聚焦到探測(cè)器（C）上，形成焦平面陣列（FPA）。一些相機(jī)使用斯特林微型制冷機(jī)（D）來保持FPA處于低溫。FPA將信息發(fā)送到傳感器電子元件（E）進(jìn)行圖像處理。電子元件將來自FPA的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可以流式傳輸?shù)接?jì)算機(jī)的格式。

在遠(yuǎn)處圖像中尋找分辨率

像任何相機(jī)一樣，熱像儀也有光學(xué)元件，用于執(zhí)行各種功能，從將圖像聚焦在探測(cè)器上到過濾掉不需要的波長(zhǎng)。一些為紅外（IR）范圍設(shè)計(jì)的光學(xué)元件的細(xì)節(jié)與在可見光下工作的光學(xué)元件不同，這可能導(dǎo)致對(duì)其能力的誤解。一個(gè)普遍存在的誤解是，變焦鏡頭在紅外線中效果不佳，它們太復(fù)雜、太昂貴，而且不值得投資。

事實(shí)上，變焦鏡頭是可用的、價(jià)格實(shí)惠的，并且可以成為在紅外線中運(yùn)行的高性能紅外相機(jī)系統(tǒng)的重要和有用組成部分。變焦鏡頭為用戶提供了良好的功能，使他們能夠跟蹤和成像遠(yuǎn)處的物體，或者更詳細(xì)地查看附近的物體。憑借連續(xù)的變焦，它們提供了時(shí)間-空間-位置信息，使研究人員能夠分析移動(dòng)物體的特性。

在軍事測(cè)試范圍中工作的研究人員經(jīng)常對(duì)移動(dòng)物體進(jìn)行遠(yuǎn)程測(cè)量，例如數(shù)公里外飛行的飛機(jī)。他們可能還想查看更近但更小的物體，例如迫擊炮彈。這兩種類型的測(cè)量都需要一個(gè)具有高光學(xué)分辨率的系統(tǒng)，包括鏡頭。

實(shí)現(xiàn)這種功率需要在目標(biāo)上盡可能多地獲取像素。因此，擁有大量像素的探測(cè)器很重要。小像元間距和鏡頭的長(zhǎng)焦距也有助于在目標(biāo)上獲取盡可能多的像素。

瞬時(shí)視場(chǎng)

任何遙感設(shè)備的空間分辨率都以瞬時(shí)視場(chǎng)來衡量。想象一個(gè)從探測(cè)器上的像素向被成像物體投射的錐體。錐體遠(yuǎn)端的面積就是瞬時(shí)視場(chǎng)（IFOV），即每個(gè)單獨(dú)像素能夠看到的區(qū)域大小。像素越小，焦距越長(zhǎng)，該區(qū)域就越小，因此物體在視場(chǎng)中所占比例就越大。這就好比用肉眼看飛機(jī)與通過雙筒望遠(yuǎn)鏡看飛機(jī)的區(qū)別。你的眼睛看到更廣闊的天空，但飛機(jī)看起來更小，而通過雙筒望遠(yuǎn)鏡，你看到的天空更少，但飛機(jī)的圖像更大。

幸運(yùn)的是，更小的像素和更長(zhǎng)的焦距都適用于紅外相機(jī)。像素間距——一個(gè)像素中心到下一個(gè)像素中心的距離——在過去的老式相機(jī)上是15μm，但已經(jīng)縮小到12μm甚至更小，減少了20%。與此同時(shí)，雖然鏡頭的焦距曾經(jīng)最多達(dá)到大約300mm，但現(xiàn)在可以提供從120到1200mm的連續(xù)變焦。這種組合使得對(duì)更小或更遠(yuǎn)的物體能夠獲得清晰的焦點(diǎn)。

順便說一下，提供更高空間分辨率的小像素與高速成像中所需的像素大小正好相反。在高速成像中，積分時(shí)間（IR中的曝光時(shí)間等效物）很短，因此相機(jī)需要快速捕獲盡可能多的光，這就需要更大的像素。幸運(yùn)的是，大多數(shù)遠(yuǎn)程應(yīng)用不需要高速，因?yàn)檫h(yuǎn)處的移動(dòng)物體在探測(cè)器上的表觀位置變化速度比近處的物體慢，因此小像素是可以接受的。

使用TSPI（時(shí)間-空間-位置信息）

鏡頭的焦距，即鏡頭與其反射鏡之間的距離，是遠(yuǎn)程成像的關(guān)鍵要素。知道焦距可以告訴用戶他們正在成像的物體的距離。當(dāng)研究一個(gè)朝向或遠(yuǎn)離觀察者的移動(dòng)物體（例如飛機(jī)）時(shí)，具有連續(xù)變焦和自動(dòng)對(duì)焦組件特別有用。它可以跟蹤焦距的每一個(gè)時(shí)間點(diǎn)，并將信息作為伴隨圖像的元數(shù)據(jù)保存，為物體提供關(guān)鍵的TSPI。知道有效焦距可以告訴用戶物體有多遠(yuǎn)，因此他們可以通過物體在視場(chǎng)中所占的百分比來判斷物體的大小。

對(duì)于TSPI的時(shí)間部分，一些相機(jī)有輸入端口，可以連接提供IRIG-B時(shí)間碼的設(shè)備。IRIG（代表跨范圍儀器組）是一個(gè)允許設(shè)備同步的標(biāo)準(zhǔn)。IRIG-B每秒提供100個(gè)脈沖信號(hào)。將IRIG-B與連續(xù)變焦相結(jié)合，用戶可以在任何給定時(shí)間知道他們與目標(biāo)的距離。

相機(jī)的視場(chǎng)（FOV）會(huì)隨著觀察距離的變化而變化。IFOV（紅色方塊）相對(duì)于物體大小。相機(jī)的空間分辨率（IFOV）由其鏡頭和FPA配置決定。

穩(wěn)定安裝

當(dāng)然，當(dāng)相機(jī)使用高倍率對(duì)準(zhǔn)物體進(jìn)行成像時(shí)，它必須是一個(gè)穩(wěn)定平臺(tái)的一部分。即使相機(jī)只有半毫米的微小移動(dòng)，也可能導(dǎo)致成像區(qū)域發(fā)生巨大變化，甚至可能完全錯(cuò)過目標(biāo)。高精度跟蹤安裝座可用于穩(wěn)定相機(jī)并將其指向正確方向。

事實(shí)上，一些用戶主要希望將具有高倍率的紅外相機(jī)用作跟蹤系統(tǒng)的一部分。軟件允許他們注意圖像的特定部分，并確定它從一幀到下一幀的位移量，例如，當(dāng)飛機(jī)穿過視野時(shí)。然后它將這些信息反饋給跟蹤安裝座，以糾正相機(jī)的位置并保持其對(duì)準(zhǔn)移動(dòng)目標(biāo)。

有價(jià)值的工具

空間分辨率是軍事測(cè)試范圍中紅外相機(jī)的一個(gè)重要考慮因素。它是像素大小的函數(shù)——越小越好——以及變焦鏡頭的焦距，應(yīng)該盡可能長(zhǎng)。許多人一直認(rèn)為變焦鏡頭在性能上有限制，價(jià)格昂貴，并且只提供短焦距。事實(shí)上，它們是價(jià)格實(shí)惠的，可以達(dá)到許多毫米的長(zhǎng)度，并提供一系列能力，例如自動(dòng)對(duì)焦和連續(xù)變焦，這些能力提供了跟蹤移動(dòng)物體或?qū)h(yuǎn)處目標(biāo)進(jìn)行分析所需的信息，這些目標(biāo)會(huì)改變位置，以及更小且更近的物體。連同定時(shí)輸入，相機(jī)可以在圖像元數(shù)據(jù)中記錄時(shí)間-空間-位置信息，允許用戶精確計(jì)算輻射度和其他重要特性。作為提供穩(wěn)定性和跟蹤信息的系統(tǒng)的一部分，具有高空間分辨率的紅外相機(jī)可以成為測(cè)試范圍能力的寶貴補(bǔ)充。

源自網(wǎng)絡(luò)

審核編輯 黃宇