小菲課堂 | 淺析熱靈敏度對熱像儀選擇的重要性

ainet.cn 2023年02月09日

熱像儀是利用熱能拍攝圖像，它捕獲到紅外能量，并利用這些能量通過數(shù)字或模擬視頻輸出創(chuàng)建圖像，細節(jié)由溫差定義，而紅外熱像儀的熱靈敏度定義了熱像儀可以檢測到的最小溫差。

紅外熱像儀探測器由一系列探測器像元組成。由于紅外光譜中的能量波長比可見光長，因此每個紅外探測器像元必須相應地大于可見光探測器上的像素，以吸收更長的波長。因此，熱像儀的分辨率通常低于相同機械尺寸的可見光傳感器。

電磁頻譜包括從近紅外0.75μm到遠紅外近1 mm(1000μm)的紅外波段

熱像儀開發(fā)需要考慮的因素

熱像儀最初是為監(jiān)視和軍事行動而開發(fā)的，現(xiàn)在廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)領域，如建筑檢查(水分、隔熱、屋頂?shù)?、消防、自動駕駛汽車、自動緊急制動 (AEB) 系統(tǒng)、工業(yè)檢查、科學研究等。這些領域的熱像儀有多種外形尺寸，從手持熱像儀到無人機熱像儀，再有應用到外太空的科學研究熱像儀等。

設計開發(fā)熱像儀的工程師們需要清楚地了解關鍵設計規(guī)范，包括熱像儀的場景動態(tài)范圍、視場角、分辨率、熱靈敏度和光譜范圍等。不同的熱像儀可以擅長不同的事情，因此工程師需要了解不同類型的熱像儀功能之間的權衡，以及這些差異對最終產(chǎn)品性能的影響。

熱靈敏度是低對比度場景(包括有霧天氣)的關鍵性能指標

靈敏度：清晰度和實用性的關鍵變量

熱靈敏度定義了熱像儀可以檢測到的最小溫差，其將直接影響熱像儀所能產(chǎn)生的圖像清晰度和銳度。熱像儀以毫開爾文(mK)為單位標稱靈敏度。數(shù)字越低，探測器越靈敏。熱靈敏度，也稱為噪聲等效溫差(NETD)，描述使用熱像儀時觀察到的最小溫差。實際上，NETD值越低，傳感器檢測細小溫差的能力就越強。集成商和開發(fā)人員應尋找能夠在行業(yè)標準30°C下提供NETD性能的制造商，下表可用于評估熱探測器的靈敏度。

小伙伴們還要注意到一個問題，有些制造商生產(chǎn)的一些低成本熱像儀通過將NETD標稱在環(huán)境溫度為50℃(NETD:XXmK，@50℃)而不是行業(yè)標準的30℃(NETD:XXmK，@30℃)，從而來隱藏低靈敏度的問題。如果你需要測量的目標通常有很大的溫差，那么具有較低熱靈敏度的入門級產(chǎn)品就夠用。然而，對于更微妙的應用，如檢測濕度問題，你將需要更高靈敏度的熱像儀。

制冷or非制冷

與配備非制冷探測器的紅外熱像儀相比，帶制冷探測器的紅外熱像儀具有明顯的優(yōu)勢。制冷型紅外熱像儀具有與低溫冷卻器集成的成像傳感器，通過制冷器可將傳感器溫度降低。為了將探測器自身熱噪音降低到低于成像場景溫差信號的水平，傳感器溫度的降低是必要的，并且可以顯著提高熱靈敏度。

但是，這些性能改進是有代價的。制冷型紅外熱像儀通常更大、更重、更耗電。除了犧牲SWaP(尺寸、重量和功率)之外，制冷型紅外熱像儀的成本要高得多，因為存在機械動作部件(制冷壓縮機)因此會受到機械磨損，從而縮短熱像儀的平均故障時間(MTTF)，低溫冷卻器的運動部件具有極其嚴格的機械公差，機械性能會隨著時間的推移而退化，氦氣也會通過密封件緩慢泄漏。

FLIR非制冷型熱像儀的最新改進使靈敏度達到20 mK以下，與傳統(tǒng)熱像儀相比，靈敏度大幅提高，可能使非制冷型長波紅外熱像儀成為各種新應用的可行選擇。雖然很誘人，但需要注意的是，非制冷型紅外熱像儀不能簡單地取代制冷型熱像儀。產(chǎn)品開發(fā)人員和系統(tǒng)集成商還需要考慮有關成像速度、空間分辨率、光譜濾波等方面的其他要求。