文/丁軍

眾所周知，熱成像技術(shù)最早應(yīng)用在軍事領(lǐng)域。該技術(shù)被引入到安防領(lǐng)域后，以其隱蔽性好、全天候應(yīng)用和超遠(yuǎn)距離覆蓋等諸多優(yōu)點(diǎn)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)安防監(jiān)控的不足，在國防、森林防火、港口等特定監(jiān)控行業(yè)應(yīng)用中發(fā)揮著舉足輕重的作用，但由于整體成本過高，難以得到廣泛應(yīng)用。

本文試圖從技術(shù)發(fā)展、方案匹配、市場應(yīng)用等多個(gè)維度分析熱成像技術(shù)在監(jiān)控領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展趨勢。

技術(shù)發(fā)展

熱成像是一種被動式紅外夜視技術(shù)，其原理是基于自然界中一切溫度高于絕對零度（-273℃）的物體會輻射出紅外線，且不同物體的輻射能力各不相同，那么熱成像就是利用物體與背景環(huán)境的輻射差異，以及景物本身各部分輻射的差異形成的熱量分布圖進(jìn)行成像，從而顯示出整個(gè)場景的輪廓特征。

熱成像系統(tǒng)的核心部件是探測器，其作用等同于光學(xué)成像中的光學(xué)傳感器。光學(xué)傳感器是將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，而探測器是將物體輻射出的熱特性轉(zhuǎn)換成電信號，由此形成圖像信息。探測器又分為制冷式系統(tǒng)和非制冷式系統(tǒng)，其中制冷式紅外熱成像系統(tǒng)具有更高的靈敏度，但需要設(shè)計(jì)復(fù)雜的制冷系統(tǒng)，一般應(yīng)用在軍事領(lǐng)域，而非制冷式紅外熱成像系統(tǒng)雖然靈敏度略差，但系統(tǒng)小巧，相對成本更低，適合應(yīng)用在安防領(lǐng)域。

在紅外探測器研發(fā)和制造領(lǐng)域，美國FLIR（前視紅外）公司是歷史最為悠久的一家，其產(chǎn)品范圍涉及紅外熱像儀、航空攝像機(jī)和機(jī)械檢測系統(tǒng)等，該公司在紅外熱像儀領(lǐng)域的積累已有50多年，擁有世界一流的紅外熱像儀產(chǎn)品和配套技術(shù)支持。而法國ULIS作為后起之秀，主要為OEM廠家提供非制冷紅外傳感器及相關(guān)模組。

自從熱成像技術(shù)應(yīng)用于安防以來，F(xiàn)LIR、ULIS等廠家陸續(xù)推出一系列適合監(jiān)控應(yīng)用的探測器模組，以滿足一些攝像機(jī)廠家的集成需求，目前國內(nèi)主流紅外熱成像攝像機(jī)廠商所采用的模組基本都是來自這兩個(gè)廠家。當(dāng)然，從上世紀(jì)七十年代開始，我國開始投入對紅外熱成像技術(shù)以來，近幾年我國紅外成像技術(shù)更是得到突飛猛進(jìn)的發(fā)展，有些國內(nèi)熱成像企業(yè)自行研制的探測器性能也得到大幅提升。

鑒于上述，安防企業(yè)在進(jìn)入紅外熱成像領(lǐng)域時(shí)，首先會選擇低耦合度的實(shí)現(xiàn)方案，即選用國外成品的機(jī)芯或模組，配合自己擅長的編碼，組合成一套熱成像監(jiān)控系統(tǒng)，這套方案的優(yōu)點(diǎn)是性能更好，系統(tǒng)更穩(wěn)定，但由于FLIR、ULIS的模組價(jià)格過高，整機(jī)成本難以控制；而另一類企業(yè)則選用國產(chǎn)模組，或基于國產(chǎn)探測器自行開發(fā)機(jī)芯，以此降低整機(jī)成本，但這需要在圖像處理方面投入一定的人力進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)國產(chǎn)模組在工藝水平、成像效果、動態(tài)范圍等方面與國外廠家均存在差異。

分辨率方面，目前主流的仍是384×288，更高分辨率（如640×480）的模組由于性價(jià)比不高，目前還難以應(yīng)用到安防領(lǐng)域。由于熱成像系統(tǒng)提供的是基于熱分布的輪廓，而不是像可見光系統(tǒng)那樣能夠呈現(xiàn)肉眼可分辨的人物細(xì)節(jié)，因此對分辨率沒有特別的要求。

方案匹配

考慮到綜合性價(jià)比，監(jiān)控系統(tǒng)中選用的軟硬件方案是根據(jù)不同應(yīng)用需求進(jìn)行設(shè)計(jì)。

絕大部分監(jiān)控需求在200米以內(nèi)，這類監(jiān)控應(yīng)用一般采用LED紅外燈或白光燈進(jìn)行補(bǔ)光，前者具有隱蔽效果，后者則具有顯色性和警示作用，半球、筒機(jī)、槍機(jī)、球機(jī)等常見機(jī)型都屬于此應(yīng)用范疇。這類監(jiān)控方案中，白天通過自然光獲取彩色圖像，夜晚則通過補(bǔ)光獲取圖像，白光補(bǔ)光可以獲得和白天相同的彩色圖像，而紅外補(bǔ)光下只能獲得黑白圖像，由于不同色彩在紅外光和自然光下的反射效果不同，且紅外光無顯色性，因此紅外燈照射情況下獲取的圖像與自然光下的圖像具有較大差異，即便如此，由于人物細(xì)節(jié)或物體紋理都得到有效還原，因此紅外補(bǔ)光仍是當(dāng)前監(jiān)控應(yīng)用中的首選。

當(dāng)監(jiān)控距離超過200米時(shí)，為保證遠(yuǎn)距離圖像效果，補(bǔ)光光線需要更加聚集，而這已達(dá)到LED透鏡角度設(shè)計(jì)極限；同時(shí)，考慮到補(bǔ)光行程中能量損耗較大，遠(yuǎn)距離下照度急劇下降，因此需要設(shè)計(jì)更多的LED補(bǔ)光燈，這樣不僅導(dǎo)致綜合成本增加，而且由于LED散熱量大，造成熱設(shè)計(jì)復(fù)雜度提升；因此，綜合考慮選用另一種補(bǔ)光方案——激光燈。激光能量聚集，激光燈產(chǎn)品一般將激光打散、勻化后再作為光源使用，加之激光燈功耗低，因此作為中遠(yuǎn)距離補(bǔ)光光源的最佳選擇。常見采用激光補(bǔ)光的機(jī)型有激光球機(jī)、激光云臺等。激光燈波長處于800～820nm紅外波段，其補(bǔ)光效果等同于LED紅外補(bǔ)光燈。由于激光燈角度小、能量聚集，夜間近距離凝視可能會灼傷視網(wǎng)膜，因此在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和監(jiān)控應(yīng)用中需要進(jìn)行規(guī)避，并盡量避免采用大功率激光器，因此激光在監(jiān)控中的應(yīng)用一般在1000米以內(nèi)。

1000米以上的監(jiān)控應(yīng)用一般采用熱成像系統(tǒng)，熱成像相比傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)具有顯著優(yōu)勢：

隱蔽性好：熱成像技術(shù)基于被動式紅外探測技術(shù)，通過熱敏材料感應(yīng)物體紅外輻射的強(qiáng)度，不會發(fā)出任何光線，因此熱像儀具有很好的隱蔽性，不容易被監(jiān)控目標(biāo)發(fā)現(xiàn)。

全天候應(yīng)用：大氣、煙云等可吸收可見光和近紅外線，但是對3～5μm和8～14μm的紅外線卻是透明的，這兩個(gè)波段被稱為紅外線的“大氣窗口”。 熱成像技術(shù)就是利用這兩個(gè)窗口感應(yīng)紅外能量，它可以在完全無光的夜晚，或是在雨、雪、大霧等惡劣環(huán)境下應(yīng)用，能夠清晰地觀察到所需監(jiān)控的目標(biāo)。正是由于這個(gè)特點(diǎn)，紅外熱成像技術(shù)能真正做到24h全天候監(jiān)控。

超遠(yuǎn)距離：熱成像技術(shù)探測能力強(qiáng)，因此最早應(yīng)用于軍事。目前手持式及裝于輕武器上的熱成像儀可讓使用者看清800m以上的人體；且瞄準(zhǔn)射擊的作用距離為2～3km；在艦艇上觀察水面可達(dá)10km；在1.5km高的直升機(jī)上可發(fā)現(xiàn)地面單兵的活動；在20km高的偵察機(jī)上可發(fā)現(xiàn)地面的人群和行駛的車輛，并可分析海水溫度的變化而探測到水下潛艇等。安防領(lǐng)域使用的熱成像產(chǎn)品可以發(fā)現(xiàn)3～5km以外的人或車。

干擾少：傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)容易受強(qiáng)逆光、夜間車大燈直射等光線因素影響，造成監(jiān)控圖像質(zhì)量的下降。而熱像儀是通過測量物體表面各點(diǎn)溫度的高低，直觀地顯示物體表面的溫度場，并以圖像形式顯示出來，因此不會受到環(huán)境光線的影響。

特殊用途：熱成像技術(shù)基于探測物體表面紅外輻射來實(shí)現(xiàn)，其對溫度具有很高的靈敏度，因此除利用其作為全天候、超遠(yuǎn)距離監(jiān)控應(yīng)用外，在森林防火、防疫等特殊領(lǐng)域應(yīng)用具有天然優(yōu)勢。如在森林防火中，火災(zāi)往往是由不明顯的隱火引發(fā)的，這是毀滅性火災(zāi)的根源。普通監(jiān)控?zé)o法發(fā)現(xiàn)這種隱性火災(zāi)苗頭，而熱像儀可以通過監(jiān)控區(qū)域溫度分布快速、有效地發(fā)現(xiàn)這些隱火，并且可以準(zhǔn)確判定火災(zāi)的地點(diǎn)和范圍，做到早知道、早預(yù)防、早撲滅。

雖然熱成像技術(shù)具備以上諸多優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)在一系列特殊場景下的應(yīng)用限制，但也可避免地存在一些缺陷，阻礙了其在安防領(lǐng)域中的應(yīng)用：

圖像對比度低，細(xì)節(jié)分辨能力差：熱像儀通過物體表面溫差進(jìn)行成像，而一般物體表面的溫差較小，因此熱像儀無法分辨出物體的細(xì)節(jié)。

不同穿透玻璃等透明障礙物：傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)中，光線可以輕松穿透玻璃，獲得清晰的監(jiān)控圖像。而由于熱成像系統(tǒng)種，玻璃阻隔了物體的溫差，因此熱像儀無法透過玻璃進(jìn)行監(jiān)控。

成本高：這是目前阻礙熱成像技術(shù)廣泛應(yīng)用的最重要因素。雖然近年來國產(chǎn)探測器廠家取得了長足的進(jìn)步，但由于成本過高，導(dǎo)致熱成像技術(shù)成為少數(shù)特殊行業(yè)的專業(yè)應(yīng)用，而普通行業(yè)則很難染指。

通過分析以上限制，在熱成像系統(tǒng)部署時(shí)，一般采用彩色系統(tǒng)與熱成像系統(tǒng)同步的方式。即在同一臺監(jiān)控平臺上同時(shí)部署一套彩色監(jiān)控系統(tǒng)和一套熱成像系統(tǒng)，兩套系統(tǒng)的成像作相互彌補(bǔ)、相互參照，以此發(fā)揮各自系統(tǒng)的優(yōu)勢。

結(jié)束語

綜述，本文通過多個(gè)維度分析了熱成像技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀。在技術(shù)方面，國內(nèi)已經(jīng)擁有自主開發(fā)探測器、機(jī)芯的技術(shù)能力，打破了國外廠家在這一領(lǐng)域的壟斷地位，使熱成像系統(tǒng)整體造價(jià)得到有效控制，但在工藝水平、靈敏度等方面與國外廠家仍存在差異，國產(chǎn)探測器仍有較長的路要走；在監(jiān)控方案設(shè)計(jì)方面，考慮到綜合性價(jià)比，目前僅1000米以外的監(jiān)控應(yīng)用才會考慮選用熱成像技術(shù)，這使熱成像被定位在傳統(tǒng)安防領(lǐng)域無法滿足的狹小的應(yīng)用區(qū)間內(nèi)；而在市場方面，熱成像系統(tǒng)更是少數(shù)特殊行業(yè)中的特殊應(yīng)用。根據(jù)紅外熱成像的技術(shù)特點(diǎn)，系統(tǒng)主要應(yīng)用在森林防火、邊防、水利、港口、機(jī)場、重要區(qū)域或目標(biāo)安保等監(jiān)控場合。這類應(yīng)用場景具有范圍廣、環(huán)境惡劣多變等共性，這正是熱成像技術(shù)發(fā)揮其優(yōu)勢的場合。而在道路監(jiān)控、平安城市、園區(qū)監(jiān)控等傳統(tǒng)監(jiān)控行業(yè)中，由于一般無需覆蓋這么大的監(jiān)控范圍，且熱成像成本過高，一般不會采用。

因此，未來熱成像技術(shù)仍將處于技術(shù)完善、方案推廣階段，真正的大規(guī)模應(yīng)用很難實(shí)現(xiàn)。