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微测辐射热计:一种更加经济的热成像技术

2021-05-11 11:04:43

微测辐射热计:一种更加经济的热成像技术

室温及室温以下的真正热效应表现在3 μm及以上波段。能够捕捉这些热效应的成像设备通常被认为是真正的热像仪。术语“红外相机”则不仅指代这部分热成像设备——因为它们所捕获的大部分信号来自辐射的长波红外。

 

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图为包含红外波段的电磁波谱。

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科学家和相机制造商对红外光谱波段的界定并不相同。相机制造商的界定边界取决于热像仪中探测器的技术特点。

 


MWIR探测器也可以应用于热成像领域。然而,它们有一个共同的缺点,就是非常昂贵。640 × 512像素探测器的中位数售价约在70,000美元。这些探测器成本高昂,这是因为这类探测器必须冷却至约75 K(或 -198.15 ℃)。探测器材料本身对热辐射非常敏感,因此导致传感器在室温下会立即饱和。在现代MWIR热像仪中,低温冷却是由位于相机机身内部的闭路式斯特林制冷器实现。在过去,这类相机的冷却需要利用装满液氮的大气瓶来实现。


更为经济的选择是集成微测辐射热计探测器的热像仪。根据像素分辨率、探测器噪声水平以及测温精度的不同,这些热像仪的起始售价可低于1000美元,分辨率为80 × 60像素。微测辐射热计的工作原理与典型光子捕获探测器完全不同,它主要基于微型热阻像素。这类热像仪有些主要使用热电制冷元件,更易操作。当这些像素暴露于红外辐射(热量)中时,会使其电阻发生改变。无需低温制冷,操作更简单,成本更低。

LWIR相机中的每个像素都有其物理质量,需要捕获所指向物体的热辐射来对其进行加热。这为相机读取电阻变化之前每个像素预热所需要的时间,给定了一个固定的时间常数。该常数通常在814毫秒之间,具体数值取决于像素大小。这种探测器的缺点是,当涉及运动物体成像时,时间常数会带来不小的挑战。

8毫秒似乎时间很短。但是,根据相机的视场角和成像对象的速度不同,所捕获的图像中可能会出现明显的运动模糊现象。在积分时间(即时间常数)内,当部分物体经过探测器像素时,就会产生运动模糊。换句话说,在物体移动到相邻像素之前,该像素可能还没有完全整合它试图捕获的热辐射。因此,这会导致温度平均效应,从而导致测量误差和其他问题。

 

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非制冷型微测辐射热计探测器是制冷型MWIR相机的一种更加经济的替代方案。微测辐射热计探测器捕获热成像数据的能力主要基于微型热阻像素,当暴露于红外辐射(热量)中时,会使其电阻发生改变。

 

运动模糊并非热成像中仅有的模糊类型。由于热图像中的对比度是由温度变化引起的,所以大多数热图像看起来都是模糊不清的。这种模糊并非对焦或缺乏对焦的结果。更准确地讲,这是物理热力学函数导致的。

热能会从能量较高的较暖区域流向能量较低的较冷区域。这种行为完全是动态的,由此产生了温度转变或热梯度。热图像中将温度变化表现为亮度变化:白色代表较热的区域,黑色代表较冷的区域,较暖和较冷区域之间会出现灰色过渡。

 

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图为通电电路的热图像。只有当辐射率(发射率)发生变化时,或当较温暖区域与周围区域热隔离时,热图像才会显得比较清晰。正是这种由热扩散引起的动态行为,表示热成像可能与信号处理关系更大,而非图像处理。

 


这些过渡使图像边缘看起来很模糊。这种效果通常不会出现在标准机器视觉应用中,后者更多地依赖于表面或特征反射光所产生的效果。这种反射模式是恒定的,它在图像中产生的对比度也是恒定的。只有当辐射率发生变化时,或当较温暖区域与周围区域热隔离时,热图像才会显得比较清晰。正是这种由热扩散引起的动态行为,表示热成像可能与信号处理关系更大,而非图像处理。

 


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