遠距離監(jiān)測用制冷式與非制冷式熱像儀比較

FLIR遠距離監(jiān)測用制冷式與非制冷式熱像儀比較
技術(shù)說明
COMMERCIAL VISION SYSTEMS 安防行業(yè)市場對價格非常敏感而且競 爭特別激烈。在購買任何昂貴的中遠 距離監(jiān)測用熱成像儀系統(tǒng)時，都需 要具體分析情況。當市場上有其它功 能相當、成本更低的系統(tǒng)時，更需如 此。本篇技術(shù)說明介紹了當今市場上 提供的兩種遠距離熱成像儀系統(tǒng)：制 冷式和非制冷式系統(tǒng)。這兩種系統(tǒng)的 組件成本存在相當大的差異，因此對 于決定選擇哪一種系統(tǒng)具有極為重要 的意義。

制冷式熱成像儀 現(xiàn)代化制冷式熱成像儀的成像傳感器 中集成了一個低溫制冷器。這種裝置 可以給傳感器降溫度。降低探測器溫 度，是為了使熱噪聲的信號低于成像 信號。 低溫制冷器的活動部件的機械公差 極小，會隨著時間磨損，而且氦氣也 會慢慢泄露。在使用時間達到 8,000- 10,000 小時之后，就必須重新?lián)Q置低 溫制冷器。 制冷式熱成像儀是對場景中的細小溫 度差異最為敏感的一種熱像儀。它們 可以探測到物體之間最細小的溫度差 異。這種熱像儀能夠在中波紅外或者 說光譜中的中波紅外波段進行成像， 而這個波段的熱對比度高度依賴于黑 體物理學(xué)。熱對比度是由目標溫度變 化而引起的信號變化。熱對比度越 高，就越容易探測到與背景溫度差別 不太大的目標。 一般而言，中波紅外熱像儀在夜間成 像的對比度要比其他波段的紅外熱像 儀的圖像更鮮明。制冷式熱成像儀也 可以設(shè)計為在長波紅外或 LWIR 波段下 工作。 在低亮度或完全黑暗的環(huán)境中進行遠距離監(jiān)測，是熱成像技術(shù)的一 種完美應(yīng)用。這種監(jiān)測常用于大多數(shù)威脅發(fā)生在夜間的邊境地帶或 寬闊的場地。市場上推出的用于中遠距離監(jiān)測的熱成像儀為用戶提 供了多種選擇。用戶經(jīng)常會問：我應(yīng)該使用制冷式還是非制冷式熱 成像系統(tǒng)？哪一種系統(tǒng)最具成本效益？
遠距離監(jiān)測用制冷式與非制冷式 熱像儀比較 非制冷熱成像儀 非制冷紅外熱成像儀的成像傳感器不 需要低溫制冷。它采用的探測器通常 是以微測輻射熱計為基礎(chǔ)，這種探測 器由溫度系數(shù)極大的小型氧化釩電阻 與硅元件結(jié)合而成，具有面積大、低 熱能和熱絕緣性能良好等特點。場景 溫度的變化會引起輻射熱計溫度的變 化，這些變化將被轉(zhuǎn)化為電子信號， 隨后被處理成圖像。非制冷傳感器設(shè) 計為在長波紅外或波長為 7 至 14 微米 的 LWIR 波段中工作。在這種環(huán)境下， 陸地溫度目標會散發(fā)出絕大部分的紅 外能。 完全黑暗環(huán)境中的遠距離監(jiān)測是熱成像技術(shù)的一種完美應(yīng)用。 PTZ-35x140 MS：帶有兩個非制冷式微測輻射熱計探測 器，用于中遠距離監(jiān)測的熱成像儀。

低溫制冷器 技術(shù)說明 非制冷熱像儀一般比制冷紅外熱像儀 的價格更低廉，其傳感器的制造步 驟比制冷傳感器少，產(chǎn)量更高，真空 包裝成本也更便宜。此外，非制冷熱 像儀不需要低溫制冷器這種昂貴的裝 置。 非制冷熱像儀帶有更少的運動組件， 在相同操作條件下，其使用壽命比制 冷熱像儀更長。在安防應(yīng)用中，通常 需要熱像儀連續(xù)不斷的工作，以避免 遺漏任何威脅。制冷熱像儀一般在使 用 1 至 2 年時間后就需要進行維修，而 非冷熱像儀卻可以連續(xù)工作多年。 選擇制冷還是非制冷熱像儀？ 在非制冷熱像儀的所有這些優(yōu)點面 前，人們會提出一個問題：在什么情 況下適合使用制冷熱像儀？答案是： 當監(jiān)測范圍達到 5km 以上時，使用基 于制冷熱像儀的熱成像系統(tǒng)會更具成 本效益。 在這里，需要注意強調(diào)“系統(tǒng)”這個 詞。熱像儀只是成像“系統(tǒng)”的一個 組件。在遠距離熱成像系統(tǒng)中，最昂 貴的一種組件是鏡頭。隨著有效范圍 要求的增加，非制冷熱像儀系統(tǒng)的鏡 頭會變得很龐大，并且價格很昂貴。 這樣，采用相同焦距的鏡頭的制冷式 熱像儀就顯得更實惠。

在短焦距環(huán)境中，由于鏡頭的成本只 占系統(tǒng)成本的一小部分，因此制冷式 系統(tǒng)的成本就顯得較高。隨著焦距變 大，制冷系統(tǒng)的成本不會迅速增加， 但非制冷系統(tǒng)卻會。這種成本差異是 由鏡頭引起的，在迅速發(fā)展的全球 紅 外光學(xué)市場上，其交叉點也在不斷變 化（當前對于一般系統(tǒng)而言，交叉點 是在 350mm）。 長焦距環(huán)境中非制冷系統(tǒng)的鏡頭為什 么會如此昂貴？ 這涉及到另一個極為重要的鏡頭參 數(shù)，f數(shù)。f數(shù)決定著鏡頭的聚光能力， 因此對熱像儀系統(tǒng)的敏感度有重大影 響。鏡頭焦距增大時，前端鏡頭的直 徑必須增大，以保持系統(tǒng)f數(shù)不變。 非制冷熱像儀必須在較低f數(shù)（通常為 1.4 至 2）下運行， 才能獲得與制冷 熱像儀相當?shù)拿?感度。更高的f數(shù) 會降低非制冷熱 像儀的敏感度， 而且沒辦法彌補 鏡頭光信號的減 少。 光學(xué)系統(tǒng)的f 數(shù) 是鏡頭焦距與前 端鏡頭直徑的 比率。焦距為 500mm 的 f/2 鏡 頭，必須采用直徑為 250mm 的前端鏡 頭。這樣的前端鏡頭元件非常昂貴， 并且已經(jīng)達到用鍺金屬制造的極限， 部分原因在于很難用原始的鍺材料生 產(chǎn)出足夠大的光學(xué)毛坯件。 相比之下，制冷熱像儀系統(tǒng)可以在光 圈數(shù)為 f/4 甚至更高的情況下操作，而 不會對系統(tǒng)的敏感度造成重大影響。 這是因為制冷熱像儀可以增大曝光時 間或積分時間來彌補光吞吐量的減 少。 采用 f/5 鏡頭時，其需要的積分時間少 于 10 毫秒，即可產(chǎn)生 50/60Hz 甚至更 高的視頻幀速，因此可以達到安防行 業(yè)的標準。非制冷熱像儀無法增大積 分時間，它會連續(xù)不斷地整合來自場 景的紅外光線。焦距為 500mm 的 f/4 鏡頭只需要直徑為 125mm 前端鏡頭元 件，這比 250mm 前端鏡頭元件要便宜 得多。目前，商用做到制冷系統(tǒng)可以 做到焦距更長的 f/4 鏡頭（最大焦距可 達 1000mm），極遠焦距（幾米甚至更 遠）的 f/7.5 鏡頭也已經(jīng)問世。

結(jié)論：
遠距離熱紅外監(jiān)測需要使用長焦距鏡 頭，非制冷熱像儀系統(tǒng)的鏡頭成本會 隨著焦距的增大而迅速增加，制冷熱 像儀系統(tǒng)的成本相對而言增加較慢。 因此，雖然制冷熱像儀機芯的成本比 非制冷熱像儀的機芯要高出很多，當 焦距達到 350mm 以上時，非制冷系統(tǒng) 的系統(tǒng)成本（機芯加鏡頭）會超過制 冷式系統(tǒng)。要在數(shù)公里的范圍內(nèi)獲得 人類大小的目標的圖像，熱像儀鏡頭 的焦距必須超過 350mm。因此，在這 種應(yīng)用條件下，使用制冷熱像儀系統(tǒng) 會更具成本效益，至少初始系統(tǒng)成本 會更低。
系統(tǒng)設(shè)計師在構(gòu)建成本模型時必須 FLIR考慮低溫制冷器的使用壽命為 8,000- 10,000 小時這一因素，以獲得最佳解決 方案。如果低溫制冷器每 2 年需要進 行一次維修，每次維修的費用是系統(tǒng) 整體費用的 10%，則在 4 年當中使用 制冷系統(tǒng)的成本即為初始系統(tǒng)成本的 1.2 倍。由于 FLIR Systems 在熱成像儀領(lǐng) 域已擁有 50 余年的專業(yè)經(jīng)驗，并可同 時生產(chǎn)制冷和非制冷系統(tǒng)，因此我們 可以始終為您提供必需的信息，幫助 您針對特定的應(yīng)用目的做出明智的決 策。 特此感謝 Dr. Austin Richards 博士撰寫此 文，并感謝 Pierre Boulanger 先生所做的 貢獻。 �像�成本與焦距之�的相��系 相�成本 焦距 (mm) 0 100 200 300 400 500 600 100 75 50 25 0 非制冷�像� 制冷�像� 冷卻式和非冷卻式攝像機（包括鏡頭）的成本模型 HRC-S 是采用制冷銻化銦 (InSb) 探測器的熱成像儀的一 個示例。 TN_0709_0005_CH