熱成像技術

熱成像技術是指利用紅外探測器和光學成像物鏡接受被測目標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。通俗地講紅外熱像儀就是將物體發出的不可見紅外能量轉變為可見的熱圖像。熱圖像上面的不同顏色代表被測物體的不同溫度。

基本介紹

• 中文名：熱成像技術
• 技術原理：根據所有物體都發熱
• 發現：1800年英國的天文學家發現
• 波長：0.78~1000μm

技術原理

熱成像技術是根據所有物體都發熱這一事實來實現的。儘管許多物體從外表看不出什麼，但在其上仍有冷熱之分。藉助熱圖上的顏色可以看到溫度的分布，紅色、粉紅表示比較高的溫度，藍色和綠色表示了較低的溫度。

發現

1800年英國的天文學家Mr.WilliamHerschel用分光稜鏡將太陽光分解成從紅色到紫色的單色光，依次測量不同顏色光的熱效應。他發現，當水銀溫度計移到紅色光邊界以外，人眼看不見任何光線的黑暗區的時候，溫度反而比紅光區更高。反覆試驗證明，在紅光外側，確實存在一種人眼看不見的“熱線”，後來稱為“紅外線”，也就是“紅外輻射”。

紅外線普遍存於自然界中，任何溫度高於絕對零度（-273.16℃）的物體都會發出紅外線，比如冰塊。

光波

光線就是可見光，是人眼能夠感受的電磁波。可見光的波長為：0.38—0.78微米。比0.38微米短的電磁波和比0.78微米長的電磁波，人眼都無法感受。比0.38微米短的電磁波位於可見光光譜紫色以外，稱為紫外線，比0.78微米長的電磁波位於可見光光譜紅色以外，稱為紅外線。紅外線，又稱紅外輻射，是指波長為0.78~1000微米的電磁波。其中波長為0.78~2.0微米的部分稱為近紅外，波長為2.0~1000微米的部分稱為熱紅外線。照相機成像得到照片，電視攝像機成像得到電視圖像，都是可見光成像。自然界中，一切物體都可以輻射紅外線，因此利用探測儀測定目標的本身和背景之間的紅外線差並可以得到不同的紅外圖像，熱紅外線形成的圖像稱為熱圖。目標的熱圖像和目標的可見光圖像不同，它不是人眼所能看到的目標可見光圖像，而是目標表面溫度分布圖像，換一句話說，紅外熱成像使人眼不能直接看到目標的表面溫度分布，變成人眼可以看到的代表目標表面溫度分布的熱圖像。

發展

從第二次世界大戰開始，熱成像技術就已套用在軍事上。由於這種儀器是靠熱輻射來工作的，它能夠透過漆黑的戰場讓士兵們清楚地看到敵方的行蹤。又由於它為無源性接收系統，比無線電雷達等可見光裝置更安全、隱蔽。

現在，熱成像技術已經廣泛套用在日常生活當中。一個重要套用是診斷疾病，大家都知道，當某一部位出現炎症時，體溫會升高，測量體溫能夠判斷有無炎症，但不能確定炎症的具體位置，而熱像儀可以直觀給出人體溫度場分布圖，將病變的熱圖與正常熱圖比較，就可以從異常變化上診斷病灶部位。熱成像技術也能在手術室大顯身手。當血液流經剛剛被安置的動脈血管時，熱像儀上的動脈管的顏色由灰變白，而在通常情況下，肉眼是很難觀察到血管是否暢通無阻的。

與診斷疾病類似，高壓輸變電的電器部件、火車軸箱、電路板等出現故障，也可以用熱像儀直接觀測檢查，避免故障帶來的損失。熱像儀也可以用於地質調查，地熱探查，森林植被分布，大氣與海洋監測，火災的發現與救援。熱像儀可以幫助救援者發現那些被濃煙和黑暗隱僻住的遇難者，從而救出他們。

熱成像技術還能幫助科學家們進一步探索宇宙的奧秘。可以預期未來熱成像技術的套用領域將會得到更充分的開發，推廣和普及。

中國的熱成像技術起步於70年代中期，經過20多年來不懈的努力，依靠我們自己的技術力量，中國工程人員已經成功地研製開發出了多種熱像儀和熱成像系統。性能優良的紅外熱像儀正在廣泛地套用於中國的國防和國民經濟建設中。

成像儀

美國德克薩斯儀器公司（TI）在1964年首次研製成功第一代的熱紅外成像裝置，叫紅外前視系統，這類裝置利用光學元件運動機械，對目標的熱輻射進行圖像分解掃描，然後套用光電探測器進行光——電轉換，最後形成視頻圖像信號，並在螢屏上顯示，紅外前視系統至今仍是軍用飛機、艦船和坦克上的重要裝置。六十年代中期，在紅外前視裝置的基礎上，開發了具有溫度測量功能的熱紅外成像裝置。這種第二代紅外成像裝置，通常稱為熱像儀。

七十年代研製出不需致冷的紅外熱電視產品。九十年代出現致冷型和非致冷型的焦平面紅外熱成像產品，這是一種最新一代的紅外電視產品，可以進行大規模的工業化生產，把紅外熱成像的套用提高到一個新的階段。

七十年代中國有關單位已經開始對紅外熱成像技術進行研究，到八十年代初，中國在長波紅外元件的研製和生產技術上有了一定進展。到了八十年代末和九十年代初，中國已經研製成功了實時紅外成像樣機，其靈敏度、溫度解析度都達到很高的水平。

進入九十年代，中國在紅外成像設備上使用低噪音寬頻帶前置放大器，微型致冷器等關鍵技術方面有了發展，並且從實驗走向套用，主要用途用於部隊，例如攜帶型野戰熱像儀，反坦克飛彈、防空雷達以及坦克、軍艦火炮等。中國在紅外熱成像技術方面，已經投入了大量人力物力，形成了相當規模的研發力量，但是總的來講，與世界先進水平差距很大，與西方相比，約差10年以上。目前國外已經開始在部隊裝備第二代紅外熱成像儀，並開始了第三代的研發工作，但中國現在才推廣第一代紅外成像儀。在國際上，美國、法國、以色列是這方面的先行者，其它國家包括俄羅斯均處下游水平。近幾年來，中國的紅外成像技術得到突飛猛進的發展，與西方的差距正在逐步縮小，有些設備的先進性也可同西方同步，相信中國和西方的差距會進一步縮小，尤其在新技術的套用方面更可以獨樹一幟。紅外熱成像產品，可以分為致冷型的.非致冷型兩大類。目前，最先進的紅外熱成像儀，其溫度靈敏的可達0.03攝氏度。無論白天、黑夜均可用於持紅外儀來探測叢林中的敵人，其距離可達百米之遙，作為邊防緝私，更可以追蹤海上走私的大飛，其距離可達數公里。通過熱像儀不僅可實時對目標進行觀測，更可以通過其行蹤軌跡的“熱痕跡”進行動態分析，因為一般物體的熱發散有一定的時間性，有些物體的熱發散需要很大時間。例如部隊點燃的炊煙，曾經發動過的車輛等都可以留下“熱痕跡”。第一代熱像儀主要由帶有掃描裝置的光學儀器和電子放大線路、顯示器等部件組成，已經成功裝備部隊，並在夜間的地面觀察、空中偵察、水面保險等作出重要的貢獻。第二代熱成像儀主要採用焦平面陣列技術，集成數萬個乃至數十萬個信號放大器，將晶片置於光學系統的焦平面上，取得目標的全景圖像，無需光——機掃描系統，大大提高了靈敏度和熱解析度，可以進一步提高目標的探測距離和識別能力。

司法界定

美國最高法院針對房屋內的熱成像技術中確立新的界線，認定這屬於<第四修正案>中所指的搜查。一九九二年一月的一天，聯邦探員懷疑DannyKyllo在其家中種植大麻植物於是使用了熱成像儀來測量Kyllo房子中的熱輻射。熱成像儀偵測到存在熱輻射幾乎所有的目標都有熱輻射散出，且存在於散射出的溫度值之間。聯邦探員將熱成像儀固定在DannyKyllo房子的街對面，遠離其房子周圍部分，熱成像的結果顯示屋頂和側牆都比房子的其他部分溫度高而且比其鄰居的房屋溫度高。持有這些偵測結果以及其他的相關信息，聯邦探員相信DannyKyllo確實在使用鹵化燈種植大麻，於是他申請並獲得了搜查令。

在隨後對Kyllo的搜查中探員發現在嫌疑人屋內生長著近百株大麻植物。Kyllo因違反Title21U.S.C.§841（a）（1）生產大麻被起訴。Kyllo在開庭審判前提出申請要求排除證據。而這一申請被法院駁回。在能夠做到對熱進行測度之後的第九年，聯邦最高法院終於同意對居家房屋中發散出的熱進行偵測是否屬於《第四修正案》所指的合理搜查的一種做出裁判。

《第四修正案》中部分條文規定人民擁有在其家中獲得確保免受不合理搜查的權利。直到一九六七年在Katzv.UnitedStates案中最高法院才首次制定出這樣的原則，即當人們主觀上期待存在並為社會所確認具有合理性的隱私受到政府侵犯之時，即發生《第四修正案》所指的搜查。自Katz案後最高法院即對什麼是合理隱私期待給出指引。在關於房屋的情形下，這一問題關涉到合理隱私期待在高度上達至的範圍（四百至一千英尺）以及其橫向所至的終點（止於緊鄰房屋對外有隔欄的區域）。Katz案的事實正是在這樣的背景下提出了一個獨特的問題，從房屋內發散出的熱是在直接毗鄰房屋的區域之外被測度到的，但是熱本身又是在房屋內產生的。在最高法院看來，很明顯Kyllo對自己的房屋有隱私期待，而且社會一直承認一個人的居家房屋是他最重要的存有合理隱私期待的區域。然而自Katz案以後，最高法院同樣指出任何暴露於公共之下或是暴露於合法在場的執法人員之下的事物，即使是處在存在合理隱私期待的區域，仍然將失去《第四修正案》對其的保護（依據直接目視規則）。

在二〇〇一年六月十一日聯邦最高法院以五票對四票接近均勢的判決宣布熱成像構成了對第四修正案的違反（非常不同尋常的大法官組合斯卡利亞、斯庫特、托馬斯、金斯博格和布萊耶加入同一陣營的司法意見）。在這份司法判決中大法官得出結論認為由政府使用並不是為一般公眾所使用的儀器探索居家房屋內的事物、了解在過去只有通過物理侵入方式才能知悉的屋內事物細節，這樣的做法侵犯了人們的合理隱私期待屬於《第四修正案》意義內的不合理搜查。

對於法律執行工作而言這意味著什麼呢？很明顯這意味著法律執行人員不能使用熱成像儀測度從房屋內發散出的熱。更具重要意義的是，最高法院的意見似乎是暗示著任何由法律執行官使用非為一般公眾所使用的儀器而實施的侵入具有高度合理隱私期待的區域（房屋）的行動都可能會提出《第四修正案》上的棘手問題。在司法意見中，最高法院重申，《第四修正案》在房屋的入口處劃出了一道堅定的界線，執法官員無論是走入房間還是測度從房屋裡發散出的熱或是執行其他任何方式的侵入式監控都必須獲得建立在合理可能之上的令狀。隨著監控技術近日來以彈射般飛速精近，很自然地可以懷疑最高法院今後將會處理更多這類案件尤其是在處理涉及合理隱私期待的區域。