我國(guó)紅外熱像檢測(cè)技術(shù)的研究及發(fā)展展望

莫朝霞，陳沅江

(中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410083)

1 引言

紅外熱像技術(shù)實(shí)質(zhì)上是一種把紅外輻射圖像轉(zhuǎn)換為可視圖的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換技術(shù)。它通過(guò)光學(xué)機(jī)械掃描系統(tǒng)，將物體發(fā)出的紅外線輻射匯聚在紅外探測(cè)器上，形成紅外熱圖像，由此來(lái)分辨被測(cè)物體的表面溫度。由于具有檢測(cè)速度快、非接觸、范圍廣、精度高、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和實(shí)時(shí)觀測(cè)等諸多優(yōu)點(diǎn)，該技術(shù)從軍事領(lǐng)域的應(yīng)用起源，到20世紀(jì)80年代初便逐漸引入民用工業(yè)領(lǐng)域。此后，隨著紅外熱像儀器性能的不斷提高和相應(yīng)圖像分析處理軟件的發(fā)展，該技術(shù)在國(guó)外已越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活等的各個(gè)領(lǐng)域。

我國(guó)從建國(guó)初期就開(kāi)始了紅外熱像技術(shù)的研究，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，取得了一定成果，如已能自行研制多種型號(hào)的制冷型紅外熱像儀。但由于國(guó)外對(duì)關(guān)鍵技術(shù)的封鎖，我國(guó)在該領(lǐng)域的研究與世界先進(jìn)水平國(guó)家的差距仍很大。本文主要就我國(guó)紅外熱像檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域的研究成果進(jìn)行分析和綜述，提出該領(lǐng)域未來(lái)可能的發(fā)展方向。

2 我國(guó)紅外熱像技術(shù)近十年的研究情況

由于紅外熱像技術(shù)在進(jìn)行與溫度變化有關(guān)的測(cè)量方面所具有的優(yōu)勢(shì)，故從其產(chǎn)生之日起，就引起了國(guó)內(nèi)外廣大研究者的密切關(guān)注，對(duì)其進(jìn)行了深入持久的研究。如圖1、2給出了近十年來(lái)與紅外熱像技術(shù)有關(guān)的研究文獻(xiàn)情況及其發(fā)展趨勢(shì)。

圖1 近十年來(lái)紅外熱像技術(shù)的論文發(fā)表情況Fig．1 the papers of infrared thermal imaging technology over the past decade

圖2 近十年來(lái)紅外熱像技術(shù)在各個(gè)學(xué)科的研究情況Fig．2 Study of infrared thermal imaging technology used in various disciplines over the past decade

由圖1、2可知，紅外熱像技術(shù)的研究呈現(xiàn)出逐年穩(wěn)步上升的趨勢(shì)，特別是近三年我國(guó)紅外熱像技術(shù)的研究達(dá)到了一個(gè)高潮。根據(jù)論文發(fā)表情況分析其原因，主要是由于很多關(guān)于高新技術(shù)會(huì)議召開(kāi)，如第九屆全國(guó)光電技術(shù)學(xué)術(shù)交流會(huì)、第二屆中國(guó)科學(xué)院博士后學(xué)術(shù)年會(huì)暨高新技術(shù)前沿與發(fā)展學(xué)術(shù)會(huì)議、2010遠(yuǎn)東無(wú)損檢測(cè)新技術(shù)論壇論文集等。同時(shí)，也有很多高校致力于這方面的研究，比較突出的有南京理工大學(xué)、西安電子科技大學(xué)、華南理工大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)等。從圖2中還可以看出，紅外熱像技術(shù)在安全科學(xué)與災(zāi)害防治學(xué)科領(lǐng)域的應(yīng)用研究雖然很早就開(kāi)始了，但是這方面的研究還很少，主要是對(duì)安全科學(xué)的重視不夠以及這方面的研究人員和機(jī)構(gòu)也比較缺乏。而該項(xiàng)研究最突出的是電力工業(yè)，電力是人類發(fā)展的生命線工程，將紅外熱像檢測(cè)技術(shù)用于電力行業(yè)安全運(yùn)行狀況的檢測(cè)十分重要，故這方面我國(guó)的研究有很大的投入。

分析圖1、2中有關(guān)文獻(xiàn)的研究情況，可從整體上對(duì)紅外熱像檢測(cè)的研究分為基礎(chǔ)研究、產(chǎn)品研發(fā)和應(yīng)用研究等三個(gè)板塊，以下對(duì)其進(jìn)行分別論述。

3 紅外熱像檢測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)研究

我國(guó)目前紅外熱像技術(shù)的基礎(chǔ)研究主要集中在紅外成像技術(shù)的開(kāi)發(fā)、紅外圖像處理以及紅外熱像檢測(cè)精度的影響因素分析等幾個(gè)方面。其中，紅外熱成像技術(shù)主要致力于各種不同波段范圍內(nèi)非制冷型焦平面陣列紅外熱像儀技術(shù)的開(kāi)發(fā)，已有了長(zhǎng)波范圍檢測(cè)的產(chǎn)品［1］。紅外圖像的處理主要致力于成像質(zhì)量，如清晰度、細(xì)致度等方面的提高［2］;紅外熱像儀在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際環(huán)境中進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，其精度的影響因素眾多，如檢測(cè)目標(biāo)的距離、物體表面發(fā)射率等，但目前這方面的研究成果較少，可進(jìn)一步進(jìn)行探索。表1、表2、表3分別列舉了我國(guó)近十年紅外熱像檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的一些代表性研究成果。

表1 我國(guó)紅外成像技術(shù)開(kāi)發(fā)一些代表性研究成果Tab．1 Some representative achievements of Infrared imaging technology development

表2 我國(guó)紅外圖像處理技術(shù)的一些代表性成果Tab．2 Some representative achievements of Infrared image processing technology

表3 我國(guó)紅外檢測(cè)影響因素的代表性研究Tab．3 Some representative researches of factors affecting the infrared detection

4 紅外熱像檢測(cè)產(chǎn)品研發(fā)

紅外熱像儀的研制與開(kāi)發(fā)涉及到光學(xué)、電子、計(jì)算機(jī)、圖像處理等各個(gè)方面，其核心與關(guān)鍵部件是紅外探測(cè)器。因此，紅外熱像儀的發(fā)展與紅外探測(cè)器的發(fā)展緊密相連［11］。紅外熱像儀的發(fā)展經(jīng)歷了一個(gè)比較漫長(zhǎng)的過(guò)程，大致可分為如下幾個(gè)階段:

我國(guó)20世紀(jì)70年代有關(guān)單位也開(kāi)始了紅外熱成像技術(shù)的研究，到80年代初，中國(guó)在長(zhǎng)波紅外元件的研制和生產(chǎn)技術(shù)上有了一定進(jìn)展。在80年代末和90年代初，中國(guó)已經(jīng)研制成功了實(shí)時(shí)紅外成像樣機(jī)，其靈敏度、溫度分辨率都達(dá)到很高的水平。進(jìn)入90年代，中國(guó)在紅外成像設(shè)備上使用低噪音寬頻帶前置放大器，微型制冷器等關(guān)鍵技術(shù)方面有了發(fā)展，并且從實(shí)驗(yàn)走向應(yīng)用，主要用于部隊(duì)。至今，中國(guó)在紅外熱成像技術(shù)方面已經(jīng)投入了大量人力物力，形成了相當(dāng)規(guī)模的研發(fā)力量，但是與世界先進(jìn)水平差距很大，目前國(guó)外已經(jīng)開(kāi)始在部隊(duì)裝備第二代紅外熱成像儀，并開(kāi)始了第三代的研發(fā)工作，但中國(guó)現(xiàn)在才推廣第一代紅外成像儀。我國(guó)首臺(tái)非制冷紅外熱像儀于2001年由華中光電研究所研制成功，并正式投入批量生產(chǎn)。該熱像儀填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，標(biāo)志著我國(guó)紅外探測(cè)技術(shù)取得了劃時(shí)代的突破，但在產(chǎn)品研發(fā)上落后世界發(fā)達(dá)國(guó)家至少20年。紅外熱像儀發(fā)展階段劃分如表4所示。

表4 紅外熱像儀發(fā)展階段劃分Tab．4 Infrared development stages

5 紅外熱像檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用研究

目前，紅外熱像檢測(cè)技術(shù)在我國(guó)各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，具體表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面。

(1)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用。紅外技術(shù)最先用于軍事領(lǐng)域，現(xiàn)在主要的研究?jī)?nèi)容有以下幾個(gè)方面:①紅外復(fù)合制導(dǎo)。吳濤、白云塔在文獻(xiàn)［13］中提出了由激光和紅外兩種尋的制導(dǎo)頭共同參與制導(dǎo)的激光/紅外復(fù)合制導(dǎo)技術(shù)，完成導(dǎo)彈對(duì)目標(biāo)的搜索、捕獲和跟蹤等任務(wù)，實(shí)現(xiàn)了兩種制導(dǎo)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。②紅外隱身，如車宏等［14］基于一種新型的中紅外光學(xué)玻璃－氟鎵酸鹽(FGa)玻璃，成功研制出一種新型的具有雷達(dá)隱身功能的中紅外光功能材料。③紅外搜索跟蹤，武俊等［15］提出采用雷達(dá)和紅外同步航跡融合的方法來(lái)進(jìn)行目標(biāo)跟蹤，并進(jìn)行了雷達(dá)和紅外傳感器航跡融合仿真，使該方法達(dá)到了較高的跟蹤精度。除此之外，還有紅外對(duì)抗、紅外偵察以及紅外夜視、紅外通信、報(bào)警、毒氣監(jiān)測(cè)、紅外遙感預(yù)警、紅外軍用機(jī)器人等。未來(lái)在紅外制導(dǎo)技術(shù)方面必須向高速、雙色制導(dǎo)方面發(fā)展;充分利用紅外遙感技術(shù);加強(qiáng)研發(fā)質(zhì)量輕、厚度薄、頻段寬、吸波性強(qiáng)、功能多、低發(fā)射率并且尋求兼容隱身的紅外隱身材料。

(2)電力生產(chǎn)領(lǐng)域。過(guò)去對(duì)電力故障實(shí)行的是定期維修制度，這種停電預(yù)防性檢測(cè)給生產(chǎn)帶來(lái)很大的損失。有了紅外熱像儀以后，由傳統(tǒng)的定期維修制度轉(zhuǎn)變?yōu)轭A(yù)知維修制度［16］。對(duì)于電力故障判斷標(biāo)準(zhǔn)，趙墨林等［17］從物理學(xué)和電氣設(shè)備紅外檢測(cè)應(yīng)用研究出發(fā)，提出了“溫差比”及“邊界溫度區(qū)域”等概念，提出了紅外檢測(cè)“溫差比診斷法”。田志海［18］通過(guò)將紅外熱像檢測(cè)和高電壓實(shí)驗(yàn)技術(shù)相結(jié)合的方法，不僅快速方便地檢測(cè)出絕緣缺陷，而且可以監(jiān)測(cè)絕緣電老化現(xiàn)象，為絕緣診斷分析和壽命預(yù)測(cè)提供了可靠的信息。未來(lái)的努力方向是指定判斷各種設(shè)備缺陷的可靠的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，具體規(guī)定設(shè)備、部件、零件等溫度升到什么范圍以內(nèi)是允許安全運(yùn)行的。

(3)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，紅外熱像儀的適用范圍非常廣泛，它可用于人體頭部、頸部、胸部、肺部、心血管、脊椎、四肢血管、乳腺、前列腺、胃腸道等各個(gè)部位的疾病診斷，具體的臨床應(yīng)用有乳腺腫瘤、骨腫瘤、周圍血管疾病、燒傷(紅外熱像儀對(duì)皮膚燒傷程度的診斷準(zhǔn)確率達(dá)98%)、斷肢再植［19］。張棟［20］系統(tǒng)分析了紅外熱像技術(shù)在針灸原理和經(jīng)絡(luò)研究中的應(yīng)用，開(kāi)拓了熱像檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用的新領(lǐng)域。2002年，我國(guó)學(xué)者劉忠齊教授研制出了世界第一臺(tái)熱斷層成像系統(tǒng)(Thermal Texture Maps System)，簡(jiǎn)稱熱斷層，又稱TTM系統(tǒng)，獲得美國(guó)發(fā)明專利。TTM系統(tǒng)開(kāi)創(chuàng)了功能醫(yī)學(xué)影像技術(shù)的新局面［21］。紅外熱像技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展方向?qū)⑹轻槍?duì)各種疾病制定統(tǒng)一的紅外熱圖的診斷標(biāo)準(zhǔn)，以及研究如何利用最新的TTM技術(shù)來(lái)開(kāi)辟一個(gè)嶄新的腫瘤診斷新領(lǐng)域，對(duì)于中醫(yī)診斷，紅外熱像技術(shù)也有很大的發(fā)展空間，有望將中醫(yī)的“望聞問(wèn)切”擴(kuò)展到熱紅外技術(shù)這一中醫(yī)診斷數(shù)據(jù)化過(guò)程以及努力研制中醫(yī)特性紅外儀器。

(4)在農(nóng)林業(yè)方面，紅外遙感技術(shù)可用于土地勘測(cè)和土壤成分分析，預(yù)報(bào)災(zāi)情識(shí)別不同農(nóng)作物及其種植面積，進(jìn)而進(jìn)行水利規(guī)劃，對(duì)農(nóng)作物的漲勢(shì)、產(chǎn)量進(jìn)行調(diào)查估計(jì)［21］等。張哲平，宋小勇等［22］用紅外熱成像技術(shù)研究了番茄、雙孢菇、青菜表面溫度的變化情況。比較了它們降溫效果的好壞。周建民，劉娟娟等［23］用紅外成像裝置對(duì)蘋(píng)果的表面缺陷進(jìn)行了檢測(cè)，得出缺陷部分低于正常組織溫度;缺陷越大，溫度升高速度越慢。

此外，紅外熱像技術(shù)也越來(lái)越多的應(yīng)用于安保消防［24］、遙感－巖石力學(xué)［25］、石化［26－27］等領(lǐng)域。

6 結(jié)論及展望

(1)近十年來(lái)我國(guó)對(duì)于紅外熱像技術(shù)的研究熱度呈現(xiàn)出整體上升的趨勢(shì)，最近幾年的研究達(dá)到了高潮。國(guó)內(nèi)越來(lái)越多的研究單位以及高級(jí)院校投入到該領(lǐng)域的研究并且取得了一定的成果。紅外熱像技術(shù)在有些領(lǐng)域如電力、軍事等的研究呈現(xiàn)出高漲的趨勢(shì)，但是在安全科學(xué)與災(zāi)害防治學(xué)科等領(lǐng)域還處于比較低迷的狀態(tài)。

(2)國(guó)內(nèi)的學(xué)者就紅外熱像技術(shù)的基礎(chǔ)研究、產(chǎn)品研發(fā)以及在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用做了大量的工作，其中，在熱敏材料的研制、長(zhǎng)波非制冷紅外焦平面的研究方面取得了一定的成果;在紅外圖像處理方面也已經(jīng)具備了一定的能力，能夠得到較清晰的符合應(yīng)用要求的紅外圖像;很多學(xué)者致力于紅外檢測(cè)精度影響因素的研究，但是在這方面的理論研究和實(shí)驗(yàn)研究都還不足，目前的研究只能提供一定的參考。

(3)在紅外產(chǎn)品研制方面，雖然21世紀(jì)我國(guó)已經(jīng)研制成功了首臺(tái)非制冷紅外熱像儀，但是我國(guó)與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家的差距仍然很大。

(4)在軍事、醫(yī)療、電力、農(nóng)林業(yè)等方面，紅外熱像技術(shù)的應(yīng)用在我國(guó)已經(jīng)取得了很多應(yīng)用型成果，隨著基礎(chǔ)研究以及產(chǎn)品研發(fā)的不斷進(jìn)步，紅外熱像技術(shù)在人類生活中將起到越來(lái)越重要的作用。

(5)對(duì)于我國(guó)紅外熱像技術(shù)未來(lái)的發(fā)展，主要是攻克技術(shù)難關(guān)，研制出具有我國(guó)特色的紅外熱像產(chǎn)品;發(fā)展研制大陣列、多波段非制冷紅外焦平面探測(cè)器;除醫(yī)用紅外熱像儀外，還需努力研制出適合于其他領(lǐng)域的專用紅外產(chǎn)品，增加紅外產(chǎn)品的實(shí)用性。

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