紅外熱像儀基礎理論、性能參數及其應用
1. 紅外線的發現與分布
1672年人們發現太陽光(白光)是由各種顏色的光復合而成，同時，牛頓作出了單色光在性質上比白色光更簡單的結論。使用分光棱鏡就把太陽光(白光)分解為紅、橙、黃、綠、青、藍、紫等各色單色光。 1800年，英國物理學家F. W. 赫胥爾從熱的觀點來研究各種色光時發現了紅外線。他在研究各種色光的熱量時，有意地把暗室的窗戶用暗板堵住，并在板上開了一個矩型孔，孔內裝了一個分光棱鏡。當太陽光通過棱鏡時，便被分解為彩色光帶，并用溫度計去測量光帶中不同顏色所含的熱量。為了與環境溫度進行比較，赫胥爾用在彩色光帶附近放幾支作為比較用的溫度計來測定周圍環境溫度。試驗中，他偶然發現一個奇怪的現象：放在光帶紅光外的一支溫度計，比室內其它溫度的批示數值高。經過反復試驗表明這個所謂熱量集中的高溫區，總是位于光帶邊緣處紅光的外面。于是他宣布太陽發出的輻射中除可見光線外，還有一種人眼看不見的熱線，這種看不見熱線位于紅色外側，叫做紅外線。紅外線是一種電磁波，具有與無線電波及可見光一樣的本質，紅外線的發展是人類對自然認識的一次飛躍，對研究、利用和發展紅外技術領域開辟了一條全新的廣闊道路。
紅外線的波長在0.76–100μm之間，按波長的范圍可分為近紅外、中紅外、長波遠紅外、遠紅外四類，它在電磁波連續頻譜中的位置是處于無線電波與可見光之間的區域。 紅外線輻射是自然界存在的一種廣泛的電磁波輻射，它是基于任何物體在常規環境下都會產生自身的分子和原子無規則的運動，并不停地輻射出熱紅外能量，分子和原子的運動愈劇烈，輻射的能量愈大，反之，輻射的能量愈小。
溫度在0K以上的物體，都會因自身的分子運動而輻射出紅外線。通過紅外探測器將物體輻射的功率信號轉換成電信號，成像裝置的輸出的就可以完全一 一對應地模擬掃描物體表面溫度的空間分布，經電子系統處理后傳至顯示屏上，得到與物體表面熱分布相應的熱像圖。 運用這一方法，便能實現對目標進行遠距離熱狀態圖像成像和測溫并進行分析判斷。
2. 紅外熱像儀的原理
紅外熱像儀由紅外探測器、 光學成像物鏡和處理電路組成。早期的熱像儀由于焦平面技術的限制，一般是線陣或×4、×6陣列的，需要光機掃描系統，目前基本為凝視型焦平面所代替，省略了光機掃描系統。利用物鏡將目標的紅外輻射能量分布圖形成像到紅外焦平面上，由焦平面將紅外能量轉換為電信號，經放大處理、轉換為標準視頻信號通過電視屏或監測器顯示紅外熱像圖。
這種熱像圖與物體表面的分布場相對應；實際上是被測目標物體各部分紅外輻射的熱像分布圖由于信號非常弱，與可見光相比缺少層次和立體感，因此，在實際動作過程中為更有效地判斷被測目標的紅外熱場，常采用一些輔助措施來增加儀器的實用功能，如圖像亮度、對比度的控制，實際校正，偽色彩描繪等高線和直方進行運算、打印等。 3. 紅外熱像儀的主要參數
(1) 工作波段： 工作波段是指紅外熱像儀中所選擇的紅外探測器的響應波長區域，一般是3~5μm或8~12μm。 如美國FLIR的非制冷產品和制冷型QWIP系列都工作在長波8~12μm，制冷型產品MCT系列工作在中波3~5μm。
(2) 探測器類型：探測器類型是指使用的一種紅外器件。如采用單元或多元(×2、×4等)、面陣等。可分為非制冷和制冷型2大類型。非制冷主要有熱釋電、多晶硅（α-Si，以法國sfradir為代表）、氧化釩（VOx，以美國FLIR為代表）等材料，目前，熱釋電熱像儀基本被淘汰；制冷型主要有碲鎘汞(PbCdTe，簡稱MCT)、 量子阱（QWIP）、銻化銦（InSb，因為先進，所以該產品對中國禁運）(InSb探測器因具有禁帶窄、靈敏度高、探測效率高等特點 ,是一種目前被廣泛使用的紅外光電探測器。)等。
(3) 視頻制式：我國標準電視制式，PAL制式，美國標準電視制式是NTSC制式。目前先進的熱像儀同時還提供數字視頻，有8位、10位及14位的。
(4) 顯示方式：指屏幕顯示是黑白顯示還是偽彩顯示。
(5) 溫度測定范圍：指測定溫度的起步與上限的溫度值的范圍。
(6) 工作時間：紅外熱像儀允許連續的工作時間。
4. 紅外熱像儀的分類
紅外熱像儀一般分光機掃描成像系統和凝視型型成像系統.
光機掃描成像系統采用單元或多元(元數有 8、10、16、23、48、55、60、120、180甚至更多) 光電導或光伏紅外探測器，用單元探測器時速度慢，主要是幀幅響應的時間不夠快，多元陣列探測器可做成高速實時熱像儀。
非掃描成像的熱像儀，如今幾年推出的陣列式凝視成像的焦平面熱像儀，屬新一代的熱成像裝置，在性能上大大優于光機掃描式熱像儀，已基本取代光機掃描式熱像儀。其關鍵技術是探測器由單片集成電路組成被測目標的整個視野都聚集在上面，并且圖象更加清晰，使用更加方便，儀器非常小巧輕便，同時具有自動調焦圖像凍結、連續放大，點溫、線溫、等溫和語音注釋圖像等功能。
目前，熱像儀主要是高端的制冷型熱像儀（碲鎘汞MCT、量子阱QWIP）、低端的非制冷熱像儀（氧化釩、多晶硅熱像儀）
。 美國的Honeywell公司在九十年代初研發成功非制冷型氧化釩熱像儀，目前其專利授權FLIR-INDIGO、BAE、L-3/IR、DRS、以及日本NEC、以色列SCD等幾家公司生產。法國的CEA/LETI/LIR實驗室在九十年代末研發成功非制冷型多晶硅熱像儀，目前主要由法國的SOFRADIR和ULIS公司生產，也是中國市場的供應商。在非制冷熱像儀領域，也主要是美國FLIR的氧化釩技術和法國SOFRADIR的多晶硅技術的競爭。
5、 紅外熱像儀的應用
熱像儀作為一種紅外成像儀器，不但在軍事應用中占有很重要的地位在民用方面也具有很強的生命力。熱像儀在軍事和民用方面都有廣泛的應用。隨著熱成像技術的成熟，各種低成本適于民用的熱像儀的問世，它在國民經濟各部門發揮著越來越大的作用。
在工業生產中，許多設備常處于高溫、高壓和高速運行狀態，應用紅外熱像儀對這些設備進行檢測和監控，既能保證設備的安全運轉，又能發現異常情況以便及時排除隱患。同時，利用熱像儀還可進行工業產品質量控制和管理。例如，在鋼鐵工業中的高爐和轉爐所用耐火材料的燒蝕磨損情況，可用熱像儀進行觀測及時采取措施檢修防止事故發生。又如，在石化工業中，熱像儀可監視生產設備和管道的運行情況，隨時提供有關沉淀形成、流動阻塞、漏熱溫度隔熱材料變質等數據。再如，在電力工業中，發電機組、高壓輸電和配電線路等可用熱像儀沿線掃查，找出故障隱患，及時排除以利于杜絕事故的發生。在電子工業中，也可用熱像儀檢查半導體器件、集成電路和印刷電路板等的質量情況，發現其他方法難以找到的故障。
此外，紅外熱像儀在醫療、治安、消防、考古、交通、農業和地質等許多領域均有重要的應用。如建筑物漏熱查尋、森林探火、火源尋找、海上救護、礦石斷裂判別、導彈發動機檢查，公安偵查以及各種材料及制品質無損檢查等。
6．紅外熱成像系統的主要技術指標
1). f/數
f/數是光學系統相對孔徑的倒數。設光學系統的相對孔徑為A=D/f(D為通光孔徑,f為焦距)，1/A=f/D， 則數f/D 是表示系統的焦距f為通光孔徑的多少倍。例如，f/3 表示光學系統的焦距為通光孔徑的三倍。f/數代表的是紅外系統接收紅外熱能量的能力。f/數越低，接收熱能量越高，但鏡頭口徑就越大。
2). 視場
視場是光學系統視場角的簡稱。它表示能夠在光學系統像平面視場光闌內成像的空間范圍，當目標位于以光軸為軸線，頂角為視場角的圓錐內的(任一點在一定距離內)時候被光學系統發現，即成像于光學系統像平面的視場光闌內。即使物體能在熱像儀中成像的物空間的張角叫做視場。
3). 光譜響應
紅外探測器對各個波長的入射輻射的響應稱為光譜響應。一般的光電探測器均為選擇性的探測器。
4). 空間分辨率 應用熱像儀觀測時，熱像儀對目標空間形狀的分辨能力。本行業中通常以mrad(毫弧度)的大小來表示。mrad的值越小，表明其分辨率越高。弧度值乘以半徑約等于弦長，即目標的直徑。如 1.3 mrad的分辨率意味著可以在100m的距離上分辨出 1.3×10-3 ×100=0.13m=13厘米的物體。
5).溫度分辨率
溫度分辨率 ：可以簡單定義為儀器或使觀察者能從背景中準確的分辨出目標輻射的小溫度△T。民用熱成像產品通常使用NETD 來表述該性能指標。
6).min可分辨溫差
分辨靈敏度和系統空間分辨率的參數，而且是以與觀察者本身有關的主觀評價參數，它的定義為：在使用標準的周期性測試卡(即高寬比為 7：1的4帶條圖情況下)， 觀察人員可以分辨的min目標、背景溫差。上述觀察過程中，觀察時間、系統增益、信號電平值等可以不受限制的調整在良好狀態。
7).探測識別和辨認距離
探測、識別和辨認距離；這些是使用者很關心的性能指標。為每個使用者自身素質和儀器給出的圖像質量的差異以及嚴格定義的困難(探測性能是一個多種因素的復合函數)這里只給出大致形象的定義； 探測距離是能將目標與背景及一些引起注意的目標清晰分別開來的max臨界；識別距離是將探測的目標能大致分出種類的距離，如是車輛還是艦船；辨認距離是在分別出種類的基礎上的細分，如車輛是坦克還是汽車。