過去十年，熱成像技術(shù)的使用和公眾對(duì)其功能的認(rèn)識(shí)都得到了顯著提升。過去，紅外熱成像只是一項(xiàng)昂貴的軍用技術(shù)，而如今，越來越多的人認(rèn)識(shí)這項(xiàng)技術(shù)及其所具備的優(yōu)勢(shì)。紅外熱像儀能夠在漆黑的夜晚、薄霧、輕煙以及各種天氣條件下生成清晰的圖像。
通過電視節(jié)目（例如“911營(yíng)救”(Rescue 911)）與其它報(bào)道有關(guān)消防員、警察和其他救援人員活動(dòng)的紀(jì)實(shí)節(jié)目，越來越多的人了解到紅外熱像儀和其具有的功能。相信許多人都已經(jīng)在電視上看到過熱成像是如何幫助警察在完全漆黑的環(huán)境下鎖定跟蹤疑犯。
從邊境處的遠(yuǎn)距離監(jiān)視，卡車和船運(yùn)集裝箱檢查，到高安全級(jí)別裝置的監(jiān)控，如核電站、機(jī)場(chǎng)和水壩，人們對(duì)各種安防應(yīng)用熱成像的興趣也有所提高。但是，熱成像遠(yuǎn)非只為安防應(yīng)用提供夜視解決方案這么簡(jiǎn)單。
紅外熱像儀：一項(xiàng)拯救生命的技術(shù)
紅外熱像儀用途眾多，但是，無論是在火災(zāi)中定位受困人員，在完全漆黑的環(huán)境下搜尋疑犯，或是幫助司機(jī)和船長(zhǎng)在夜間駕駛，都沒有比拯救生命的用途更為重要。警察、消防員、救援工作者和安保人員人手一臺(tái)由電池供電的輕巧型熱像儀也許只是時(shí)間問題。
與此同時(shí)，消費(fèi)者如今越來越容易接觸到熱成像技術(shù)。汽車制造商在汽車內(nèi)集成夜視模塊來擴(kuò)大駕駛視野。夜視模塊讓司機(jī)在夜間看得更清楚，從而避免事故的發(fā)生。船艇配備熱像儀，用于夜間航行和其他海事應(yīng)用，如搜尋落水人員。全世界范圍內(nèi)對(duì)熱像儀不斷增長(zhǎng)的需求令制造商有能力大幅降低生產(chǎn)成本。隨著價(jià)格降低以及對(duì)該技術(shù)興趣的提高，眾多不同產(chǎn)品領(lǐng)域內(nèi)愈來愈多的制造商看到了熱像儀的附加價(jià)值，并愿意將熱像儀集成到他們的產(chǎn)品中。通常，熱像儀只是完整成品的一個(gè)小部件，因此它必須盡量小巧、輕盈、便宜。
Photon：FLIR Systems開發(fā)的微型紅外熱像儀
微型紅外熱像儀的最新研究進(jìn)展促成了FLIR Systems Photon紅外熱像儀的問世。Photon是一款具有高靈敏度、高可靠度的非制冷型長(zhǎng)波紅外熱像儀。其緊湊的設(shè)計(jì)、輕巧的重量以及較低的能耗，成為眾多紅外熱成像應(yīng)用的理想選擇，尤其是涉及電池供電操作的應(yīng)用。Photon采用基于氧化釩微量熱型探測(cè)器技術(shù)的紅外傳感器，可生成像素陣列為320x256的圖像，定位為一款商用紅外熱像儀，現(xiàn)已作為標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品進(jìn)行大量生產(chǎn)，同時(shí)它還附帶各種可選功能以吸引更廣闊的市場(chǎng)空間。Photon可搭載各種鏡頭，適用于幾乎所有的應(yīng)用。
能夠批量高產(chǎn)地制造紅外傳感器是實(shí)現(xiàn)低價(jià)的關(guān)鍵。FLIR Systems已基于商業(yè)硅鑄造工藝模型，開展了高度自動(dòng)化的微量熱型探測(cè)器生產(chǎn)線。該生產(chǎn)線擁有目前為止世界上最高的生產(chǎn)能力，使用了盒對(duì)盒式晶圓傳送技術(shù)來加快生產(chǎn)，并將計(jì)量融入生產(chǎn)線以確保連續(xù)工藝反饋。
小巧輕便，影像清晰
Photon只有手掌大小，極其輕便（19mm鏡頭款僅130克），且功耗不到1.6W，外形上與用于可見光成像的緊湊型CMOS攝像頭十分相似。
Photon紅外傳感器為320x256像素焦平面陣列(FPA)，在7.5-13.5微米或長(zhǎng)波紅外波段內(nèi)成像。長(zhǎng)波紅外波段對(duì)于看清黑暗甚至煙霧中的人十分有用。Photon是一款完全集成的熱像儀，同時(shí)擁有模擬視頻和14位數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)輸出以及RS-232串行通信端口，三者均引入一個(gè)單獨(dú)的包含功率輸入引腳的15個(gè)引腳高密度連接器。
未搭載熱電冷卻器
Photon的FPA無需穩(wěn)定溫度，因此免去了其它微量熱型探測(cè)器攝像機(jī)中的熱電冷卻器(TEC)。盡管存在其它搭載少量TEC的熱像儀，但它們均不具備搭載少量TEC的FLIR 熱像儀如此廣的工作溫度范圍（-40°C-+80°C）。FLIR開發(fā)了專利讀出電路和全新的非均勻性校正算法，制造出未搭載TEC的熱像儀。這一設(shè)計(jì)特性帶來了大量搭載TEC的紅外熱像儀所不具備的主要優(yōu)勢(shì)：
? Photon可在通電后兩秒內(nèi)生成圖像，因?yàn)槠渑cTE穩(wěn)定的熱像儀不同，不需要FPA在特定溫度下進(jìn)行操作。這對(duì)于消防應(yīng)用有著巨大的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)榧t外熱像儀可被開啟和關(guān)閉以節(jié)省電池電量，任何成像延遲均潛在危險(xiǎn)。
? 能耗可降低，這對(duì)于采用電池供電熱像儀的應(yīng)用至關(guān)重要。其能耗隨著熱像儀外殼與FPA的溫差增大而增加，這種情況在環(huán)境空氣溫度可達(dá)幾百攝氏度的消防等應(yīng)用中十分普遍。
? 紅外熱像儀包裝聚積的熱量大幅減少，這對(duì)于封裝在絕緣和自動(dòng)加熱外殼內(nèi)的熱像儀的應(yīng)用尤為重要。TEC會(huì)消耗大量電流，從而產(chǎn)生大量廢熱。
? 由于光學(xué)組件和FPA外殼的雜散輻射效應(yīng)降低，Photon的場(chǎng)景動(dòng)態(tài)范圍可通過TE穩(wěn)定的熱像儀大幅擴(kuò)展。擴(kuò)大的動(dòng)態(tài)范圍使熱像儀無需令圖像達(dá)到飽和，即可觀察場(chǎng)景內(nèi)更大的溫度范圍，這在消防應(yīng)用中十分常見。
Photon：包含各種產(chǎn)品和應(yīng)用的卓越熱像儀
若希望在商業(yè)市場(chǎng)取得成功，紅外熱像儀則必須適應(yīng)各種應(yīng)用。隨著價(jià)格的降低，紅外熱像儀的應(yīng)用數(shù)量正在以驚人的速度增加。Photon的先進(jìn)信號(hào)處理用途廣泛，能夠以各種不同的方式進(jìn)行編程，從而實(shí)現(xiàn)針對(duì)不同應(yīng)用的專門特征。例如，消防市場(chǎng)推動(dòng)粗點(diǎn)輻射計(jì)的發(fā)展，以2x2像素顯示觀察區(qū)域的溫度。軟件采用的另一消防功能是圖像內(nèi)的像素偽彩色。這些像素顏色與用于快速識(shí)別場(chǎng)景內(nèi)熱區(qū)的可調(diào)閾值內(nèi)的溫度相對(duì)應(yīng)。
駕駛員視覺增強(qiáng)
夜間駕駛給卡車、公交和其他重型車輛的司機(jī)帶來了嚴(yán)重的安全隱患。重大事故多發(fā)生在夜間和雨霧天氣，因?yàn)樗緳C(jī)難以看清事故源，無法及時(shí)避免碰撞。每年，大型車輛發(fā)生夜間事故達(dá)成千上萬例，有許多都是因?yàn)閻毫拥奶鞖鈼l件。在這種情況下，司機(jī)的快速減速能力下降，疲勞會(huì)影響反應(yīng)時(shí)間，而且視力在黑暗中嚴(yán)重減退。
紅外熱像儀是一個(gè)強(qiáng)大的駕駛員視覺增強(qiáng)系統(tǒng)，它顯著降低了夜間駕駛的風(fēng)險(xiǎn)，使司機(jī)能夠看到高達(dá)車頭燈5倍之遠(yuǎn)的距離。它在任何情況下都不需要光線進(jìn)行操作。正因?yàn)橛辛思t外熱像儀，司機(jī)才能夠快速檢測(cè)并識(shí)別潛在的危險(xiǎn)，避免致命事故的發(fā)生。紅外熱像儀還能幫助司機(jī)更好地看清道路邊緣，提前發(fā)現(xiàn)前方彎道，避免因前方車燈眩光造成的瞬時(shí)盲區(qū)，以及能夠穿透輕煙、粉塵、薄霧和小雨看清前方。
寶馬已開始在其7系、6系、5系轎車中采用了該技術(shù)輔助夜間駕駛。與轎車相比，公共汽車和卡車更能夠受益于這項(xiàng)技術(shù)。
FLIR Systems出售PathFindIR作為為交通運(yùn)輸業(yè)的嚴(yán)苛需求量身定制的專用紅外熱像儀。本質(zhì)上來說，PathFindIR的機(jī)芯是Photon紅外熱像儀，包裝在極其堅(jiān)硬的外殼中，可經(jīng)受嚴(yán)苛的駕駛條件。
航空——使飛行更安全
Photon也是FLIR Systems EVS3的核心，它是一款可用于提升飛行員夜視的低成本熱像儀，即使在完全黑暗、薄霧、粉塵和輕煙的環(huán)境下，它仍能通過提高飛行員遠(yuǎn)距離觀察地形和其它飛機(jī)的能力對(duì)其提供幫助。
EVS3用于集成現(xiàn)有多功能顯示器，配有簡(jiǎn)單的“電源輸入和標(biāo)準(zhǔn)視頻輸出”接口。Photon采用了FLIR的數(shù)字細(xì)節(jié)增強(qiáng)(DDE)專利技術(shù)，無論場(chǎng)景的動(dòng)態(tài)特性如何，均能確保卓越的圖像質(zhì)量，顯示競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手制造的價(jià)格更昂貴的系統(tǒng)所無法捕捉的場(chǎng)景細(xì)節(jié)�？蛇x擇不同鏡頭適應(yīng)各種寬、中、窄視場(chǎng)角下的飛行剖面。
消防——穿透煙霧
多年來，為了能夠在完全黑暗中透過煙霧進(jìn)行觀察，以及探測(cè)地板、墻壁和天花板上的熱點(diǎn)，消防員一直使用熱像儀。煙霧中含有大量微米級(jí)碳黑顆粒，非常容易吸收可見光。但是，當(dāng)顆粒遠(yuǎn)小于傳感器所使用的光纖的波長(zhǎng)時(shí)，將大大降低散射程度，使煙霧中的視線變得清晰。長(zhǎng)波紅外線的波長(zhǎng)約為可見光波長(zhǎng)的20倍，因而長(zhǎng)波熱像儀完美適合該應(yīng)用。
對(duì)于通常必須打開通往火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的大門，或者必須快速可靠地確定起火位置和火勢(shì)蔓延情況的消防員而言，探測(cè)物體溫差的能力至關(guān)重要。
由于以前的一些用于消防系統(tǒng)的熱像儀笨重且使用不便，在某些情況下缺乏充足的動(dòng)態(tài)范圍，且對(duì)大多數(shù)消防部門而言過于昂貴，因此，降低尺寸、重量和成本的同時(shí)提高性能，已成為該行業(yè)最重要的需求。
礦井安全裝置公司(MSA)（賓夕法尼亞州匹茲堡）將一款Photon熱像儀集成到其Evolution®5200、EvolutionHD2和New Evolution 5600用于消防救火。ThermalTracTM熱像儀中用于執(zhí)法。消防設(shè)施要求熱像儀有較寬的場(chǎng)景動(dòng)態(tài)
范圍，以便定位熊熊烈火的方向，并生成溫度較低的周圍環(huán)境或人員的未飽和圖像。Photon擁有14位場(chǎng)景動(dòng)態(tài)范圍，使用非線性直方圖AGC算法將14位范圍映射到8位模擬視頻顯示器上。熱像儀還有兩種增益狀態(tài)，可根據(jù)高于或低于閾值的圖像的像素比例進(jìn)行自動(dòng)選擇。這使熱像儀可在消防員經(jīng)常遇到的兩種極限環(huán)境下工作，如黑暗潮濕的地下室和著火的房間。
無人機(jī)（UAV）
無人機(jī)在軍用和民用領(lǐng)域的應(yīng)用越來越普遍，尤其是專為低空飛行設(shè)計(jì)的小型飛機(jī)。這些無線電控制的飛機(jī)可裝載下行連接至地面站的攝像機(jī)。熱像儀能夠使飛機(jī)在完全漆黑的環(huán)境下飛行，并穿透煙霧探測(cè)目標(biāo)。此類飛機(jī)還可以用于森林火災(zāi)等類似應(yīng)用。溫度高于周圍環(huán)境的區(qū)域表示可能發(fā)生火災(zāi)，并能在熱圖像上清晰地看到。
無人機(jī)系統(tǒng)領(lǐng)導(dǎo)者AeroVironment（AVAV）（加州西米谷市）將Photon融入其部分產(chǎn)品，包括手動(dòng)Raven B。由于Raven B是由電池供電的輕型UAV，因此盡量縮小機(jī)載設(shè)備的重量和尺寸至關(guān)重要。Photon通常安裝在飛機(jī)的前錐上，指向前方并向下方呈一定角度以便偵查和航行。該功能使Raven B提供真正的晝夜運(yùn)行，成為在各種環(huán)境和應(yīng)用中獲取實(shí)時(shí)環(huán)境感知的強(qiáng)大工具。
熱監(jiān)視
總部位于英國(guó)的Qioptiq是紅外和圖像加強(qiáng)夜視設(shè)備設(shè)計(jì)者和制造商。該公司將Photon集成入其所謂的“VIPIR2-S”手持式熱監(jiān)視視線產(chǎn)品以及武器安裝式“VIPIR-2”中。
由于該設(shè)備需小巧輕便，以便在戰(zhàn)場(chǎng)上易于攜帶，因此Photon是集成到VIPIR中的最佳儀器。此外，Photon的低功耗使VIPIR能夠僅靠4節(jié)商用AA電池便工作6個(gè)多小時(shí)。Photon未采用熱電冷卻器，使VIPIR的操作者一旦開啟裝置便立即獲得清晰的圖像。
無處不在的紅外線
FLIR Systems Photon紅外熱像儀是將經(jīng)濟(jì)的微型紅外熱像儀打入技術(shù)市場(chǎng)的重要一步。隨著產(chǎn)量加大和價(jià)格持續(xù)降低，我們將看到大量原始設(shè)備制造商在其應(yīng)用和打包方案中結(jié)合Photon等類似產(chǎn)品。
在不久的將來，熱成像將成為像GPS和雷達(dá)一樣普遍的技術(shù)，它們最早均由軍事實(shí)驗(yàn)室發(fā)明，但今天已被世界各地的消費(fèi)者所廣泛傳播和接受。
鳴謝本文作者Austin Richards哲學(xué)博士，鳴謝B.Terre先生和S.Laband先生提供寶貴資料和建議。
