小菲課堂 | 淺析熱靈敏度對(duì)熱像儀挑選的重要性

熱像儀作為利用紅外能量拍攝圖像的技術(shù)裝置，其設(shè)計(jì)與應(yīng)用廣泛涉及監(jiān)視、軍事、工業(yè)生產(chǎn)等多個(gè)領(lǐng)域。熱靈敏度作為熱像儀的關(guān)鍵性能指標(biāo)，直接影響圖像清晰度與實(shí)用性，制冷與非制冷技術(shù)的挑選則進(jìn)一步豐富了熱像儀的應(yīng)用場(chǎng)景與性能權(quán)衡。

熱像儀是利用熱能拍攝圖像，它捕獲到紅外能量，并利用這些能量通過數(shù)字或模擬視頻輸出創(chuàng)建圖像，細(xì)節(jié)由溫差定義，而紅外熱像儀的熱靈敏度定義了熱像儀可以檢測(cè)到的最小溫差。

紅外熱像儀探測(cè)器由一系列探測(cè)器像元組成。由于紅外光譜中的能量波長(zhǎng)比可見光長(zhǎng)，因此每個(gè)紅外探測(cè)器像元必須相應(yīng)地大于可見光探測(cè)器上的像素，以吸收更長(zhǎng)的波長(zhǎng)。因此，熱像儀的分辨率通常低于相同機(jī)械尺寸的可見光傳感器。

電磁頻譜包括從近紅外0.75μm到遠(yuǎn)紅外近1 mm(1000μm)的紅外波段

熱像儀開發(fā)需要考慮的因素

熱像儀最初是為監(jiān)視和軍事行動(dòng)而開發(fā)的，現(xiàn)在廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，如建筑檢驗(yàn)(水分、隔熱、屋頂?shù)?、消防、自動(dòng)駕駛汽車、自動(dòng)緊急制動(dòng) (AEB) 系統(tǒng)、工業(yè)檢驗(yàn)、科學(xué)研究等。這些領(lǐng)域的熱像儀有多種外形尺寸，從手持熱像儀到無人機(jī)熱像儀，再有應(yīng)用到外太空的科學(xué)研究熱像儀等。

設(shè)計(jì)開發(fā)熱像儀的工程師們需要清楚地了解關(guān)鍵設(shè)計(jì)規(guī)范，包括熱像儀的場(chǎng)景動(dòng)態(tài)范圍、視場(chǎng)角、分辨率、熱靈敏度和光譜范圍等。不同的熱像儀可以擅長(zhǎng)不同的事情，因此工程師需要了解不同類型的熱像儀功能之間的權(quán)衡，以及這些差異對(duì)最終產(chǎn)品性能的影響。

熱靈敏度是低對(duì)比度場(chǎng)景(包括有霧天氣)的關(guān)鍵性能指標(biāo)

靈敏度：清晰度和實(shí)用性的關(guān)鍵變量

熱靈敏度定義了熱像儀可以檢測(cè)到的最小溫差，其將直接影響熱像儀所能產(chǎn)生的圖像清晰度和銳度。熱像儀以毫開爾文(mK)為單位標(biāo)稱靈敏度。數(shù)字越低，探測(cè)器越靈敏。熱靈敏度，也稱為噪音等效溫差(NETD)，描述使用熱像儀時(shí)觀察到的最小溫差。實(shí)際上，NETD值越低，傳感器檢測(cè)細(xì)小溫差的能力就越強(qiáng)。集成商和開發(fā)人員應(yīng)尋找可以在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)30°C下提供NETD性能的生產(chǎn)商，下表可用于評(píng)估熱探測(cè)器的靈敏度。

小伙伴們還要注意到一個(gè)問題，有些生產(chǎn)商生產(chǎn)的一些低成本熱像儀通過將NETD標(biāo)稱在環(huán)境溫度為50℃(NETD:XXmK，@50℃)而不是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的30℃(NETD:XXmK，@30℃)，從而來隱藏低靈敏度的問題。如果你需要測(cè)量的目標(biāo)通常有很大的溫差，那么具有較低熱靈敏度的入門級(jí)產(chǎn)品就夠用。然而，對(duì)于更微妙的應(yīng)用，如檢測(cè)濕度問題，你將需要更高靈敏度的熱像儀。

制冷or非制冷

與配備非制冷探測(cè)器的紅外熱像儀相比，帶制冷探測(cè)器的紅外熱像儀具有明顯的優(yōu)勢(shì)。制冷型紅外熱像儀具有與低溫冷卻器集成的成像傳感器，通過制冷器可將傳感器溫度下降。為了將探測(cè)器自身熱噪音下降到低于成像場(chǎng)景溫差信號(hào)的水平，傳感器溫度的下降是必要的，并且可以顯著提高熱靈敏度。

但是，這些性能改進(jìn)是有代價(jià)的。制冷型紅外熱像儀通常更大、更重、更耗電。除了犧牲SWaP(尺寸、重量和功率)之外，制冷型紅外熱像儀的成本要高得多，因?yàn)榇嬖跈C(jī)械動(dòng)作部件(制冷壓縮機(jī))因此會(huì)受到機(jī)械磨損，從而縮短熱像儀的平均故障時(shí)間(MTTF)，低溫冷卻器的運(yùn)動(dòng)部件具有極其嚴(yán)格的機(jī)械公差，機(jī)械性能會(huì)隨著時(shí)間的推移而退化，氦氣也會(huì)通過密封件緩慢泄漏。

FLIR非制冷型熱像儀的最新改進(jìn)使靈敏度達(dá)到20 mK以下，與傳統(tǒng)熱像儀相比，靈敏度大幅提高，可能使非制冷型長(zhǎng)波紅外熱像儀成為各種新應(yīng)用的可行挑選。雖然很誘人，但需注意的是，非制冷型紅外熱像儀不可簡(jiǎn)單地取代制冷型熱像儀。產(chǎn)品開發(fā)人員和系統(tǒng)集成商還需要考慮有關(guān)成像速度、空間分辨率、光譜濾波等方面的其他要求。

靈敏度越高，受雨、霧、雪等惡劣天氣條件的影響越小

比如FLIR A310就搭載非制冷微量熱型探測(cè)器，可在熱靈敏度為50mK(0.05℃)時(shí)輸出分辨率為320x240像素的熱圖像，配合內(nèi)置分析功能，可提供單點(diǎn)溫度測(cè)量、區(qū)域溫度測(cè)量和自動(dòng)報(bào)警功能。

（來源：菲利爾）