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解读红外热像仪相比于可见光相机优势

01

可见光、中波、长波光谱分析

解读红外热像仪相比于可见光相机优势

上面的光谱图(下图中的透射率图来源于网络),热像仪有两个重要波段:3.0-5μm(MWIR)和 8-14μm(LWIR)。5-8μm波段被水蒸气对大气的光谱吸收阻挡大,以至于很少用于成像。配备非制冷传感器的热像仪设计用于在波长介于 7 至 14 微米之间的长波红外(LWIR)波段工作,在该波段,地面目标发射大部分红外能量,非制冷检测很容易。配备冷却探测器(传感器冷却至低温)的热像仪对场景温度的微小温差最敏感,通常设计用于在中波红外波段(MWIR)或长波(LWIR)中成像。

红外线在大气中穿透比较好的波段,通常称为“大气窗口”。红外热成像检测技术,就是利用了所谓的“大气窗口”。短波窗口在1~5um之间,而长波窗口则是在8~14um之间

解读红外热像仪相比于可见光相机优势

02

专业解读: 雾对红外热像仪性能影响

雾分类:

一种常用的分类是国际民用航空组织(ICAO)使用的分类。根据该系统,雾可分为4类:

I类:可视范围1220米
II类:可视范围610米
IIIa类:可视范围305米
IIIc类:可视范围92米

在有雾的大气中能见度下降的原因是雾粒子对自然或人工照明的吸收和散射。吸收和散射的量取决于雾粒子的微观物理结构,也称为气溶胶。

雾对红外热像仪性能影响:

热像仪根据物体发出的热辐射差异产生图像,这种红外信号必须从目标传播到相机的距离越远,沿途丢失的信号就越多。这意味着需要考虑衰减因子,即入射辐射与通过屏蔽材料传输的辐射的比率。潮湿的空气充当红外辐射的“屏障”,由于湿度水平增加,夏季月份的大气通常比冬季月份具有更高的衰减。一般来说,冬季晴朗的天空和良好的天气条件使用热像仪比夏季看得更远。

可见光、中波、长波在不通类型的雾模型中透过率比较

大气传输模型-雾

不同范围的大气光谱传输可以对不同大气窗口中的能见度进行简单的定性比较。

CAT I 可视范围:1220m

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可见光波段(0.4-0.75um),透射率明显低于两个红外窗口,在这些条件下,无论是使用长波探测器还是中波探测器,热像仪都将比肉眼看得更远。

当我们在模型中将能见度降低到具有辐射雾的CAT II条件时,它预测只有LWIR(8-12微米)波段优于可见波段,并且中波红外热像仪不会比裸眼看得更远眼睛

解读红外热像仪相比于可见光相机优势

最后,在能见度低于300 m的Cat III条件下(图3),使用热像仪可以看到的距离与用肉眼可以看到的距离之间没有显着差异。

解读红外热像仪相比于可见光相机优势

下表比较了肉眼(视觉)、MWIR相机和LWIR相机在雾中的检测范围(以公里为单位),假设目标与背景之间的温差为10°C,检测阈值为0.15 ķ

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专业分析

使用长波红外热像仪,绝对湿度低,最佳条件出现在冬季,在MWIR波段,检测范围在夏季或热带气候中常见的高温条件下是最佳的。

IR的所有检测范围都明显优于Cat I雾的视觉范围。对于Cat II雾,配备LWIR探测器的热像仪的结果是可见光的四倍。

在Cat IIIa和Cat IIIc雾中,使用热像仪和肉眼可以看到的距离几乎没有区别,因为大气是限制因素。辐射不会在所有(可见光、MWIR和LWIR)光谱带中穿透这种浓雾。

在所有研究案例中,与MWIR波段相比,LWIR成像仪实现了更高程度的雾穿透。对于Cat II雾,与MWIR波段相比,LWIR光谱波段的范围性能大约提高了四倍。但是,必须考虑传感器热灵敏度和目标特征,才能为任何给定应用提供最佳系统。

专业解读结论与结果

根据这些模型,与第一类和第二类雾中的可视波段相比,热红外波段提供了更好的距离性能。因此,热红外热像仪非常适合帮助用户看穿这些类型的雾。这些模型还表明,热成像摄像机可能会用作飞机的着陆辅助设备,或作为交通和汽车行业驾驶员视觉增强系统的一部分。

此外,在所有研究案例中,与MWIR波段相比,LWIR成像仪实现了更高程度的雾穿透。对于II类雾,与MWIR波段相比,长波红外光谱波段的射程性能提高了约四倍。然而,必须考虑传感器的热灵敏度和目标特征,以获得适用于任何给定应用的最佳系统。

MWIR辐射受到大气污染物和污染气体的不利影响(可能会增加大气吸收和/或增加路径内辐射水平,这两者都会降低目标图像对比度),而LWIR受到的影响要小得多。雨水可以显著降低目标对比度(由于大气散射和一般遮蔽的增加),而LWIR和MWIR在降雨情况下的表现类似。由于降雨,红外系统性能下降对距离非常敏感,在100-500米范围内急剧下降。

就像很难对“用热成像相机我能看到多远”这个问题给出简单的答案一样,同样不可能说在雾天或雨天的情况下,距离会短多少。这不仅取决于大气条件和雾的类型,还取决于使用的红外热像仪和目标的特性(目标和背景的大小、温差等)。

03

红外热像仪相比于可见光相机的优势

现状:虽然满足各种透雾要素的透雾摄像机虽一定程度上获得了用户的认可,但高清透雾摄像机的问世,很大程度上得益于透雾高清电动镜头,得益于滤光片,还有优秀的算法。可见光的透雾处理集合了多种图像算法,但这种基于图像还原的技术,其致命缺陷在于雾霾严重时无法还原丢失的信息,这是其成像原理决定的,即使图像还原算法再先进,也无法改善。雾霾天气,以可见光为首的监控安防系统如果不满足透雾的所有要素,就显得无可奈何、力不从心。

普通可见光相机的工作波长在380到780纳米之间,远远小于2.5微米,物体反射的可见光被pm2.5所阻挡, 无法到达相机端,从而导致了常常在可见光相机在雾霾天气中无法使用。因此,如何解决雾霾所导致能见度低的问题成为当今人们所关注的重点。但拥有波长8- 14um的红外热像仪却不需要任何光学电子透雾的模型和算法,甚至青出于蓝更胜于蓝,可以有效的避免气候环境所带来的干扰,尤其是在雾霾天可见光相机可视范围严重受影响的情况下,红外热像仪仍然能够保证很好的监控效果,基本不受雾霾影响,完美的解决雾霾所导致能见度低的问题。

大雾天,红外热像仪与可见光相机成像效果对比

解读红外热像仪相比于可见光相机优势

通过对比,可以发现,在雾霾天气中,可见光没有穿透功能,而红外热成像具有透烟透雾透霾

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审核编辑 :李倩

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