一、引言
　　
　　1991年的海灣戰爭成為展示高科技武器使用*技術的平臺。在這些新科技中，紅外熱成像技術就是其中zui為閃亮的高科技技術之一。紅外熱成像技術（Infraredthermalimagingtechnology）是利用各種探測器來接收物體發出的紅外輻射，再進行光電信息處理，zui后以數字、信號、圖像等方式顯示出來，并加以利用的探知、觀察和研究各種物體的一門綜合性技術。它涉及光學系統設計、器件物理、材料制備、微機械加工、信號處理與顯示、封裝與組裝等一系列專門技術。該技術除主要應用在黑夜或濃厚幕云霧中探測對方的目標，探測偽裝的目標和高速運動的目標等軍事應用外，還可廣泛應用于工業、農業、醫療、消防、考古、交通、地質、*偵察等民用領域。如果將這種技術大量地應用到民用領域中，將會引起安防領域的革命。
　　
　　智能監控是計算機視覺和模式識別技術在視頻監控領域的應用，它能對視頻圖像中的目標進行自動地監測、識別、跟蹤和分析。國外智能視頻監控技術的發展動力是來源于對特殊監控場所的監控需求，9•11事件之后，出于*、國家安全、社會安定等多方面的需要，智能視頻監控與預警技術已逐漸成為上zui為關注的前沿研究領域。尤其是在一些特殊的應用場所，如在惡劣天氣下24h全天候監控、邊防與周界入侵自動報警、火災隱患的自動識別、被遺棄的行李和包裹等物體檢測、盜竊贓物查找、被埋尸體查找等等。
　　
　　二、紅外熱成像系統的工作原理
　　
　　1672年，牛頓使用分光棱鏡把太陽光（白光）分解為紅、橙、黃、綠、青、藍、紫等各色單色光，證實了太陽光（白光）是由各種顏色的光復合而成。1800年，英國物理學家F.W.赫胥爾從熱的觀點來研究各種色光時，偶然發現放在光帶紅光外的一支溫度計，比其他色光溫度的指示數值高。經過反復試驗，這個所謂熱量zui多的高溫區，總是位于光帶zui邊緣處紅光的外面。于是他宣布：太陽發出的輻射中除可見光線外，還有一種人眼看不見的“”，這種看不見的“”位于紅色光外側，叫做紅外線。這種紅外線，又稱紅外輻射，是指波長為0.78～1000μm的電磁波。其中波長為0.78～1.5μm的部分稱為近紅外，波長為1.5～10μm的部分稱為中紅外，波長為10～1000μm的部分稱為遠紅外線。而波長為2.0～1000μm的部分，也稱為熱紅外線。
　　
　　紅外線輻射是自然界存在的一種的電磁波輻射，它在電磁波連續頻譜中的位置是處于無線電波與可見光之間的區域。這種紅外線輻射是，基于任何物體在常規環境下都會產生自身的分子和原子無規則的運動，并不停地輻射出熱紅外能量。分子和原子的運動愈劇烈，輻射的能量愈大；反之，輻射的能量愈小。
　　
　　在自然界中，一切物體都會輻射紅外線，因此利用探測器測定目標本身和背景之間的紅外線差，可以得到不同的紅外圖像，稱為熱圖像。同一目標的熱圖像和可見光圖像不同，它不是人眼所能看到的可見光圖像，而是目標表面溫度分布的圖像。或者可以說，它是人眼不能直接看到目標的表面溫度分布，而是變成人眼可以看到的代表目標表面溫度分布的熱圖像。運用這一方法，便能實現對目標進行遠距離熱狀態圖像成像和測溫，并可進行智能分析判斷。
　　
　　紅外熱成像技術是一種被動紅外夜視技術，其原理是基于自然界中一切溫度高于零度（-273℃）的物體，每時每刻都輻射出紅外線，同時這種紅外線輻射都載有物體的特征信息，這就為利用紅外技術判別各種被測目標的溫度高低和熱分布場提供了客觀的基礎。利用這一特性，通過光電紅外探測器將物體發熱部位輻射的功率信號轉換成電信號后，成像裝置就可以一一對應地模擬出物體表面溫度的空間分布，zui后經系統處理，形成熱圖像視頻信號，傳至顯示屏幕上，就得到與物體表面熱分布相對應的熱像圖，即紅外熱圖像。
　　
　　非致冷焦平面紅外熱成像系統由光學系統、光譜濾波、紅外探測器陣列、輸入電路、讀出電路、視頻圖像處理、視頻信號形成、時序脈沖同步控制電路、監視器等組成。
　　
　　系統的工作原理是，由光學系統接受被測目標的紅外輻射經光譜濾波將紅外輻射能量分布圖形反映到焦平面上的紅外探測器陣列的各光敏元上，探測器將紅外輻射能轉換成電信號，由探測器偏置與前置放大的輸入電路輸出所需的放大信號，并注入到讀出電路，以便進行多路傳輸。高密度、多功能的CMOS多路傳輸器的讀出電路能夠執行稠密的線陣和面陣紅外焦平面陣列的信號積分、傳輸、處理和掃描輸出，并進行A/D轉換，以送入微機作視頻圖像處理。由于被測目標物體各部分的紅外輻射的熱像分布信號非常弱，缺少可見光圖像那種層次和立體感，因而需進行一些圖像亮度與對比度的控制、實際校正與偽彩色描繪等處理。經過處理的信號送入到視頻信號形成部分進行D/A轉換并形成標準的視頻信號，zui后通過電視屏或監視器顯示被測目標的紅外熱像圖。
　　
　　紅外焦平面陣列的工作性能除了與探測器性能如量子效率、光譜響應、噪聲譜、均勻性等有關外，還與探測器探測信號的輸出性能有關，如輸入電路中的電荷存儲、均勻性、線性度、噪聲譜、注入效率，讀出電路中的電荷轉移效率、電荷處理能力、串擾等。
　　
　　焦平面陣列結構有四種類型：單片式、準單片式、平面混合式和Z型混合式。單片式焦平面陣列是指在同一芯片上即含有探測器又含有信號處理電路的Si器件；準單片式焦平面陣列器件是將探測器和讀出線路分別制備，然后把它們裝在同一個襯底上，通過引線焊接將兩部分連在一起；平面混合式采用銦柱將探測器陣列正面的每個探測器與多路傳輸器一對一地對準配接起來；Z型混合式則將許多集成電路芯片一個一個地層疊起來以形成一個三維的電路層疊結構。平面混合和Z型混合方法的優點是由于將多路傳輸器與探測器直接混合，因而具有很高的封裝密度，較快的工作效率，并使總的設計得以簡化。由于信號處理是在焦平面陣列中進行的，所以減少了器件的引線數目，光學孔徑和頻譜帶寬也得以減小。
　　
　　讀出電路的電荷處理能力直接控制焦平面的動態范圍，它的電荷轉移效率影響焦平面的非均勻性、數據率、串擾和噪聲，這些都綜合影響焦平面的空間、時間和輻射能量的極限分辨能力以及空間和時間頻率傳遞特性。因此，讀出電路的設計要求為：高電荷容量、高轉移效率、低噪聲和低功率耗散；其次考慮抗光暈控制和降低交叉串擾。
　　
　　據報道，砷化鎵（GaAs）可作為一種潛在的焦平面陣列讀出技術，其原因是：GaAs的熱膨脹系數與碲鎘汞探測器（HgCdTe）的匹配要比硅好得多，這樣便有可能可靠地制備大型混合焦平面陣列；GaAs技術的輻射硬度比硅好得多；n型GaAs器件的施主能級比硅更接近導帶邊緣，這就使得GaAs器件在4K時更不受凍結效應的影響。
　　
　　目前達到實用水平的焦平面陣列探測器主要有碲鎘汞、銻化銦、硅化鉑和非制冷探測器4種。陣列式凝視成像的焦平面熱像儀，屬新一代的熱成像裝置，在性能上大大優于光機掃描式熱像儀，定將逐步取代光機掃描式熱像儀。其關鍵技術是探測器由單片集成電路組成，被測目標的整個視野都聚焦在上面，并且圖像更加清晰，使用更加方便，儀器非常小巧輕便，同時具有自動調焦圖像凍結，連續放大，點溫、線溫、等溫和語音注釋圖像等功能，儀器采用PC卡，存儲容量可高達500幅圖像。
　　
　　紅外熱像儀是通過非接觸探測紅外能量（熱量），并將其轉換為電信號，進而在顯示器上生成熱圖像和溫度值，并可以對溫度值進行計算的一種檢測設備。紅外熱像儀能夠將探測到的熱量量化，或測量，不僅能夠觀察熱圖像，還能夠對發熱的故障區域進行準確識別和嚴格分析。
　　
　　三、紅外熱成像技術的發展
　　
　　從赫胥爾1800年發現了紅外線后，開辟了人類應用紅外技術的廣闊道路。
　　
　　二次世界大戰中，德國人用紅外變像管，研制出了主動式夜視儀和紅外通信設備，為紅外技術的發展奠定了基礎。
　　
　　二次世界大戰后，美國德克薩斯儀器公司（TI）在1964年開發研制成功*代用于軍事領域的紅外成像裝置，稱之為紅外尋視系統（FLIR）。它是利用光學機械系統對被測目標的紅外輻射掃描，由光子探測器接收兩維紅外輻射，經光電轉換及處理，zui后形成熱圖像視頻信號，并在熒屏上顯示。
　　
　　六十年代中期，瑞典AGA公司和瑞典國家電力局，在紅外尋視裝置的基礎上，開發了具有溫度測量功能的熱紅外成像裝置。這種第二代紅外成像裝置，通常稱為熱像儀。
　　
　　七十年代，法國湯姆蓀公司又研制出，不需致冷的紅外熱電視產品。
　　
　　1986年，瑞典研制出工業用的實時成像系統，它無須液氮或高壓氣，而以熱電方式致冷，可用電池供電；1988年又推出全功能熱像儀，它將溫度的測量、修改、分析、圖像采集、存儲合于一體，重量小于7kg，使儀器的功能、精度和可靠性都得到了顯著的提高。
　　
　　九十年代中期，美國FSI公司首先研制成功由軍用轉民用并商品化的新一代紅外熱像儀，它是屬焦平面陣列式結構的一種凝視成像裝置，技術功能更加*，現場測溫時只需對準目標攝取圖像，并存儲到機內的PC卡上。各種參數的設定，可回到室內用軟件進行修改和分析，zui后直接得出檢測報告。由于取代了復雜的機械掃描，儀器重量已小于2kg，如同手持攝像機一樣，單手即可操作使用。
　　
　　隨著紅外焦平面陣列技術的迅速發展，美、英、法、德、以色列等西方發達國家都在競相研制和生產*的紅外焦平面陣列攝像儀，其中美國在紅外焦平面陣列傳感器的發展水平方面處于遙遙地位，其焦平面陣列規模已大達2048×2048元，已接近于可見光硅CCD攝像陣列的水平。日本在世界上zui先實現了100萬像元集成度的單片式紅外焦平面陣列，在品種方面，從HgCdTe、InSb、GaAlAs/GaAs量子阱和PtSi到非致冷紅外焦平面陣列等種類產品推向市場，搶占商機；法國、荷蘭、瑞典、英國、德國和意大利等在非致冷紅外熱攝像儀技術的發展方面，已顯出其處于前沿的競爭地位，如AGEMA公司的熱視570，AGEMA520和德國STNATLAS電子公司駕駛員視覺增強系統，都具有很高的水平和市場競爭實力。
　　
　　七十年代，中國有關單位已經開始對紅外熱成像技術進行研究。八十年代末，中國已經研制成功了實時紅外成像樣機，其靈敏度、溫度分辨率都達到很高的水平。進入九十年代，中國在紅外成像設備上使用低噪聲寬頻帶前置放大器，微型致冷器等關鍵技術方面有了發展，并且從實驗走向應用。如用于*的便攜式野戰熱像儀，反坦克飛彈、防空雷達以及坦克、軍艦火炮等。
　　
　　近幾年來，中國的紅外成像技術得到突飛猛進的發展，與西方的差距正在逐步縮小，有些設備的*性也可同西方同步。如目前己能生產面積小于30μm2的1000×1000像素的探測器陣列，由于采用了基于銻化銦的新器件，目前己達到了分辨率小干0.01℃的溫差，使對目標的識別達到更高的水平。
　　
　　紅外熱成像儀，可以分為致冷型和非致冷型兩大類。紅外電視產品和非致冷焦平面熱成像儀是非致冷型產品，其他為致冷型紅外熱成像儀。
　　
　　前一代的熱像儀主要由帶有掃描裝置的光學儀器和電子放大線路、顯示器等部件組成，已經成功裝備*，并己用于夜間的地面觀察、空中偵查、水面保險等方面。
　　
　　目前，新的熱成像儀主要采用非致冷焦平面陣列技術，集成數萬個乃至數十萬個信號放大器，將芯片置于光學系統的焦平面上，無須光機掃描系統而取得目標的全景圖像，從而大大提高了靈敏度和熱分辨率，并進一步地提高目標的探測距離和識別能力。
　　
　　四、紅外熱成像技術的優缺點
　　
　　1、紅外熱成像技術的優點
　　
　　Ø紅外熱成像技術是一種被動式的非接觸的檢測與識別，隱蔽性好
　　
　　Ø紅外熱成像技術不受電磁干擾，能遠距離跟蹤熱目標，制導
　　
　　Ø紅外熱成像技術能真正做到24h全天候監控
　　
　　Ø紅外熱成像技術的探測能力強，作用距離遠
　　
　　Ø紅外熱成像技術可采用多種顯示方式，把人類的感官由五種增加到六種
　　
　　Ø紅外熱成像技術能直觀地顯示物體表面的溫度場，不受強光影響，應用廣泛
　　
　　2、紅外熱成像技術的缺點
　　
　　Ø圖像對比度低，分辨細節能力較差
　　
　　Ø不能透過透明的障礙物看清目標，如窗戶玻璃。
　　
　　Ø成本高、價格貴
　　
　　五、紅外熱成像技術在民用領域的應用
　　
　　1、能真正作到24h及惡劣氣候條件下的全天候的智能視頻監控
　　
　　普通的視頻監控很難做到全天候的監控，如銀行的金庫、機要室、軍事要地、監獄以及核心辦公室等重要的監控區域，不可能*做到全天候地有可見光，而沒有了可見光，普通視頻監控也就失去了其監控功能。要想夜晚監控，只能用日夜轉換攝像機加上紅外燈。而紅外熱成像儀，是被動接受目標自身的紅外熱輻射，無論白天黑夜24小時均可以處于運行狀態而正常工作，并隨時對背景資料進行分析，一旦發現變化，可以及時發出預/報警，并可以通過其他智能設備自動對有關情況進行處理與上報。
　　
　　在雨、霧等惡劣的氣候條件下，由于可見光的波長短，克服障礙的能力差，因而觀測效果差。而工作在8～14μm波長的長波紅外熱成像儀，其穿透雨、霧的能力較高，從而仍可以正常地觀測目標。因此，在夜間以及惡劣氣候條件下，采用紅外熱成像監控設備可以對各種目標，如人員、車輛等進行24h智能監控。
　　
　　2、能對偽裝及隱蔽的目標進行智能視頻監控與識別
　　
　　一般，偽裝主要是防可見光觀測。因此，*分子作案通常隱蔽在草叢及樹林中，因為野外環境的惡劣及人的視覺錯覺，容易產生錯誤判斷而識別不出來。而紅外熱成像儀是被動接受目標自身的熱輻射，當人體和車輛隱蔽在草叢及樹林中時，它的溫度及紅外輻射一般都遠大于草木的溫度及紅外輻射，因此很容易被自動識別出來。
　　
　　此外，普通監視攝像頭是無法看到發光物體表面掩蓋下所隱藏的物體的，如對被埋藏的盜竊物品、尸體等就不能有效地檢測識別出來。而利用紅外熱成像技術所研制的紅外熱成像儀則可以檢測識別出來，因為當某處的表面被弄亂時，該表面的熱輪廓也會被破壞，如翻過的土壤熱輻射和壓實的土壤熱輻射是不同的。因此，通過紅外熱成像儀的這種功能可以找到被埋藏的贓款贓物或被埋的尸體等。曾有一男子在搶銀行之后，將搶來的錢偷偷地埋在了小區公園的偏僻之處，但通過紅外熱像儀所監控到的小區公園圖像，很快地就發現了被埋藏在公園內的贓款
　　
　　3、能進行火災的智能監控與識別
　　
　　由于紅外熱成像儀是反映物體表面溫度而成像的設備，因此除了夜間可以作為現場監控使用外，還可以作為有效的防火報警設備。如在大面積的森林中，火災往往是由不明顯的隱火引發的，這是毀滅性火災的根源。用現有的普通監視系統，很難發現這種隱性火災苗頭。然而用飛機巡邏，采用紅外熱成像儀，則可以快速有效地發現這些隱火，并且可以準確判定火災的地點和范圍，即可透過煙霧發現著火點，把火災消滅在萌芽階段。如加拿大森林研究中心，利用直升飛機采用AGA750便攜式熱成像儀，在一個火災季節中就發現了15次隱火。
　　
　　在住宅小區、機場、碼頭、學校等人流密集的場所，通過紅外熱成像儀探測的紅外熱圖像，均能迅速及時監測到火災源頭，進行預/報警，以便及時采取行動進行處理。
　　
　　谷物糧倉往往會發生自燃現象，過去一般采用溫度計測量其溫度變化。而采用紅外熱像儀可以準確判定這些火災的地點和范圍，從而做到早知道早預防，早撲滅。
　　
　　在所有電氣設備隱患中的25%以上是引發火災的主要原因，即由于插頭接觸不良引發的。紅外熱像儀還可以用來探測電氣設備的不良接觸，以及過熱的機械部件，以免引起嚴重短路和火災。對于所有可以直接看見的設備，紅外熱成像產品都能夠確定所有連接點的熱隱患。對于那些由于屏蔽而無法直接看到的部分，則可以根據其熱量傳導到外面的部件上的情況，來發現其熱隱患。而利用紅外熱成像產品，可以很容易地探測到回路過載或三相負載的不平衡。如我國利用自制的熱像儀對華北電力網內的20座發電廠、8座變電站和24條高壓線的10000多個插頭進行了過熱檢查，發現不正常發熱點500多處，嚴重過熱為100處，做到及時處理，從而未發生火災事故。
　　
　　此外，即使是在火災過后，消防人員也能通過現場紅外熱成像儀的監視圖像，開展對火災現場卓有成效地搜救工作。
　　
　　值得一提的是，使用紅外熱成像產品代替傳統方法檢測維修，還可以節省大量費用。如一個典型的辦公大樓（250，000平方英尺，10層），平均維修費用為6，500美元。若用紅外熱成像產品檢查，只要一天便可以完成對所有電動機控制，配電盤和開關裝置的檢查（并包括各種機械設備），用紅外熱成像儀的檢查服務費大約為600～800美元。因此，紅外熱成像產品的費用僅是傳統方法費用的1/10。
　　
　　4、能對邊防、周界入侵進行遠距離有效地監控與識別
　　
　　我國邊境線甚長，海洋也遼闊，由于野外環境的惡劣，特別是在下雨、下雪、大霧、大風的日子，許多系統都不可能很好地擔當起防范作用，更不用說通過智能分析報警了。如果采用人員巡邏，利用望遠鏡進行觀察，往往由于可見光波長短，使觀察效果不理想，根本不可能做到全天候，這樣難免不造成漏查、誤查和失查的現象。
　　
　　利用紅外熱成像儀，可以探測到不同物體的紅外輻射，因而可以遠距離地進行觀察，尤其適用于風雨天氣。如在邊境地區放置紅外熱成像儀，就可成功地破獲非法入境者案件，其效率大大高于人工巡查。
　　
　　目前在海邊走私，常常利用“大飛”來進行，這些“大飛”無燈光，馬力大，機動性強，往往容易擺脫緝私人員和邊防人員的追蹤。而有了紅外熱成像儀，就可以迅速地遠距離跟蹤這些“大飛”，其距離可達數公里。即使是在雷達的死角，這個系統也可以正常運行，特別是在黑夜和惡劣的天氣下，均可以充分發揮其良好的特點。
　　
　　此外，傳統的視頻監控技術只是對周圍的現象進行實時的監控與記錄，在非智能的狀態下，無法完成有效的預/報警功能；而傳統的紅外對射技術，雖然能夠短距離地對入侵者進行實時預/報警，卻無法認識入侵對象。而利用紅外熱成像技術可遠距離地對周邊入侵進行監視，不僅能夠實時預/報警，而且能夠察看當時所入侵者的紅外監控圖像，從而做出分析，達到一般監視系統不易達到的效果。
　　
　　5、紅外熱像儀在檢驗檢疫體溫監控的應用
　　
　　近年來，機場航空業務發展十分迅猛，每日出入境旅客達千余人，各國出入境機場、口岸出入人員流動量大、繁忙擁擠、情況復雜，與之對應的出入境人員的檢驗檢疫工作任務十分繁重。同時，近年來，隨著SARS、禽流感等傳染病疫情的流行和肆虐，傳統的檢驗檢疫工作面臨越來越嚴峻的挑戰。為確保新形勢下出入境旅客的安全順暢通關，發揚與時具進的精神，需采用創新思維、創新手段，建立和改造一套技術*、自動化程度高的紅外*，有效提高口岸出入境人員的傳染病檢測能力，樹立檢驗檢疫的良好社會形象。
　　
　　六、結束語
　　
　　紅外熱成像技術的優點多，應用廣，因而發展潛力。而目前紅外焦平面陣列探測器有兩種類型：一是低溫致冷工作的光量子型焦平面陣列探測器；二是非致冷工作的二極焦平面陣列探測器。雖然，目前第二種非致冷焦平面陣列探測器的靈敏度，要低于光量子型陣列，但其性能可以滿足大多數的軍事和幾乎所有的民用。因此，采用非致冷工作的焦平面陣列探測器的紅外熱成像儀，能真正實現小型化、低價格，是未來小型低成本應用的主流，未來必將大量應用于智能安防監控中，因而是前途和市場潛力的發展方向。從目前發展趨勢來看，該市場即將出現新的轉折，未來5～10年間將成為與目前CCD可見光攝像技術相匹敵的新興熱門產業。