热成像如何运作

经过:内森金德勒

热成像的手和粘绷带上。”width=
热成像的手和粘绷带上。
©GIPhotoStock /视觉无限/ Corbis

在波士顿马拉松爆炸案发生后,结束所有搜捕行动的行动正在进行中。只有一个问题——尽管他们在人力和火力方面拥有巨大优势,但当局似乎无法找到凶手。乐动体育网站5.0

从一个可疑的房主那里得到消息,他们最终将搜索范围缩小到一条停在车道上的有盖的大船。因为嫌疑人是隐蔽的,他们无法从视觉上确定他在船上的确切位置,也无法看到他是否携带武器。军官们在黑暗中工作,没有注意到危险。这是当一个热度显着摄像机帮助挽救了局面。

广告

相机照片清楚地显示,该男子俯卧在船底。它还显示出这个人还活着,还在移动。在直升机提供的视觉信息的帮助下,一个特警队最终接近了这艘船并逮捕了嫌犯。乐动体育网站5.0

一个thermographic相机(或红外相机)检测人眼不可见的红外光(或热)。该特征使这些相机对于各种应用程序非常有用,包括安全性,监控和军事用途,其中糟糕的家伙被追踪在黑暗,烟雾,有雾或尘土飞扬的环境中......或者即使它们隐藏在船上覆盖后面。

考古学家在挖掘站点部署红外相机。工程师使用它们来找到结构性缺陷。医生和医疗技术人员可以在人体内定位和诊断乐动-软件问题。消防队员进入火灾的核心。公用事业工人检测电网上的潜在问题,或在水或气体管线中发现泄漏。天文学家使用红外技术来探索空间深处。乐动-软件科学家们使用它们进行广泛的实验目的。

对于所有这些任务,存在不同类型的热成像装置,但是每个相机依赖于相同的原理,以便运行。在下一页上,我们将在热成像方式上拔下眼罩。

广告

光明启蒙

电磁波谱中红外部分的图解。”width=
电磁波谱中红外部分的图解。
2011年乐动体育英超直播Howstuffworks.

人眼是极其复杂复杂的器官。它们生来就是用来看的可见光。这种光线反射物体,使它们对我们可见。

光,这是一种辐射,除了可见的种类,还有更多的种类。光的范围横跨一个整体电磁频谱由可见光和不可见光组成乐动体育网站5.0X射线,伽马射线,无线电波,微波和紫外线。

广告

波长(也叫频率)是使这些光彼此不同的原因。例如,在光谱的一端,我们有波长很短的伽马射线。在光谱的另一边,是无线电波,波长要长得多。在这两个极端之间,有一个狭窄的可见光波段,在这个波段附近乐动体育网站5.0红外波长存在,频率从430 THz(四赫兹)到300 GHz(千兆赫)。

通过理解红外,我们可以使用热成像设备来检测几乎任何物体的热特征。几乎所有的物质都会释放出少量的热量,即使是像冰这样非常冷的物体。这是因为,除非这个物体处于绝对零度(零下459.67华氏度或零下273.15摄氏度),否则它的原子仍然在摆动、摇摆、碰撞并产生热量。

有时,物体非常热,他们推迟了可见光 - 想想在电炉或篝火中的电炉或煤中的红色,炽热的热线圈。在较低的温度下,这些物体不会发出红色,但如果你能够肯定地把手放在靠近它们附近,你可以感受到热量或红外线,因为它们向外流向你的皮肤。乐动体育网站5.0

然而,我们的皮肤通常对探测红外线并不是很有用。如果你把一个杯子装满热水,一个杯子装满冷水,然后把它们放在房间对面的桌子上,你根本分不清哪个是热水,哪个是冷水。然而,热成像相机却能立即知道。

在这样的情况下,人类依靠电子工具进行帮助。从本质上讲,热成像装置就像我们的视力一样,延伸了我们的视觉范围,以便除了可见光之外,我们还可以看到红外线。借助这种扩展的视觉信息,我们成为电磁谱的超级英雄。

但是一个数码设备怎么可能接收到不可见的热信号并创造出对我们的眼睛有意义的图像呢?下一页你将看到数字处理的进步是如何使之成为可能的。

广告

热成像加热

威廉·赫歇尔爵士,发现红外波长的天文学家。他还被认为发现了天王星。”width=
威廉·赫歇尔爵士,发现红外波长的天文学家。他还被认为发现了天王星。
©股票蒙太奇/盖蒂图片社

热成像相机是高科技的现代设备。乐动-软件但是红外线的发现是很久很久以前的事了。

1800年,英乐动体育网站5.0国天文学家威廉·赫歇尔爵士发现了红外线。他用一个棱镜把一束阳光分成不同的波长,然后拿着一个温度计靠近每种光的光。他意识到,即使在没有可见光的情况下,温度计也检测到热量 - 换句话说,在红外线存在的波长中。

广告

在整个1800年代,一系列牢牢思想家在暴露乐动体育网站5.0于热量时试验导电性改变的材料。这导致了极其敏感的温度计,称为钻孔机,它可以从远处检测出微小的热量差异。

但直到二战后,红外研究才真正开始升温。取得了迅速的进展,在很大程度上要归功于人类的发现晶体管它在许多方面改进了电子设备的构造。

如今,红外摄像机的发展分化为两类,称为直接检测热检测

直接探测成像仪是两种光电导或者光伏。光电导器采用在由特定波长的光子击中时改变电阻的组件。另一方面,光伏材料对光子也敏感,但代替阻力而不是改变电压。乐动体育网站5.0光电导和光伏摄像机两者都需要强烈的冷却系统,以使它们可用于光子检测。

通过密封成像仪的情况并低温冷却其电子产品,工程师减少了干扰的可能性,大大延长了探测器的灵敏度和整体范围。这些摄像机昂贵,更容易发生,修复昂贵。大多数成像仪没有集成的冷却系统。这使得它们比其冷却的对应物更少精确,但也要较低。

然而,热检测技术经常被集成到被称为乐动-软件微孔计量器。他们没有检测到光子。相反,它们通过传感热量拾取温度差异辐射来自远处的物体。

由于微致频仪吸收热能,它们的探测器传感器在温度下升高,这反过来改变了传感器材料的电阻。处理器可以解释阻力的这些变化,并使用数据点在显示器上生成图像。这些阵列不需要任何疯狂的冷却系统。这意味着它们可以集成到较小的设备中,例如夜视护目镜,武器瞄准器和手持热成像相机。

广告

热成像复杂性

热图像像人眼一样工作。仅才能拾取可见光,反射光,热成像装置检测物体释放的热量。

如您所知,对象热和冷发热。随着热量从物体向外移动,热成像装置可以看到它。乐动体育网站5.0与相机一样,这些设备具有光学镜头,将能量聚焦到一个红外探测器。该探测器具有数千个数据点,以便它可以检测温度的微妙变化,从大约减去4华氏度(减去20摄氏度)到3,600华氏度(2,000摄氏度)。

广告

然后,探测器构造一个热力点这基本上是一种温度模式。来自热图的数据被转换成电信号,并压缩到相机的处理芯片上。该芯片将热图的原始数据转换成显示在显示屏上的视觉信号。整个过程非常快速,每秒更新大约30次。

许多成象器以单色图片显示物体,较热的区域显示为黑色,较冷的区域显示为灰色或白色。在彩色成像仪上,热的物体以白色、黄色、红色和橙色的形式跳出屏幕,而冷的区域则是蓝色或紫色。这些被称为假颜色图像,因为设备人为地为图像的每个区域分配颜色 - 与a不同普通相机,它创造了真实的颜色图像显示物体在现实生活中出现的样子。

取决于每个对象的相对温暖,所得到的图像可以提供醒目的视觉细节,例如握住枪的人的完整图片。在温度灰度较小的情况下,图像可以是模糊的并且更少的确定。

图像质量会根据成像仪是否为活跃的或者被动的。主动系统实际上使用激光或其他能量来温暖目标物体的表面,以使其对其检测器更加可见(以及站立在目标区域附近的任何人)。例如,一些汽车制造商在穿过工厂时的暖车零件,在施工中制造任何缺陷对热摄像头更可见。被动系统只是检测物体自然发射的热量。两个系统都有他们的利弊,但是无源系统的简单性使它们更加常见。

广告

夜视......不

不要混淆。夜视成像(如图)与热成像不同。”width=
不要混淆。夜视成像(如图)与热成像不同。
©Jeremy Lempin / AFP / Getty Images

早期的红外探测器又大又笨重,噪音也很大。当代的冷却系统有了很大的改进,但即使是现在,它们仍然很重、笨重、昂贵,经常安装在大型车辆或飞机上,以便它们可以被转移到某个地点,然后投入使用。乐动体育网站5.0

例如,FLIR SAFIRE III就是一个很受欢迎的冷却系统,它曾被用来缩小对波士顿爆炸案嫌疑人的搜索范围[来源:Peluso]。这个单位足够坚韧,用于军用使用和用船上陀螺仪稳定,它适用于陆地车辆或飞机上。乐动体育网站5.0它还重量100磅,截至2013年的价格约​​为500,000美元。“更便宜”的检测单位经常遇到数万美元,使其为公众太昂贵。

广告

未冷却的产品要便宜得多,而且也小得多。乐动体育网站5.0以Extech i5为乐动-软件例,它的售价约为1600美元,重量相当于一罐苏打水。它有一个可充电的锂离子电池,一个2.8英寸(7.1厘米)的彩色液晶屏幕,和普通的数乐动体育网站5.0码相机一样,它把照片存储在一个可移动的闪存卡上。

或者考虑FLIR SCOUT PS24单眼,零售价约为2,000美元。它只有6.7英寸(17厘米),所以徒步旅行者,猎人和安全专业人士可以在他们漫游的地方采取它。尽管它的尺寸很小,但它也具有彩色显示器并防水。

其中一些成像仪提供了集成的漂亮功能,比如画中画的显示、可互换的镜头、激光指针(这样你就可以清楚地看到你对准相机的位置)全球定位系统(GPS), WiFi连接,甚至麦克风,这样你就可以为每张图片添加语音评论。

EXTECH乐动-软件和FLIR产品均基于微生物仪技术。与消费者水平相同的夜视或红外照明相机的大部分夜视或红外照明相机都不同。你知道这些小工具 - 他们在电影和电视节目中产生了恶化的绿色发光。

这样的夜间视力没有检测到热量。相反,这些产品大大放大了环境光线,以便在黑暗中揭示物体。换句话说,它们仍然需要可见光被反射从这些物体上反射,或者它们不会很好地工作。

红外照明摄像机也是如此。这些摄像机投射一束红外光束(想象一下你的电视遥控器),它会被目标物体反射,将光线反射回摄像机传感器。

广告

超热技术乐动-软件

2009年5月,布达佩斯机场(Budapest Airport)在安检口安装了一个热成像摄像机来监测乘客的体温,以筛查可能的甲型H1N1流感携带者。”width=
2009年5月,布达佩斯机场(Budapest Airport)在安检口安装了一个热成像摄像机来监测乘客的体温,以筛查可能的甲型H1N1流感携带者。
©阿提拉KISBENEDEK /法新社/盖蒂图片社

热成像仪不断提高敏感性和特征。但他们不是一个完美的技术。乐动-软件

当然,这些摄像头可以看到车辆、房屋和其他密集材料内的热信号。但是任何阻挡热量的物理材料(比如玻璃窗)都会降低设备的效率。你甚至可以买一些衣服来对抗一些热寻感器[来源:马利]。

广告

还有解释摄像机显示屏上显示的图像的问题。经常模糊,可变的图片只是温度而不是实际图片的表示,因此有意义上取决于用户的专业知识。缺乏经验的人可能会误解这些图像,尤其是在情景中,其中包括恶劣的情况天气或干扰。

对于没有足够资金的人来说,费用仍然是一个问题。即使是最便宜的成像设备也要花费数百美元,而且它们的能力只相当于政府和军事机构部署的那些设备的一小部分。乐动体育网站5.0

然而,那些有面团的人可以表现出一些惊人的壮举。安全性和监测方面几乎是一个给定的人,糟糕的家伙们在警察和士兵可以跟踪嫌疑人的地方,即使没有视觉视线,无论是在国家边界还是内部建筑物的城市地区也是如此。

使用热敏摄像机,消防员可以定位困境的人,在伤害伤害之前,在热点内陷入困境,在热点上找到结构问题。科学家们可以在雪地银行内深入了解北极北极熊。古代遗址经常表现出不同的热签名而不是围绕它们的土壤和岩石,意思是考古学家可以使用成像仪找到他们的下一个挖掘网站。

建筑检查员携带热敏摄像机,在屋顶和绝缘层中找到泄漏或缺陷。同样,补救工人可以在墙壁后面找到水和随后的模具生长,即使在物业老板不知道问题的情况下也是如此。

电网组件过热可能导致故障,然后停电。为了避免停电,工作人员利用成像设备来发现电网中恶化的区域。天然气泄漏是公用事业面临的另一个重大挑战,热成像摄像机可以在泄漏成为更大问题之前发现泄漏。乐动体育网站5.0

担心传染病?在火车站和机场等交通繁忙的公共场所安装热成像摄像头,你就可以在人群中发现发烧的人。

用途不胜枚举。随着公司在研发上投入更多,热成像相机只会变得更好、更便宜,从而在从娱乐到研究的更多场合中找到一席之地。乐动体育网站5.0现在的热门技术只会变得越来越热,我乐动-软件们人类正在以全新的方式看待我们的世界。乐动体育网站5.0

广告

更多信息

作者注意:热成像如何运作

我们称他们为热敏摄像头,但它们不是真正的相机。相反,热成像仪是传感器。而目前,他们真的,真的贵。几年前,当我们寻找一个郊区家中的神秘水侵入来源时,我很幸运能够与手持式成像仪一起玩。手中的相机,我们发现房子的一个角落比其他墙更凉爽。我们取下了干墙,发现一个足够大的洞,在繁重的下雨期间会产生水问题。我们可能只使用了几个小时的设备,但绝对证明了它的价值。

相关文章

  • Atherton,Kelsey D.“它是如何工作:找到波士顿轰炸机的热相机。”受欢迎的科学。2013年4月25日。(2013年5月3日)http://www.popsci.com/technolo乐动-软件gy/article/2013-04/how-works-awesome-thermal-camera-found-boston-bomber
  • Beckhusen,罗伯特。“DARPA终于将大型热成像摄像机缩小为手持设备。”《连线》杂志。2013年4月17日。(2013年5月3日)http://www.wired.com/dangerroom/2013/04/darpa-infrared-cameras/
  • 博伊尔,艾乐动体育网站5.0伦。“秘密武器?热成像如何帮助抓住炸弹嫌疑人。”NBC新闻。2013年4月20日。(2013年5月3日)http://usnews.nbcnews.com/_news/2013/04/19/19/17830076-secret-weapon-how-thermal-imaging-helped-catch-bomb-sususpacty
  • 棕色,艾米丽和莱茵河,唐娜。“直升机,红外摄像头帮助确认嫌疑船只。”今日美国。2013年4月20日(2013年5月3日)http://www.usatoday.com/story/news/nation/2013/04/20/boston-suspect-boat-helicopter-infrared/2099959/
  • 电子设计。"红外传感器-通用探测设备"2009年5月7日。(2013年5月3日)http://electronicdesign.com/energy/infrared-sensors-all-purpose-detection-devices
  • 欧洲航天局。“Caroline和William Herschel:揭示隐形。”(2013年5月3日)http://www.esa.int/our_activities/space_science/herschel/caroline_and_william_herschel_revealing_the_invisible
  • Dalesio,Emery P.“热成像热新的考古工具”。洛杉矶时报。2000年5月14日,(2013年5月3日)http://articles.latimes.com/2000/may/14/news/mn-29896
  • 戴维斯,约书亚。“火灾叛乱分子”。《连线》杂志。2005年6月。(2013年5月3日)http://www.wired.com/wired/arramive/13.06/firefight.html
  • 喝,纳迪亚。红外图像显示寒冷的紫色企鹅《连线》杂志。2013年3月5日。(2013年5月3日)http://www.wired.com/wiredscience/2013/03/infrared-penguins/
  • FLIR产品页面。“明星萨菲尔三世”。2011.(2013年5月3日)http://gs.flir.com/uploads/file/products/brochures/star_safire_III_a_ltr.pdf
  • FLIR公司的页面。“为什么要使用热成像技术?”(2013年5月3日)http://www.flir.com/cs/emea/en/view/?id=41530
  • FLIR公司的页面。“热成像和夜视有什么区别?”(2013年5月3日)http://www.flir.com/cvs/americas/en/view/?id=30052
  • 国土安全新闻专线。“FLIR展示新型热成像相机。”5月3日,2007年。(2013年5月3日)http://www.homelandsecuritynewswire.com/flir-shows-new-thermal-imaging-camera
  • IEC红外系统。"红外摄像机是如何工作的"(5月3日,2013)。
  • http://www.iecinfrared.com/how-infrared-cameras-work.html.
  • 红外安全解决方案产品页面。“长远来看。”(2013年5月3日)http://www.iss-thermal.com/longview.html
  • Kondas,David A.“铅盐红外探测器简介”。美国陆军军备研究,开发和工程中心。1993年2月。(2013年5月3日)http://www.dtic.mil/cgi-bin/gettrdoc?ad=ada260781&location=u2&doc= gettrdoc.pdf
  • 公园,鲍勃。“工具:执法的热门射击热成像仪。”《连线》杂志。2009年10月6日。(2013年5月3日)http://www.wired.com/magazine/2009/10/st_tool_thermal_imager/
  • Rogalski乐动体育网站5.0,安东尼。“红外探测器的历史。”2012年。(2013年5月3日)http://tonirogalski.com/wp-content/uploads/2012/12/history-of-infreRed-detectors.pdf
  • 德州仪器历史页面。“防御”。(2013年5月3日)http://www.ti.com/corp/docs/company/history/lowbandwidthtimelinedefense.shtml
  • 白色,杰克R.“Herschel和红外线拼图”。美国科学家。2012年5月6日。(2013年5月3日)http://www.americanscientsist.org/issues/feature/2012/3/herschel-dthe-puzle-of-frared