專業(yè)解讀：霧對紅外熱像儀性能影響

俊泰行- 產(chǎn)品用于多光譜光電系統(tǒng)在安全領(lǐng)域和科學(xué)領(lǐng)域智能應(yīng)用，包括可見光系統(tǒng)，紅外熱成像長波、中波和短波光電系統(tǒng)。給用戶提供硬件系統(tǒng)和智能管理軟件系統(tǒng)，涉及整體事件和需求解決方案業(yè)務(wù)，且提供產(chǎn)品售后和技術(shù)方案服務(wù)。

01

可見光、中波、長波光譜分析

圖片來源于網(wǎng)絡(luò)

上面的光譜圖這里不多說，熱像儀有兩個重要波段：3.0-5μm（MWIR）和 8-14μm（LWIR）。5-8μm波段被水蒸氣對大氣的光譜吸收阻擋大，以至于很少用于成像。配備非制冷傳感器的熱像儀設(shè)計用于在波長介于 7 至 14 微米之間的長波紅外(LWIR)波段工作，在該波段，地面目標(biāo)發(fā)射大部分紅外能量，非制冷檢測很容易。配備冷卻探測器（傳感器冷卻至低溫）的熱像儀對場景溫度的微小溫差最敏感，通常設(shè)計用于在中波紅外波段(MWIR)或長波(LWIR)中成像。

紅外線在大氣中穿透比較好的波段，通常稱為“大氣窗口”。紅外熱成像檢測技術(shù)，就是利用了所謂的“大氣窗口”。短波窗口在1~5um之間，而長波窗口則是在8~14um之間。

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02

專業(yè)解讀： 霧對紅外熱像儀性能影響

霧分類：

一種常用的分類是國際民用航空組織(ICAO)使用的分類。根據(jù)該系統(tǒng)，霧可分為4類：

I類：可視范圍1220米
II類：可視范圍610米
IIIa類：可視范圍305米
IIIc類：可視范圍92米

在有霧的大氣中能見度下降的原因是霧粒子對自然或人工照明的吸收和散射。吸收和散射的量取決于霧粒子的微觀物理結(jié)構(gòu)，也稱為氣溶膠。

霧對紅外熱像儀性能影響：

熱像儀根據(jù)物體發(fā)出的熱輻射差異產(chǎn)生圖像，這種紅外信號必須從目標(biāo)傳播到相機的距離越遠(yuǎn)，沿途丟失的信號就越多。這意味著需要考慮衰減因子，即入射輻射與通過屏蔽材料傳輸?shù)妮椛涞谋嚷?。潮濕的空氣充?dāng)紅外輻射的“屏障”，由于濕度水平增加，夏季月份的大氣通常比冬季月份具有較高的衰減。一般來說，冬季晴朗的天空和良好的天氣條件使用熱像儀比夏季看得遠(yuǎn)。

可見光、中波、長波在不通類型的霧模型中透過率比較

大氣傳輸模型-霧

不同范圍的大氣光譜傳輸可以對不同大氣窗口中的能見度進(jìn)行簡單的定性比較。

CAT I 可視范圍：1220m

圖片來源于網(wǎng)絡(luò) 可見光波段（0.4-0.75um）,透射率明顯低于兩個紅外窗口，在這些條件下，無論是使用長波探測器還是中波探測器，熱像儀都將比肉眼看得遠(yuǎn)。 當(dāng)我們在模型中將能見度降低到具有輻射霧的CAT II條件時，它預(yù)測只有LWIR（8-12微米）波段優(yōu)于可見波段，并且中波紅外熱像儀不會比裸眼看得遠(yuǎn)。

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最后，在能見度低于300 m的Cat III條件下（圖3），使用熱像儀可以看到的距離與用肉眼可以看到的距離之間沒有顯著差異。

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下表比較了肉眼（視覺）、MWIR相機和LWIR相機在霧中的檢測范圍（以公里為單位），假設(shè)目標(biāo)與背景之間的溫差為10°C，檢測閾值為0.15 ?

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專業(yè)分析

使用長波紅外熱像儀，絕對濕度低，較佳的條件出現(xiàn)在冬季，在MWIR波段，檢測范圍在夏季或熱帶氣候中常見的高溫條件下是較佳的。

IR的所有檢測范圍都明顯優(yōu)于Cat I霧的視覺范圍。對于Cat II霧，配備LWIR探測器的熱像儀的結(jié)果是可見光的四倍。

在Cat IIIa和Cat IIIc霧中，使用熱像儀和肉眼可以看到的距離幾乎沒有區(qū)別，因為大氣是限制因素。輻射不會在所有（可見光、MWIR和LWIR）光譜帶中穿透這種濃霧。

在所有研究案例中，與MWIR波段相比，LWIR成像儀實現(xiàn)了較高程度的霧穿透。對于Cat II霧，與MWIR波段相比，LWIR光譜波段的范圍性能大約提高了四倍。但是，須考慮傳感器熱靈敏度和目標(biāo)特征，才能為任何給定應(yīng)用提供較佳的系統(tǒng)。

解讀結(jié)論與結(jié)果

根據(jù)這些模型，與第一類和第二類霧中的可視波段相比，熱紅外波段提供了較好的距離性能。因此，熱紅外熱像儀適合幫助用戶看穿這些類型的霧。這些模型還表明，熱成像攝像機可能會用作飛機的著陸輔助設(shè)備，或作為交通和汽車行業(yè)駕駛員視覺增強系統(tǒng)的一部分。

此外，在所有研究案例中，與MWIR波段相比，LWIR成像儀實現(xiàn)了較高程度的霧穿透。對于II類霧，與MWIR波段相比，長波紅外光譜波段的射程性能提高了約四倍。 MWIR輻射受到大氣污染物和污染氣體的不利影響（可能會增加大氣吸收和/或增加路徑內(nèi)輻射水平，這兩者都會降低目標(biāo)圖像對比度），而LWIR受到的影響要小得多。雨水可以顯著降低目標(biāo)對比度（由于大氣散射和一般遮蔽的增加），而LWIR和MWIR在降雨情況下的表現(xiàn)類似。由于降雨，紅外系統(tǒng)性能下降對距離很敏感，在100-500米范圍內(nèi)急劇下降。

就像很難對“用熱成像相機我能看到多遠(yuǎn)”這個問題給出簡單的答案一樣，同樣不可能說在霧天或雨天的情況下，距離會短多少。這不僅取決于大氣條件和霧的類型，還取決于使用的紅外熱像儀和目標(biāo)的特性（目標(biāo)和背景的大小、溫差等）。

03

紅外熱像儀相比于可見光相機的優(yōu)勢

現(xiàn)狀：雖然滿足各種透霧要素的透霧攝像機雖一定程度上獲得了用戶的認(rèn)可，但高清透霧攝像機的問世，很大程度上得益于透霧高清電動鏡頭，得益于濾光片，還有優(yōu)秀的算法。可見光的透霧處理集合了多種圖像算法，但這種基于圖像還原的技術(shù)，其致命缺陷在于霧霾嚴(yán)重時無法還原丟失的信息，這是其成像原理決定的，即使圖像還原算法再先進(jìn)，也無法改善。霧霾天氣，以可見光為首的監(jiān)控安防系統(tǒng)如果不滿足透霧的所有要素，就顯得無可奈何、力不從心。

普通可見光相機的工作波長在380到780納米之間，小于2.5微米，物體反射的可見光被pm2.5所阻擋, 無法到達(dá)相機端，從而導(dǎo)致了常常在可見光相機在霧霾天氣中無法使用。因此，如何解決霧霾所導(dǎo)致能見度低的問題成為當(dāng)今人們所關(guān)注的重點。但擁有波長8- 14um的紅外熱像儀卻不需要任何光學(xué)和電子透霧的模型和算法，甚至青出于藍(lán)更勝于藍(lán)，可以有效的避免氣候環(huán)境所帶來的干擾，尤其是在霧霾天可見光相機可視范圍嚴(yán)重受影響的情況下，紅外熱像儀仍然能夠保證很好的監(jiān)控效果，基本不受霧霾影響，解決霧霾所導(dǎo)致能見度低的問題。

大霧天，紅外熱像儀與可見光相機成像效果對比

通過對比，可以發(fā)現(xiàn)，在霧霾天氣中，可見光沒有穿透功能，而紅外熱成像具有透煙透霧透霾。

審核編輯 ：李倩