在眾多的溫度測量工具中，研究人員和工程師為何應考慮熱成像？

熱成像相機在軍事研究和測試范圍應用中的最大優勢之一是，它們能夠在無需接觸被測目標物體的情況下進行成像和記錄熱數據。許多高端研發和科學級相機還提供了速度、空間分辨率、觸發和高級定時功能，用于表征快速熱瞬態和高速移動的目標。熱像儀還可以檢測到最細微的溫度變化，能夠測量小于0.02°C（<20?mK）的溫差。紅外相機還允許您以您想要的方式全面分析數據，無論您使用研發軟件還是?SDK?解決方案。

紅外相機能夠生成清晰、實時、高分辨率的圖像。紅外探測和冷卻系統的發展使得紅外相機制造商能夠制造出更準確、速度更快、分辨率更高的熱成像相機——正是研發和科學應用所需的系統類型。

在過去的十年中，紅外相機的科學型號產品線不斷擴展，提供了對各種紅外波段、多種探測器材料、快照速度、溫度范圍等的經濟實惠的訪問。連接性和軟件集成選項也得到了擴展，因此科學家可以輕松地將紅外系統集成到他們的研究項目中。

本文將為您提供對研發和科學熱成像的全面了解——從紅外相機的工作原理到它們如何使您的項目受益。

了解紅外熱成像

熱成像相機的工作方式與普通數碼相機非常相似——只不過，它們記錄的是紅外光譜段的輻射，而不是可見光。

熱成像相機收集視野內物體發出的紅外輻射（A）。光學元件（B）將輻射聚焦到探測器（C）上，形成焦平面陣列（FPA）。一些相機使用斯特林微型制冷機（D）來保持FPA處于低溫。FPA將信息發送到傳感器電子元件（E）進行圖像處理。電子元件將來自FPA的數據轉換為可以流式傳輸到計算機的格式。

在遠處圖像中尋找分辨率

像任何相機一樣，熱像儀也有光學元件，用于執行各種功能，從將圖像聚焦在探測器上到過濾掉不需要的波長。一些為紅外（IR）范圍設計的光學元件的細節與在可見光下工作的光學元件不同，這可能導致對其能力的誤解。一個普遍存在的誤解是，變焦鏡頭在紅外線中效果不佳，它們太復雜、太昂貴，而且不值得投資。

事實上，變焦鏡頭是可用的、價格實惠的，并且可以成為在紅外線中運行的高性能紅外相機系統的重要和有用組成部分。變焦鏡頭為用戶提供了良好的功能，使他們能夠跟蹤和成像遠處的物體，或者更詳細地查看附近的物體。憑借連續的變焦，它們提供了時間-空間-位置信息，使研究人員能夠分析移動物體的特性。

在軍事測試范圍中工作的研究人員經常對移動物體進行遠程測量，例如數公里外飛行的飛機。他們可能還想查看更近但更小的物體，例如迫擊炮彈。這兩種類型的測量都需要一個具有高光學分辨率的系統，包括鏡頭。

實現這種功率需要在目標上盡可能多地獲取像素。因此，擁有大量像素的探測器很重要。小像元間距和鏡頭的長焦距也有助于在目標上獲取盡可能多的像素。

瞬時視場

任何遙感設備的空間分辨率都以瞬時視場來衡量。想象一個從探測器上的像素向被成像物體投射的錐體。錐體遠端的面積就是瞬時視場（IFOV），即每個單獨像素能夠看到的區域大小。像素越小，焦距越長，該區域就越小，因此物體在視場中所占比例就越大。這就好比用肉眼看飛機與通過雙筒望遠鏡看飛機的區別。你的眼睛看到更廣闊的天空，但飛機看起來更小，而通過雙筒望遠鏡，你看到的天空更少，但飛機的圖像更大。

幸運的是，更小的像素和更長的焦距都適用于紅外相機。像素間距——一個像素中心到下一個像素中心的距離——在過去的老式相機上是15μm，但已經縮小到12μm甚至更小，減少了20%。與此同時，雖然鏡頭的焦距曾經最多達到大約300mm，但現在可以提供從120到1200mm的連續變焦。這種組合使得對更小或更遠的物體能夠獲得清晰的焦點。

順便說一下，提供更高空間分辨率的小像素與高速成像中所需的像素大小正好相反。在高速成像中，積分時間（IR中的曝光時間等效物）很短，因此相機需要快速捕獲盡可能多的光，這就需要更大的像素。幸運的是，大多數遠程應用不需要高速，因為遠處的移動物體在探測器上的表觀位置變化速度比近處的物體慢，因此小像素是可以接受的。

使用TSPI（時間-空間-位置信息）

鏡頭的焦距，即鏡頭與其反射鏡之間的距離，是遠程成像的關鍵要素。知道焦距可以告訴用戶他們正在成像的物體的距離。當研究一個朝向或遠離觀察者的移動物體（例如飛機）時，具有連續變焦和自動對焦組件特別有用。它可以跟蹤焦距的每一個時間點，并將信息作為伴隨圖像的元數據保存，為物體提供關鍵的TSPI。知道有效焦距可以告訴用戶物體有多遠，因此他們可以通過物體在視場中所占的百分比來判斷物體的大小。

對于TSPI的時間部分，一些相機有輸入端口，可以連接提供IRIG-B時間碼的設備。IRIG（代表跨范圍儀器組）是一個允許設備同步的標準。IRIG-B每秒提供100個脈沖信號。將IRIG-B與連續變焦相結合，用戶可以在任何給定時間知道他們與目標的距離。

相機的視場（FOV）會隨著觀察距離的變化而變化。IFOV（紅色方塊）相對于物體大小。相機的空間分辨率（IFOV）由其鏡頭和FPA配置決定。

穩定安裝

當然，當相機使用高倍率對準物體進行成像時，它必須是一個穩定平臺的一部分。即使相機只有半毫米的微小移動，也可能導致成像區域發生巨大變化，甚至可能完全錯過目標。高精度跟蹤安裝座可用于穩定相機并將其指向正確方向。

事實上，一些用戶主要希望將具有高倍率的紅外相機用作跟蹤系統的一部分。軟件允許他們注意圖像的特定部分，并確定它從一幀到下一幀的位移量，例如，當飛機穿過視野時。然后它將這些信息反饋給跟蹤安裝座，以糾正相機的位置并保持其對準移動目標。

有價值的工具

空間分辨率是軍事測試范圍中紅外相機的一個重要考慮因素。它是像素大小的函數——越小越好——以及變焦鏡頭的焦距，應該盡可能長。許多人一直認為變焦鏡頭在性能上有限制，價格昂貴，并且只提供短焦距。事實上，它們是價格實惠的，可以達到許多毫米的長度，并提供一系列能力，例如自動對焦和連續變焦，這些能力提供了跟蹤移動物體或對遠處目標進行分析所需的信息，這些目標會改變位置，以及更小且更近的物體。連同定時輸入，相機可以在圖像元數據中記錄時間-空間-位置信息，允許用戶精確計算輻射度和其他重要特性。作為提供穩定性和跟蹤信息的系統的一部分，具有高空間分辨率的紅外相機可以成為測試范圍能力的寶貴補充。

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審核編輯 黃宇