红外技术简介

　　1．f/数
f/数是光学系统相对孔径的倒数。设光学系统的相对孔径为A=D/f（D为通常孔径，f为焦距），1A=f/D，则数f/D是表示系统的集中f为通光孔径的多少倍。例如，f/3表示光学系统的集中为通光孔径的三倍。
2．视场
视场是光学系统视场角的简称。它表示能够在光学系统像平面视场光阑内成像的空间范围。当目标位于以光轴为轴线，顶角为视场角的圆锥内的任一点（在一定距离内）时能被光学系统发现，即成像于光学系统像平面的视场光阑内。即使物体能在热像仪中成像的物空间的最大张角叫做视场，一般是ao×βo的矩形视场。
3．光谱响应
红外探测器对各个波长的入射辐射的响应称为光谱响应。一般的光电探测器均为选择性探测器。
4．空间分辨率
应用热像仪观测时，热像仪对目标空间形状的分辨能力。本行业中通常以mrad（毫弧度）的大小来表示。mrad的值越小，表明其分辨率越高。弧度值乘以半径约等于弦长，即目标的直径。如1.3mrad的分辨率意昧着可以在100m的距离上分辨出1.3×10-3×100=0.13m=13厘米的物体。
5．温度分辨率
温度分辨率：可以简单定义为仪器或使观察者能从背景中精确地分辨出目标辐射的最小温度ΔT。民用热成像产品通常使用NETD来表述该性能指标。
6．最小可分辨温差
分辨灵敏度和系统空间分辨率的参数，而且是以与观察者本身有关的主观评价参数，它的定义为：在使用标准的周期性测试卡（即高宽比为7：1的4带条图情况下，观察人员可以分辨的最小目标，背景温差，上述观察过程中，观察时间、系统增益、信号电平值等可以不受限制时调整在最佳状态。
7．帧频
帧频是热像仪每秒种产生完整图像的画面数，单位为Hz。一般电视帧频为25Hz。根据热像仪的帧频可分为快扫描和慢扫描两大类。电力系统所用的设备一般采用快扫描热像仪（帧频20Hz以上），否则就会带来一些工作不便。
8．探测识别和辨认距离
探测、识别和辨认距离；这些是使用者很关心的性能指标。胃为每个使用者自身素质和仪器给出的图像质量的差异以及严格定义的困难（探测性能是一个多种因素的复杂函数）这里只给出大致形象的定义：探测距离是能将目标与背景及一些引起注意的目标清晰分别开来的最大临界；识别距离是将探测的目标能大致分出种类的距离，如果车辆还是舰船；辨认距离是在分别出种类的基础上的细分，如车辆是坦克还是汽车。
9．显示记录方式
显示记录方式是指视监控器或液晶显示或发光二极管显示；显示记录方磁带录像启示、软驱存盘或PC卡记录，电子存储器记录；输出接口、打印类型或照料像等。目前较为先进的是PC卡存储和电子存储。

红外热像仪在公安部门应用

　　一．夜视技术简介
　 古今中外，人们常常利用夜幕的掩护，实现白天难以完成事情。纵观近期几场战争，美军几次致命的战争都是从夜间发起的，可以说美军从怯于夜战到敢于夜战要归功于夜视技术。同时，夜视仪对发现各种夜间的犯罪活动等安全监控方面也起到了不可忽视的作用。
那么何为夜视技术呢？夜视技术是应用光电探测和成像器材，将肉眼不可视目标转换（或增强）成可视影像的信息采集、处理和显示技术。夜视技术产品按成像原理可分为微光夜视、红外热像夜视两类。在黑暗环境中存在着少量的自然光，如月光、星光、大气辉光等，统统称为夜天光。因为它们和太阳光比起来十分微弱，所以又叫夜微光。人眼视网膜的感光灵敏度不高，在微光条件下不能充分“曝光”。一般的夜视器材都是利用目标的反射光线成像，利用电子放大器，将收集的微弱光线放大数千倍,以在黑暗中产生可辨认的图像将极微弱的光照目标信号增强，显示成肉眼容易看见的图像。这种原理的仪器为微光夜视仪，显然这种仪器在完全无光或距离较远时就无能为力了。
红外热像仪与它们不同，它既不依靠夜天光，也无须主动携带红外光源，而是靠接收目标自身的红外辐射（一切物体，只要其温度高于绝对零度，就会有红外辐射）来工作的，自然界中一切温度高于绝对零度（－273．16摄氏度）的物体都不断地辐射着红外线，这种现象称为热辐射。红外线是一种人眼不可见的光波，无论白天黑夜，物体都会辐射红外线，但红外线不论强弱，人们都看不到。红外热像仪就是利用红外探测器、光学成像物镜接收被测目标的红外辐射信号，经过红外光学系统红外探测器的光敏源上利用电子扫描电路对被测物的红外热像进行扫描转换成电信号，经放大处理、转换或标准视频信号通过电视屏或监测器显示红外热图像。利用这种原理制成的仪器为红外热像仪。它通过探测微小的温度差别,产生的图像是热图像，可见红外热像仪在完全无光、距离较远时都可对物体成像，红外热像仪不仅可在完全无光的情况下观测而且可以在黑夜或浓厚的烟幕、云雾中探测到对方的目标，包括已伪装的目标和高速运动目标，同时还要求在远距离上识别目标，因而红外热像仪属现今最高档的夜视仪。具有军事意义的目标（如飞机、坦克等）一般都比周围环境温度高，因此也就成了热像仪最好的观察对象。
热成像夜视仪是目前技术最为先进的夜视器材，它的第一代产品为光机扫描型热成像仪，主要由光学系统（含扫描器）、红外探测器（含制冷器）、电子放大线路和显示器等几部分组成。其中红外探测器是热成像仪的核心部件和关键技术，它基于内光电效应进行光电探测。为保证红外探测器具有足够的探测灵敏度，需由专门的制冷器对其进行低温制冷。
热像仪的第二代是采用红外CCD焦平面阵列技术的凝视型热像仪。红外焦平面阵列是指放在光学系统焦平面上的一块芯片，在这块如同邮票大小的芯片上，不仅集成了成千上万个红外探测器，而且与各探测器相匹配的信号放大与处理电路也集成在一起，形成一个整体，使第二代热像仪不仅取消了光机扫描器，能够像眼睛一样摄取目标的完整图像，而且缩小了体积，降低了功耗。不仅如此，由于CCD成像器件具有更高的灵敏度和热分辨率，使探测距离和识别能力也有明显提高。
热像仪的工作波段（即红外探测器的敏感范围）可达到中、远红外区域，但由于大气对波长为3—5微米和8—14微米以外的红外线有强烈的衰减作用，所以实际上热像仪主要工作在3—5微米和8—14微米两个红外波段。
综上所述，尽管微光和热成像技术统称夜视技术,而二者又存在区别,即在没有任何光亮的情况下,热像仪可以使用,微光镜则不能看到东西,而且,在明亮的环境中也不能用微光镜观察。相反热像仪不管白天黑夜都能产生图像,因为只要存在温差,就能产生红外线,它看得见任何发射红外线的东西。红外热像仪的缺点是不能给出特别清晰的图像,所以不能说出那人穿什么衣服、长的什么样。在执法行动中两种技术经常配合使用。热像仪用于发现嫌疑犯,而微光镜则用于确认目标。对于执法人员来说,在黑暗中能够看得见十分重要。德克萨斯州乔治敦的巡警兼热像摄像员凯利·德沃尔对此深有感触："利用这种技术,警员要安全得多,它能使警员发现周围潜在的威胁,沿尽可能安全的路线,接近并逮捕嫌疑犯,没有夜视器材,有时难免会和犯罪分子直接碰面。"
　　 随着夜视技术的不断进步，使人的视力延伸到过去被夜幕笼罩的空间，而且使夜战的获取能力、机动能力、协同能力和打击力增倍。
二．警用热像仪的应用
犯罪分子可能从未想到,在寥寥星光的夜幕下,他们的一举一动会清楚地收人警察的眼中。据统计,世界上47%的暴力犯罪案件发生在晚6点到早6点之间。原因很简单----在夜幕的笼罩下,犯分子易于隐蔽,易于接近受害者,犯罪场面也不容易被看见。如今这种情况得到了改观,随着夜视技术的发展,夜幕已不再是犯罪分子的保护伞。相反,通过夜视装置,执法人员可以很容易地发现并惩治企图犯罪的人。
　　　 目前,夜视技术在寻找并营救失踪人员、搜寻逃犯、缉毒、监视周边情况等方面都得到了广泛的应用,成为执法中不可缺的工具。在设计者和工作人员的努力下,夜视技术特别是热成像技术的用途越来越广泛,就目前的用途,归纳起来有十几项之多,已经得到广泛认可的几种警察经常用到的有：
　　 1. 建筑物轮廓显示　 如今，缉毒行动日渐复杂,许多地方的大麻种植也由室外转到了室内,这给执法人员调查取证增添很大的麻烦。夜视技术的应用解决了这一难题,因为室内种植大麻时要用1千瓦的大卤光灯照明以提供生长所需的光和热。这些灯在加热建筑物内部的同时.热量会向建筑物外表面辐射,通过热像仪能够看到这种热量在挥发,从而为警察缉毒行动提供帮助。
2. 完成营救任务、搜寻逃犯　 用微光镜和热像仪可以通宵寻找失踪人员或逃犯。人是热的强辐射体,通过热像仪很容易确定他们的位置。使用热像仪还可以发现躲藏在隐蔽物内的人。例如,乔治敦警察局在押送两名罪犯时,由于疏忽致使罪犯逃脱,于是警察立即开始追捕行动。其中有一名逃到一片草木丛生的地带后，隐藏了起来.警察三次经过罪犯藏身的地点,用手电筒也没找到。最后使用雷西昂公司生产的手持式热像仪,仅用了25秒就抓到了罪犯。
3. 保障警员安全　 使用夜视技术警员能在夜间发现嫌疑犯,而自己不被看到。在加利福尼亚曾有这样一个案例,毒品管制局的执法人员用热像仪监视一伙涉嫌秘密制造毒品的犯罪团伙,这伙不法之徒在山里的据点中活动猖獗。每到夜里都要出来寻找在树林中监视他们的警察,警员们在林地中用热像仪使自己一直未被这伙歹徒发现,保证了自身的安全。
　　 4. 车辆跟踪　 车辆在使用时和使用之后都散发出大量的热。热辐射不仅来自发动机,而且来自轮胎、刹车和排气管。用配有热像仪的警用直升机可以从空中跟踪嫌疑犯的车辆,即使在其不开车灯时也一样能做到。装有车载热像仪的巡逻车还可以靠探测刚熄火车辆的散热,跟踪驶入停车场中的或已远离的疑犯车辆。
　　 5. 发现弄乱的表面　 用肉眼也许看不出复原的土壤表面,但用热像仪则可以看出来,因为当某处的表面被弄乱时,该表面的热轮廓也会被破坏,翻过的土壤热辐射也和压实的土壤不同。通过热像仪的这种功能可以找到被埋的东西。警察曾处理过这样一个案例,一男子盛怒之下,杀死自己的妻子,为掩盖罪证,该男子将尸体埋在后院,并用草皮盖住埋尸地点,该男子自以为做得天衣无缝,但警察使用热像仪很快就找到了尸体。如今,执法机关已经开始使用热像仪寻找受害者的埋藏地点。一般认为用热像仪能找到90天内的新坟,但最近美国地理协会用热像仪发现了2000年前的一座埃及古基。
　　 6. 发现暗藏的隔层　 汽车厂经常用热像仪检查汽车是否存在故障。警察将热像仪的这一用途用于检查车辆有无隔层。毒品贩子常常将毒品放在轮胎、假的气罐和回气管或车辆的其它舱室中,光靠肉眼检查很难发现这些破绽。通过热像仪则简单的多,如车辆有两个回气管并有一个是假的,通过热像仪观察会发现,使用中的回气管显得发白发热,而另一个则无此现象。据悉,美国一墨西哥边界的联合联邦检查组采用这种方法,已经发现企图过境的几千件毒品和不法侨民的走私物品。
　　 7. 周边监视　 在搜捕疑犯或处理紧急情况的时候,警察所采取的第一个行动就是对事故地点进行封锁并在周边派出警戒,防止疑犯逃跑或有人进入警戒区域干扰办案,通过手持的或装在车上的热像仪可以使周边控制更加有效。如今,许多国家已经开始使用夜视技术对罪犯管教机构、工厂和机场等地的周边地带进行昼夜监视,防止意外。热像仪还可以帮助警察检查商业区的安全。因为热像仪不能透视玻璃,通常窗户看上去与墙是一体的,如果用热像仪看到了屋子里的东西,就说明窗户是打开的或是被打破了,因而该房子已经或正在被盗。利用这一办法既有效又节省时间。
　　 8. 环境保护　 油、化学物品等污染物发出的热辐射与其周围的土壤或水发出的辐射不同。通过热像仪能够跟踪这些污染物并寻其源头。这一用途是在美国毒品管制局跟踪一条来自南美洲的船只时发现的。该船驶进纽约港时,通过热像仪观察到了它将污水系统打开并将污水倒入海港的过程。此次事件后,美国毒品管制局、联邦调查局等机构开始借助自身优势,自觉地参与到了环境保护中。如今,热像仪已被环保组织大量用于寻找那些造成污染的工厂、清除水上浮油等行动中。
　　 9. 检测遗留痕迹　 热像仪对交通警察同样也有很大的帮助,在交通事故现场使用热像仪有助于他们更准确地测定滑行痕迹,考察滑行情况。刹车时,仅会有较少的橡胶留在路面上,采用传统方法很难准确测定滑行距离及撞车时车辆的速度。但轮胎在与路面摩擦时会产生热量,而热像仪能够看到这些痕迹,所以热像仪可以用于获得滑行数据。在驾驶员开始踩刹车的地方就会有滑行的影像痕迹,由此就能确定该驾驶员实际上开得有多快。
　　 热像仪也可帮助警察确定滑行痕迹是属于哪一辆车的。当有若干可见的滑行痕迹与事故无关时,这一用途就显得很重要,因为要确定哪条痕迹是哪辆车留下的并不容易。
　　 犯罪现场调查是热像仪的又一新用途。热像仪可以协助警察收集证据,或确认关键证据。墙上或地板上的血虽然经过清洗,仍然会留下热像仪能够看出来的热特征。热像仪不能识别该物质的类型,但是它可以引起调查人员的注意。美国普莱诺警察局的警员曾经做过这样一个试验,在墙上写字后,将字涂掉,用热像仪仍能发现字的痕迹。但是这些热特征的存在时间很短,时间长短取决于大气条件。手印可存留15分钟，但如果天气寒冷或有风,痕迹将很快消失。

红外热成像仪在军事中的应用

　　（一）　　热像仪的组成与工作原理
　　 一般的夜视器材都是利用目标的反射光线成像的。热像仪与它们不同，它既不依靠夜天光，也无须主动携带红外光源，而是靠接收目标自身的红外辐射（一切物体，只要其温度高于绝对零度，就会有红外辐射）来工作的，所显示的图像反映了目标与周围环境之间热辐射（温度）的差异，亦即利用热对比度成像，因而是热图像。具有军事意义的目标（如飞机、坦克等）一般都比周围环境温度高，因此也就成了热像仪最好的观察对象。
　　 热成像夜视仪是目前技术最为先进的夜视器材，它的第一代产品为光机扫描型热成像仪，主要由光学系统（含扫描器）、红外探测器（含制冷器）、电子放大线路和显示器等几部分组成。其中红外探测器是热成像仪的核心部件和关键技术，它基于内光电效应进行光电探测。为保证红外探测器具有足够的探测灵敏度，需由专门的制冷器对其进行低温制冷。
　　 热像仪的第二代是采用红外CCD焦平面阵列技术的凝视型热像仪。红外焦平面阵列是指放在光学系统焦平面上的一块芯片，在这块如同邮票大小的芯片上，不仅集成了成千上万个红外探测器，而且与各探测器相匹配的信号放大与处理电路也集成在一起，形成一个整体，使第二代热像仪不仅取消了光机扫描器，能够像眼睛一样摄取目标的完整图像，而且缩小了体积，降低了功耗。不仅如此，由于CCD成像器件具有更高的灵敏度和热分辨率，使探测距离和识别能力也有明显提高。
热像仪的工作波段（即红外探测器的敏感范围）可达到中、远红外区域，但由于大气对波长为3—5微米和8—14微米以外的红外线有强烈的衰减作用，所以实际上热像仪主要工作在3—5微米和8—14微米两个红外波段。

（二）　　热成像夜视技术的发展概况
热成像技术的兴起可以追溯到五十年代。1959年芝加哥大学率先研制成功第一台前视红外热像仪，六十年代美国的许多公司又相继研制出多种机载前视红外系统，并用于越南战场。七十年代后期，热成像技术获得突破性进展，接着第一代热成像仪便开始大量生产与使用。
第二代热成像仪是八十年代初由美国和西欧国家首先开始研制的，目前尚未形成装备。
热像仪的作用距离除了仪器本身的性能因素外，还跟目标的类型和性质有关。目前的发展水平大致为：
用于地面观察时，一般可做到在1000米的距离上识别人，2000米的距离上识别车辆。例如“米兰”反坦克导弹的热瞄准具，通过实际使用所测得的结果是：在3200米距离上能发现车辆目标，在2000米的距离上能辨认出车辆种类，在1500米距离上能够做出敌我识别。
用于空中侦察时，在1500米高度上可以发现地面的单兵活动；在20公里高空可侦察到地面上的人群和车辆，并能通过水面航迹与周围海水的温差探测到水下四十米深处的潜艇；在200公里的卫星高度上可探测到地面大部队的集结与调动，以及查明伪装的导弹地下发射井和战略导弹的发射动向。
用于水面侦察时，可发现15—20公里远处的舰艇。
用于对空观察时，可对20—30公里距离上的飞机进行跟踪。

（三）　　热成像夜视仪在军事上的应用
热像仪在军事上的应用范围较主动红外夜视仪和微光夜视仪更广，可用于战术与战略侦察、武器的瞄准和制导、各种战斗、运输车辆的夜间驾驶，并可供应飞机在黑暗中的起飞、着陆等，并性能更为优越，是一种较为理想的夜视器材。目前热成像夜视仪的应用形态主要有：观察仪、手持观察仪、夜视眼镜、武器瞄准具、车辆驾驶仪、装甲战车潜望式驾驶仪、装甲战车瞄准具、潜艇潜望镜、飞机前视红外系统等。
1、陆军的应用
可供步兵在夜间进行观察、瞄准、监视、巡逻、港口及边境警戒等等；
可供坦克和装甲战车驾驶员进行夜间驾驶、车长夜间巡逻和识别目标、炮长夜间瞄准和射击；
可配备于导弹系统在夜间探测、识别和跟踪发射；
可供炮兵进行火炮、迫击炮的夜间瞄准与发射；
　　 可于各种火控系统配套，在夜间进行搜索、跟踪、瞄准和射击；
２、海军的应用
　　 可供舰艇在夜间对目标进行探测、识别、瞄准和射击；
　　 可供巡逻舰和潜艇进行夜间观察、搜索和警戒；
　　 可在夜间进行超低空和中空探测，以便及时发现来袭的飞机与导弹；
　　 可供海军陆战队在夜间探测目标、识别地形、进行观察和空中封锁；
　　 可装在海军飞机和直升机上在夜间探测水面上的舰船和装有通气孔的潜艇。
３、空军的应用
　　 可用于轰炸机、攻击机、侦察机的导航、着陆与营救；
　　 可供各种飞机和直升机在夜间进行搜索、空中监视、海上监视、救援、测绘、边境巡逻和冰层侦察；
　　 可供侦察机、无人驾驶机、巡航导弹等在夜间进行航空侦察与空中摄影。
此外，还可以装在侦察卫星上对地面作大面积的监视、侦察以及实施战略预警。

（四）军用热成像仪的分类和性能
八十年代在部队中服役的热成像仪器多数型号是采用第一代技术，其特点是探测器的数量少于图像中的像元数量，并且采用光机扫描装置。表1列出第一代热成像仪的主要性能参数。第二代热成像仪，即凝视型热成像仪已开始装备部队并用于九十年代的局部战争，但因价格昂贵，装备数量较少。
　　 以美军为例其组件式摄像机分三种类型：
60元（120条线）便携式摄像机；120元（240条线）地面车辆用摄像机；180元（360条线）航空用摄像机。
（五） 我国军用热像仪的研制状况
我国七十年代初研制成热电器件，目前红外探测器的单元器件多数已接近国际水平，近年来已试制成高速型实时显示热像仪，军用热像瞄准与跟踪系统正在研制，红外电荷耦合成像器件的研究工作也已经开始。虽然改革开放以来我国的热成像技术已经取得进展，但由于器件的性能、技术指标以及工艺水平都还比较低，不能批量生产，距当代国际先进水平大约还有15—20年的差距。
基于这种状况，我们应尽快引进当代最先进的红外成像技术，从而缩短与国际先进水平的差距。但由于以前世界上只有少数的西方国家（美、法、英等）掌握了第二代红外成像技术，其生产单位都为军工企业，而且对中国大陆实施禁运，这给引进工作增加了一定的难度。
进入21世纪后，美国生产军用红外热像仪的企业都将主要力量放在研制第三代非致冷红外焦平面上（即温度分辨率达0.01度，达到甚至超过致冷型红外热像仪的指标），因此对其第二代产品的低端部分的红外焦平面阵列的出口已有所放开。我们及时地抓住这一机会，引进了这一产品。

利用红外摄像技术监控变压器冷却性能

　　美国Brucknet电站的变压器，安装了300多台有载分接开关监控器，以便对345kV和138kV有线分接开关温升进行监控。目的在于分析变压器没有循环泵的情况下的冷却特点。红外相同可记录散热器组的温度剖面。
　　 对变电站中的变压器来说。冷却系统的主要部件是铁心和绕组。由铁心和绕组引起的热损耗会影响变压器效率和寿命，温升可增加导体电阻并能引起绝缘劣化，导致变压器故障。
许多变电站的变压器均带散热器，尽管通过油自然风冷，但也有一些通过泵和散热器进行冷却。还有些部门用水喷变压器以保持酷热天气变压器的冷却。
　　 红外相机可起到为变压器摄像的作用，还可展示温度与颜色的变化——热点区域的颜色较深，它可直接提供变压器热点的视觉分析。
　 通过对细风冷变压器的红外摄像可看出：变压器顶部油温和底部油温。如果从变压器辅助设备中撤走一台泵，通过红外摄像也可看出散热器的温升，即，撤走一台泵可引起油流速在20秒中从605降到60gpm。在9分钟范围内，散热器性能可降低14%，在47分钟之内，散热器效率将下降50%。与此同时，绕组温度上升9℃，利用红外摄像技术研究撤走一台泵的结果是，导致冷却能力降低了36%。