是什么阻擋了國(guó)內(nèi)熱成像技術(shù)的爆發(fā)之路

[摘要] 熱成像雖然已被大眾所熟知但與國(guó)外相比，其使用范圍遠(yuǎn)不及國(guó)外，真正能用到這一技術(shù)的人并不太多，為什么會(huì)出現(xiàn)這樣的情況?本文將從技術(shù)發(fā)展方面進(jìn)行分析。

從全球范圍看，熱成像技術(shù)已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于醫(yī)療、電力、消防、建筑、軍事等各大領(lǐng)域，但是就國(guó)內(nèi)而言，熱成像雖然已被大眾所熟知但與國(guó)外相比，其使用范圍遠(yuǎn)不及國(guó)外，真正能用到這一技術(shù)的人并不太多，為什么會(huì)出現(xiàn)這樣的情況?本文將從技術(shù)發(fā)展方面進(jìn)行分析。

文/金三立視頻科技(深圳)有限公司 顏永輝 肖莉

什么是熱成像技術(shù)

在自然界中，所有高于絕對(duì)零度(-273.15℃)的物體都在不停的往外輻射和該物體本身性質(zhì)、溫度相關(guān)的電磁波，這一現(xiàn)象稱之為熱輻射。不同的溫度，物體所發(fā)出的熱輻射波長(zhǎng)不同。

熱成像技術(shù)是指利用感紅外探測(cè)器和光學(xué)成像物鏡接受被測(cè)目標(biāo)的紅外輻射能量分布圖形反映到紅外探測(cè)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(chǎng)相對(duì)應(yīng)。通俗地講熱成像就是將物體發(fā)出的不可見(jiàn)紅外熱輻射能量轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢?jiàn)的視頻圖像。

熱成像技術(shù)的發(fā)展歷程

1800年英國(guó)物理學(xué)家赫胥爾利用涂黑的水銀溫度計(jì)發(fā)現(xiàn)紅外輻射，此后很長(zhǎng)一段時(shí)間人們都將水銀溫度計(jì)作為紅外探測(cè)器，直到1833年梅羅里利用銻化鉍作為熱電堆材料，才大幅提高了熱電堆紅外探測(cè)器的探測(cè)靈敏度。接下來(lái)的100多年中，紅外探測(cè)技術(shù)不斷提升，我們大致可以將這段發(fā)展史分為三個(gè)階段。

第一階段：光子單元探測(cè)為主。這一階段大致起源于20世紀(jì)50年代，當(dāng)時(shí)只能研制出一些基于單元器件的熱像儀，其特點(diǎn)是場(chǎng)頻較低，只能小范圍使用。直到20世紀(jì)70年代中長(zhǎng)波碲鎘汞(MCT)材料與光導(dǎo)型多元線列器件工藝成熟之后，熱像儀才開(kāi)始大量生產(chǎn)并裝備軍隊(duì)。這一時(shí)期熱像儀的種類(lèi)繁多，可大致分為通用組件化的熱像儀和按特殊要求設(shè)計(jì)的熱像儀兩類(lèi)。

第二階段：致冷型紅外焦平面陣列為主。不用光機(jī)掃描而用紅外焦平面陣列(IRFPA)器件成像的熱像儀，由于去掉了光機(jī)掃描，這種用大規(guī)模焦平面成像的傳感器被稱為凝視傳感器。它的特點(diǎn)是體積小、重量輕、可靠性高。在俯仰方向可有數(shù)百元以上的探測(cè)器陣列，可得到更大張角的視場(chǎng)，還可采用特殊的掃描機(jī)構(gòu)，用比通用熱像儀慢得多的掃描速度完成360度全方位掃描以保持高靈敏度。

第三階段：非致冷紅外成像技術(shù)為主。第三代紅外熱像技術(shù)采用的紅外焦平面探測(cè)器單元數(shù)已達(dá)到320X240元或更高(即100000—1000000)，其性能提高了近3個(gè)數(shù)量級(jí)。目前，3～5μm焦平面探測(cè)器的單元靈敏度又比8～14μm探測(cè)器高2-3倍左右。因而，基于320×240元的中波與長(zhǎng)波熱像儀的總體性能指標(biāo)相差不大，所以3～5μm焦平面探測(cè)器在第三代焦平面熱成像技術(shù)中格外的重要。

熱成像應(yīng)用現(xiàn)狀

紅外熱成像在國(guó)內(nèi)也已經(jīng)發(fā)展了幾十年，在應(yīng)用方面，典型的行業(yè)主要集中在森林防火、電力監(jiān)控、邊防監(jiān)控、海島監(jiān)控、動(dòng)物保護(hù)、人體測(cè)溫等等，這些行業(yè)專業(yè)性很強(qiáng)，項(xiàng)目預(yù)算較高，應(yīng)用環(huán)境相對(duì)惡劣，施工難度大，維護(hù)成本高昂，所以熱成像較難以呈現(xiàn)爆發(fā)式發(fā)展，這一細(xì)分市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)也比較激烈。

隨著近年國(guó)產(chǎn)熱成像探測(cè)器的逐漸成熟，已有不少的大小廠商具備了生產(chǎn)熱像機(jī)芯、模組，以及配套的熱成像鏡頭的能力，效果和技術(shù)指標(biāo)上面已經(jīng)可以與FLIR等國(guó)際先進(jìn)企業(yè)一爭(zhēng)高下。國(guó)產(chǎn)探測(cè)器的逐步量產(chǎn)，打破了核心部件長(zhǎng)期被國(guó)外廠家壟斷的局面，使得熱成像模組價(jià)格逐漸親民，為熱成像產(chǎn)品的快速增長(zhǎng)打下基礎(chǔ)。

目前國(guó)內(nèi)的熱成像攝像機(jī)主要分為監(jiān)控型以及測(cè)溫預(yù)警型兩大類(lèi)。監(jiān)控型熱成像攝像機(jī)主要提供實(shí)時(shí)視頻圖像，通過(guò)偽彩圖像來(lái)觀察監(jiān)控物體的溫度分布，技術(shù)含量和價(jià)格都比較低，對(duì)于大部分的并不需要精確測(cè)溫的市場(chǎng)應(yīng)用較為普遍。測(cè)溫預(yù)警型產(chǎn)品除了提供實(shí)時(shí)的視頻圖像外，還可以提供畫(huà)面中各像素點(diǎn)的溫度信息，并能提供多區(qū)域測(cè)溫，鼠標(biāo)點(diǎn)擊測(cè)溫等多種測(cè)溫模式，還可以設(shè)置溫度報(bào)警閾值，測(cè)溫型熱成像攝像機(jī)需要廠商開(kāi)發(fā)測(cè)溫算法，研發(fā)投入大，成本較高，主要應(yīng)用于電力在線測(cè)溫，人體測(cè)溫等需要精確知道物體溫度的場(chǎng)景。

雖然熱成像攝像機(jī)目前有各種外觀形態(tài)，如槍機(jī)形態(tài)、球機(jī)形態(tài)、手持設(shè)備、云臺(tái)形態(tài)等，但因國(guó)內(nèi)攝像機(jī)主要用于電力在線測(cè)溫、森林防火、水利、海島監(jiān)控等場(chǎng)景，最適合的熱成像產(chǎn)品形態(tài)還是云臺(tái)型產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)廠商創(chuàng)造了特有的雙波段熱成像云臺(tái)結(jié)構(gòu)，利用熱成像攝像機(jī)來(lái)探測(cè)溫度，用可見(jiàn)光攝像機(jī)來(lái)觀察全景以及細(xì)節(jié)。但目前絕大部分廠家所提供的雙波段熱成像云臺(tái)攝像機(jī)都是簡(jiǎn)單的硬件拼湊和堆疊，內(nèi)部各個(gè)功能模塊，如熱成像機(jī)芯、可見(jiàn)光機(jī)芯、云臺(tái)、交換機(jī)等都出自不同廠家，其本身集成度較差，二次開(kāi)發(fā)程度不夠，熱成像視頻和可見(jiàn)光視頻無(wú)法形成良好的雙通道聯(lián)動(dòng)，大大影響了客戶體驗(yàn)。

總的來(lái)說(shuō)，因?yàn)闊岢上癞a(chǎn)品現(xiàn)階段價(jià)格還較高，產(chǎn)品實(shí)際功能還不夠完善等原因，熱成像攝像機(jī)目前還只是應(yīng)用在一些特殊行業(yè)，暫時(shí)還沒(méi)有形成爆發(fā)性的的增長(zhǎng)模式。

雙波段熱成像攝像機(jī)在輸電線路防山火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上的應(yīng)用

眾所周知，輸電線路一般建設(shè)在城郊、山區(qū)等偏遠(yuǎn)地帶，縱橫延伸幾百米、幾千米不等，周遭環(huán)境復(fù)雜多變，對(duì)監(jiān)控設(shè)備挑戰(zhàn)較大。熱成像攝像機(jī)可在晝夜及極端天氣正常使用，并可克服雨、霧、煙等障礙，有效捕捉一切發(fā)熱物體圖像。國(guó)內(nèi)一些知名廠商如金三立，針對(duì)熱成像攝像機(jī)的這些特點(diǎn)，已推出適用于電力行業(yè)在各種環(huán)境下的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其中美譽(yù)度較高的有輸電線路防山火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等。

輸電線路防山火監(jiān)控系統(tǒng)用于對(duì)高壓輸電線路周邊的實(shí)時(shí)山火監(jiān)測(cè)，用戶在監(jiān)控中心就可以獲取遠(yuǎn)方線路山火、焚燒秸稈、燒紙等威脅線路安全的山火事件，一旦發(fā)生山火災(zāi)情，便可在第一時(shí)間發(fā)出報(bào)警，以便及時(shí)撲滅山火，保障輸電線路穩(wěn)定運(yùn)行。

輸電線路防山火監(jiān)控系統(tǒng)含有多個(gè)子系統(tǒng)，防山火視頻監(jiān)控系統(tǒng)便是其中之一。這個(gè)子系統(tǒng)桿塔端采用雙波段熱成像云臺(tái)攝像機(jī)，可對(duì)監(jiān)控區(qū)域進(jìn)行可見(jiàn)光視頻和紅外輻射的同步監(jiān)測(cè)，一但發(fā)生山火，雙波段熱成像云臺(tái)攝像機(jī)探測(cè)到的溫度超過(guò)設(shè)定閾值即可自動(dòng)報(bào)警。監(jiān)控人員可結(jié)合溫度數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)視頻畫(huà)面進(jìn)行判斷并快速響應(yīng)。

在這個(gè)系統(tǒng)中，桿塔端裝置通過(guò)太陽(yáng)能供電系統(tǒng)供電，通過(guò)無(wú)線傳輸裝置將視頻信號(hào)傳輸至后端監(jiān)控中心。熱成像、太陽(yáng)能供電、4G無(wú)線傳輸、低功耗云臺(tái)等技術(shù)保障系統(tǒng)供電穩(wěn)定、通信可靠和視頻清晰。

值得一提的是系統(tǒng)中監(jiān)控中心配置的輸電線路防山火監(jiān)測(cè)平臺(tái)，通過(guò)集合各在線監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)，對(duì)輸電架空線路的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)異常及故障狀態(tài)的預(yù)警和報(bào)警，實(shí)現(xiàn)設(shè)備健康狀況的動(dòng)態(tài)評(píng)估，實(shí)現(xiàn)管理模式從“事后處置”到“事前預(yù)警”、“粗放控制”到“狀態(tài)評(píng)估”、“定期巡視”到“狀態(tài)監(jiān)視”的轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的多維可視化以及異常立體報(bào)警模式，對(duì)突發(fā)事件實(shí)現(xiàn)三位一體的應(yīng)急指揮。

目前，電力行業(yè)是國(guó)內(nèi)熱成像技術(shù)應(yīng)用最多的民用行業(yè)，作為目前較為成熟有效的電力在線檢測(cè)手段，熱成像技術(shù)可有效縮短電力設(shè)備檢修時(shí)間，大大提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性。但是考慮到設(shè)備成本等問(wèn)題，各省對(duì)熱成像設(shè)備采購(gòu)數(shù)量有限，在應(yīng)用較多的廣東、江蘇、山東等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的沿海地區(qū)，設(shè)備擁有量也不到需求量的一半，內(nèi)陸地區(qū)熱成像設(shè)備擁有量更少，這說(shuō)明熱成像產(chǎn)品存在巨大的潛在市場(chǎng)。

熱成像攝像機(jī)發(fā)展趨勢(shì)

對(duì)國(guó)內(nèi)廠家來(lái)說(shuō)，在跟隨市場(chǎng)需求的同時(shí)，更需要思考推出差異化，符合細(xì)分市場(chǎng)需求的整機(jī)解決方案，而不是進(jìn)行簡(jiǎn)單的硬件堆疊，才能未來(lái)激烈的競(jìng)爭(zhēng)中有所收獲。目前來(lái)看，市面上雙波段的熱成像云臺(tái)攝像機(jī)產(chǎn)品，只不過(guò)是簡(jiǎn)單地將熱成像機(jī)芯、可見(jiàn)光機(jī)芯、云臺(tái)、交換機(jī)進(jìn)行硬件堆疊，熱成像和可見(jiàn)光之間并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)真正的聯(lián)動(dòng)和融合。另外，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)長(zhǎng)期的“重產(chǎn)品、輕應(yīng)用”的發(fā)展方式，導(dǎo)致目前并沒(méi)有針對(duì)熱成像監(jiān)控的行業(yè)解決方案和定制化平臺(tái)，熱成像產(chǎn)品更多的時(shí)候只是用來(lái)簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)溫度告警，造成投資的浪費(fèi)。還有，雖然國(guó)內(nèi)熱成像傳感器取得了較大的進(jìn)步，但是還是沒(méi)有實(shí)現(xiàn)真正意義上的量產(chǎn)，整體良率較低，導(dǎo)致成本還是過(guò)高，部分客戶雖然有意向采用先進(jìn)的熱成像攝像機(jī)方案，但是迫于預(yù)算壓力，只能專用較低成本的高清可見(jiàn)光方案。

總的來(lái)說(shuō)，熱成像如果要進(jìn)一步打開(kāi)市場(chǎng)，需要進(jìn)一步的內(nèi)外兼修。對(duì)內(nèi)，需要加大科研投入，提升產(chǎn)品核心競(jìng)爭(zhēng)力，降低成本;對(duì)外，要通過(guò)行業(yè)定制，推出高附加值的智能化產(chǎn)品，提供行業(yè)整體解決方案，真正解決行業(yè)客戶的實(shí)際問(wèn)題。