红外热成像技术的应用与展望
摘要 源于军事应用的红外热成像技术近年来在器件和系统研制、应用方面急剧发展，受到国内外的普遍
重视，已经发展成为现代高技术。本文着重分析了红外热成像技术的技术原理以及主要组成部件。并在此
基础上，归纳了其主要的发展阶段，指出了每个阶段的技术创新之处。此外，较为全面地介绍了红外热像
仪的广泛应用。技术的发展是无止境的，本文在分析红外热成像技术发展历史的基础上，对未来的技术发
展方向进行了展望。
关键词 红外热成像；技术原理；应用领域；发展前景
中图分类号 TN21 文献标识码 A
Applications and Development of Infrared Thermography
Abstract Infrared thermal imaging technique used primarily for military purpose is rapidly advanced recently in
the development and applications of devices and systems. It is getting more and more attention and has developed
into modern high technology. The technical principle of infrared thermal imaging technology and the main
components are discussed. Based on the analysis about the principle of infrared thermal imaging, we summarize the
main development stages, pointing out technological innovation of every development stage. Infrared imaging
technology is applied widely; this paper summarizes the important applications in many fields and discusses the
wide application of the infrared thermal imager. The development of technology is endless; based on the
development history of infrared thermal imaging technology , this paper forecast the future developing direction of
the technology.
Keywords infrared thermography；technical principles；applications ；development prospects
OCIS Codes (暂无)
1 引言
在海湾战争中，高科技武器展示了先进技术的广阔平台，成为世界科技发展
的风向计，其中出现的红外热成像技术也迅速成为世界各国竞相研究和开发的方
向和重点。红外热成像技术是以接收景物自身各部分辐射的红外线来进行探测，
利用景物自身各部分辐射的差异获得图像的细节，其实质是一种波长转换技术，
即把红外辐射图像转换为可视图像的技术，同时，由大气透红外性质和目标自身
辐射所决定，红外热成像技术通常采用 3～5 µm和 8～14 µm两个波段内工作。
红外热成像技术历经多年的发展，已从当初的机械扫描机构发展到了今天的全固
体、小型化、全电子、自扫描凝视摄像，特别是非制冷技术使红外热成像技术从
长期的主要军事目的扩展到诸如工业监控测温、执法缉毒、安全防犯、医疗卫生、
遥感、设备先期性故障诊断与维护、海上救援、天文探测、车辆、飞行器和舰船
驾驶员用夜视增强观察仪等广阔的民用领域，红外热成像技术正走向辉煌。此外，
红外热成像技术也是一个有非常广阔前途的高科技技术，其大量的应用已经引起
许多行业变革性的改变，创造了亿万的财富和无法预计的社会效益。
2 红外热成像技术的发展历史与国内外研究现状 回顾红外热成像技术的发展历程，不难发现的是，从第一代热红外成像装
置研制成功，至今虽然只有短短50年左右的时间，但其始终保持着迅猛的发展
态势。
2.1 红外热成像技术的起步与发展 红外热成像技术和其他很多技术一样，其主要应用是从军事方面开始的。
该技术出现于本世纪二十年代末，其开拓性的工作是M. Czerny 等人在1929年
的研究成果——蒸发式热像仪。这种热像仪由于对比度、灵敏度及响应速度都很
低，没有多大实用价值。30年代初，出现了采用银-氧-铯光发射表面的红外变
相管。随后十年间，经改进的这种成像仪用作夜视镜及夜间瞄准具在美国普遍装
备了部队。
除了军事作为红外热成像发展的第一推动力外，医学上的需求则是其第二
大发展动力。红外热成像技术用于医学方面的诊断和研究已经快50年了。1956
年，英国医生Lawson 用非接触式的测温装置证实了乳腺癌病灶部位的皮肤温度是
增高的。1957年他用美国巴恩（Barnes ）公司的红外扫描仪拍摄了乳腺癌患者的
热图，使得乳腺癌在皮肤上形成的热区成为视觉可见的图像。 1963年红外热像
仪正式应用于临床诊断。此后，欧美许多国家和日本相继研制了多种热像仪。六
十年代末期统计数据表明全世界大约有75个医疗机构应用红外热像仪。1974年统
计数字表明，美国医用热像仪有300台，西欧也有300台，日本有100台。前苏联
和东欧国家也有医用红外热像方面的文章发表。
2.2 红外热成像系统的产生与发展
1964年，随着美国德克萨斯仪器公司（TI ）首次研制成功第一代热红外成
像装置，历史拉开了红外热成像发展的序幕。TI 公司制作的这套装置，叫红外
前视系统（FLIR ），这类装置利用光学元件运动机械，对目标的热辐射进行图像
分解扫描，然后应用光电探测器进行光——电转换，最后形成视频图像信号，并
在荧屏上显示，红外前视系统至今任是军用飞机、舰船和坦克上的重要装置【1】。 六十年代中期，瑞典AGEMA 公司研制出第一套工业用的实时成像系统，该系统由
液氮制冷，110V 电源电压供电，重约35公斤。1988年推出的全功能测温热像仪，
将温度的测量，修改、分析、图像采集、存储合于一体，重量小于7公斤，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，美国一些公司首先
将非制冷焦平面技术成功应用于民用热像仪开发，研制成功新一代的红外测温热
像仪，技术性能更加先进，现场测温时只需对准目标社区图像，并将上述信息存
储到机内的PC 卡上，即完成全部操作，各种参数的设定可回到室内用软件进行
修改和分析数据，最后直接得出检测报告。
2.3 我国的红外热成像技术研究
我国于1976年在上海首先试制成功第一台医用红外热像仪，并投入临床试
用。随后几年内，北京、杭州也相继研制了医用红外热像仪。但是，热像仪的生
产规模都不大，全国只有十几个医院使用。七十年代和八十年代，医用红外热像
仪处于缓慢发展时期。九十年代开始，我国的医用红外热像技术发展步伐加快了，
武汉、重庆、郑州、深圳等地也相继研制了多种医用红外热像仪。进入21世纪
以后，电脑的迅速普及更是催化了我国医用红外热像技术的发展。其中，最典型
的应用就是2003年在我国爆发SARS 疫情时，红外热像仪成为最合适的高效仪器
【2】。
而在国内，1975年由上海引进了第一套AGEMA 公司的红外热像仪，这在当时是国内最先进的红外测温热像仪。应用后，取得了很大的经济效益，打开了AGEMA 的中国市场。八十年代初，电力系统结合500KV 平武工程在电力工业上首次引进三套瑞典AGEMA 公司生产的红外热像仪。应用后，大大提高了电力设备探测、诊断的技术水平【3】。
纵观红外热成像技术短短几十年的发展历史，不管是官方的军用还是普通老百姓的民用，都呈现出一幅蓬勃发展的迅猛态势！
3 红外成像系统的工作原理与结构
3.1 红外成像系统的工作原理
3.1.1 红外成像系统的基本工作原理概述
光学系统将景物发射的红外辐射收集起来，经过光学滤波后，将景物的辐射能量分布汇聚到位于光学系统焦平面的探测器光敏面上。光机扫描器包括两个扫描机组，一个做垂直扫描，另外一个做水平扫描。扫描器位于聚焦光学系统和探测器之间。扫描器工作时，从景物到探测器的光束随之移动，在物空间扫出像电视一样的光栅，与此同时探测器逐点接受景物的辐射并转换成对应的电信号。经过视频处理的信号，在同步扫描的显示器上显示出景物的红外图像。图1给出了光机扫描型红外成像系统的工作原理。
图1 光机扫描型红外成像系统工作原理【4】
Fig. 1 Ray machine scanning infrared imaging system working principle
3.1.2 红外成像系统的类型和组成
目前的红外成像系统可以分为以下两大类：光机扫描型和非扫描型。
图1所示即光机扫描型的，借助光机扫描器使单元检测器依次扫过景物各部分，并随之形成二维图像。尽管这种红外成像系统结构复杂，成本较高，但其发展仍然受到重视并日趋完善。
非扫描型红外成像系统利用多元探测器阵列，使探测器中每个单元与景物的一个微面元对应，可以取消光机扫描。比较典型的应用是凝视型红外成像系统。随着相关技术及材料的发展，近几年硅化物肖特基势垒焦平面阵列技术有了很大的进展，利用硅超大规模集成电路技术的工艺技术，可获得高均匀响应度、高分辨率探测器面阵，大大推动了非扫描型红外成像技术的发展和实用化。另外，热释电红外成像系统也属于非扫描型红外成像系统，采用热释电材料做靶面，制成热释电摄像管，利用电子束扫描及其相应的处理电路，完全取消了光学扫描，又不需要制冷，成本下降的同时结构还变得简单，发展前景十分广阔，但性能上不如光机扫描型红外成像系统稳定。
从图2所示的红外成像系统框图中可以看出，整个系统包括四个部分：光学
系统、红外探测器及制冷器、电子信号处理系统和显示系统。
图2 红外成像系统的工作过程【5】
Fig. 2 Infrared imaging system works
3.1.3 红外成像系统的基本参数
1） 光学系统入瞳口径D0和焦距ƒ’
热像仪光学系统的D0、ƒ’是决定其性能、体积和重量的重要因素。
2） 瞬时视场
在光轴不动的情况下，系统所能观察到的空间范围就是瞬时视场。它取决于但元探测器的尺寸及红外物镜的焦距，并决定着系统的最高空间分辨力。
例如，探测器如果为矩形，尺寸为a ⨯b , 则 α=
即为瞬时视场平面角。
3） 总视场 a b β=f ' ， f ' （1）
总视场指的是热像仪的最大观察范围。通常以水平方向和垂直方向的两个平
面角来描述。
4） 帧频周期T f 与帧频f p
T f 系统扫描完成一幅完整画面所花的时间
f p 叫做帧频周期或帧时；而一秒钟内f p =，即存在如下关系： 所构成的画面帧数叫做帧频或帧速
5） 扫描效率η 1T f （2）
热像仪对景物成像时，由于同步扫描、回扫、直流恢复等都需要时间，而在这些时间段内不产生视频信号，将其归总为空载时间T f ' 。所以，（T f T f ' -）即
η=
为有效扫描时间，将其与帧周期的比定义为扫描效率，即
6） 驻留时间 T f -T f ' T f （3）
系统光轴扫过一个探测器所经历的时间称为驻留时间，记为
热像仪的重要参数。
若帧周期为T f τd ，是光机扫描，扫描效率为η，热像仪采用单元探测器，则探测器驻留时间τd 1即为
τd 1=ηT f αβ
AB （4）
式中，A 、B 分别为水平和垂直方向的视场角；α、β为瞬时视场角。
当探测器由n 个与行扫描方向正交的单元探测器组成的线列时，驻留时间即为 τd
τd =n τd 1=n ηT f αβ
AB （5）
由上式可得，在帧周期和扫描效率相同时，如果把n 个同样的单元探测器沿着与行扫描正交的方向排成线列，则在单个探测器上的驻留时间就延长至n 倍，这有利于提高热像仪的信噪比。另外要说明的是，探测器的驻留时间应该大于其时间常数。
3.2 红外光学系统
红外光学系统主要由红外物镜系统和光机扫描系统组成。
3.2.1 红外物镜系统
1） 投射式红外光学系统
投射式红外光学系统又称折射式红外光学系统，一般由几个透镜构成，如图3所示。透射式红外光学系统的主要优点是：无挡光，加工球面透镜较容易，通过光学设计易消除各种像差。但缺点是光学系统光量损失较大，装配调整较困难。
2） 反射式红外光学系统
由于红外辐射的波长较长，能透过它的材料很少，因而大都采用反射式红外光学系统。按反射镜截面的形状不同，反射系统有球面形、抛物面形或椭球面形几种。一下介绍几种典型的反射系统。
图3 透射式光学系统【6】 【6】 图4 牛顿光学系统
Fig. 3 Transmissive optical system Fig. 4 Newton optical system
牛顿系统的主镜是抛物面，次镜是平面，如图4 所示。这种系统结构简单，易于加工，但挡光大，结构尺寸也较大。
卡塞格林系统的主镜是抛物面，次镜是双曲面，如图5 所示。这种系统较牛顿系统挡光小，结构尺寸也较小，但加工比较困难。
格里高利系统的主镜是抛物面，次镜是椭球面，如图6 所示。其加工难度介于牛顿系统与卡塞洛林系统之间。
图5 卡塞洛林光学系统 【6】 【6】 图6 格里高利光学系统 Fig.5 The jam Lorraine optical system Fig. 6 Gregory optical system 在实际工作中，应用最广的是球面镜和抛物镜。反射镜的性能很大程度上也取决于反射表面的状态以及反射层局部的破损、玷污以及潮湿情况，因此要仔细保护好反射镜表面的清洁和完整性。反射式光学系统的优点是：对材料的要求不是很高、重量轻、成本低、光量损失小、不存在色差等等。但也有明显的缺点：有中心挡光，有较大的轴外像差，难于满足大视场大孔径成像的要求。
3） 折反射组合式光学系统
由反射镜和透镜组合的折射反射式光学系统可以结合反射式和投射式系统的特点，采用球面镜取代非球面镜，同时用补偿透镜来矫正球面反射镜的像差，从而获得良好的像质。但缺点是这种系统往往体积大，加工困难，成本也比较高，典型的折反射系统举例如下：
1）施密特系统的主镜是球面反射镜，前面安装有一个校正板，如图7 所示。可以根据校正板厚度的变化来校正球面镜的像差，但这种系统的结构尺寸较大，校正板加工困难。
2）马克苏托夫系统的主镜为球面镜，采用负透镜（称为马克苏托夫校正版）校正球面镜的相差，如图8所示。如果把光阑和马克苏托夫校正板设在主镜的球心附近，则可以进一步减小物镜的轴外像差。
图7 施密特光学系统 【6】 【6】 图8 马克苏托夫光学系统
Fig. 7 Schmitt optical system Fig. 8 Maksutov optical system
3.2.2 光机扫描系统
常用的光机扫描部件有摆动平面镜、旋转反射镜鼓、旋转折射棱镜、旋转折射光楔等。它们单独或组合成为常用的几种扫描结构。
1） 旋转反射镜鼓作二维扫描
能兼作行扫、帧扫的反射镜如图9所示。它是一个多面体，其每一侧面与旋转轴构成不同的倾角θi 。例如，第1面倾角θ1=0，第2面倾角θ2=α；第3面倾角θ3=2α；第i 面倾角θi =(i -1) α; 如此等等。这样，当第一面扫完第一行转到第二面时，光轴在列的方向上也偏转了α角。若使α角正好对应于探测器面阵在列方向的张角，则这个单一的旋转反射镜鼓就可以兼有二维扫描的功能。这种方案结构紧凑，帧扫描效率很高，适用于中低档水平的热像仪和手持式热像仪。
由于反射镜的反射面系绕镜鼓的中心轴线旋转，致使反射面位置有相对于光线的位移，这种位移若出现在会聚光路中，则会产生“散焦”现象，影响像质。故反射镜鼓多用在平行光路中。
2） 平行光路中旋转反射镜鼓与摆镜组合
图10所示的机构是右旋转反射镜作行扫描、摆镜作帧扫描的实例。镜鼓、摆镜均在平行光路中，其外形尺寸必须保证有效光束宽度D 0和所要求的视场角2ω，所以会比较庞大，加之摆镜运动的周期往复以及在高速摆动情况下使视场边缘不稳定，不易高速扫描。这种二维扫描机构没有附加像差，实施容易。
图 9 产生带扫描的多面镜鼓 图10 旋转镜鼓作行扫描摆镜作帧扫描 Fig. 9 Generated with the scanning polygon mirror drum
Fig. 10 Rotating mirror drum for line scanning oscillating mirror frame scan 【7】【7】
3） 平行光路中反射镜鼓加会聚光路中摆镜
图11 所示的机构是由会聚光路中的摆镜绕平面内的轴线OO ' 摆动完成帧扫描，由准直镜组之间（平行光路）的反射镜鼓绕与图面垂直的轴线旋转完成行扫描。这种机构扫描效
图11 会聚光束摆镜扫描系统【7】
Fig. 11 Convergent beam tilt mirror scanning system
率与上述“2”相同，但由于摆镜在会聚光路中，摆动时会产生“散焦”而影响像质，所以不宜作大视场扫描用。
4）折射棱镜与反射镜鼓组合
在图12所示系统中，四方折射棱镜，在前置望远镜的会聚光路里旋转执行帧扫描，而反射镜鼓2位于物镜前的平行光路中旋转做行扫描。前者转轴与图面垂直，后者转轴在图面内。由于折射棱镜扫描效率比摆镜高，故这种组合的总扫描效率比摆镜扫描方案高。另外，反射镜鼓处在经望远镜压缩的平行光路中，故尺寸可以相对减小。但这折射棱镜在会聚光路中产生像差，且折射棱镜要旋转，系统像差设计较难。如果设计恰当，可用于大视场及多元探测器串并扫的场合。
图12 折射棱镜帧扫描【7】
Fig. 12 Refractive prism frame scan
5）会聚光路中两旋转折射棱镜组合
图13所示的结构是由会聚光路中两旋转的折射棱镜组合完成二维扫描。其中帧扫描在前，转轴与图面垂直；行扫描棱镜在后，转轴在图面内且与光轴正交。两者棱面数量相当（图中是八棱柱体）。由于行扫描棱镜入射面靠近物镜焦平面，这里光束宽度变窄，故其厚度尺寸可以小些，使之易于实现高速旋转，达到高速扫描。
这种系统的最大优点是扫描速度快，扫描效率高（帧频可达20Hz ，若用多元探测器，帧频可达50Hz ）；缺点是像差设计困难。
由于它的高帧频特点，使之能与普通电视兼容，因此成为高速热像仪采用的扫描方案。例如，现在非常具有代表性的高速热像仪AGA 系列(瑞典）。
图13 AGA680型热像仪原理图【8】
Fig. 13 The thermal imager AGA680 schematics
6）两个摆动平面镜组合
用两个摆轴互相垂直的平面镜可构成二维扫描机构，其中一个完成行扫描，另一个完成帧扫描。图 所示的单元探测器光机扫描热像仪即为一例。由于摆动平面镜可安置在平行光路或会聚光路中，给系统方案留有较多的选择余地。但由于摆镜稳定性差，不适合做高速扫描。
实际应用的扫描机构还有旋转V 形镜、旋转多面体内镜鼓、旋转物镜序列、摆动探测器列阵等等【9】。
4 红外热成像技术特点及红外热像仪
红外热成像技术在海湾战争中出尽风头，此后该技术受到广泛关注和重视。许多国家为加强自身防御能力和提高夜战水准，不仅把红外热成像技术作为现代先进武器装备的重要技术纳入国防发展战略和计划，而且加大了红外热成像技术研制经费的投入。红外热成像技术发展迅速。
4.1红外热成像技术特点
与其他成像方法相比，红外热成像技术具有十分鲜明的特点：
1）测量范围宽。玻璃温度计的测温范围为- 200～600 ℃, 热电偶的测温范围为-
273～2750 ℃, 而辐射测温的理论下限是绝对零度(即- 273. 16 ℃) 以上, 没有理论上限。目前实际的辐射测温上限可达5000～6000 ℃【10】。
2）非接触测量。由于测取的是物体表面的红外辐射能, 不用接触被测物体, 也不会干扰被测的温度场, 故红外热像技术非常适合于测量运动的物体、危险的物体。 3 ) 响应速度快。传统的测温技术(如热电偶) 的响应时间一般为秒级, 而热像仪测温的响应时间多为毫秒甚至微秒级, 因此热像仪可以测取快速变化的温度。
4） 测量结果直观形象。红外热像仪以彩色或黑白图像的方式输出被测目标表面的温度场, 不仅比单点测温提供更为完整、丰富的信息, 且非常直观形象。因此, 它不仅在军事领域得到了充分的重视, 成为现代军事对抗的制胜关键技术之一, 而且在民用领域, 也获得了越来越广泛的关注, 已在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获得了应用, 并显示出越来越强大的生命力。
4.2 红外热像仪
红外热像仪是红外热成像技术的核心仪器。在自然界中一切温度高于绝对零度的物体都会不断地辐射着红外线，这种现象称为热辐射。红外线是一种人眼看不见的光波，人类有必要借助于相关的仪器设备来感测物体的红外辐射。红外热像仪就是接受物体发出的红外线，通过有颜色的图片来显示物体表面的温度分布。
红外热像仪利用红外探测器、光学成像物镜接受被测目标的红外辐射信号，经过红外光学系统、红外探测器光敏源，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、转换成标准视频信号，将标准视频信号通过视频或检测显示器显示成红外热图像【11】。
红外探测器是热成像技术的核心。红外成像仪有光子探测和热探测两种不同的原理。光子探测主要利用光子在半导体材料上产生的电效应进行成像，灵敏度高，但探测器本身的温度会对其产生一定影响。热探测是将光线引发的热量转化为电信号，灵敏度不如前者但无需制冷。探测器的技术水平决定了热成像的技术水平。红外探测器通常使用的有铟锑(InSb)和碲镉汞(CMT)器件，目前发展的是
高性能多元CMT 探测器。器件元数已高达60元、J20元和180元。多元CMT 器件不但提高了探测度，而且可以增大视场，提高分辨率和信噪比，并可在3～5微米和8～1微米两个大气窗口波段下下作【12】。
Sprite 探测器（或称扫积型探测器) ，它是由n 条纵横比大于10：1的窄条光导CMT 元件所组成，在高偏压下工作。Sprite 探测器除了具有探测功能外，叉能在元件内部实现信号的时间延迟和积分，从而取消了普通线列器件所需的后接信号处理电路，减少了元件引线, 使得热质量更轻、可靠性更好、能耗更少、自动化程度更高，扩展了应用范围。
面阵探测器即红外焦平面探测器列阵【13】，它是位于光学系统焦平面、具有n ×m 元且具有信号处理功能。它是借助集成电路的方法将探测器装在同一块芯片上，并利用极少量引线把每个芯片上成千上万个探测器信号传输到信号处理器中。这种焦平面列阵既能在焦平面上封装高密度探测器，又能在焦平面上进行信号处理。红外焦平面列阵是探测器制造技术和大规模集成电路结合的产物。有两种工作方式：一种是扫描式，其列阵规模多在50x4～1000×32元之间，前一数字表示分辨通道的数目，后一数字决定时间延迟和积分的次数；另一种是凝视式，其列阵规模在32×32～512×512元之间。列阵中元数越多。能获得视场景物的分辨率就越高。目前红外焦平面凝视式列阵(称为第二三代红外热成像器件) 日趋成熟。
目前非制冷红外热成像仪发展迅速。虽然光子探测器如碲镉汞探测器(工作在8～14um 波段) 和锑化铟探测器(工作在3～5um 波段) 的灵敏度、响应速度、探测距离等性能都比较高，但必须用低温致冷器进行制冷，限制了应用。所以非致冷焦平面及其成像系统成为一种必然的发展趋势。非致冷热成像技术采用热电探测器探测景物的热辐射，利用热电探测器对红外辐射引起的温度变化敏感，而温度变化速度和探测器某些电参量成正比，通过光电和电光转换成像【14】。
4.3 红外热像仪成像的显著优点
红外热像仪在完全无光、距离较远时都可对物体成像，它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。被观察物体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。在夜间以及恶劣气候条件，采用红外热成像监控设备可以对各种目标，如人员、车辆等进行监控。夜晚可见光器材已经不能正常工作，观测距离大幅缩短，如果采用人工照明的手段，则容易暴露目标。若采用微光夜视设备，它同样也工作在可见光波段，依然需要外界光照明，在城市中工作尚可，但在野外工作时，则观测距离大幅缩短。而红外热像仪是被动接受目标自身的红外热辐射，与气候条件无关，无论白天黑夜均可以正常工作，同时可以避免暴露自身。
5 红外热成像技术的应用
红外热成像技术和其他很多技术一样，其主要应用是从军事方面开始的。半个世纪以来，红外成像技术在侦察、监视、瞄准、射击指挥和制导等方面的应用越来越普遍，为增强国家自身防御能力和提高夜战水准做出了巨大贡献。此外，红外热成像技术在国民经济各部门也日益发挥着重要作用，应用领域不断扩大：工业上的温度测量、生产过程监控、烘烤、设备状态监测与故障诊断、无损检测；农业上的国土调查、作物长势与产量预估、灌溉管理、病虫害预报、农产品脱水干燥；农医上的病理诊断、疗效检测以及许多基础科学研究等领域。 具体说来，红外热成像技术的应用可以体现在以下几个方面【15】。
5.1 热成像技术在工业上的应用
热成像技术实际上是作为一种高级测温技术应用于工业中的，这种设备我们成为热像仪。热像仪在工业上的应用主要是检测工业设备、监查运行故障及控制产品质量。在工业生产中，许多设备常用于高温、高压和高速运转状态，应用红外热成像仪对这些设备进行检测和监控，既能保证设备的安全运转，又能发现异常情况以便及时排除隐患；同时，利用热像仪还可以进行工业产品质量控制和管理。
（1）钢铁工业中的应用
热像仪可用于从冶炼到轧钢的各个环节。具体应用列举如下：大型高炉料面的测定【16】； 热风炉的破损诊断和检修；高炉残铁口位置的确定；钢锭温度的测定；连铸板坯温度的测定；钢铁模温度的测量；出炉板坯温度的测定与控制； 热轧辊表面温度的测定。
（2）在电力工业中的应用
在电力系统中，电气事故大都不是一下子发生的，其间有一个变化过程。由于电气元部件逐渐出现松动、破裂、锈蚀等造成接触电阻增加，致使电气元部件温度升高，出现热异常现象。采用热像仪直接观察和测量就可发现这些异常现象，掌握潜存故障的位置和严重程度，根据需要，安排维修，消除隐患，所以热像仪是发电厂、输变电网以及用电工厂的一种有效检测仪器。热像仪在电力系统中的主要检测目标是发电机组装置、输电线路接头、绝缘部件、变电所设备、变压器绕组及油冷系统、高压线路的保险丝电路、闸刀开关、断路开关、转换开关和终端装置、电路分配调度中心、控制台及照明配电盘等。特别是，定期用机载或车载热像仪检测输变电网，能早期发现隐患或迅速诊断出事地点，可大大减少经济损失【17】。
（3）在石化工业中的应用
石油化工生产中的许多重要设备是在高温高压状况下工作的，潜伏着许多安全隐患，要求对生产过程进行严格的在线监测，及时消除隐患。使用热像仪能检测产品的传送，各种反应炉的腐蚀、破裂、减薄、堵塞以及泄漏等有关信息，可快速而准确地得到设备和材料表面二维温度分布。炼油厂用热像仪检测催化裂化装置、反应堆尾气设备和熔炉、安全阀与凝气阀的泄漏、地下管道的漏失等，能早期迅速准确地找出热漏点【18】。监视液化气体泄漏时，随着液化天然气的大量应用和贮藏基地的建设，需要建立在早期发现和处理由于液化气（液化天然气、液化石油气、液化乙烯）泄漏而发生火灾、爆炸等灾害的监视装置【19】。
5.2 热成像技术在医学上的应用
人体是一个天然红外辐射源。当人体患病时，人体的热平衡受到破坏，因此测定人体温度的变化是临床医学诊断疾病的一项重要指标。热像仪可以显示和记录人体的温度分布。将病变时的人体热像和正常生理状态下的人体热像进行比较，便可从热像状态来判断病理状态。医用热像仪已成为诊断浅表肿瘤、血管疾病和皮肤病症等的有效工具。在医疗学科研究中，热像仪在医学中的应用已成为一个专门的研究课题。热像仪在医学上的应用实例如下：乳腺瘤的早期诊断；血管疾病的诊断；皮肤损伤病症的诊断；各种炎症的诊断；针灸原理和经络现象的研究。
5.3 红外热成像技术在公安、监控、消防中的应用
红外热成像技术以其特有的优点，在公安、监控、消防中应用广泛。
1）夜间以及恶劣气候条件下目标的监控。
红外热像仪能真正做到24h 及恶劣气候条件下的全天候的智能视频监控。在夜晚，可见光器材已经不能正常工作，观测距离大幅缩短。而红外热像仪是被动接受目标自身的红外热辐射，与气候条件无关，因此无论白天黑夜均可以正常工作，同时可以避免暴露自身。同时在雨、雪、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，因而观测效果较差，甚至不能工作，但红外线的波长较长，特别是工作在8～14um 的热像仪，克服雨、雪、雾的能力较高，因此仍可以在较远的距离上正常观测目标。所以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进行有效监控。
2）对伪装及隐蔽的目标进行智能视频监控与识别
普通的伪装仍然是以防可见光观测为主。红外热成像装置是被动接受目标自身的热辐射，人体和车辆的温度及红外辐射一般都远大于草木的温度及红外辐射，因此不易伪装，也不容易产生错误判断。另外，一般人员也不了解避开红外监视的方法。因此红外热成像装置在识别伪装及隐蔽目标这方面的效果明显。
3）夜间以及恶劣气候条件下的治安巡逻
在高速公路、铁路夜间安全保卫巡逻、夜晚城市交通管制等领域中，红外热成像
装置发挥着重要作用。由于热成像系统在观察、识别目标方面有着众多的优点，因此车载或直升飞机机载监控系统已经在许多发达国家得到了广泛的应用。
4）重点部门、建筑、仓库的保安、防火监控
由于红外热成像设备是反映物体温度而成像的设备，因此除了夜间可以作为现场监控使用外，还可以作为有效防火报警设备，并且由于该种设备是一种成像设备，因此可以大幅减少虚警率。
5）消防灭火现场指挥与人员拯救
在火灾现场、在浓烟密布的建筑物内， 仅通过肉眼，已经不能清晰地观察情况，不能准确迅速地发现遇险人员。若应用红外热成像装置则可以透过浓烟，清晰地看清火场的各种情况。另外，消防队员还可以应用这种设备，观察到室内屋顶气流的流动速度，避免自身伤亡。
6 红外热成像技术的发展前景与展望
6.1 红外热成像技术的发展趋势
红外热成像技术的发展标志即红外热成像探测器，故可从红外热成像探测器的发展来展望红外热成像技术的前景。
1）红外焦平面器件向高密度、快响应、像元素达到106~1010元的大规模集成器件发展，由二维向三维多层次结构发展，即可实现机具应用价值的高清晰度热像仪，大幅度缩小整机体积，功能也大大加强。
2）双色、多色红外器件的发展使整机可同时实现不同波长的多光谱成像探测，这样就可以让系统信息量成倍地扩大，这也是目标识别和光电对抗的有效手段。
3）探测器在焦平面上实现神经网络功能，按程序进行逻辑处理，使红外整机实现智能化。
4）尽可能提高探测器工作温度。高性能室温红外探测器和焦平面器件是此技术的重点发展方向之一，拜托制冷器的束缚，将令整机更可靠精巧，从而实现全固体化。
6.2 新型红外热成像技术展望
目前的红外热成像技术，红外辐射的各种特性尚未被充分挖掘。随着探测技术和传感器技术的发展，红外探测的精度和灵敏度必然会越来越高，人们对于记录和再现现实环境的要求也越来越高，探测技术就必须达到对环境的全面监测。世界各国装备的各种红外侦察装备多数能通过探测目标的红外辐射，提供目标的二维空间信息，可是，这些设备都无法确定目标的距离信息，这是需要科技的发展来克服的技术瓶颈。因此，能够准确获取环境空间参数，拓展空间距离信息，寻找适当的实时准确的三维空间信息的获取手段变得越来越重要。科学家们从外红热信号的不同频段、幅度、偏振和相位等特性探索新的成像方法，随之衍生出一些新型红外成像技术。例如：
6.2.1 红外偏振成像
红外偏振成像探测是一种将偏振测量与红外图像处理相结合的新探测技术, 通过测量目标辐射和反射的偏振度和偏振角信息, 可以有效解决传统光度学无法解决的问题, 弥补热成像红外辐射需准确校准的不足并取得高对比度的探测图像, 在民用和军工领域均有相关应用, 尤其在军工领域应用广泛。运用严格耦合波矢量衍射理论进行了8-14um 远红外工作波段的光栅设计, 验证了光栅特征尺寸为亚波长时具有显著的偏振特性；结合偏振的斯托克斯表示方法, 构建了单通道的实时红外偏振系统, 系统由步进电机准确控制偏振光栅旋转角度, 视频采集卡采集偏振参量图像, 经计算处理后的偏振度图像具有显化物体边缘轮廓, 区分粗糙度和材质特性；将红外图像与偏振度图像相融合, 不仅显著提高图像对比度, 增强图像的高频细节纹理, 探测隐藏目标, 而且提高了图像的熵值利于人眼的观察, 采用双树复小波的图像多分辨率变化方法, 克服了单光路偏振系统间隔采集的0°,60°,120°线偏振分量图像微小不配准缺陷, 模拟退火或遗传算法的运用可以自适应地依据图像性能指标修正融合过程中重要权值, 达到最佳融合效果。
红外偏振成像技术是红外热成像技术的衍生，红外偏振成像具备几个优势：无需准确的辐射量校准就可达到相当高的精度、可以克服大多数红外防护对侦查工作的干扰、可以识别一些红外热成像无法识别的高辐射强度背景。
图14 红外偏振系统成像示意图【20】
Fig. 14 schematic diagram of infrared polarization imaging system
6.2.2 太赫兹成像
太赫兹辐射是频率在0.1~10THz范围内的远红外电磁辐射。太赫兹成像直到1995年才被提出，眼下一直处于研究阶段【21】。其原理是利用已知波形的太赫兹波作为成像射线，透过成像样品的太赫兹波的强度和相位包含了样品复介电常数的空间分布；将投射的太赫兹波的强度和相位的二维信息记录下来，并经过适当的数字处理和频谱分析，就能得到样品的太赫兹波的三维图像
。
图15 太赫兹成像系统示意图【22】
Fig. 15 schematic diagram of THz imaging system
由于传统的光学参数提取方法需要分别测样品信号和参考信号，而且对波前的质量要求比较高，不太适用于远距离传输和大尺寸焦平面系统。另外，为了避免传统反射式测量系统测量参考信号和样品信号时反射面不能完全重合所造成的相位误差，所以又发展出了不依赖参考光的太赫兹透射谱和反射谱的提取材料吸收特征的方法。该方法不用太赫兹信号的振幅谱，仅是利用样品吸收特性的位相信息即可获得所需的参数。对于透射式太赫兹时域光谱系统，由于弱极化的有机化合物对太赫兹波的吸收弱于对其散射，在适当的近似条件下，可利用折射率n(ω) 对频率的一阶导数−dn(ω) / dω 来标定样品的共振频率
（6）
由式可知，频率分之相位对频率的一阶导数同样包含有材料的共振吸收频率特征。同样，对于反射式太赫兹时域系统，在忽略大气吸收的前提下，根据太赫兹反射脉冲相位s φ (ω) 对频率ω 的二阶导数与消光系数对频率ω 的二阶导数成线性关系得
（7）
对于弱极性分子，d2κ / dω2与κ 具有相同的曲线形状(只是正负相反) 。因
此利用样品信号相位的二阶导数
的吸收特性。
太赫兹辐射介于微波和红外之间，与微波、X 射线、核磁共振NMR(nuclear magnetic resonance)成像相比, 太赫兹成像不仅能给出物体的密度信息, 而且能给出频率域的信息, 以及在光频、微波和X 射线范围内所不能给出的材料的转动、振动信息. 太赫兹射线与其他频段的电磁波相比, 它能量低, 不会造成对生物样品的电离损伤, 而且太赫兹射线很容易穿过介电材料, 因而可以用于产品的安全监测、纳米材料的无损探伤。因此太赫兹成像技术在生物学、工业安全监测等方面
可完全表征化合物分子共振频率
有可能带来新的关键性的突破【23】。
7 结论
我们应认识到，与西方发达国家相比，我国在红外热成像技术设备的研制和生产等方面仍存在着较大的差距，新一代红外热成像技术还只是停留在研究状态，远远难以满足我国军用或工农业的需要。在世界经济全球化的今天，虽说绝大多数高端热成像设备与成套装备都可以购买到，但对我国这样的发展中大国来说，必须掌握关键的红外热成像的核心技术，大力提高红外热成像设备的生产研发能力， 才能牢固占有国内市场，并不断开拓国际市场，在竞争中立于不败之地。所以相关领域研发人员应充分将人、组织、技术有机结合起来，把产品的发展方向、市场或用户对产品技术、性能等特殊需求作为产学研的基础课题, 加快自主创新的进程。同时也应建立高校、研究所和企业间产学研相互促进的平台。大力实施“科技兴国，人才强国”战略，提高我国整体工业水平，为国防与尖端技术的发展打下坚实的基础，共同推动中华民族复兴大业！
参考文献
1 Analyses of infrared thermal imaging technology[J]. Golden Card
Project,2002,(8):70-73.
浅析红外热成像技术[J].金卡工程,2002,(8):70-73.
2 Zongqiao Jiang. Infrared thermal imaging technology in retrospect and prospect of application in medicine[C].// The 16th 13 provinces (municipalities) optical academic conference proceedings.2007:110-115.
姜宗桥. 红外热成像技术在医学中应用的回顾与展望[C].//全国第十六届十三省(市) 光学学术会议论文集.2007:110-115.
3 Xiaosong Wu. Development of infrared thermal imaging technology[C].// Electric power sustainable development and informationization.2005:138-142.
吴晓松. 红外热成像技术的发展概况[C].//电力可持续发展与信息化建设论文集.2005:138-142.
4 Xing Suxia, Zhang Junju, Tomoto Yasu, Qian the uncooled infrared thermal imaging technology. The development and present situation of [J]. infrared and laser engineering, 2004, (05): 441-444.
邢素霞, 张俊举, 常本康, 钱芸生. 非制冷红外热成像技术的发展与现状[J]. 红外与激光工程,2004,(05):441-444.
5 infrared thermal imaging technology and its application in popular science column
[N]. China Enterprise News, 2001-03-02 (002).
红外热成像技术及其应用的科普专栏[N]. 中国企业报,2001-03-02(002).
6 Liu Chunling [J]. the application of infrared thermal imaging technology in the Chinese security cameras, 2009, (03): 55-57.
刘春玲. 红外热成像技术在摄像机中的应用[J]. 中国安防,2009,(03):55-57.
7 Yuan Jijun. The development of [J]. laser and infrared, infrared imaging device 1993, (03): 12-14.
袁继俊. 红外成像器件的发展[J]. 激光与红外,1993,(03):12-14.
8 Wu Zongfan. Principle and technology development [J]. modern scientific instruments, thermal infrared imager, 1997, (02): 28-30+40.
吴宗凡. 红外热像仪的原理和技术发展[J]. 现代科学仪器,1997,(02):28-30+40.
9 Xu Di,Jinhua Yang. Low-light-level and infrared imaging technology[M].Beijing: Machinery Industry Press,2012
邸旭，杨进华. 微光与红外成像技术[M].北京：机械工业出版社，2012
10 Huanliang Peng. Thermal imaging technology development were reviewed. Laser & Infrared ，1997，6：131～136
彭焕良．热成像技术发展综述．激光与红外，1997，6：131～136
11 Herbert Kaplan. Practical applications of infrared thermal sensing and imaging equipment [M] US:SPIE ,1993.
12 Mottin E, Astrid Bain, Jean-Luc Martin, et al. Uncooled amorphous
silicon technology enhancement for 25μm pixel pitch achievement[A].
SPIE[C].2002,4820.200-207.
13 Guohua Li, Lixin Wu. The research progress of technology and application of infrared thermal image, 2004.6:88～92
李国华，吴立新 红外热像技术及其应用的研究进展 2004.6
14 Guru Su, Jianhua Wei, Jisheng Zhuang, Uncooled thermal imaging technology in the 21st century, Infrared and Laser Engineering．1999，6：4l~45
苏古儒、魏建华、庄继胜，赴向2l 世纪的非制冷热成像技术，红外与激光工程．1999，6：4l~45
15 Li He. Infrared thermal imaging technology in the new century, 2002.12:39 何丽 走向新世纪的红外热成像技术 2002.12 39（12）
16 ELMAHDY A H. DEVINE F. Laboratory infrared thermography technique for surface temperature measurement[J]. ASHRAE Transactions,2005,111(1):550-568
17 Hongyong Yuan, Jianhua Zhao, Weicheng Fan. Based on the technology of thermal cable fire hidden trouble diagnosis research. China university of science and technology news, 2002 ,31(3) :220-224.
袁宏永, 赵建华, 范维澄. 基于热像技术的电缆火险隐患诊断研究 中国科学技术大学学报, ,2002 ,31(3) :220-224.
18 Chuncheng Li, Xun Ren. Infrared thermal image technique is applied to inspection of petrochemical equipment diagnosis[J]. Laser & Infrared,1999 ,29(5):3102314. 李春诚, 任迅. 红外热像技术应用于石化设备的检测诊断[J] . 激光与红
外,1999 ,29(5) :3102314.
19 PhongMLuong. Nondestructive damage evaluation of reinforced concrete structure using infrared thermography [A] . SPIE[C] . 2000 ,399：98-107.
20 Xu joined the army, Zhao Jinsong, Cai Yi, Pan Shunchen. Several schemes of [J]. infrared technology, infrared polarization imaging, 2009, (05): 262-266. 徐参军, 赵劲松, 蔡毅, 潘顺臣. 红外偏振成像的几种技术方案[J]. 红外技
术,2009,(05):262-266.
21 Hu B B,Nuss M C.Imaging with terahertz waves.Optics Letters 1995,20,1716） 22 Meng Lingkun, Yuan Jie. Analysis and control of [J]. modern electronics
technique, terahertz imaging system 2011, (12): 131-134.
孟令坤, 袁杰. 太赫兹成像系统的分析与控制[J]. 现代电子技术,2011,(12):131-134.
23 Lei Zhang, Xinlong Xu, Li Wang, Fuli Li. Progress of terahertz radiation imaging profiles[J]. Journal of capital normal university (natural science edition) ,2005,(01):38-42.
张蕾, 徐新龙, 汪力, 李福利. 太赫兹射线成像的进展概况[J]. 首都师范大学学报(自然科学版),2005,(01):38-42.
红外热成像技术的应用与展望
摘要 源于军事应用的红外热成像技术近年来在器件和系统研制、应用方面急剧发展，受到国内外的普遍
重视，已经发展成为现代高技术。本文着重分析了红外热成像技术的技术原理以及主要组成部件。并在此
基础上，归纳了其主要的发展阶段，指出了每个阶段的技术创新之处。此外，较为全面地介绍了红外热像
仪的广泛应用。技术的发展是无止境的，本文在分析红外热成像技术发展历史的基础上，对未来的技术发
展方向进行了展望。
关键词 红外热成像；技术原理；应用领域；发展前景
中图分类号 TN21 文献标识码 A
Applications and Development of Infrared Thermography
Abstract Infrared thermal imaging technique used primarily for military purpose is rapidly advanced recently in
the development and applications of devices and systems. It is getting more and more attention and has developed
into modern high technology. The technical principle of infrared thermal imaging technology and the main
components are discussed. Based on the analysis about the principle of infrared thermal imaging, we summarize the
main development stages, pointing out technological innovation of every development stage. Infrared imaging
technology is applied widely; this paper summarizes the important applications in many fields and discusses the
wide application of the infrared thermal imager. The development of technology is endless; based on the
development history of infrared thermal imaging technology , this paper forecast the future developing direction of
the technology.
Keywords infrared thermography；technical principles；applications ；development prospects
OCIS Codes (暂无)
1 引言
在海湾战争中，高科技武器展示了先进技术的广阔平台，成为世界科技发展
的风向计，其中出现的红外热成像技术也迅速成为世界各国竞相研究和开发的方
向和重点。红外热成像技术是以接收景物自身各部分辐射的红外线来进行探测，
利用景物自身各部分辐射的差异获得图像的细节，其实质是一种波长转换技术，
即把红外辐射图像转换为可视图像的技术，同时，由大气透红外性质和目标自身
辐射所决定，红外热成像技术通常采用 3～5 µm和 8～14 µm两个波段内工作。
红外热成像技术历经多年的发展，已从当初的机械扫描机构发展到了今天的全固
体、小型化、全电子、自扫描凝视摄像，特别是非制冷技术使红外热成像技术从
长期的主要军事目的扩展到诸如工业监控测温、执法缉毒、安全防犯、医疗卫生、
遥感、设备先期性故障诊断与维护、海上救援、天文探测、车辆、飞行器和舰船
驾驶员用夜视增强观察仪等广阔的民用领域，红外热成像技术正走向辉煌。此外，
红外热成像技术也是一个有非常广阔前途的高科技技术，其大量的应用已经引起
许多行业变革性的改变，创造了亿万的财富和无法预计的社会效益。
2 红外热成像技术的发展历史与国内外研究现状 回顾红外热成像技术的发展历程，不难发现的是，从第一代热红外成像装
置研制成功，至今虽然只有短短50年左右的时间，但其始终保持着迅猛的发展
态势。
2.1 红外热成像技术的起步与发展 红外热成像技术和其他很多技术一样，其主要应用是从军事方面开始的。
该技术出现于本世纪二十年代末，其开拓性的工作是M. Czerny 等人在1929年
的研究成果——蒸发式热像仪。这种热像仪由于对比度、灵敏度及响应速度都很
低，没有多大实用价值。30年代初，出现了采用银-氧-铯光发射表面的红外变
相管。随后十年间，经改进的这种成像仪用作夜视镜及夜间瞄准具在美国普遍装
备了部队。
除了军事作为红外热成像发展的第一推动力外，医学上的需求则是其第二
大发展动力。红外热成像技术用于医学方面的诊断和研究已经快50年了。1956
年，英国医生Lawson 用非接触式的测温装置证实了乳腺癌病灶部位的皮肤温度是
增高的。1957年他用美国巴恩（Barnes ）公司的红外扫描仪拍摄了乳腺癌患者的
热图，使得乳腺癌在皮肤上形成的热区成为视觉可见的图像。 1963年红外热像
仪正式应用于临床诊断。此后，欧美许多国家和日本相继研制了多种热像仪。六
十年代末期统计数据表明全世界大约有75个医疗机构应用红外热像仪。1974年统
计数字表明，美国医用热像仪有300台，西欧也有300台，日本有100台。前苏联
和东欧国家也有医用红外热像方面的文章发表。
2.2 红外热成像系统的产生与发展
1964年，随着美国德克萨斯仪器公司（TI ）首次研制成功第一代热红外成
像装置，历史拉开了红外热成像发展的序幕。TI 公司制作的这套装置，叫红外
前视系统（FLIR ），这类装置利用光学元件运动机械，对目标的热辐射进行图像
分解扫描，然后应用光电探测器进行光——电转换，最后形成视频图像信号，并
在荧屏上显示，红外前视系统至今任是军用飞机、舰船和坦克上的重要装置【1】。 六十年代中期，瑞典AGEMA 公司研制出第一套工业用的实时成像系统，该系统由
液氮制冷，110V 电源电压供电，重约35公斤。1988年推出的全功能测温热像仪，
将温度的测量，修改、分析、图像采集、存储合于一体，重量小于7公斤，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，美国一些公司首先
将非制冷焦平面技术成功应用于民用热像仪开发，研制成功新一代的红外测温热
像仪，技术性能更加先进，现场测温时只需对准目标社区图像，并将上述信息存
储到机内的PC 卡上，即完成全部操作，各种参数的设定可回到室内用软件进行
修改和分析数据，最后直接得出检测报告。
2.3 我国的红外热成像技术研究
我国于1976年在上海首先试制成功第一台医用红外热像仪，并投入临床试
用。随后几年内，北京、杭州也相继研制了医用红外热像仪。但是，热像仪的生
产规模都不大，全国只有十几个医院使用。七十年代和八十年代，医用红外热像
仪处于缓慢发展时期。九十年代开始，我国的医用红外热像技术发展步伐加快了，
武汉、重庆、郑州、深圳等地也相继研制了多种医用红外热像仪。进入21世纪
以后，电脑的迅速普及更是催化了我国医用红外热像技术的发展。其中，最典型
的应用就是2003年在我国爆发SARS 疫情时，红外热像仪成为最合适的高效仪器
【2】。
而在国内，1975年由上海引进了第一套AGEMA 公司的红外热像仪，这在当时是国内最先进的红外测温热像仪。应用后，取得了很大的经济效益，打开了AGEMA 的中国市场。八十年代初，电力系统结合500KV 平武工程在电力工业上首次引进三套瑞典AGEMA 公司生产的红外热像仪。应用后，大大提高了电力设备探测、诊断的技术水平【3】。
纵观红外热成像技术短短几十年的发展历史，不管是官方的军用还是普通老百姓的民用，都呈现出一幅蓬勃发展的迅猛态势！
3 红外成像系统的工作原理与结构
3.1 红外成像系统的工作原理
3.1.1 红外成像系统的基本工作原理概述
光学系统将景物发射的红外辐射收集起来，经过光学滤波后，将景物的辐射能量分布汇聚到位于光学系统焦平面的探测器光敏面上。光机扫描器包括两个扫描机组，一个做垂直扫描，另外一个做水平扫描。扫描器位于聚焦光学系统和探测器之间。扫描器工作时，从景物到探测器的光束随之移动，在物空间扫出像电视一样的光栅，与此同时探测器逐点接受景物的辐射并转换成对应的电信号。经过视频处理的信号，在同步扫描的显示器上显示出景物的红外图像。图1给出了光机扫描型红外成像系统的工作原理。
图1 光机扫描型红外成像系统工作原理【4】
Fig. 1 Ray machine scanning infrared imaging system working principle
3.1.2 红外成像系统的类型和组成
目前的红外成像系统可以分为以下两大类：光机扫描型和非扫描型。
图1所示即光机扫描型的，借助光机扫描器使单元检测器依次扫过景物各部分，并随之形成二维图像。尽管这种红外成像系统结构复杂，成本较高，但其发展仍然受到重视并日趋完善。
非扫描型红外成像系统利用多元探测器阵列，使探测器中每个单元与景物的一个微面元对应，可以取消光机扫描。比较典型的应用是凝视型红外成像系统。随着相关技术及材料的发展，近几年硅化物肖特基势垒焦平面阵列技术有了很大的进展，利用硅超大规模集成电路技术的工艺技术，可获得高均匀响应度、高分辨率探测器面阵，大大推动了非扫描型红外成像技术的发展和实用化。另外，热释电红外成像系统也属于非扫描型红外成像系统，采用热释电材料做靶面，制成热释电摄像管，利用电子束扫描及其相应的处理电路，完全取消了光学扫描，又不需要制冷，成本下降的同时结构还变得简单，发展前景十分广阔，但性能上不如光机扫描型红外成像系统稳定。
从图2所示的红外成像系统框图中可以看出，整个系统包括四个部分：光学
系统、红外探测器及制冷器、电子信号处理系统和显示系统。
图2 红外成像系统的工作过程【5】
Fig. 2 Infrared imaging system works
3.1.3 红外成像系统的基本参数
1） 光学系统入瞳口径D0和焦距ƒ’
热像仪光学系统的D0、ƒ’是决定其性能、体积和重量的重要因素。
2） 瞬时视场
在光轴不动的情况下，系统所能观察到的空间范围就是瞬时视场。它取决于但元探测器的尺寸及红外物镜的焦距，并决定着系统的最高空间分辨力。
例如，探测器如果为矩形，尺寸为a ⨯b , 则 α=
即为瞬时视场平面角。
3） 总视场 a b β=f ' ， f ' （1）
总视场指的是热像仪的最大观察范围。通常以水平方向和垂直方向的两个平
面角来描述。
4） 帧频周期T f 与帧频f p
T f 系统扫描完成一幅完整画面所花的时间
f p 叫做帧频周期或帧时；而一秒钟内f p =，即存在如下关系： 所构成的画面帧数叫做帧频或帧速
5） 扫描效率η 1T f （2）
热像仪对景物成像时，由于同步扫描、回扫、直流恢复等都需要时间，而在这些时间段内不产生视频信号，将其归总为空载时间T f ' 。所以，（T f T f ' -）即
η=
为有效扫描时间，将其与帧周期的比定义为扫描效率，即
6） 驻留时间 T f -T f ' T f （3）
系统光轴扫过一个探测器所经历的时间称为驻留时间，记为
热像仪的重要参数。
若帧周期为T f τd ，是光机扫描，扫描效率为η，热像仪采用单元探测器，则探测器驻留时间τd 1即为
τd 1=ηT f αβ
AB （4）
式中，A 、B 分别为水平和垂直方向的视场角；α、β为瞬时视场角。
当探测器由n 个与行扫描方向正交的单元探测器组成的线列时，驻留时间即为 τd
τd =n τd 1=n ηT f αβ
AB （5）
由上式可得，在帧周期和扫描效率相同时，如果把n 个同样的单元探测器沿着与行扫描正交的方向排成线列，则在单个探测器上的驻留时间就延长至n 倍，这有利于提高热像仪的信噪比。另外要说明的是，探测器的驻留时间应该大于其时间常数。
3.2 红外光学系统
红外光学系统主要由红外物镜系统和光机扫描系统组成。
3.2.1 红外物镜系统
1） 投射式红外光学系统
投射式红外光学系统又称折射式红外光学系统，一般由几个透镜构成，如图3所示。透射式红外光学系统的主要优点是：无挡光，加工球面透镜较容易，通过光学设计易消除各种像差。但缺点是光学系统光量损失较大，装配调整较困难。
2） 反射式红外光学系统
由于红外辐射的波长较长，能透过它的材料很少，因而大都采用反射式红外光学系统。按反射镜截面的形状不同，反射系统有球面形、抛物面形或椭球面形几种。一下介绍几种典型的反射系统。
图3 透射式光学系统【6】 【6】 图4 牛顿光学系统
Fig. 3 Transmissive optical system Fig. 4 Newton optical system
牛顿系统的主镜是抛物面，次镜是平面，如图4 所示。这种系统结构简单，易于加工，但挡光大，结构尺寸也较大。
卡塞格林系统的主镜是抛物面，次镜是双曲面，如图5 所示。这种系统较牛顿系统挡光小，结构尺寸也较小，但加工比较困难。
格里高利系统的主镜是抛物面，次镜是椭球面，如图6 所示。其加工难度介于牛顿系统与卡塞洛林系统之间。
图5 卡塞洛林光学系统 【6】 【6】 图6 格里高利光学系统 Fig.5 The jam Lorraine optical system Fig. 6 Gregory optical system 在实际工作中，应用最广的是球面镜和抛物镜。反射镜的性能很大程度上也取决于反射表面的状态以及反射层局部的破损、玷污以及潮湿情况，因此要仔细保护好反射镜表面的清洁和完整性。反射式光学系统的优点是：对材料的要求不是很高、重量轻、成本低、光量损失小、不存在色差等等。但也有明显的缺点：有中心挡光，有较大的轴外像差，难于满足大视场大孔径成像的要求。
3） 折反射组合式光学系统
由反射镜和透镜组合的折射反射式光学系统可以结合反射式和投射式系统的特点，采用球面镜取代非球面镜，同时用补偿透镜来矫正球面反射镜的像差，从而获得良好的像质。但缺点是这种系统往往体积大，加工困难，成本也比较高，典型的折反射系统举例如下：
1）施密特系统的主镜是球面反射镜，前面安装有一个校正板，如图7 所示。可以根据校正板厚度的变化来校正球面镜的像差，但这种系统的结构尺寸较大，校正板加工困难。
2）马克苏托夫系统的主镜为球面镜，采用负透镜（称为马克苏托夫校正版）校正球面镜的相差，如图8所示。如果把光阑和马克苏托夫校正板设在主镜的球心附近，则可以进一步减小物镜的轴外像差。
图7 施密特光学系统 【6】 【6】 图8 马克苏托夫光学系统
Fig. 7 Schmitt optical system Fig. 8 Maksutov optical system
3.2.2 光机扫描系统
常用的光机扫描部件有摆动平面镜、旋转反射镜鼓、旋转折射棱镜、旋转折射光楔等。它们单独或组合成为常用的几种扫描结构。
1） 旋转反射镜鼓作二维扫描
能兼作行扫、帧扫的反射镜如图9所示。它是一个多面体，其每一侧面与旋转轴构成不同的倾角θi 。例如，第1面倾角θ1=0，第2面倾角θ2=α；第3面倾角θ3=2α；第i 面倾角θi =(i -1) α; 如此等等。这样，当第一面扫完第一行转到第二面时，光轴在列的方向上也偏转了α角。若使α角正好对应于探测器面阵在列方向的张角，则这个单一的旋转反射镜鼓就可以兼有二维扫描的功能。这种方案结构紧凑，帧扫描效率很高，适用于中低档水平的热像仪和手持式热像仪。
由于反射镜的反射面系绕镜鼓的中心轴线旋转，致使反射面位置有相对于光线的位移，这种位移若出现在会聚光路中，则会产生“散焦”现象，影响像质。故反射镜鼓多用在平行光路中。
2） 平行光路中旋转反射镜鼓与摆镜组合
图10所示的机构是右旋转反射镜作行扫描、摆镜作帧扫描的实例。镜鼓、摆镜均在平行光路中，其外形尺寸必须保证有效光束宽度D 0和所要求的视场角2ω，所以会比较庞大，加之摆镜运动的周期往复以及在高速摆动情况下使视场边缘不稳定，不易高速扫描。这种二维扫描机构没有附加像差，实施容易。
图 9 产生带扫描的多面镜鼓 图10 旋转镜鼓作行扫描摆镜作帧扫描 Fig. 9 Generated with the scanning polygon mirror drum
Fig. 10 Rotating mirror drum for line scanning oscillating mirror frame scan 【7】【7】
3） 平行光路中反射镜鼓加会聚光路中摆镜
图11 所示的机构是由会聚光路中的摆镜绕平面内的轴线OO ' 摆动完成帧扫描，由准直镜组之间（平行光路）的反射镜鼓绕与图面垂直的轴线旋转完成行扫描。这种机构扫描效
图11 会聚光束摆镜扫描系统【7】
Fig. 11 Convergent beam tilt mirror scanning system
率与上述“2”相同，但由于摆镜在会聚光路中，摆动时会产生“散焦”而影响像质，所以不宜作大视场扫描用。
4）折射棱镜与反射镜鼓组合
在图12所示系统中，四方折射棱镜，在前置望远镜的会聚光路里旋转执行帧扫描，而反射镜鼓2位于物镜前的平行光路中旋转做行扫描。前者转轴与图面垂直，后者转轴在图面内。由于折射棱镜扫描效率比摆镜高，故这种组合的总扫描效率比摆镜扫描方案高。另外，反射镜鼓处在经望远镜压缩的平行光路中，故尺寸可以相对减小。但这折射棱镜在会聚光路中产生像差，且折射棱镜要旋转，系统像差设计较难。如果设计恰当，可用于大视场及多元探测器串并扫的场合。
图12 折射棱镜帧扫描【7】
Fig. 12 Refractive prism frame scan
5）会聚光路中两旋转折射棱镜组合
图13所示的结构是由会聚光路中两旋转的折射棱镜组合完成二维扫描。其中帧扫描在前，转轴与图面垂直；行扫描棱镜在后，转轴在图面内且与光轴正交。两者棱面数量相当（图中是八棱柱体）。由于行扫描棱镜入射面靠近物镜焦平面，这里光束宽度变窄，故其厚度尺寸可以小些，使之易于实现高速旋转，达到高速扫描。
这种系统的最大优点是扫描速度快，扫描效率高（帧频可达20Hz ，若用多元探测器，帧频可达50Hz ）；缺点是像差设计困难。
由于它的高帧频特点，使之能与普通电视兼容，因此成为高速热像仪采用的扫描方案。例如，现在非常具有代表性的高速热像仪AGA 系列(瑞典）。
图13 AGA680型热像仪原理图【8】
Fig. 13 The thermal imager AGA680 schematics
6）两个摆动平面镜组合
用两个摆轴互相垂直的平面镜可构成二维扫描机构，其中一个完成行扫描，另一个完成帧扫描。图 所示的单元探测器光机扫描热像仪即为一例。由于摆动平面镜可安置在平行光路或会聚光路中，给系统方案留有较多的选择余地。但由于摆镜稳定性差，不适合做高速扫描。
实际应用的扫描机构还有旋转V 形镜、旋转多面体内镜鼓、旋转物镜序列、摆动探测器列阵等等【9】。
4 红外热成像技术特点及红外热像仪
红外热成像技术在海湾战争中出尽风头，此后该技术受到广泛关注和重视。许多国家为加强自身防御能力和提高夜战水准，不仅把红外热成像技术作为现代先进武器装备的重要技术纳入国防发展战略和计划，而且加大了红外热成像技术研制经费的投入。红外热成像技术发展迅速。
4.1红外热成像技术特点
与其他成像方法相比，红外热成像技术具有十分鲜明的特点：
1）测量范围宽。玻璃温度计的测温范围为- 200～600 ℃, 热电偶的测温范围为-
273～2750 ℃, 而辐射测温的理论下限是绝对零度(即- 273. 16 ℃) 以上, 没有理论上限。目前实际的辐射测温上限可达5000～6000 ℃【10】。
2）非接触测量。由于测取的是物体表面的红外辐射能, 不用接触被测物体, 也不会干扰被测的温度场, 故红外热像技术非常适合于测量运动的物体、危险的物体。 3 ) 响应速度快。传统的测温技术(如热电偶) 的响应时间一般为秒级, 而热像仪测温的响应时间多为毫秒甚至微秒级, 因此热像仪可以测取快速变化的温度。
4） 测量结果直观形象。红外热像仪以彩色或黑白图像的方式输出被测目标表面的温度场, 不仅比单点测温提供更为完整、丰富的信息, 且非常直观形象。因此, 它不仅在军事领域得到了充分的重视, 成为现代军事对抗的制胜关键技术之一, 而且在民用领域, 也获得了越来越广泛的关注, 已在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获得了应用, 并显示出越来越强大的生命力。
4.2 红外热像仪
红外热像仪是红外热成像技术的核心仪器。在自然界中一切温度高于绝对零度的物体都会不断地辐射着红外线，这种现象称为热辐射。红外线是一种人眼看不见的光波，人类有必要借助于相关的仪器设备来感测物体的红外辐射。红外热像仪就是接受物体发出的红外线，通过有颜色的图片来显示物体表面的温度分布。
红外热像仪利用红外探测器、光学成像物镜接受被测目标的红外辐射信号，经过红外光学系统、红外探测器光敏源，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、转换成标准视频信号，将标准视频信号通过视频或检测显示器显示成红外热图像【11】。
红外探测器是热成像技术的核心。红外成像仪有光子探测和热探测两种不同的原理。光子探测主要利用光子在半导体材料上产生的电效应进行成像，灵敏度高，但探测器本身的温度会对其产生一定影响。热探测是将光线引发的热量转化为电信号，灵敏度不如前者但无需制冷。探测器的技术水平决定了热成像的技术水平。红外探测器通常使用的有铟锑(InSb)和碲镉汞(CMT)器件，目前发展的是
高性能多元CMT 探测器。器件元数已高达60元、J20元和180元。多元CMT 器件不但提高了探测度，而且可以增大视场，提高分辨率和信噪比，并可在3～5微米和8～1微米两个大气窗口波段下下作【12】。
Sprite 探测器（或称扫积型探测器) ，它是由n 条纵横比大于10：1的窄条光导CMT 元件所组成，在高偏压下工作。Sprite 探测器除了具有探测功能外，叉能在元件内部实现信号的时间延迟和积分，从而取消了普通线列器件所需的后接信号处理电路，减少了元件引线, 使得热质量更轻、可靠性更好、能耗更少、自动化程度更高，扩展了应用范围。
面阵探测器即红外焦平面探测器列阵【13】，它是位于光学系统焦平面、具有n ×m 元且具有信号处理功能。它是借助集成电路的方法将探测器装在同一块芯片上，并利用极少量引线把每个芯片上成千上万个探测器信号传输到信号处理器中。这种焦平面列阵既能在焦平面上封装高密度探测器，又能在焦平面上进行信号处理。红外焦平面列阵是探测器制造技术和大规模集成电路结合的产物。有两种工作方式：一种是扫描式，其列阵规模多在50x4～1000×32元之间，前一数字表示分辨通道的数目，后一数字决定时间延迟和积分的次数；另一种是凝视式，其列阵规模在32×32～512×512元之间。列阵中元数越多。能获得视场景物的分辨率就越高。目前红外焦平面凝视式列阵(称为第二三代红外热成像器件) 日趋成熟。
目前非制冷红外热成像仪发展迅速。虽然光子探测器如碲镉汞探测器(工作在8～14um 波段) 和锑化铟探测器(工作在3～5um 波段) 的灵敏度、响应速度、探测距离等性能都比较高，但必须用低温致冷器进行制冷，限制了应用。所以非致冷焦平面及其成像系统成为一种必然的发展趋势。非致冷热成像技术采用热电探测器探测景物的热辐射，利用热电探测器对红外辐射引起的温度变化敏感，而温度变化速度和探测器某些电参量成正比，通过光电和电光转换成像【14】。
4.3 红外热像仪成像的显著优点
红外热像仪在完全无光、距离较远时都可对物体成像，它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。被观察物体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。在夜间以及恶劣气候条件，采用红外热成像监控设备可以对各种目标，如人员、车辆等进行监控。夜晚可见光器材已经不能正常工作，观测距离大幅缩短，如果采用人工照明的手段，则容易暴露目标。若采用微光夜视设备，它同样也工作在可见光波段，依然需要外界光照明，在城市中工作尚可，但在野外工作时，则观测距离大幅缩短。而红外热像仪是被动接受目标自身的红外热辐射，与气候条件无关，无论白天黑夜均可以正常工作，同时可以避免暴露自身。
5 红外热成像技术的应用
红外热成像技术和其他很多技术一样，其主要应用是从军事方面开始的。半个世纪以来，红外成像技术在侦察、监视、瞄准、射击指挥和制导等方面的应用越来越普遍，为增强国家自身防御能力和提高夜战水准做出了巨大贡献。此外，红外热成像技术在国民经济各部门也日益发挥着重要作用，应用领域不断扩大：工业上的温度测量、生产过程监控、烘烤、设备状态监测与故障诊断、无损检测；农业上的国土调查、作物长势与产量预估、灌溉管理、病虫害预报、农产品脱水干燥；农医上的病理诊断、疗效检测以及许多基础科学研究等领域。 具体说来，红外热成像技术的应用可以体现在以下几个方面【15】。
5.1 热成像技术在工业上的应用
热成像技术实际上是作为一种高级测温技术应用于工业中的，这种设备我们成为热像仪。热像仪在工业上的应用主要是检测工业设备、监查运行故障及控制产品质量。在工业生产中，许多设备常用于高温、高压和高速运转状态，应用红外热成像仪对这些设备进行检测和监控，既能保证设备的安全运转，又能发现异常情况以便及时排除隐患；同时，利用热像仪还可以进行工业产品质量控制和管理。
（1）钢铁工业中的应用
热像仪可用于从冶炼到轧钢的各个环节。具体应用列举如下：大型高炉料面的测定【16】； 热风炉的破损诊断和检修；高炉残铁口位置的确定；钢锭温度的测定；连铸板坯温度的测定；钢铁模温度的测量；出炉板坯温度的测定与控制； 热轧辊表面温度的测定。
（2）在电力工业中的应用
在电力系统中，电气事故大都不是一下子发生的，其间有一个变化过程。由于电气元部件逐渐出现松动、破裂、锈蚀等造成接触电阻增加，致使电气元部件温度升高，出现热异常现象。采用热像仪直接观察和测量就可发现这些异常现象，掌握潜存故障的位置和严重程度，根据需要，安排维修，消除隐患，所以热像仪是发电厂、输变电网以及用电工厂的一种有效检测仪器。热像仪在电力系统中的主要检测目标是发电机组装置、输电线路接头、绝缘部件、变电所设备、变压器绕组及油冷系统、高压线路的保险丝电路、闸刀开关、断路开关、转换开关和终端装置、电路分配调度中心、控制台及照明配电盘等。特别是，定期用机载或车载热像仪检测输变电网，能早期发现隐患或迅速诊断出事地点，可大大减少经济损失【17】。
（3）在石化工业中的应用
石油化工生产中的许多重要设备是在高温高压状况下工作的，潜伏着许多安全隐患，要求对生产过程进行严格的在线监测，及时消除隐患。使用热像仪能检测产品的传送，各种反应炉的腐蚀、破裂、减薄、堵塞以及泄漏等有关信息，可快速而准确地得到设备和材料表面二维温度分布。炼油厂用热像仪检测催化裂化装置、反应堆尾气设备和熔炉、安全阀与凝气阀的泄漏、地下管道的漏失等，能早期迅速准确地找出热漏点【18】。监视液化气体泄漏时，随着液化天然气的大量应用和贮藏基地的建设，需要建立在早期发现和处理由于液化气（液化天然气、液化石油气、液化乙烯）泄漏而发生火灾、爆炸等灾害的监视装置【19】。
5.2 热成像技术在医学上的应用
人体是一个天然红外辐射源。当人体患病时，人体的热平衡受到破坏，因此测定人体温度的变化是临床医学诊断疾病的一项重要指标。热像仪可以显示和记录人体的温度分布。将病变时的人体热像和正常生理状态下的人体热像进行比较，便可从热像状态来判断病理状态。医用热像仪已成为诊断浅表肿瘤、血管疾病和皮肤病症等的有效工具。在医疗学科研究中，热像仪在医学中的应用已成为一个专门的研究课题。热像仪在医学上的应用实例如下：乳腺瘤的早期诊断；血管疾病的诊断；皮肤损伤病症的诊断；各种炎症的诊断；针灸原理和经络现象的研究。
5.3 红外热成像技术在公安、监控、消防中的应用
红外热成像技术以其特有的优点，在公安、监控、消防中应用广泛。
1）夜间以及恶劣气候条件下目标的监控。
红外热像仪能真正做到24h 及恶劣气候条件下的全天候的智能视频监控。在夜晚，可见光器材已经不能正常工作，观测距离大幅缩短。而红外热像仪是被动接受目标自身的红外热辐射，与气候条件无关，因此无论白天黑夜均可以正常工作，同时可以避免暴露自身。同时在雨、雪、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，因而观测效果较差，甚至不能工作，但红外线的波长较长，特别是工作在8～14um 的热像仪，克服雨、雪、雾的能力较高，因此仍可以在较远的距离上正常观测目标。所以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进行有效监控。
2）对伪装及隐蔽的目标进行智能视频监控与识别
普通的伪装仍然是以防可见光观测为主。红外热成像装置是被动接受目标自身的热辐射，人体和车辆的温度及红外辐射一般都远大于草木的温度及红外辐射，因此不易伪装，也不容易产生错误判断。另外，一般人员也不了解避开红外监视的方法。因此红外热成像装置在识别伪装及隐蔽目标这方面的效果明显。
3）夜间以及恶劣气候条件下的治安巡逻
在高速公路、铁路夜间安全保卫巡逻、夜晚城市交通管制等领域中，红外热成像
装置发挥着重要作用。由于热成像系统在观察、识别目标方面有着众多的优点，因此车载或直升飞机机载监控系统已经在许多发达国家得到了广泛的应用。
4）重点部门、建筑、仓库的保安、防火监控
由于红外热成像设备是反映物体温度而成像的设备，因此除了夜间可以作为现场监控使用外，还可以作为有效防火报警设备，并且由于该种设备是一种成像设备，因此可以大幅减少虚警率。
5）消防灭火现场指挥与人员拯救
在火灾现场、在浓烟密布的建筑物内， 仅通过肉眼，已经不能清晰地观察情况，不能准确迅速地发现遇险人员。若应用红外热成像装置则可以透过浓烟，清晰地看清火场的各种情况。另外，消防队员还可以应用这种设备，观察到室内屋顶气流的流动速度，避免自身伤亡。
6 红外热成像技术的发展前景与展望
6.1 红外热成像技术的发展趋势
红外热成像技术的发展标志即红外热成像探测器，故可从红外热成像探测器的发展来展望红外热成像技术的前景。
1）红外焦平面器件向高密度、快响应、像元素达到106~1010元的大规模集成器件发展，由二维向三维多层次结构发展，即可实现机具应用价值的高清晰度热像仪，大幅度缩小整机体积，功能也大大加强。
2）双色、多色红外器件的发展使整机可同时实现不同波长的多光谱成像探测，这样就可以让系统信息量成倍地扩大，这也是目标识别和光电对抗的有效手段。
3）探测器在焦平面上实现神经网络功能，按程序进行逻辑处理，使红外整机实现智能化。
4）尽可能提高探测器工作温度。高性能室温红外探测器和焦平面器件是此技术的重点发展方向之一，拜托制冷器的束缚，将令整机更可靠精巧，从而实现全固体化。
6.2 新型红外热成像技术展望
目前的红外热成像技术，红外辐射的各种特性尚未被充分挖掘。随着探测技术和传感器技术的发展，红外探测的精度和灵敏度必然会越来越高，人们对于记录和再现现实环境的要求也越来越高，探测技术就必须达到对环境的全面监测。世界各国装备的各种红外侦察装备多数能通过探测目标的红外辐射，提供目标的二维空间信息，可是，这些设备都无法确定目标的距离信息，这是需要科技的发展来克服的技术瓶颈。因此，能够准确获取环境空间参数，拓展空间距离信息，寻找适当的实时准确的三维空间信息的获取手段变得越来越重要。科学家们从外红热信号的不同频段、幅度、偏振和相位等特性探索新的成像方法，随之衍生出一些新型红外成像技术。例如：
6.2.1 红外偏振成像
红外偏振成像探测是一种将偏振测量与红外图像处理相结合的新探测技术, 通过测量目标辐射和反射的偏振度和偏振角信息, 可以有效解决传统光度学无法解决的问题, 弥补热成像红外辐射需准确校准的不足并取得高对比度的探测图像, 在民用和军工领域均有相关应用, 尤其在军工领域应用广泛。运用严格耦合波矢量衍射理论进行了8-14um 远红外工作波段的光栅设计, 验证了光栅特征尺寸为亚波长时具有显著的偏振特性；结合偏振的斯托克斯表示方法, 构建了单通道的实时红外偏振系统, 系统由步进电机准确控制偏振光栅旋转角度, 视频采集卡采集偏振参量图像, 经计算处理后的偏振度图像具有显化物体边缘轮廓, 区分粗糙度和材质特性；将红外图像与偏振度图像相融合, 不仅显著提高图像对比度, 增强图像的高频细节纹理, 探测隐藏目标, 而且提高了图像的熵值利于人眼的观察, 采用双树复小波的图像多分辨率变化方法, 克服了单光路偏振系统间隔采集的0°,60°,120°线偏振分量图像微小不配准缺陷, 模拟退火或遗传算法的运用可以自适应地依据图像性能指标修正融合过程中重要权值, 达到最佳融合效果。
红外偏振成像技术是红外热成像技术的衍生，红外偏振成像具备几个优势：无需准确的辐射量校准就可达到相当高的精度、可以克服大多数红外防护对侦查工作的干扰、可以识别一些红外热成像无法识别的高辐射强度背景。
图14 红外偏振系统成像示意图【20】
Fig. 14 schematic diagram of infrared polarization imaging system
6.2.2 太赫兹成像
太赫兹辐射是频率在0.1~10THz范围内的远红外电磁辐射。太赫兹成像直到1995年才被提出，眼下一直处于研究阶段【21】。其原理是利用已知波形的太赫兹波作为成像射线，透过成像样品的太赫兹波的强度和相位包含了样品复介电常数的空间分布；将投射的太赫兹波的强度和相位的二维信息记录下来，并经过适当的数字处理和频谱分析，就能得到样品的太赫兹波的三维图像
。
图15 太赫兹成像系统示意图【22】
Fig. 15 schematic diagram of THz imaging system
由于传统的光学参数提取方法需要分别测样品信号和参考信号，而且对波前的质量要求比较高，不太适用于远距离传输和大尺寸焦平面系统。另外，为了避免传统反射式测量系统测量参考信号和样品信号时反射面不能完全重合所造成的相位误差，所以又发展出了不依赖参考光的太赫兹透射谱和反射谱的提取材料吸收特征的方法。该方法不用太赫兹信号的振幅谱，仅是利用样品吸收特性的位相信息即可获得所需的参数。对于透射式太赫兹时域光谱系统，由于弱极化的有机化合物对太赫兹波的吸收弱于对其散射，在适当的近似条件下，可利用折射率n(ω) 对频率的一阶导数−dn(ω) / dω 来标定样品的共振频率
（6）
由式可知，频率分之相位对频率的一阶导数同样包含有材料的共振吸收频率特征。同样，对于反射式太赫兹时域系统，在忽略大气吸收的前提下，根据太赫兹反射脉冲相位s φ (ω) 对频率ω 的二阶导数与消光系数对频率ω 的二阶导数成线性关系得
（7）
对于弱极性分子，d2κ / dω2与κ 具有相同的曲线形状(只是正负相反) 。因
此利用样品信号相位的二阶导数
的吸收特性。
太赫兹辐射介于微波和红外之间，与微波、X 射线、核磁共振NMR(nuclear magnetic resonance)成像相比, 太赫兹成像不仅能给出物体的密度信息, 而且能给出频率域的信息, 以及在光频、微波和X 射线范围内所不能给出的材料的转动、振动信息. 太赫兹射线与其他频段的电磁波相比, 它能量低, 不会造成对生物样品的电离损伤, 而且太赫兹射线很容易穿过介电材料, 因而可以用于产品的安全监测、纳米材料的无损探伤。因此太赫兹成像技术在生物学、工业安全监测等方面
可完全表征化合物分子共振频率
有可能带来新的关键性的突破【23】。
7 结论
我们应认识到，与西方发达国家相比，我国在红外热成像技术设备的研制和生产等方面仍存在着较大的差距，新一代红外热成像技术还只是停留在研究状态，远远难以满足我国军用或工农业的需要。在世界经济全球化的今天，虽说绝大多数高端热成像设备与成套装备都可以购买到，但对我国这样的发展中大国来说，必须掌握关键的红外热成像的核心技术，大力提高红外热成像设备的生产研发能力， 才能牢固占有国内市场，并不断开拓国际市场，在竞争中立于不败之地。所以相关领域研发人员应充分将人、组织、技术有机结合起来，把产品的发展方向、市场或用户对产品技术、性能等特殊需求作为产学研的基础课题, 加快自主创新的进程。同时也应建立高校、研究所和企业间产学研相互促进的平台。大力实施“科技兴国，人才强国”战略，提高我国整体工业水平，为国防与尖端技术的发展打下坚实的基础，共同推动中华民族复兴大业！
参考文献
1 Analyses of infrared thermal imaging technology[J]. Golden Card
Project,2002,(8):70-73.
浅析红外热成像技术[J].金卡工程,2002,(8):70-73.
2 Zongqiao Jiang. Infrared thermal imaging technology in retrospect and prospect of application in medicine[C].// The 16th 13 provinces (municipalities) optical academic conference proceedings.2007:110-115.
姜宗桥. 红外热成像技术在医学中应用的回顾与展望[C].//全国第十六届十三省(市) 光学学术会议论文集.2007:110-115.
3 Xiaosong Wu. Development of infrared thermal imaging technology[C].// Electric power sustainable development and informationization.2005:138-142.
吴晓松. 红外热成像技术的发展概况[C].//电力可持续发展与信息化建设论文集.2005:138-142.
4 Xing Suxia, Zhang Junju, Tomoto Yasu, Qian the uncooled infrared thermal imaging technology. The development and present situation of [J]. infrared and laser engineering, 2004, (05): 441-444.
邢素霞, 张俊举, 常本康, 钱芸生. 非制冷红外热成像技术的发展与现状[J]. 红外与激光工程,2004,(05):441-444.
5 infrared thermal imaging technology and its application in popular science column
[N]. China Enterprise News, 2001-03-02 (002).
红外热成像技术及其应用的科普专栏[N]. 中国企业报,2001-03-02(002).
6 Liu Chunling [J]. the application of infrared thermal imaging technology in the Chinese security cameras, 2009, (03): 55-57.
刘春玲. 红外热成像技术在摄像机中的应用[J]. 中国安防,2009,(03):55-57.
7 Yuan Jijun. The development of [J]. laser and infrared, infrared imaging device 1993, (03): 12-14.
袁继俊. 红外成像器件的发展[J]. 激光与红外,1993,(03):12-14.
8 Wu Zongfan. Principle and technology development [J]. modern scientific instruments, thermal infrared imager, 1997, (02): 28-30+40.
吴宗凡. 红外热像仪的原理和技术发展[J]. 现代科学仪器,1997,(02):28-30+40.
9 Xu Di,Jinhua Yang. Low-light-level and infrared imaging technology[M].Beijing: Machinery Industry Press,2012
邸旭，杨进华. 微光与红外成像技术[M].北京：机械工业出版社，2012
10 Huanliang Peng. Thermal imaging technology development were reviewed. Laser & Infrared ，1997，6：131～136
彭焕良．热成像技术发展综述．激光与红外，1997，6：131～136
11 Herbert Kaplan. Practical applications of infrared thermal sensing and imaging equipment [M] US:SPIE ,1993.
12 Mottin E, Astrid Bain, Jean-Luc Martin, et al. Uncooled amorphous
silicon technology enhancement for 25μm pixel pitch achievement[A].
SPIE[C].2002,4820.200-207.
13 Guohua Li, Lixin Wu. The research progress of technology and application of infrared thermal image, 2004.6:88～92
李国华，吴立新 红外热像技术及其应用的研究进展 2004.6
14 Guru Su, Jianhua Wei, Jisheng Zhuang, Uncooled thermal imaging technology in the 21st century, Infrared and Laser Engineering．1999，6：4l~45
苏古儒、魏建华、庄继胜，赴向2l 世纪的非制冷热成像技术，红外与激光工程．1999，6：4l~45
15 Li He. Infrared thermal imaging technology in the new century, 2002.12:39 何丽 走向新世纪的红外热成像技术 2002.12 39（12）
16 ELMAHDY A H. DEVINE F. Laboratory infrared thermography technique for surface temperature measurement[J]. ASHRAE Transactions,2005,111(1):550-568
17 Hongyong Yuan, Jianhua Zhao, Weicheng Fan. Based on the technology of thermal cable fire hidden trouble diagnosis research. China university of science and technology news, 2002 ,31(3) :220-224.
袁宏永, 赵建华, 范维澄. 基于热像技术的电缆火险隐患诊断研究 中国科学技术大学学报, ,2002 ,31(3) :220-224.
18 Chuncheng Li, Xun Ren. Infrared thermal image technique is applied to inspection of petrochemical equipment diagnosis[J]. Laser & Infrared,1999 ,29(5):3102314. 李春诚, 任迅. 红外热像技术应用于石化设备的检测诊断[J] . 激光与红
外,1999 ,29(5) :3102314.
19 PhongMLuong. Nondestructive damage evaluation of reinforced concrete structure using infrared thermography [A] . SPIE[C] . 2000 ,399：98-107.
20 Xu joined the army, Zhao Jinsong, Cai Yi, Pan Shunchen. Several schemes of [J]. infrared technology, infrared polarization imaging, 2009, (05): 262-266. 徐参军, 赵劲松, 蔡毅, 潘顺臣. 红外偏振成像的几种技术方案[J]. 红外技
术,2009,(05):262-266.
21 Hu B B,Nuss M C.Imaging with terahertz waves.Optics Letters 1995,20,1716） 22 Meng Lingkun, Yuan Jie. Analysis and control of [J]. modern electronics
technique, terahertz imaging system 2011, (12): 131-134.
孟令坤, 袁杰. 太赫兹成像系统的分析与控制[J]. 现代电子技术,2011,(12):131-134.
23 Lei Zhang, Xinlong Xu, Li Wang, Fuli Li. Progress of terahertz radiation imaging profiles[J]. Journal of capital normal university (natural science edition) ,2005,(01):38-42.
张蕾, 徐新龙, 汪力, 李福利. 太赫兹射线成像的进展概况[J]. 首都师范大学学报(自然科学版),2005,(01):38-42.