光电成像技术.doc

1、2014-2015 第一学期光电成像技术红外热成像技术的发展及其应用院系 电子工程学院光电子技术系 班级 光信 1104 姓名 王凯 学号 05113123 班内序号 14 考核成绩 红外热成像技术的发展及其应用摘要：用红外热成像技术，探测目标物体的红外辐射，并通过光电转换、信号处理等手段，将目标物体的温度分布图像转换成视频图像的设备，我们称为红外热成像仪。关键字：红外线，红外热成像技术，发展及其应用一、引言1800 年英国的天文学家 Mr.William Herschel 用分光棱镜将太阳光分解成从红色到紫色的单色光，依次测量不同颜色光的热效应。他发现，当水银温度计移到红色光边界以外，人眼看

2、不见任何光线的黑暗区的时候，温度反而比红光区更高。反复试验证明，在红光外侧，确实存在一种人眼看不见的“热线” ，后来称为“红外线” ，也就是“红外辐射” 。二 、 红 外 热 成 像 技 术我 们 人 眼 能 够 感 受 到 的 可 见 光 波 长 为 ： 0.380.78 微 米 。 通 常 我 们 将比 0.78 微 米 长 的 电 磁 波 ， 称 为 红 外 线 。 自 然 界 中 ， 一 切 物 体 都 会 辐 射 红 外线 ， 因 此 利 用 探 测 器 测 定 目 标 本 身 和 背 景 之 间 的 红 外 线 差 ， 可 以 得 到 不 同 的红 外 图 像 ， 称 为 热 图

3、像 。 同 一 目 标 的 热 图 像 和 可 见 光 图 像 是 不 同 ， 它 不 是 人眼 所 能 看 到 的 可 见 光 图 像 ， 而 是 目 标 表 面 温 度 分 布 图 像 ， 或 者 说 ， 红 外 热 图像 是 人 眼 不 能 直 接 看 到 目 标 的 表 面 温 度 分 布 ， 变 成 人 眼 可 以 看 到 的 代 表 目 标表 面 温 度 分 布 的 热 图 像 。用红外热成像技术，探测目标物体的红外辐射，并通过光电转换、信号处理等手段，将目标物体的温度分布图像转换成视频图像的设备，我们称为红外热成像仪。红 外 热 成 像 仪 大 致 分 为 致 冷 型 和 非 致

4、 冷 型 两 大 类 。 目 前 ， 世 界 上 最 先 进 的 红 外 热 像 仪 （ 热 成 像 仪 或 红 外 热 成 像 仪 ） ， 其温 度 灵 敏 度 可 达 0.03 。 1、红外热像仪的工作原理红外热像仪可将不可见的红外辐射转换成可见的图像。物体的红外辐射经过镜头聚焦到探测器上，探测器将产生电信号，电信号经过放大并数字化到热像仪的电子处理部分，再转换成我们能在显示器上看到的红外图像。（1）红外热像仪的标定前面曾提到过史蒂芬-波兹曼定律，它给出了黑体的辐射能量与其温度的关系，即：W=*T4式中 =5.6710-8w/m.k4， T 为绝对温度， 单位为 K。红外热像仪的标定正是基

5、于这一理论基础,在设定的环境条件下,用一定数量已知温度的黑体进行标定。 多个黑体放置成半圆形，热像仪放在中心能转动的台子上，并与标定系统的自动控制中心相连 。红外热像仪依次对准各黑体，每个黑体都会在热像仪中产生一个辐射信号，标定系统将此信号与其温度对应起来。将每对信号与温度对应起来，并将各点拟合成一条曲线，这就是标定曲线，此曲线将被存在热像仪的内存里，用来对应物体辐射与温度的关系，所以如果热像仪的探测器接收到物体的辐射信号，此标定曲线将会把信号转换成对应的温度。 信 号 处 理 器显 示 器二维焦平面列阵探测器 (FPA) 光学系统校 准 曲 线三、红 外 热 成 像 仪 的 应 用下 面 是

6、 需 要 采 用 红 外 热 像 仪 （ 热 成 像 仪 或 红 外 热 成 像 仪 ） 进 行 检 查 的 部分 设 施 ： 1、 电 气 装 置 ： 可 发 现 接 头 松 动 或 接 触 不 良 ， 不 平 衡 负 荷 ， 过 载 ， 过 热等 隐 患 。 这 些 隐 患 可 能 造 成 的 潜 在 影 响 是 产 生 电 弧 、 短 路 、 烧 毁 、 起 火 。 2、 变 压 器 ： 可 以 发 现 的 隐 患 有 接 头 松 动 ， 套 管 过 热 ， 接 触 不 良 （ 抽 头变 换 器 ） ， 过 载 ， 三 相 负 载 不 平 衡 ， 冷 却 管 堵 塞 不 畅 。 其 影

7、响 为 产 生 电 弧 、短 路 、 烧 毁 、 起 火 。 3、 电 动 机 、 发 电 机 ： 可 以 发 现 的 隐 患 是 轴 承 温 度 过 高 ， 不 平 衡 负 载 ，绕 组 短 路 或 开 路 ， 碳 刷 、 滑 环 和 集 流 环 发 热 ， 过 载 过 热 ， 冷 却 管 路 堵 塞 。 其影 响 为 有 问 题 的 轴 承 可 以 引 起 铁 芯 或 绕 组 线 圈 的 损 坏 ； 有 毛 病 的 碳 刷 可 以 损坏 滑 环 和 集 流 环 ， 进 而 损 坏 绕 组 线 圈 。 还 可 能 引 起 驱 动 目 标 的 损 坏 。 4、 电 气 设 备 维 修 检 查

8、， 屋 顶 查 漏 ， 节 能 检 测 ， 环 保 检 查 ， 安 全 防 盗 ，森 林 防 火 ， 无 损 探 伤 ， 质 量 控 制 ， 医 疗 检 查 等 等 也 很 有 效 益 。 5、 诊 断 人 体 疾 病 ， 运 用 经 络 学 ,在 人 脑 的 研 究 工 作 及 在 研 究 疾 病 治 疗方 法 中 的 应 用 ;特 别 是 在 诊 断 哮 喘 病 ,痹 症 ,腰 椎 间 盘 突 出 症 ,运 动 病 ,恶 性肿 瘤 等 病 症 具 有 无 放 射 性 ,一 次 多 脏 器 全 身 扫 描 的 非 接 触 测 量 的 优 点 .是 综合 确 诊 人 体 某 种 疾 病 的 一

9、 种 有 用 手 段 。 6、 建 筑 物 外 墙 的 监 测 。 通 过 表 面 温 度 可 以 为 我 们 提 供 有 关 楼 宇 结 构 、管 道 系 统 、 供 暖 通 风 及 空 调 系 统 以 及 电 气 系 统 的 许 多 信 息 。 在 透 过 红 外 镜 头观 察 时 ， 平 日 肉 眼 看 不 到 的 问 题 会 突 现 眼 前 。 使 用 红 外 热 像 仪 ， 可 以 检 测 到空 气 泄 漏 、 水 分 积 累 、 管 道 堵 塞 、 墙 壁 后 面 的 结 构 特 征 以 及 过 热 的 电 气 线 路等 ， 并 对 数 据 进 行 可 视 化 记 录 归 档 。

10、通 过 用 这 种 工 具 对 表 面 进 行 扫 描 ， 您 可以 快 速 发 现 通 常 代 表 潜 在 问 题 的 温 度 变 化 ， 并 以 详 细 的 图 形 报 告 的 形 式 对 数据 进 行 记 录 。 7、 红 外 热 成 像 仪 在 自 然 环 境 方 面 的 应 用 。 监 控 自 然 环 境 ， 如 森 林 防火 、 山 体 滑 坡 、 火 山 爆 发 等 。四、红外热成像技术的优缺点1、红外热成像技术的优点（1）红外热成像技术是一种被动式的非接触的检测与识别，隐蔽性好(2)红外热成像技术不受电磁干扰，能远距离精确跟踪热目标，精确制导。(3)红外热成像技术能真正做到 2

11、4h 全天候监控。（4）红外热成像技术的探测能力强，作用距离远。(5)红外热成像技术可采用多种显示方式，把人类的感官由五种增加到六种。(6)红外热成像技术能直观地显示物体表面的温度场，不受强光影响，应用广泛。2、红外热成像技术的缺点(1)图像对比度低，分辨细节能力较差(2)不能透过透明的障碍物看清目标，如窗户玻璃。(3)成本高、价格贵五、国内外红外热像仪市场发展的现状与前景红外热像仪是一种用来探测目标物体的红外辐射，并通过光电转换、电信号处理等手段，将目标物体的温度分布图像转换成视频图像的高科技产品。同时具有很高的军事应用价值和民用价值。在军事上，红外热像仪可应用于军事夜视侦查、武器瞄具、夜视

12、导引、红外搜索和跟踪、卫星遥感等多个领域；在民用方面，红外热像仪可以用于材料缺陷的检测与评价、建筑节能评价、设备状态热诊断、生产过程监控、自动测试、减灾防灾等诸多方面。1、红外热像仪行业发展概况红外热像仪行业是一个发展前景非常广阔的新兴高科技产业，红外热像仪广泛应用于军民两个领域。在现代战争条件下，红外热像仪已在卫星、导弹、飞机等军事武器上获得了广泛的应用；同时，随着非制冷红外热成像技术的发展，尤其是随着产业化过程中生产成本的大幅度降低，红外热像仪已在电力、消防、工业、医疗、安防等国民经济的各个部门得到了非常广泛的应用。近几年来，红外热像仪行业的发展呈现出以下特点： （1）国际红外热像仪行业正

13、迎来一个快速发展期 红外热像仪行业的发展始于美国，最开始应用于军事领域，随着非制冷红外技术的发展，红外热像仪行业在民用领域得到了广泛的应用，而且正展现出更为广阔的市场需求。根据美国 Maxtech International2005 年发布的红外市场报告，2004 年全球民用红外热像仪及系统产量约为 5 万台；而 2006 年，仅FILR 公司就取得了汽车行业中的宝马公司为其新款 7 系列轿车配备红外热像仪的订单，并获得了美国政府 35 万台的出口许可申请。随着红外热像仪在消防、电力、建筑等行业应用的推广，国际民用红外热像仪行业将迎来市场需求的快速增长 期。（资料来源：Maxtech Inte

14、rnational ，Inc:“THE WORLD MARKET FOR COMMERCIAL & DUAL-USE MILITARY INFRARED IMAGING &INFRARED THERMOMETRY”） 就 2006 年来说，全球民用红外热像仪的销售额为 16.3 亿美元，同比增长17.35%，呈现出较快的增长态势，红外热像仪销售额的快速增长主要来源于新应用领域的不断扩大。 （2）中国红外热像仪行业的发展空间巨大 随着中国经济、社会的快速发展，中国红外热像仪行业具有巨大的发展空间。 军队现代化建设需要大量的红外热像仪在发达国家，红外热像仪已配置在陆军、空军、海军等各个军种中，海湾

15、战争中平均每个美国士兵配备 1.7 具红外热像仪。与发达国家相比，目前我国军队中红外热像仪应用的相对较少，按照我国政府发布的2006 年中国的国防白皮书，我国军队的人员数量为 230 万人，如果未来我军 10%的部队装备红外热像仪，则我国军用红外热像仪市场容量就可达到 23 万套，以每套 10 万元（目前大部份军用红外热像仪实际售价远超过 10 万元）来计算，其市场远景需求量可达 230 亿元。 从长期来看，民用领域的潜在市场需求很大 红外热像仪广泛应用于消防、电力、建筑、安防等民用领域，我国红外热像仪在这些行业的应用还处于起步阶段，发展空间巨大。 消防领域是世界上发达国家红外热像仪最大的民用

16、市场，由于红外成像的透烟雾及测温特性，因此，红外热像仪可应用于消防的火场救生和检测设备。据统计，目前全球有大约 500 万消防人员，如果每辆消防车辆配备一台热像仪，市场总量将达到 200,000 台。我国消防车中还鲜有配备红外热像仪，据我国公安部消防局装备处的统计资料，目前我国消防车保有量约为 2.3 万辆，按照公安部、国家发展和改革委员会、建设部修订的城市消防站建设标准要求，到 2008 年，每个消防站的消防车配置将由目前的 3.2 辆增加到 5 辆，消防站将新增 500 个，全国消防车总量因此将增加近 8000 辆。随着我国经济社会的发展，消防车配备红外热像仪将成为一个趋势，如果每台消防车

17、配备一台红外热像仪，我国消防行业的红外热像仪市场将达到 3 万台左右，每台按 4 万元计算，市场需求总量达到 12 亿元。 （4）民用红外热像仪行业的产业集聚现象越来越突出 国际上，红外热像仪行业的企业并购非常活跃，美国红外热像仪行业的龙头企业 FILR SYSTEM 公司通过多次并购，市场份额逐步提高，在国际民用红外热像仪市场，FILR SYSTEM 公司的市场占有率已达到 35%，前十大企业的市场占有率已达 71%。 近几年来，中国红外热像仪行业良好的发展前景吸引了许多资本进入该行业，据统计，目前我国红外热像仪的供应商有近十家，但大部分企业的研发实力弱，品牌影响力小，许多企业实际上是国外产

18、品的代理商或者是组装商。在民用红外热像仪行业，现在已逐步形成了大立科技、广州飒特和武汉高德占据了 60%的民用市场的市场格局，产业集聚现象比较明显。 六、红外热像仪市场的供求状况及变动趋势 1、国际红外热像仪市场需求变动趋势 红外热像仪分为军用和民用两大类，这两类市场需求变动趋势如下： 军用领域的红外热成像系统是红外技术最早的应用领域，产品以制冷型热像仪为主，对探测器的性能要求很高，价格也相对昂贵。目前，军用市场仍然是红外产品的最大市场。 民用领域主要用于预防检测、消防、安防、汽车夜视、法律监督等多个领域，近几年来全球红外热像仪的民用市场高速成长，而且随着红外热像仪行业在新领域的应用，红外热像

19、仪市场可能呈现出暴发性增长。（资料来源：Maxtech International ，Inc:“THE WORLD MARKET FOR COMMERCIAL & DUAL-USE MILITARY INFRARED IMAGING &INFRARED THERMOMETRY”） 2、国内红外热像仪市场需求变动趋势 近 10 年来，随着我国国防现代化建设的推进和电力、制造业的发展，我国红外热像仪市场需求快速增长。与国际市场一样，中国红外热像仪市场的潜在需求也远大于实际需求：从长期来看，中国红外热像仪市场的潜在需求可达500-600 亿元，但目前，我国民用红外热像仪市场的年需求约为 4 亿元。

20、预计未来 5 年，全球红外热像仪市场的年均增长率约为 14%，由于中国经济高速发展，中国红外热像仪市场的年均增长率可以达到 20%，预计 2011 年中国民用红外热像仪市场的需求量可以达到 9.95 亿元。 3、国内外红外热像仪市场的供给变动趋势 2006 年，全球民用红外热像仪的产值为 16.3 亿美元，其中 FILR SYSTMS的产值达 5.71 亿美元，L-3 的产值达到 1.304 亿美元，FLUKE 的产值为 1.141亿美元。国内红外热像仪的产值相对较小，2006 年国内民用红外热像仪行业产值约为 4 亿元。（资料来源：Maxtech International ，Inc:“THE WORLD MARKET FOR COMMERCIAL & DUAL-USE MILITARY INFRARED IMAGING &INFRARED THERMOMETRY”） 未来 5 年，随着红外热像仪市场需求的快速增长，可以预期，包括大立科技在内的红外热像仪供应商将不断增加产能，但总体而言，由于红外热像仪的研制与生产的技术难度大，其它行业的资本难以进入该行业，而新产品的研制周期较长，因此，红外热像仪市场的供给不可能在短期内急速扩张，市场竞争更多的是体现在各个公司间新产品开发方面的竞争。