紅外熱成像技術及在智能視頻監控中的應用

一、引言

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，這個所謂熱量最多的高溫區，總是位于光帶最邊緣處紅光的外面。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“熱線”，這種看不見的“熱線”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最為廣泛的電磁波輻射，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。

眾所周知，海灣戰爭已成為展示高科技武器使用先進技術的平臺。在這些新科技中，紅外熱成像技術就是其中最為閃亮的高科技技術之一。紅外熱成像技術(Infrared thermal imaging technology)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， 最后以數字、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、公安偵察等民用領域。如果將這種技術大量地應用到安防監控領域中，將會引起安防監控領域的變革。

智能視頻監控技術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，從而為用戶提供對監控和預警有用的關鍵信息。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，特別是自2001年9·11事件之后，出于反恐、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國際上最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遺留物體檢測、盜竊贓物查找、被埋尸體查找等等，若利用紅外熱成像技術作智能視頻監控探測與識別，更顯得方便而容易。下面就介紹一下這種紅外熱成像技術的發展、優缺點，新一代紅外熱成像系統的組成與工作原理，以及它在智能視頻監控中的應用等。

二、紅外熱成像技術的發展

從1800年，英國物理學家赫胥爾發現了紅外線后，開辟了人類應用紅外技術的廣闊道路。在第二次世界大戰中，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，首先由美國德克薩斯儀器公司（TI）在1964年首次開發研制成功第一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，最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，技術功能更加先進，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，最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、日、加拿大、以色列等西方發達國家都在競相研制和生產先進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領先地位，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。日本在世界上最先實現了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。此外，加拿大、以色列、韓國、澳大利亞、波蘭、新加坡的一些公司和機構都在盡力發展先進紅外焦平面陣列熱攝像儀技術，競爭已遍及全球幾大洲。