红外热像（红外/热成像技术）

所有利用红外辐射原理的技术都称为红外技术。实现景物红外/热成像的技术称为红外/热成像技术。红外/热成像技术是红外技术发展的高级阶段。

所有物体都发射与其温度和表面特性相关的电磁辐射，辐射的波长取决于物体的温度。室温景物（约为300K）发射的电磁辐射主要是红外辐射，其辐射能量集中在3μm～14μm红外波段。经过大气传输后，3μm～14μm波段的红外辐射能量还剩下8μm～14μm的长波红外和3μm～5μm的中波红外两个"大气透射窗口"。

利用景物自身长波和中波红外的热辐射实现的红外成像即称为热成像。在长波红外波段实现的热成像称为长波红外成像，在中波红外波段实现的热成像称为中波红外成像。室温景物对环境中存在的短波红外（1μm～2.5μm）辐射也产生反射，利用物体对短波红外辐射的反射实现的成像称为红外成像。随着物体温度的升高（例如升高至1500K），则其自身发射的短波红外辐射的能量也随之指数增加，此时也可以实现利用物体自身短波红外辐射的红外成像。狭义上，热辐射是红外辐射中对应大气红外透射"窗口"的长波（8μm～14μm）和中波（3μm～5μm）的部分，所以，红外成像自然包括热成像，即热成像只是红外成像中的一部分。

能够摄取景物的红外/热图像、并将其转换为人眼可见图像的装置即为红外/热成像系统（或称为热像仪、热成像仪、红外成像仪、红外热像仪）。红外/热成像系统的红外光学系统将景物的热辐射的空间分布图在其像/焦平面上凝结成一幅红外/热图像，光学机械扫描器（不是必需的）、红外探测器组件将该热图像分解成若干个离散、串行的电信号，再经过复杂的信号处理后对显示器进行调制即完成可视化，得到人眼可见的红外/热图像——黑白图像或伪彩色图像。

红外/热成像技术的作用和优缺点

1）夜视与夜战

夜战的基础是夜视——即在夜间可以清楚的观察景物。可见光图像来源于反射太阳光或人工光源，因此在夜间和无人工光源的情况下就看不见景物。由于红外热辐射是由景物自身的温度和发射率、发射率等物理性质决定的，与外界光源无关，故在红外波段景物仍然是"可见"的，即使目标与背景温度相同，但只要其表面的发射率或反射率与背景物体不同，仍然可以被热成像反映出来。

左图为景物夜间可见光视频图片，右图为同一景物长波红外热像的视频图片，原来看不见的景物如大桥等都清晰可见，利用热成像不受夜间影响的特点，可以进行包括车辆、舰船、飞机等机动平台的夜间驾驶和作战（图片来自www.FRIR.com）

在全黑（Total Darkness）的条件下，即使是微光图像增强器和低照度相机（Low Light Camera）也要失效，但利用热成像仪（ThermoVision）仍然可以清晰的看到目标，具有实现昼夜（全天时）作战的能力（图片来自www.bamardsymicrostem.com）

利用热成像可以在全黑的夜间观察景物，左图为有汽车车灯照明、无热成像仪（Without FLIR）时乡村道路的视频图像，右图为用前视红外（With FLIR）或热成像仪拍摄的同一场景的长波红外视频图像，在热图像中可见弯曲延伸的路面、路面上的交通标志线和路边的动物，尽管标识线的温度与地面相同，但因其表面为白色，发射率低，故也能被热像仪反映出来；说明即使目标的温度与背景相同，只要其表面的发射率不同，仍然可以被热成像仪所反映出来，因此对可见光有隐身作用的迷彩色对红外波段的隐身未必有作用（图片来自www.FLIR.com）

2）在不良气象条件下观察和作战

可见光波长的典型值为0.5μm，在热成像所用的红外波长为3μm～12μm，比可见光的大5～20倍，因此原理上红外辐射穿透大气、霾、雾、烟、尘的能力比可见光更强，采用热成像仪可以在不良气象条件下观察和作战。

从上至下3组6张视频图片是低照度相机（Low Light Camera）（上）、传统电视（Conventional CCTV）（中）与热成像（ThermoVision）（下）在全黑（Total Darkness）、透雾（Through Fog）、识别伪装（Through Follage）和透烟（Through Smoke）等不同条件下的观察效果比较，这组图片比较好的表现了热成像技术在上述条件下应用的优越性（图片来自www.bamardsymicrostem.com）

3）获取目标红外辐射信号和特征用于精确制导

各种机动平台需要发动机推动，发动机必然要消耗大量的燃油，一部分（不足一半）燃油的化学能转变成动能，但一半以上的燃油的化学能则转变成废热。发动机的功率越大，所排放的废热也就越多，这使其有很强的红外辐射特征，利用热成像仪可以获取目标的红外辐射信号用于精确制导武器红外成像制导。由于导弹只是被动接收目标的红外辐射，因此攻击具有突然性。

利用热成像技术可以实现非接触的测量涡扇发动机工作时包括喷射热气流的温度及其分布，发动机喷出的高温高速气流在很短距离内就急剧膨胀成高脚酒杯状，发动机内涵道喷射的高温气流被外涵道喷射的温度较低气流所包围，因而降低了内涵道的高温气流在侧向的红外辐射，这就是涡扇发动机有比涡喷发动机更低红外辐射的原因。即使如此，涡扇发动机喷射的热气流仍然可以被动红外寻的制导空空或地空导弹捕获和锁定（图片来自www.FLIR.com）

美国F-18C"大黄蜂"战斗机的热图像，图中可见安装着涡扇发动机的机身尾部的侧面和后半球有很强的红外辐射，利用被动红外寻的空空或地空导弹可从飞机后半球对其进行攻击（图片来自www.FLIR.com）

美国CH-47"支奴干"直升机的热图像，安装在尾塔上的两个涡轴发动机向下喷出的热气流将整个尾部加热，旋翼尖转动因与空气磨擦被加热至相当高的温度，在热图像中机身结构的结合部都被反映出来，用被动红外寻的空空导弹或肩射防空导弹可从直升机的后半球（尤其是后下半球）对其进行攻击（图片来自www.FLIR.com）

4）以很高的热灵敏度获得客观世界与热相关的信息

热是物质世界最普遍的运动，几乎在所有发生能量转换的过程中都有热量的产生，人类的活动尤其如此。

A 利用热成像可以观察和监视人类活动对自然的影响——例如城市"热岛效应"，即由于城市人类的活动排放大量废热，导致其温度明显高于市郊和农村。利用这一特点可以帮助在严寒的山区找到有人居住的山洞，因为人在山洞中采暖、制作食物等活动会产生热空气，流出洞口即可被观察到，显然没有人居住的山洞是冷的。

B 利用热成像可以在昼夜24小时（或称为全天时）和在不良天候条件下对物体进行观察和测量，获得可见光不能获得的信息，如储液罐液面的位置、电力设施的工作状态等。

C 利用热成像可以观察到建筑物的漏热，从而获得建筑物建筑质量的信息或节能的信息，而工事、掩蔽部等军事建筑物可能会因漏热暴露位置。

某一地区的伪彩色长波红外热图像，地表温度的从高到低分别用红色、黄色、淡绿色和蓝色代表，颜色相同的是等温区，由于人类的活动造成"城市热岛效应"——城市的温度高于郊区、农村的温度，这可能会对城市的气候带来不利的影响，如导致城市上空的降雨、降雪减少（图片来自www.veimages.gsfc.nasa.gov）

一个油库空中航拍的长波红外热图像，图中15个油罐4个呈白色、11个呈黑色；因空油罐的总热容量小，在阳光照射下温度上升较高，所以呈白色；而满油罐的总热容量大，在阳光下温度上升较低，所以呈黑色，根据热图像反映出的热信息可以了解一个军用油库的战备状态，而这些信息在可见光照片中是不可能得到的

储液罐热容量的分布决定于其中液体的分布，利用长波红外热成像可以非接触的测量出液面的位置，图中左侧为储液罐可见光照片，右侧为长波红外的伪彩色热图像，最右侧有温度-颜色标尺，根据温度-颜色标尺不仅可以知道储液罐的温度在18℃～26℃（温差约8℃），而热像仪测量温度的分辨率一般小于0.1℃，所以可以准确的测量出储液罐的温度分布和液面位置（图片来自www. FLIR.com）

右图为一电力设施的可见光照片，左图为同一设施的长波红外伪彩色热图像，图中可以看出有一个装置发热超过正常工作状态，反映出已经有故障隐患了；类似的采用测温热成像仪可以对武器装备进行预防性维修（图片来自www.iddyamices.com）

建筑物施工质量不好会产生漏热，上图为一房屋顶的可见光照片，下图为同一位置的长波红外伪彩色热图像，从中可以清晰的看到屋顶漏热的位置；同样，工事、掩蔽部、洞库等可能会因为漏热（或是建筑质量不好、或是不可缺少的部分——如通风口等）而暴露位置（图片来自www.buildingvenlopeforum.com）

红外/热成像系统作为一种信息获取手段有如下优点：

（1）可在昼夜和不良天候下工作，具有优于可见光穿透烟、尘、阴霾、薄雾的能力。

（2）只接收景物自身辐射或反射的红外辐射信号，完全被动工作，隐蔽性好，不易被干扰。

（3）因只依靠目标自身和背景之间的温度差、发射率或反射率差形成的红外辐射特性进行探测，与目标的热状态有关，因而具有较强的探测和识别目标的能力。

（4）与雷达系统相比，热成像系统的体积小，质量轻，功耗低。

EF2000"台风"战斗机在机头位置同时安装有机载雷达（机头整流罩内）和"被动红外机载跟踪装备"（Passive Infra-Red Airborne Track Equipment——PIRATE）（座舱前凸起的装置，黑色部分为红外光学整流罩），其体积、尺寸比机载雷达小很多（图片来自www.selex-sas.com）

塞莱克斯（Selex）公司为EF2000"台风"战斗机研制的"被动红外机载跟踪装备"（PIRATE）作为一个整体模块从机头左侧插入机身内，系统采用碲镉汞768×8长波红外焦平面探测器组件，具有"迎头探测多目标、单目标锁定、随动捕获目标、前视红外、着陆辅助、飞行辅助"等多种功能

红外/热成像系统也存在着不足：

（1）不能全天候工作，受水汽、雾、雨、雪等气象的影响很大

红外/热成像系统受大气的吸收、散射和反射等方面的影响仍然很大。

A 当大气中的水汽含量很高时（例如相对湿度超过80%），红外辐射在传输过程中会被强烈吸收，导致热成像观察效果受影响，甚至不及可见光。为克服这一困难，研制了将可见光与红外组合为一体的"两光合一"光电成像系统，再加上激光测距即成为"三光合一"光电成像系统。

B 当大气中的颗粒物（雾滴、雨滴、雪花、沙尘等）的直径与红外辐射波长（1μm～12μm）相当且有足够高的密度时，红外辐射即可受到很强的散射。

C 当大气中的颗粒物比红外辐射波长大（例如5倍）且有足够高的密度时，则来自景物的红外辐射将因反射而不能到达热成像仪。

（2）热图像的层次较差，与可见光图像的细节不完全一一的对应。

（3）成本还较高

大气中水汽（H2O）、二氧化碳（CO2）、臭氧（O3）、氧（O2）、甲烷（CH4）、一氧化氮（N2O）、一氧化碳（CO）等成分对红外辐射的吸收，相对来说，这些大气成分对可见光的影响反而较小，因此热成像与可见光成像技术是一种互补的关系，而不是竞争的关系。其中：UV—紫外；VIS—可见光；Near IR—近红外；Thermal IR—热红外（即中长波红外）（图片来自www.scienceofdoom.com）

德国研制的红外、可见光和激光（测距）"三光合一"的手持光电成像/测距仪，由于组合了红外、可见光成像与激光测距的功能，因此具有比单独的热成像仪、可见光望远镜和激光测距机更好的环境的适应性