熱成像雖然已被大眾所熟知但與國外相比，其使用范圍遠不及國外，真正能用到這一技術(shù)的人并不太多，為什么會出現(xiàn)這樣的情況?本文將從技術(shù)發(fā)展方面進行分析。
從全球范圍看，熱成像技術(shù)已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于醫(yī)療、電力、消防、建筑、軍事等各大領(lǐng)域，但是就國內(nèi)而言，熱成像雖然已被大眾所熟知但與國外相比，其使用范圍遠不及國外，真正能用到這一技術(shù)的人并不太多，為什么會出現(xiàn)這樣的情況?本文將從技術(shù)發(fā)展方面進行分析。
文/金三立視頻科技(深圳)有限公司 顏永輝 肖莉
什么是熱成像技術(shù)
在自然界中，所有高于絕對零度(-273.15℃)的物體都在不停的往外輻射和該物體本身性質(zhì)、溫度相關(guān)的電磁波，這一現(xiàn)象稱之為熱輻射。不同的溫度，物體所發(fā)出的熱輻射波長不同。
熱成像技術(shù)是指利用感紅外探測器和光學(xué)成像物鏡接受被測目標(biāo)的紅外輻射能量分布圖形反映到紅外探測器的光敏元件上，從而獲得紅外熱像圖，這種熱像圖與物體表面的熱分布場相對應(yīng)。通俗地講熱成像就是將物體發(fā)出的不可見紅外熱輻射能量轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姷囊曨l圖像。
熱成像技術(shù)的發(fā)展歷程
1800年英國物理學(xué)家赫胥爾利用涂黑的水銀溫度計發(fā)現(xiàn)紅外輻射，此后很長一段時間人們都將水銀溫度計作為紅外探測器，直到1833年梅羅里利用銻化鉍作為熱電堆材料，才大幅提高了熱電堆紅外探測器的探測靈敏度。接下來的100多年中，紅外探測技術(shù)不斷提升，我們大致可以將這段發(fā)展史分為三個階段。
第一階段：光子單元探測為主。這一階段大致起源于20世紀(jì)50年代，當(dāng)時只能研制出一些基于單元器件的熱像儀，其特點是場頻較低，只能小范圍使用。直到20世紀(jì)70年代中長波碲鎘汞(MCT)材料與光導(dǎo)型多元線列器件工藝成熟之后，熱像儀才開始大量生產(chǎn)并裝備軍隊。這一時期熱像儀的種類繁多，可大致分為通用組件化的熱像儀和按特殊要求設(shè)計的熱像儀兩類。
第二階段：致冷型紅外焦平面陣列為主。不用光機掃描而用紅外焦平面陣列(IRFPA)器件成像的熱像儀，由于去掉了光機掃描，這種用大規(guī)模焦平面成像的傳感器被稱為凝視傳感器。它的特點是體積小、重量輕、可靠性高。在俯仰方向可有數(shù)百元以上的探測器陣列，可得到更大張角的視場，還可采用特殊的掃描機構(gòu)，用比通用熱像儀慢得多的掃描速度完成360度全方位掃描以保持高靈敏度。
第三階段：非致冷紅外成像技術(shù)為主。第三代紅外熱像技術(shù)采用的紅外焦平面探測器單元數(shù)已達到320X240元或更高(即100000 1000000)，其性能提高了近3個數(shù)量級。目前，3～5 m焦平面探測器的單元靈敏度又比8～14 m探測器高2-3倍左右。因而，基于320 240元的中波與長波熱像儀的總體性能指標(biāo)相差不大，所以3～5 m焦平面探測器在第三代焦平面熱成像技術(shù)中格外的重要。
熱成像應(yīng)用現(xiàn)狀
紅外熱成像在國內(nèi)也已經(jīng)發(fā)展了幾十年，在應(yīng)用方面，典型的行業(yè)主要集中在森林防火、電力監(jiān)控、邊防監(jiān)控、海島監(jiān)控、動物保護、人體測溫等等，這些行業(yè)專業(yè)性很強，項目預(yù)算較高，應(yīng)用環(huán)境相對惡劣，施工難度大，維護成本高昂，所以熱成像較難以呈現(xiàn)爆發(fā)式發(fā)展，這一細分市場競爭也比較激烈。
隨著近年國產(chǎn)熱成像探測器的逐漸成熟，已有不少的大小廠商具備了生產(chǎn)熱像機芯、模組，以及配套的熱成像鏡頭的能力，效果和技術(shù)指標(biāo)上面已經(jīng)可以與FLIR等國際先進企業(yè)一爭高下。國產(chǎn)探測器的逐步量產(chǎn)，打破了核心部件長期被國外廠家壟斷的局面，使得熱成像模組價格逐漸親民，為熱成像產(chǎn)品的快速增長打下基礎(chǔ)。
目前國內(nèi)的熱成像攝像機主要分為監(jiān)控型以及測溫預(yù)警型兩大類。監(jiān)控型熱成像攝像機主要提供實時視頻圖像，通過偽彩圖像來觀察監(jiān)控物體的溫度分布，技術(shù)含量和價格都比較低，對于大部分的并不需要精確測溫的市場應(yīng)用較為普遍。測溫預(yù)警型產(chǎn)品除了提供實時的視頻圖像外，還可以提供畫面中各像素點的溫度信息，并能提供多區(qū)域測溫，鼠標(biāo)點擊測溫等多種測溫模式，還可以設(shè)置溫度報警閾值，測溫型熱成像攝像機需要廠商開發(fā)測溫算法，研發(fā)投入大，成本較高，主要應(yīng)用于電力在線測溫，人體測溫等需要精確知道物體溫度的場景。
雖然熱成像攝像機目前有各種外觀形態(tài)，如槍機形態(tài)、球機形態(tài)、手持設(shè)備、云臺形態(tài)等，但因國內(nèi)攝像機主要用于電力在線測溫、森林防火、水利、海島監(jiān)控等場景，最適合的熱成像產(chǎn)品形態(tài)還是云臺型產(chǎn)品，國內(nèi)廠商創(chuàng)造了特有的雙波段熱成像云臺結(jié)構(gòu)，利用熱成像攝像機來探測溫度，用可見光攝像機來觀察全景以及細節(jié)。但目前絕大部分廠家所提供的雙波段熱成像云臺攝像機都是簡單的硬件拼湊和堆疊，內(nèi)部各個功能模塊，如熱成像機芯、可見光機芯、云臺、交換機等都出自不同廠家，其本身集成度較差，二次開發(fā)程度不夠，熱成像視頻和可見光視頻無法形成良好的雙通道聯(lián)動，大大影響了客戶體驗。
總的來說，因為熱成像產(chǎn)品現(xiàn)階段價格還較高，產(chǎn)品實際功能還不夠完善等原因，熱成像攝像機目前還只是應(yīng)用在一些特殊行業(yè)，暫時還沒有形成爆發(fā)性的的增長模式。
雙波段熱成像攝像機在輸電線路防山火監(jiān)測系統(tǒng)上的應(yīng)用
眾所周知，輸電線路一般建設(shè)在城郊、山區(qū)等偏遠地帶，縱橫延伸幾百米、幾千米不等，周遭環(huán)境復(fù)雜多變，對監(jiān)控設(shè)備挑戰(zhàn)較大。熱成像攝像機可在晝夜及極端天氣正常使用，并可克服雨、霧、煙等障礙，有效捕捉一切發(fā)熱物體圖像。國內(nèi)一些知名廠商如金三立，針對熱成像攝像機的這些特點，已推出適用于電力行業(yè)在各種環(huán)境下的在線監(jiān)測系統(tǒng)，其中美譽度較高的有輸電線路防山火監(jiān)測系統(tǒng)等。
輸電線路防山火監(jiān)控系統(tǒng)用于對高壓輸電線路周邊的實時山火監(jiān)測，用戶在監(jiān)控中心就可以獲取遠方線路山火、焚燒秸稈、燒紙等威脅線路安全的山火事件，一旦發(fā)生山火災(zāi)情，便可在第一時間發(fā)出報警，以便及時撲滅山火，保障輸電線路穩(wěn)定運行。
輸電線路防山火監(jiān)控系統(tǒng)含有多個子系統(tǒng)，防山火視頻監(jiān)控系統(tǒng)便是其中之一。這個子系統(tǒng)桿塔端采用雙波段熱成像云臺攝像機，可對監(jiān)控區(qū)域進行可見光視頻和紅外輻射的同步監(jiān)測，一但發(fā)生山火，雙波段熱成像云臺攝像機探測到的溫度超過設(shè)定閾值即可自動報警。監(jiān)控人員可結(jié)合溫度數(shù)據(jù)和實時視頻畫面進行判斷并快速響應(yīng)。
在這個系統(tǒng)中，桿塔端裝置通過太陽能供電系統(tǒng)供電，通過無線傳輸裝置將視頻信號傳輸至后端監(jiān)控中心。熱成像、太陽能供電、4G無線傳輸、低功耗云臺等技術(shù)保障系統(tǒng)供電穩(wěn)定、通信可靠和視頻清晰。
值得一提的是系統(tǒng)中監(jiān)控中心配置的輸電線路防山火監(jiān)測平臺，通過集合各在線監(jiān)測子系統(tǒng)，對輸電架空線路的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測，實現(xiàn)異常及故障狀態(tài)的預(yù)警和報警，實現(xiàn)設(shè)備健康狀況的動態(tài)評估，實現(xiàn)管理模式從 事后處置 到 事前預(yù)警 、 粗放控制 到 狀態(tài)評估 、 定期巡視 到 狀態(tài)監(jiān)視 的轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)電網(wǎng)運行狀態(tài)的多維可視化以及異常立體報警模式，對突發(fā)事件實現(xiàn)三位一體的應(yīng)急指揮。
目前，電力行業(yè)是國內(nèi)熱成像技術(shù)應(yīng)用最多的民用行業(yè)，作為目前較為成熟有效的電力在線檢測手段，熱成像技術(shù)可有效縮短電力設(shè)備檢修時間，大大提高設(shè)備運行的可靠性。但是考慮到設(shè)備成本等問題，各省對熱成像設(shè)備采購數(shù)量有限，在應(yīng)用較多的廣東、江蘇、山東等經(jīng)濟發(fā)達的沿海地區(qū)，設(shè)備擁有量也不到需求量的一半，內(nèi)陸地區(qū)熱成像設(shè)備擁有量更少，這說明熱成像產(chǎn)品存在巨大的潛在市場。
熱成像攝像機發(fā)展趨勢
對國內(nèi)廠家來說，在跟隨市場需求的同時，更需要思考推出差異化，符合細分市場需求的整機解決方案，而不是進行簡單的硬件堆疊，才能未來激烈的競爭中有所收獲。目前來看，市面上雙波段的熱成像云臺攝像機產(chǎn)品，只不過是簡單地將熱成像機芯、可見光機芯、云臺、交換機進行硬件堆疊，熱成像和可見光之間并沒有實現(xiàn)真正的聯(lián)動和融合。另外，國內(nèi)市場長期的 重產(chǎn)品、輕應(yīng)用 的發(fā)展方式，導(dǎo)致目前并沒有針對熱成像監(jiān)控的行業(yè)解決方案和定制化平臺，熱成像產(chǎn)品更多的時候只是用來簡單的實現(xiàn)溫度告警，造成投資的浪費。還有，雖然國內(nèi)熱成像傳感器取得了較大的進步，但是還是沒有實現(xiàn)真正意義上的量產(chǎn)，整體良率較低，導(dǎo)致成本還是過高，部分客戶雖然有意向采用先進的熱成像攝像機方案，但是迫于預(yù)算壓力，只能專用較低成本的高清可見光方案。
總的來說，熱成像如果要進一步打開市場，需要進一步的內(nèi)外兼修。對內(nèi)，需要加大科研投入，提升產(chǎn)品核心競爭力，降低成本;對外，要通過行業(yè)定制，推出高附加值的智能化產(chǎn)品，提供行業(yè)整體解決方案，真正解決行業(yè)客戶的實際問題。
