红外热成像技术在监狱智能化安防中的应用

夜视技术是利用夜间天空辐射对地表景物的照射，或者利用目标自身热辐射，借助科学仪器观察可见光波段以外的景物图像的技术，其核心技术为传感器技术。1934年，红外变像管在德国问世，第一次使人类的非可见光谱观察成为可能。20世纪50年代以后，夜视技术发展迅速，并逐渐分化为两个发展方向：微光成像技术和红外热成像技术。两者的主要区别是：前者利用景物目标对夜天空光谱辐射的反射获得目标图像，主要工作于0.5 µm～2.5 µm 的大气窗口；后者利用目标自身发射的光谱辐射获得目标图像，主要工作于3 µm～5 µm 和8 µm～14 µm 两个大气窗口。与微光成像技术相比，红外热成像技术制作工艺复杂，生产维护成本高，但在作用距离、图像质量、昼夜共用问题、可应用领域等方面具有显著优势。

红外热成像技术的核心技术是探测器技术。按照工作温度分类，红外探测器分为制冷型和非制冷型。

自第一台热像仪问世至今，制冷型红外热像仪已经发展到第三代。第一代热像仪采用多元线列或小面阵探测器，光机扫描机构复杂，信号处理简单，图像质量低于黑白电视图像；第二代热像仪采用长线列或与黑白电视分辨率相当的凝视焦平面阵列，读出电路采用大规模集成电路并有一定的信号处理功能；第三代热像仪采用长线列或与高清晰度电视分辨率相当的凝视焦平面阵列，具有多个工作波段，读出电路采用超大规模集成电路并有复杂信号处理功能。制冷型红外探测器主要有HgCdTe、InSb 光量子型探测器和GaAlAs/GaAs 量子阱型探测器。

非制冷红外热成像技术开始于20世纪80年代。当时的制冷型红外热成像技术有几个缺点：①制冷型红外探测器材料价格昂贵和探测器的成品率很低，导致了制冷型红外热成像系统价格昂贵；②制冷型红外热成像系统额外需要一套制冷设备，增加了系统成本，降低了系统的可靠性；③制冷系统一直是制冷型热成像系统可靠性最差的部件，制冷型系统的功耗大，难以实现小型化。这些缺点直接限制了它在工业领域的推广应用。因此发展具有价格低、体积小、功耗低、性能可靠、操作方便等优点的非制冷红外热成像技术成为必然。

非制冷红外热成像技术起步较晚，但发展非常迅速，一些技术指标已经接近制冷型红外热成像技术。目前非制冷红外焦平面阵列的分辨率与二代制冷型热像仪相当，成熟的非制冷红外探测器主要包括热释电型和微测辐射热计型两种类型。非制冷红外热成像技术的飞速发展，主要是其性能优势决定的。非制冷红外热成像技术的优势主要表现在以下几个方面。

非制冷红外焦平面阵列探测器可靠性高。低温制冷系统常常是红外系统的故障源，制冷型红外成像器件必须在低温下工作，而且对温度稳定性要求非常高，否则将不能正常工作。而非制冷热成像系统可以在常温下工作，省去了复杂的制冷系统，可靠性大大提高。

非制冷红外焦平面阵列探测器价格低。低温制冷系统是制冷型热成像系统价格昂贵的主要因素，省去了低温制冷系统和扫描装置使系统的价格大为降低。非制冷热成像系统价格降低的另一个原因是非制冷探测器的生产成本远远低于制冷型探测器的生产成本。首先，生产制冷型探测器所采用材料（HgCdTe，InSb，AlGaAs）的制备工艺复杂，而生产大面阵探测器所用材料的制备工艺就更加复杂，造成原料成本高；其次，制冷型探测器的制备工艺复杂，成品率很低，因此造成制冷型探测器的价格一直居高不下。而非制冷红外探测器材料价格低廉，制备工艺相对简单，特别是采用非晶硅材料的探测器，它与目前非常成熟的CMOS 工艺相互兼容，其价格优势更加明显，性价比更高。

非制冷红外焦平面阵列探测器体积小，重量轻，功耗低，易于设计便携式热成像系统。

非制冷红外焦平面阵列探测器的不足之处是灵敏度和响应速度不如制冷型红外探测器。目前最好的非制冷红外探测器的NETD 已降至30mK 以下，与制冷型探测器差距并不大，但是帧频只有几十Hz，与制冷型探测器还有一个数量级的差距。

（1）红外光学系统。

红外光学系统的主要作用是把特定光谱范围的目标热辐射成像于IRFPA。IRFPA 上的红外探测器对入射辐射产生响应，并输出到信号处理系统，经信号处理、图像编码（或视频合成），则可以获得目标的热图像。

红外光学系统主要有两种结构：反射式和透射式。扫描型红外成像系统主要采用反射式结构，而凝视型红外成像系统多采用透射式结构。

红外光学系统设计参数主要有焦距、相对孔径、视场、透射率和分辨率等。这些参数的优化存在相互制约的关系，最终的选择要看能否满足红外热成像系统总体性能的要求，特别是相互制约明显的因素。

红外光学材料在很大程度上决定了红外光学系统的性能指标。常见的红外光学材料主要有锗（Ge）、硅（Si）、二氧化硅（Si02）、硫化铅（PbS）、硒化铅（PbSe）等。锗是一种具有金属光泽的银色金属晶体，透射光谱范围为2 µm～15 µm。锗的折射系数很高（约为4），色散小，这允许我们使用较少的光学透镜便可以设计出高分辨率光学系统。由于折射率高，锗透镜需要镀增透膜。锗的缺点是易碎、难切割、温度稳定性差。锗透镜光学系统主要用于8 µm ～14 µm 光谱范围。硅有与锗类似的物理和化学特性，光谱范围为1 µm～7 µm 和25 µm～300 µm，折射率为3.45。与锗材料相比，硅价格低廉，主要用于3 µm～5 µm 的红外光学系统。硫化铅和硒化铅都是很好的红外光学材料，但是价格非常昂贵，通常不用于制造红外光学镜头。

（2）非制冷红外焦平面探测器。(www.xing528.com)

非制冷红外探测器是一种把热辐射转变为温度变化并加以检测的装置，又称为热探测器。根据不同的探测机理，热探测器分为两类：一类是铁电-热电型探测器，主要材料有锆钛酸铅和钛酸锶钡；另一类是电阻型微测辐射热计，敏感元是热敏电阻，主要材料有氧化钒和非晶硅。两类探测器都不需要置冷，但都需要温度稳定器。

非制冷红外焦平面阵列是一个二维的热探测器阵列，每个探测器包括一个与衬底相连的敏感层。红外辐射会聚到探测器表面，被敏感层吸收，引起温度升高。同时，敏感层向周围环境传递热量。热量传递方式有三种：热传导、热对流和热辐射。热传导的可能途径包括：热量沿支撑物传向衬底；如果阵列没有固定在一个抽真空的封装盒内，热量会流向周围的空气；热量从一个像素直接流向邻近的另一个像素。像素间的热传导必须加以避免，否则会引起像素间的“串音”。如果周围空气存在，敏感层还会通过对流向大气传递热量。热辐射指敏感元向周围环境辐射热量，周围环境也向敏感元辐射热量。在理想情况下，焦平面阵列的热损失机制为热辐射。如果主要热损失是辐射性的，则阵列是受背景限制的，这种限制对工作性能的影响是非常大的。

为了获得高性能红外探测器，阵列应置于真空封装中以避免与空气的对流和传导，相邻像素应保持一定空隙以避免横向热损失。在高性能红外探测器中，除去热辐射这种不可避免的热损失，主要的热损失应该是通过支撑结构传递给衬底的热量。支撑结构是取得高性能焦平面阵列的关键。支撑结构具有三个功能：机械支撑、热传导和电子传导。实际应用中，主要有两种支撑结构。稍早出现的是倒装焊结构，另一种主要的支撑是隔板结构。

在工业和商业领域，非制冷红外热成像系统可以用于电力、冶金、医疗、交通、公安、消防、海关等。非制冷红外热像仪可以设计成测温系统，对电力设备、高温炼炉进行远距离、无接触测温，降低了测试风险，方便了人员操作。目前大立、高德等企业生产非制冷红外测温仪。通用汽车公司在部分凯迪拉克轿车上配备了雷神公司的非制冷热像仪，用于夜间特别是恶劣天气下的路况观察；CEA/LETI 和ULIS 公司的研究人员一直致力于探测器产品在汽车驾驶上的应用。Indigo 系统公司与匹斯堡矿业安全器械公司合作开展了非制冷热像仪在火灾预防的应用和推广工作。

（3）红外热成像信号后端处理。

红外焦平面阵列（IRFPA）的响应非均匀性、响应漂移性、盲元、目标辐射对比度是决定原始红外图像质量的主要因素。非均匀性导致红外图像存在固定图案噪声，漂移性导致图像信号的缓慢变化，盲元导致红外图像存在亮点或暗点，目标的辐射对比度系数小导致红外图像对比度低。因此，在热成像系统中要进行实时的非均匀性校正、漂移补偿、盲元替代和对比度增强。

①非均匀性校正。

非均匀性校正的方法有很多，大致可以分为两类：基于标定技术的算法和基于场景技术的算法。基于标定技术的算法是指在实验室内利用均匀的高温和低温黑体对红外焦平面进行标定，从而计算出增益和偏移系数的方法。常见的算法有两点法和扩展两点法。此类算法结构简单，易于硬件实现，但是它没有补偿各探测元差别性漂移的能力。基于场景技术的算法不需黑体标定，而是利用场景的统计特性，获得每个像素的校正系数。因为校正系数的获取和成像过程是同时进行的，因此，基于场景技术的校正算法均有一定的漂移跟踪和补偿能力。

②盲元替代。

盲元替代技术是指根据相邻像素或前后帧图像的相关性对盲元信息进行预测和替代的过程。红外成像系统主要是对景物的实时动态成像，根据图像信息理论，其相邻像素或相邻帧之间的图像数据具有极高的相关性。根据插值理论，对于连续变化的函数，任何一点都可以通过邻域进行插值预测。插值分为线性插值和非线性插值。非线性插值计算复杂，对于实时性要求很高的红外热成像系统显然并不适合。目前均采用线性插值技术对盲元进行替代。

③对比度增强。

受普朗克定律的限制，自然场景中目标的辐射对比度都很小，因此经过非均匀校正后红外图像的对比度仍然很小。为了便于人眼观察，必须对红外图像进行对比度的增强。在本书设计的热成像系统中，对比度增强是根据目标灰度信息自适应变化的，因此这里把对比度增强称为自动增益控制。

红外图像增强的方法包含时间域处理、空间域处理和变换域处理三类。时间域增强包括时间延迟积分、帧间比较等方法；空间域增强分为点处理和邻域处理，前者包括直方图拉伸、直方图均衡等方法，后者常用的有中值滤波、均值滤波等方法；变换域增强是在离散傅立叶变换、小波变换等图像变换的基础上进行各种滤波，最终达到增强的目的。