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红外热成像技术及在智能视频监控中

归档日期:10-21       文本归类:地面侦察      文章编辑:爱尚语录

  1672年,牛顿使用分光棱镜把太阳光(白光)分解为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等各色单色光,证实了太阳光(白光)是由各种颜色的光复合而成。1800年,英国物理学家F. W. 赫胥尔从热的观点来研究各种色光时,偶然发现放在光带红光外的一支温度计,比其他色光温度的指示数值高。经过反复试验,这个所谓热量最多的高温区,总是位于光带最边缘处红光的外面。于是他宣布:太阳发出的辐射中除可见光线外,还有一种人眼看不见的“热线”,这种看不见的“热线”位于红色光外侧,叫做红外线。这种红外线,又称红外辐射,是指波长为0.78~1000m的电磁波。其中波长为0.78 ~1.5m 的部分称为近红外,波长为1.5 ~10m的部分称为中红外,波长为10~1000m的部分称为远红外线m的部分,也称为热红外线。

  红外线辐射是自然界存在的一种最为广泛的电磁波辐射,它在电磁波连续频谱中的位置是处于无线电波与可见光之间的区域。这种红外线辐射是,基于任何物体在常规环境下都会产生自身的分子和原子无规则的运动,并不停地辐射出热红外能量。分子和原子的运动愈剧烈,辐射的能量愈大 ; 反之,辐射的能量愈小。

  在自然界中,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,称为热图像。同一目标的热图像和可见光图像不同,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的图像。或者可以说,它是人眼不能直接看到目标的表面温度分布,而是变成人眼可以看到的代表目标表面温度分布的热图像。运用这一方法,便能实现对目标进行远距离热状态图像成像和测温,并可进行智能分析判断。

  众所周知,海湾战争已成为展示高科技武器使用先进技术的平台。在这些新科技中,红外热成像技术就是其中最为闪亮的高科技技术之一。红外热成像技术(Infrared thermal imaging technology)是利用各种探测器来接收物体发出的红外辐射,再进行光电信息处理,最后以数字、信号、图像等方式显示出来,并加以利用的探知、观察和研究各种物体的一门综合性技术。它涉及光学系统设计、器件物理、材料制备、微机械加工、信号处理与显示、封装与组装等一系列专门技术。该技术除主要应用在黑夜或浓厚幕云雾中探测对方的目标,探测伪装的目标和高速运动的目标等军事应用外,还可广泛应用于工业、农业、医疗、消防、考古、交通、地质、公安侦察等民用领域。如果将这种技术大量地应用到安防监控领域中,将会引起安防监控领域的变革。

  智能视频监控技术是计算机视觉和模式识别技术在视频监控领域的应用,它能对视频图像中的目标进行自动地监测、识别、跟踪和分析,从而为用户提供对监控和预警有用的关键信息。国外智能视频监控技术的发展动力是来源于对特殊监控场所的监控需求,特别是自2001年911事件之后,出于反恐、国家安全、社会安定等多方面的需要,智能视频监控与预警技术已逐渐成为国际上最为关注的前沿研究领域。尤其是在一些特殊的应用场所,如在恶劣天气下24h全天候监控、边防与周界入侵自动报警、火灾隐患的自动识别、被遗弃的行李和包裹等遗留物体检测、盗窃赃物查找、被埋尸体查找等等,若利用红外热成像技术作智能视频监控探测与识别,更显得方便而容易。下面就介绍一下这种红外热成像技术的发展、优缺点,新一代红外热成像系统的组成与工作原理,以及它在智能视频监控中的应用等。

  从1800年,英国物理学家赫胥尔发现了红外线后,开辟了人类应用红外技术的广阔道路。在第二次世界大战中,德国人用红外变像管,研制出了主动式夜视仪和红外通信设备,为红外技术的发展奠定了基础。

  二次世界大战后,首先由美国德克萨斯仪器公司(TI)在1964年首次开发研制成功第一代用于军事领域的红外成像装置,称之为红外寻视系统(FLIR)。它是利用光学机械系统对被测目标的红外辐射扫描,由光子探测器接收两维红外辐射,经光电转换及处理,最后形成热图像视频信号,并在荧屏上显示。

  六十年代中期,瑞典AGA公司和瑞典国家电力局,在红外寻视装置的基础上,开发了具有温度测量功能的热红外成像装置。这种第二代红外成像装置,通常称为热像仪。

  1986年,瑞典研制出工业用的实时成像系统,它无须液氮或高压气,而以热电方式致冷,可用电池供电;1988年又推出全功能热像仪,它将温度的测量、修改、分析、图像采集、存储合于一体,重量小于7kg,使仪器的功能、精度和可靠性都得到了显著的提高。

  九十年代中期,美国FSI公司首先研制成功由军用转民用并商品化的新一代红外热像仪,它是属焦平面阵列式结构的一种凝视成像装置,技术功能更加先进,现场测温时只需对准目标摄取图像,并存储到机内的PC卡上。各种参数的设定,可回到室内用软件进行修改和分析,最后直接得出检测报告。由于取代了复杂的机械扫描,仪器重量已小于2kg,如同手持摄像机一样,单手即可操作使用。

  随着红外焦平面阵列技术的迅速发展,美、英、法、德、日、加拿大、以色列等西方发达国家都在竞相研制和生产先进的红外焦平面阵列摄像仪,其中美国在红外焦平面阵列传感器的发展水平方面处于遥遥领先地位,其焦平面阵列规模已大达2048×2048元,已接近于可见光硅CCD摄像阵列的水平。日本在世界上最先实现了100万像元集成度的单片式红外焦平面阵列,在品种方面,从HgCdTe、InSb、GaAlAs/GaAs量子阱和PtSi到非致冷红外焦平面阵列等种类产品推向市场,抢占商机; 法国、荷兰、瑞典、英国、德国和意大利等在非致冷红外热摄像仪技术的发展方面,已显出其处于前沿的竞争地位,如AGEMA公司的热视570,AGEMA520和德国STNATLAS电子公司驾驶员视觉增强系统,都具有很高的水平和市场竞争实力。此外,加拿大、以色列、韩国、澳大利亚、波兰、新加坡的一些公司和机构都在尽力发展先进红外焦平面阵列热摄像仪技术,竞争已遍及全球几大洲。

  七十年代,中国有关单位已经开始对红外热成像技术进行研究。八十年代末,中国已经研制成功了实时红外成像样机,其灵敏度、温度分辨率都达到很高的水平。进入九十年代,中国在红外成像设备上使用低噪声宽频带前置放大器,微型致冷器等关键技术方面有了发展,并且从实验走向应用。如用于部队的便携式野战热像仪,反坦克飞弹、防空雷达以及坦克、军舰火炮等。

  近几年来,中国的红外成像技术得到突飞猛进的发展,与西方的差距正在逐步缩小,有些设备的先进性也可同西方同步。如目前己能生产面积小于30m2的1000×1000像素的探测器阵列,由于采用了基于锑化銦的新器件,目前己达到了分辨率小干0.01℃的温差,使对目标的识别达到更高的水平。

  红外热成像仪,可以分为致冷型和非致冷型两大类。红外电视产品和非致冷焦平面热成像仪是非致冷型产品,其他为致冷型红外热成像仪。

  前一代的热像仪主要由带有扫描装置的光学仪器和电子放大线路、显示器等部件组成,已经成功装备部队,并己用于夜间的地面观察、空中侦查、水面保险等方面。

  目前,新的热成像仪主要采用非致冷焦平面阵列技术,集成数万个乃至数十万个信号放大器,将芯片置于光学系统的焦平面上,无须光机扫描系统而取得目标的全景图像,从而大大提高了灵敏度和热分辨率,并进一步地提高目标的探测距离和识别能力。

  红外热成像技术是一种被动红外夜视技术,其原理是基于自然界中一切温度高于绝对零度(-273℃)的物体,每时每刻都辐射出红外线,同时这种红外线辐射都载有物体的特征信息,这就为利用红外技术判别各种被测目标的温度高低和热分布场提供了客观的基础。利用这一特性,通过光电红外探测器将物体发热部位辐射的功率信号转换成电信号后,成像装置就可以一一对应地模拟出物体表面温度的空间分布,最后经系统处理,形成热图像视频信号,传至显示屏幕上,就得到与物体表面热分布相对应的热像图,即红外热图像。

  非致冷焦平面红外热成像系统由光学系统、光谱滤波、红外探测器阵列、输入电路、读出电路、视频图像处理、视频信号形成、时序脉冲同步控制电路、监视器等组成。

  系统的工作原理是,由光学系统接受被测目标的红外辐射经光谱滤波将红外辐射能量分布图形反映到焦平面上的红外探测器阵列的各光敏元上,探测器将红外辐射能转换成电信号,由探测器偏置与前置放大的输入电路输出所需的放大信号,并注入到读出电路,以便进行多路传输。高密度、多功能的CMOS多路传输器的读出电路能够执行稠密的线阵和面阵红外焦平面阵列的信号积分、传输、处理和扫描输出,并进行A/D转换,以送入微机作视频图像处理。由于被测目标物体各部分的红外辐射的热像分布信号非常弱,缺少可见光图像那种层次和立体感,因而需进行一些图像亮度与对比度的控制、实际校正与伪彩色描绘等处理。经过处理的信号送入到视频信号形成部分进行D/A转换并形成标准的视频信号,最后通过电视屏或监视器显示被测目标的红外热像图。

  红外焦平面阵列的工作性能除了与探测器性能如量子效率、光谱响应、噪声谱、均匀性等有关外,还与探测器探测信号的输出性能有关,如输入电路中的电荷存储、均匀性、线性度、噪声谱、注入效率,读出电路中的电荷转移效率、电荷处理能力、串扰等。

  焦平面阵列结构有四种类型:单片式、准单片式、平面混合式和Z型混合式。单片式焦平面阵列是指在同一芯片上即含有探测器又含有信号处理电路的Si器件;准单片式焦平面阵列器件是将探测器和读出线路分别制备,然后把它们装在同一个衬底上,通过引线焊接将两部分连在一起 ; 平面混合式采用铟柱将探测器阵列正面的每个探测器与多路传输器一对一地对准配接起来 ; Z型混合式则将许多集成电路芯片一个一个地层叠起来以形成一个三维的电路层叠结构。平面混合和Z型混合方法的优点是由于将多路传输器与探测器直接混合,因而具有很高的封装密度,较快的工作效率,并使总的设计得以简化。由于信号处理是在焦平面阵列中进行的,所以减少了器件的引线数目,光学孔径和频谱带宽也得以减小。

  读出电路的电荷处理能力直接控制焦平面的动态范围,它的电荷转移效率影响焦平面的非均匀性、数据率、串扰和噪声,这些都综合影响焦平面的空间、时间和辐射能量的极限分辨能力以及空间和时间频率传递特性。因此,读出电路的设计要求为 : 高电荷容量、高转移效率、低噪声和低功率耗散 ; 其次考虑抗光晕控制和降低交叉串扰。

  据报道,GaAs可作为一种潜在的焦平面阵列读出技术,其原因是:GaAs的热膨胀系数与HgCdTe的匹配要比硅好得多,这样便有可能可靠地制备大型混合焦平面阵列 ; GaAs技术的辐射硬度比硅好得多 ; n型GaAs器件的施主能级比硅更接近导带边缘,这就使得GaAs器件在4K时更不受冻结效应的影响。

  目前达到实用水平的焦平面阵列探测器主要有碲镉汞、锑化铟、硅化铂和非制冷探测器4种。近几年推出的阵列式凝视成像的焦平面热像仪,属新一代的热成像装置,在性能上大大优于光机扫描式热像仪,定将逐步取代光机扫描式热像仪。其关键技术是探测器由单片集成电路组成,被测目标的整个视野都聚焦在上面,并且图像更加清晰,使用更加方便,仪器非常小巧轻便,同时具有自动调焦图像冻结,连续放大,点温、线温、等温和语音注释图像等功能,仪器采用PC卡,存储容量可高达500幅图像。

  总之,红外热像仪是通过非接触探测红外能量(热量),并将其转换为电信号,进而在显示器上生成热图像和温度值,并可以对温度值进行计算的一种检测设备。红外热像仪能够将探测到的热量精确量化,或测量,使您不仅能够观察热图像,还能够对发热的故障区域进行准确识别和严格分析。

  由于红外热成像技术是一种对目标的被动式的非接触的检测与识别,因而隐蔽性好,不容易被发现,从而使红外热成像仪的操作者更安全、更有效。

  由于红外热成像技术利用的是热红外线,因而不受电磁干扰。采用先进热成像技术的红外搜索与跟踪系统,能远距离精确跟踪热目标,并可同时跟踪多个目标,使武器发挥最佳效能。红外热成像技术可精确制导,使制导武器具有较高的智能性和发射后不用管的能力,并可寻找最重要的目标予以摧毁,从而大幅度提高了弹药的命中精度,使其作战威力成几十倍地提高。

  红外辐射是自然界中存在最为广泛的辐射,而大气、烟云等可吸收可见光和近红外线m的红外线却是透明的,这两个波段被称为红外线的“大气窗口”。因此,利用这两个窗口,可以在完全无光的夜晚,或是在雨、雪等烟云密布的恶劣环境,能够清晰地观察到所需监控的目标。正是由于这个特点,红外热成像技术能线h全天候监控。

  利用红外热成像技术进行探测的能力强,可在敌方防卫武器射程之外实施观察,其作用距离远。目前手持式及装于轻武器上的热成像仪可让使用者看清800m以上的人体 ; 且瞄准射击的作用距离为2~3km; 在舰艇上观察水面可达10km ; 在1.5km高的直升机上可发现地面单兵的活动 ; 在20km高的偵察机上可发现地面的人群和行驶的车辆,并可分析海水温度的变化而探测到水下潜艇等。

  只有当物体的温度高达1000 ℃以上时,才能够发出可见光被人眼看见。而所有温度在绝对零度(-273 ℃)以上的物体,都会不停地发出热红外线。如一个正常的人所发出的热红外线 W。这些都是人眼看不见的,但物体的热辐射能量的大小,直接和物体表面的温度相关。热辐射的这个特点使人们可以利用红外热成像技术对物体进行无接触温度测量和热状态分析,并可采用多种显示方式显示出来。如对视频信号进行假彩色处理,便可由不同颜色显示不同温度的热图像;若反视频信号进行模数转换处理,即可用数字显示物体各点的温度值等,从而看清人眼原来看不见的东西。所以可以说,红外热成像技术把人类的感官由五种增加到六种。

  红外测温仪只能显示物体表面某一小区域或某一点的温度值,而红外热成像仪则可以同时测量物体表面各点温度的高低,直观地显示物体表面的温度场,并以图像形式显示出来。

  由于红外热成像仪是探测目标物体的红外热辐射能量的大小,从而不像微光像增强仪那样处于强光环境中时会出现光晕或关闭,因此不受强光影响。

  红外热成像技术除主要应用军事方面外,还可广泛应用于工业、农业、医疗、消防、考古、交通、地质、公安侦察等民用领域。并且,还可将这种技术大量地应用到安防监控领域中,以方便实现智能安防监控。

  由于红外热成像仪靠温差成像,而一般目标温差都不大,因此红外热图像对比度低,使分辨细节能力变差。

  由于红外热成像仪靠温差成像,而像窗户玻璃这种透明的障碍物,使红外热成像仪探测不到其后物体的温差,因而不能透过透明的障碍物看清目标。

  目前红外热成像仪的成本仍是限制它广泛使用的最大因素,但肖特基势垒非致冷红外焦平面阵列的出現,提供了一种以低成本获得高分辨力、高可靠性器件的有效手段。随着科技的发展,关键技术的突破,并提高加工效率,今后的成本会大为降低的。

  由红外热成像技术的原理与特点可知,红外热成像技术能很好地应用于智能视频监控系统中,并且往往是普通摄像监控所不能完成的。其具体的应用如下:

  普通的视频监控很难做到全天候的监控,如银行的金库、机要室、军事要地、监狱以及核心办公室等重要的监控区域,不可能完全做到全天候地有可见光,而没有了可见光,普通视频监控也就失去了其监控功能。要想夜晚监控,只能用日夜转换摄像机加上红外灯。而红外热成像仪,是被动接受目标自身的红外热辐射,无论白天黑夜24小时均可以处于运行状态而正常工作,并随时对背景资料进行分析,一旦发现变化,可以及时发出预/报警,并可以通过其他智能设备自动对有关情况进行处理与上报。

  在雨、雾等恶劣的气候条件下,由于可见光的波长短,克服障碍的能力差,因而观测效果差。而工作在8~14m波长的长波红外热成像仪,其穿透雨、雾的能力较高,从而仍可以正常地观测目标。因此,在夜间以及恶劣气候条件下,采用红外热成像监控设备可以对各种目标,如人员、车辆等进行24h智能监控。

  一般,伪装主要是防可见光观测。因此,犯罪分子作案通常隐蔽在草丛及树林中,因为野外环境的恶劣及人的视觉错觉,容易产生错误判断而识别不出来。而红外热成像仪是被动接受目标自身的热辐射,当人体和车辆隐蔽在草丛及树林中时,它的温度及红外辐射一般都远大于草木的温度及红外辐射,因此很容易被自动识别出来。

  此外,普通监视摄像头是无法看到发光物体表面掩盖下所隐藏的物体的,如对被埋藏的盗窃物品、尸体等就不能有效地检测识别出来。而利用红外热成像技术所研制的红外热成像仪则可以检测识别出来,因为当某处的表面被弄乱时,该表面的热轮廓也会被破坏,如翻过的土壤热辐射和压实的土壤热辐射是不同的。因此,通过红外热成像仪的这种功能可以找到被埋藏的赃款赃物或被埋的尸体等。曾有一男子在抢银行之后,将抢来的钱偷偷地埋在了小区公园的偏僻之处,但通过红外热像仪所监控到的小区公园图像,很快地就发现了被埋藏在公园内的赃款。

  由于红外热成像仪是反映物体表面温度而成像的设备,因此除了夜间可以作为现场监控使用外,还可以作为有效的防火报警设备。如在大面积的森林中,火灾往往是由不明显的隐火引发的,这是毁灭性火灾的根源。用现有的普通监视系统,很难发现这种隐性火灾苗头。然而用飞机巡逻,采用红外热成像仪,则可以快速有效地发现这些隐火,并且可以准确判定火灾的地点和范围,即可透过烟雾发现着火点,把火灾消灭在萌芽阶段。如加拿大森林研究中心,利用直升飞机采用AGA750便携式热成像仪,在一个火灾季节中就发现了15次隐火。

  在住宅小区、机场、码头、学校等人流密集的场所,通过红外热成像仪探测的红外热图像,均能迅速及时监测到火灾源头,进行预/报警,以便及时采取行动进行处理。

  谷物粮仓往往会发生自燃现象,过去一般采用温度计测量其温度变化。而采用红外热像仪可以准确判定这些火灾的地点和范围,从而做到早知道早预防,早扑灭。

  美国保险公司的统计数据表明,在所有电气设备隐患中的25%以上是引发火灾的主要原因,即由于插头接触不良引发的。红外热像仪还可以用来探测电气设备的不良接触,以及过热的机械部件,以免引起严重短路和火灾。对于所有可以直接看见的设备,红外热成像产品都能够确定所有连接点的热隐患。对于那些由于屏蔽而无法直接看到的部分,则可以根据其热量传导到外面的部件上的情况,来发现其热隐患。而利用红外热成像产品,可以很容易地探测到回路过载或三相负载的不平衡。如我国利用自制的热像仪对华北电力网内的20座发电厂、8座变电站和24条高压线多个插头进行了过热检查,发现不正常发热点500多处,严重过热为100处,做到及时处理,从而未发生火灾事故。

  此外,即使是在火灾过后,消防人员也能通过现场红外热成像仪的监视图像,开展对火灾现场卓有成效地搜救工作。

  值得一提的是,使用红外热成像产品代替传统方法检测维修,还可以节省大量费用。如一个典型的办公大楼(250,000平方英尺,10层),平均维修费用为6,500美元。若用红外热成像产品检查,只要一天便可以完成对所有电动机控制,配电盘和开关装置的检查(并包括各种机械设备),用红外热成像仪的检查服务费大约为600~800美元。因此,红外热成像产品的费用仅是传统方法费用的1/10。

  大家知道,我国边境线甚长,海洋也辽阔,由于野外环境的恶劣,特别是在下雨、下雪、大雾、大风的日子,许多系统都不可能很好地担当起防范作用,更不用说通过智能分析报警了。如果采用人员巡逻,利用望远镜进行观察,往往由于可见光波长短,使观察效果不理想,根本不可能做到全天候,这样难免不造成漏查、误查和失查的现象。

  利用红外热成像仪,可以探测到不同物体的红外辐射,因而可以远距离地进行观察,尤其适用于风雨天气。如在边境地区放置红外热成像仪,就可成功地破获非法入境者案件,显然,其效率大大高于人工巡查。

  目前在海边走私,常常利用“大飞”来进行,这些“大飞”无灯光,马力大,机动性强,往往容易摆脱缉私人员和边防人员的追踪。而有了红外热成像仪,就可以迅速地远距离跟踪这些“大飞”,其距离可达数公里。即使是在雷达的死角,这个系统也可以正常运行,特别是在黑夜和恶劣的天气下,均可以充分发挥其良好的特点。

  此外,传统的视频监控技术只是对周围的现象进行实时的监控与记录,在非智能的状态下,无法完成有效的预/报警功能 ; 而传统的红外对射技术,虽然能够短距离地对入侵者进行实时预/报警,却无法认识入侵对象。而利用红外热成像技术可远距离地对周边入侵进行监视,不仅能够实时预/报警,而且能够察看当时所入侵者的红外监控图像,从而做出分析,达到一般监视系统不易达到的效果。

  对于被遗弃的行李包裹等遗留物体,普通监控摄像头由于受自然光成像的局限,只能看到行李包裹的外部特征,很难观察到行李包裹内所装的物品,因而无法对其进行分析。但是,由于物体产生的热量在发出红外辐射的同时,还在物体周围形成了一定的表面温度分布场,而不同物体的发热功率也不尽相同,因而不同的物体内部所发出的热扩散和物体表面温度也是不同的。因此,利用红外热成像技术,可以轻而易举地对行李包裹的内部物品进行透视与分析。

  因为通过红外热成像技术所观察到的行李包裹的红外热图像,必然会呈现出其不同的表面温度特征。通过智能分析行李包裹的红外热图像的特征,即可推论出其内部物品的特征,从而就可对其进行适当地处置。如可检测分析识别出,被遗弃的行李包裹等遗留物体内部的可燃物与爆炸物等。

  由上看出,红外热成像技术的优点多,应用广,因而最具发展潜力。而目前红外焦平面阵列探测器有两种类型 : 一是低温致冷工作的光量子型焦平面阵列探测器 ; 二是非致冷工作的二极焦平面阵列探测器。虽然,目前第二种非致冷焦平面阵列探测器的灵敏度,要低于光量子型阵列,但其性能可以满足大多数的军事和几乎所有的民用。因此,采用非致冷工作的焦平面阵列探测器的红外热成像仪,能真正实现小型化、低价格,是未来小型低成本应用的主流,未来必将大量应用于智能安防监控中,因而是最具前途和市场潜力的发展方向。从目前发展趋势来看,该市场即将出现新的转折,未来5~10年间将成为与目前CCD可见光摄像技术相匹敌的新兴热门产业。

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