熱成像雖然已被大眾所熟知但與國外相比，其使用范圍遠(yuǎn)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(jìn)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(yuǎn)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(jìn)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(jī)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(jī)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(jī)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(dá)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(hù)、人體測溫等等，這些行業(yè)專業(yè)性很強(qiáng)，項目預(yù)算較高，應(yīng)用環(huán)境相對惡劣，施工難度大，維護(hù)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(xì)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(jī)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(jìn)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)目前有各種外觀形態(tài)，如槍機(jī)形態(tài)、球機(jī)形態(tài)、手持設(shè)備、云臺形態(tài)等，但因國內(nèi)攝像機(jī)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(jī)來探測溫度，用可見光攝像機(jī)來觀察全景以及細(xì)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(jī)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(jī)芯、可見光機(jī)芯、云臺、交換機(jī)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(jī)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(jī)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(yuǎn)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(jī)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(jī)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(yuǎn)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(jī)，可對監(jiān)控區(qū)域進(jìn)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(jī)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(jìn)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(jìn)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(jì)發(fā)達(dá)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(jī)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(xì)分市場需求的整機(jī)解決方案，而不是進(jìn)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(jī)產(chǎn)品，只不過是簡單地將熱成像機(jī)芯、可見光機(jī)芯、云臺、交換機(jī)進(jìn)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(jìn)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(jìn)的熱成像攝像機(jī)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(jìn)一步打開市場，需要進(jìn)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。
