热成像工作原理

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热成像的手和粘合剂绷带上。
©GIPhotoStock /视觉无限/ Corbis

波士顿马拉松爆炸案发生后,结束所有追捕行动的搜捕行动正在进行。只有一个问题——尽管他们在人力和火力上拥有巨大优势,但当局似乎无法找到肇事者。乐动体育网站5.0

在一个可疑的房主的告密下,他们最终把搜索范围缩小到停在车道上的一艘有顶棚的大船。由于嫌疑人被藏起来了,他们无法从视觉上确认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,对危险一无所知。这就是当thermographic照相机帮了大忙。

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相机视频清晰地显示,这名男子俯卧在船底。它还显示,这个人还活着,还在动。在直升机提供的视觉信息的帮助下,特警队终于接近了这艘船并逮捕了嫌疑人。乐动体育网站5.0

一个thermographic相机(或红外照相机)探测人眼看不见的红外光(或热)。这一特性使得这些摄像头在各种应用中都非常有用,包括安全、监视和军事用途,在黑暗、烟雾、大雾或尘土飞扬的环境中跟踪坏人……甚至当他们藏在船盖后面的时候。

考古学家在发掘现场安装红外摄像机。工程师们用它们来发现结构缺陷。医生和医疗技术人员可以查明和诊断人体内的乐动-软件问题。消防队员向火灾中心窥视。公用事业工人检测电网上的潜在问题,或发现水或煤气管道的泄漏。天文学家利用红外技术探索太空深处。乐动-软件科学家们将它们用于广泛的实验目的。

所有这些任务都有不同类型的热成像设备,但每个摄像机都依赖于相同的原理来发挥作用。在下一页中,我们将揭开热成像工作原理的面纱。

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光的启示

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电磁波谱的红外部分的图示。
2011年乐动体育英超直播HowStuffWorks

人的眼睛是极其复杂的器官。它们是为观看而生的可见光.这些光从物体上反射回来,使我们能看见它们。

光,这是一种辐射,除了可见的味道,还有更多的味道。光的范围横跨整个区域电磁波谱,由可见光和不可见光组成,以及乐动体育网站5.0x射线、伽马射线、无线电波、微波和紫外线。

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波长(也称为频率)是使这些类型的光彼此不同的原因。例如,在光谱的一端,我们有伽马射线,它的波长非常短。在光谱的另一边,我们有无线电波,它的波长要长得多。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430thz(四赫兹)到300ghz(千兆赫)。

通过理解红外在美国,我们可以使用热成像设备来检测几乎任何物体的热特征。几乎所有的物质都至少释放出一点热量,即使是像冰这样非常冷的物体。这是因为除非该物体处于绝对零度(零下459.67华氏度或零下273.15摄氏度),否则它的原子仍在摆动和跳动,碰撞并产生热量。

有时,物体的温度太高,会挡住可见光——想想电炉上灼热的红色线圈或营火中的煤炭。在较低的温度下,这些物体不会发出红光,但如果你把手放在它们附近,你就能感觉到热量或红外线,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没什么用处。如果你把一个杯子装满温水,一个杯子装满冷水,然后把它们放在房间对面的桌子上,你根本分不清哪个杯子是温水,哪个杯子是冷水。然而,热成像摄像机却能立即知道。

在这种情况下,人类依靠电子工具来帮助。从本质上讲,热成像设备就像我们视力的助手一样,扩展了我们的视觉范围,使我们除了可见光之外还能看到红外线。有了这种扩展的视觉信息,我们成为了电磁频谱的超级英雄。

但是,一个数字设备怎么可能捕捉到看不见的热信号,并创造出对我们眼睛有意义的图像呢?在下一页中,你将看到先进的数字处理如何使之成为可能。

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热成像升温

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威廉·赫歇尔爵士,发现红外线波长的天文学家。他还被认为发现了天王星。
©Stock Montage/Getty Images

热像仪是一种高科技的现代设备。乐动-软件但是红外光的发现是在很久很久以前。

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。他用棱镜把一束阳光分成不同波长,然后拿着一个温度计接近每一种颜色的光。他意识到,即使在没有可见光的地方——换句话说,在红外线存在的波长——温度计也能探测到热量。

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在整个19世纪,一系列勇敢的思想家对材料进乐动体育网站5.0行了实验,这些材料在受热时会改变导电性。这导致了非常灵敏的温度计的发展,称为测辐射热计它可以从远处探测到微小的热量差异。

然而,直到第二次世界大战之后,红外研究才真正开始升温。科学的迅速发展在很大程度上要归功于晶体管,它在许多方面改进了电子设备的结构。

如今,红外摄像机的发展分为两类,称为直接检测而且热检测

直接探测成像仪是其中之一光电导光伏.光导相机采用的部件在受到特定波长的光子撞击时电阻会发生变化。另一方面,光伏材料对光子也很敏感,但它们不是改变电阻,而是改变电压。乐动体育网站5.0光导相机和光伏相机都需要强大的冷却系统,以使它们对光子探测有用。

通过密封成像仪的外壳和低温冷却其电子设备,工程师们减少了干扰的机会,并极大地扩展了探测器的灵敏度和整体范围。这类相机价格昂贵,更容易出现故障,维修费用也很高。大多数成像仪没有集成冷却系统。这使得它们在某种程度上不如冷却的同类产品精确,但成本也低得多。

然而,热探测技术通常集成到称为乐动-软件微型测辐射热仪.它们不探测光子。相反,它们通过感知热量来捕捉温度差异辐射从一个遥远的物体。

当微辐射热计吸收热能时,它们的探测器传感器温度升高,这反过来改变了传感器材料的电阻。处理器可以解释这些电阻的变化,并使用这些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更小的设备中,如夜视镜、武器瞄准镜和手持热成像摄像机。

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热成像的复杂性

热成像的工作原理有点像人眼。只是热成像设备检测的不是可见光和反射光,而是物体释放的热量。

正如你已经知道的,热的和冷的物体都散发热量。当热量从物体向外移动时,热成像设备可以看到它。乐动体育网站5.0像照相机一样,这些设备有一个光学透镜,它将能量聚焦到一个红外探测器。这个探测器有成千上万的数据点,因此它可以探测到温度的细微变化,从零下4华氏度(零下20摄氏度)到3600华氏度(2000摄氏度)。

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然后,检测器构造一个热法,这基本上是一个温度模式。来自热图的数据被转换成电信号,并压缩到相机中的处理芯片。该芯片将热谱图的原始数据转换为显示在显示屏上的可视信号。整个过程非常快,每秒更新大约30次。

许多成像仪将物体显示为单色图片,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,热的物体在屏幕上显示为白色、黄色、红色和橙色,而冷的区域则是蓝色或紫色。这些被称为假彩色图像,因为设备人为地为图像的每个区域分配颜色普通相机,这将创建真实的颜色显示物体在现实生活中出现的图像。

根据视野中每个物体的相对温度,生成的图像可能会提供惊人的视觉细节,比如一个拿着枪的男人的全图。在温度梯度不太明显的情况下,图像可能更模糊和不太确定。

图片质量的变化取决于是否成像器活跃的被动.主动系统实际上是使用激光或其他能量源来加热目标物体的表面,以使探测器(以及站在目标区域附近的任何人)更容易看到目标物体。例如,一些汽车制造商会在汽车零件经过工厂时加热它们,这使得热成像摄像机更容易看到结构上的任何缺陷。被动系统只是检测物体自然散发的热量。这两种系统都有各自的优点和缺点,但被动系统的简单性使它们更加普遍。

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夜视……不

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不要困惑。夜视成像(如图所示)与热成像不同。
©JEREMY LEMPIN/法新社/Getty Images

早期版本的红外探测器体积大、笨重且噪音大。现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、笨重和昂贵,而且经常安装在大型车辆或飞机上,以便将它们移动到一个地方,然后投入使用。乐动体育网站5.0

例如,一种流行的冷却系统是FLIR SAFIRE III,它被用于缩小波士顿爆炸案嫌疑人的搜索范围[来源:Peluso].该装置足够坚固,可用于军事用途,并由机载陀螺仪稳定,可在陆地车辆或飞机上工作。乐动体育网站5.0它重100磅,2013年售价约50万美元。“更便宜”的探测设备通常要花费数万美元,这对普通公众来说太贵了。

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未冷却的产品要便宜得多,而且它们也小得多。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,重量与一罐苏打水相当。它有一块可充电的锂离子电池,一块2.8英寸(7.1厘米)的彩色液晶显示屏,像普通数乐动体育网站5.0码相机一样,它将照片存储在一个可拆卸的闪存卡上。

或者考虑一下FLIR Scout PS24单目镜,它的零售价约为2000美元。它只有6.7英寸(17厘米)长,所以徒步旅行者、猎人和安全专家可以带着它去任何地方漫游。尽管体积小,但它有彩色显示屏,而且防水。

其中一些成像仪提供了漂亮的功能,如图片中的图片显示,可更换的镜头,激光笔(这样你就可以准确地看到你的相机指向哪里),集成全球定位系统(GPS)WiFi连接,甚至麦克风,这样你就可以给每张图片添加语音评论。

Extech乐动-软件和FLIR产品都是基于微辐射热计技术。它们与消费级常见的大多数夜视或红外照明摄像机有很大不同。你知道这些小玩意——它们在电影和电视节目中发出病态的绿色光芒。

就像这样夜视不检测热量。相反,这些产品极大地放大了周围的光线,以便在黑暗中显示物体。换句话说,它们仍然需要可见光从这些物体上反射回来,否则它们就不会很好地工作。

红外照明摄像机也是如此。这些摄像头投射出一束红外光束(想象一下你电视的遥控器),它在目标物体上反弹,并将光线反射回摄像头传感器。

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超热技术乐动-软件

2009年5月,布达佩斯机场在安检门处使用热像仪监测乘客体温,以筛查甲型H1N1流感的可能携带者。"width=
2009年5月,布达佩斯机场在安检门处使用热像仪监测乘客体温,以筛查甲型H1N1流感的可能携带者。
©ATTILA KISBENEDEK/法新社/Getty Images

热成像仪在灵敏度和特性上不断改进。但它们并不是一项完美的技术。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。但任何阻挡热量的物理材料(如玻璃窗)都会降低设备的效率。你甚至可以买一些可以对抗热追踪传感器的衣服[来源:马利].

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还有一个问题是如何解读出现在相机显示屏上的图像。这些经常模糊、多变的图片只是温度的表示,而不是真实的图片,所以理解它们取决于用户的专业知识。没有经验的人可能会误解这些图像,特别是在恶劣的情况下天气或干扰。

对于没有雄厚财力的人来说,费用仍将是一个问题。即使是最便宜的成像仪也要花费数百美元,而且它们的功能只是政府和军事机构部署的成像仪的一小部分。乐动体育网站5.0

然而,那些有钱的人可以表演一些惊人的壮举。安全和监视方面几乎是既定的——当警察和士兵甚至可以在没有视线的情况下追踪嫌疑人时,无论是在城市地区,在国家边界还是在建筑物内,坏人可以隐藏的地方要少得多。

使用热成像摄像机,消防队员可以找到被困在建筑物内的人,在有人受伤之前找到热点并查明结构问题。科学家们可以在雪堆深处找到北极北极熊的洞穴。古代遗迹通常表现出与周围土壤和岩石不同的热特征,这意味着考古学家可以使用成像仪找到下一个挖掘地点。

建筑检查员携带热成像摄像机,以发现屋顶和隔热材料的泄漏或缺陷。同样,补救工人可以在墙后发现水和随后的霉菌生长,即使在业主不知道有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,工人们利用成像仪来发现电网中恶化的区域。气体泄漏是公用事业公司面临的另一个主要挑战,热成像摄像机可以在泄漏成为更大问题之前看到泄漏。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机,你就可以在人群中发现发烧的人。

它的用途不胜枚举。随着公司在研发上的投资越来越多,热感摄像机只会变得更好、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-软件们人类正在以一种全新的方式看待我们的世界。乐动体育网站5.0

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更多信息

作者注:热成像工作原理

我们称它们为热感相机,但它们并不是真正的相机。相反,热成像仪是传感器。就目前而言,它们真的非常非常昂贵。几年前,当我们在郊区的一个家庭中寻找神秘的水入侵的源头时,我很幸运地玩了一个手持成像仪。拿着相机,我们发现房子的一个角落比其他墙壁冷得多。我们移开了石膏板,发现了一个洞,这个洞刚好大到可以在大雨中产生积水问题。我们可能只使用了几个小时,但它确实证明了它的价值。

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  • Beckhusen,罗伯特。“DARPA终于将大型热成像摄像机缩小到手持设备。”《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?热成像如何帮助抓捕炸弹嫌犯NBC新闻。2013年4月20日。(2013年5月3日)http://usnews.nbcnews.com/_news/2013/04/19/17830076-secret-weapon-how-thermal-imaging-helped-catch-bomb-suspect?lite
  • 布朗,艾米丽和莱恩万德,唐娜。"直升机,红外摄像头帮助确认船上嫌犯"《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/
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