遠距離監測用制冷式與非制冷式熱像儀比較

 

   安防行業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測用熱成像儀系統時，都需要具體分析情況。當市場上有其它功能相當、成本更低的系統時，更需如此。

 

   本篇技術說明介紹了當今市場上提供的兩種遠距離熱成像儀系統：制冷式和非制冷式系統。這兩種系統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具有極為重要的意義。

 

   現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8000-10000小時之后，就必須重新換置低溫制冷器。

 

   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。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計為在長波紅外或LWIR波段下工作。

 

 

 

   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，這種探測器有溫度系數極大的小型氧化釩電阻與硅元件結合而成，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，這些變化將被轉化為電子信號，隨后被處理成圖像。

非制冷傳感器設計為在長波紅外或波長為7到14微米的LWIR波段工作。在這種環境下，陸地溫度目標會散發出決大部分的紅外能。

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。在安防應用中，通常需要熱像儀連續不斷的工作，以避免遺漏任何威脅。制冷熱像儀一般在使用1至2年時間后就需要進修維修，而非制冷熱像儀卻可以連續工作多年。

 

 

   在非制冷熱像儀的所有這些優點面前，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：當監測范圍達到5KM以上時，使用基于制冷熱像儀的熱成像系統會更具成本效益。

 

   在這里，需要注意強調“系統”這個詞。熱像儀只是成像“系統”中的一個組件。在遠距離熱成像系統中，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。

 

   在短焦距環境中，由于鏡頭的成本只占系統成本的一小部分，因此制冷式系統的成本就顯得較高。隨著焦距變大，制冷系統的成本不會迅速增加，但非制冷系統卻會。這種成本差異是由鏡頭引起的，在迅速發展的全球紅外光學市場上，其交叉點也在不斷變化（當前對于一般系統而言，交叉點是在350mm）

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    這涉及到另一個極為重要的鏡頭參數，f數。f數決定著鏡頭的聚光能力，因此對熱像儀系統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f數不變。

 

   非制冷熱像儀必須在較低f數（通常為1.4至2）下運行，才能獲得與制冷熱像儀相當的敏感度。更高的f數會降低非制冷熱像儀的敏感度，而且沒有辦法彌補鏡頭光信號的減少。

   光學系統的f數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足夠大的光學毛坯件。

 

   相比之下，制冷熱像儀系統可以在光圈數為f/4甚至更高的情況下操作，而不會對系統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，即可產生50/60Hz甚至更高的視頻幀速，因此可以達到安防行業的標準。非制冷熱像儀無法增大積分時間，它會連續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鏡頭也已經問世。

 

   遠距離熱紅外監測需要使用長焦距鏡頭，非制冷熱像儀系統的鏡頭成本會隨著焦距的增大而迅速增加，制冷熱像儀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，非制冷系統的系統成本（機芯加鏡頭）會超過制冷式系統。要在數公里的范圍內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，在這種應用條件下，使用制冷熱像儀系統會更具成本效益，至少初始系統成本會更低。

 

   系統設計師在構建成本模型時必須考慮低溫制冷器的使用壽命為8000-10000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，每次維修費用是系統整體費用的10%，則在4年當中使用制冷系統的成本即為初始系統成本的1.2倍。由于FLIR Systems在熱成像儀領域已擁有50余年的專業經驗，并可同時生產制冷和非制冷系統，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用目的做出明智的決策。