什么是热成像？红外热成像简介

利用由红外传感器组成的专用红外热像仪来捕捉和显示物体的图像，这就是热成像过程。我们的眼睛能探测到可见光，但红外区域发出的热辐射只有热成像摄像机才能探测到。温度变化被用于绘制物体图像，现代热成像系统几乎应用于所有主要行业。

热成像技术简史
1860 年，美国天文学家塞缪尔-皮尔庞特-兰利（Samuel Pierpont Langley）发明了红外热像仪，热成像的基础科学由此诞生。为了开发捕捉红外辐射的技术，人们进行了进一步的研究。

1929 年，物理学家 Kálmán Tihanyi 发明了用于防空的红外感光电子电视摄像机，这一努力取得了成果。这项发明的功效传遍了全世界，1947 年左右，美国军方研制出了第一台红外线线路扫描仪。

热成像系统最初是为军事和国防部门开发的，现在已经有了长足的发展，一些商业公司正在世界各地提供热成像服务和系统。

热成像背后的基础科学
可见光光谱的波长从 400 纳米到 700 纳米不等。红外区域的波长更大，超过 1.7 µm。由热量产生的红外辐射占据了红外电磁波谱的很大一部分。红外热像仪的工作原理是捕捉和分析热量被物体吸收、反射、有时是透射时的相互作用。

物体发出的热辐射量被称为其热特征。从本质上讲，物体的温度越高，向周围发射的热辐射就越多。热成像仪能够辨别热源，甚至是热辐射的细微变化。热成像仪将这些信息汇编成一张全面的 "热图"，以区分不同的热量水平。

热成像仪的工作原理是将热能转化为可见光，对特定物体进行分析。生成的图像被称为 "热图"，通过一种称为热成像的方法对其进行检查。这些热像仪是一种精密设备，可在屏幕上处理和显示捕捉到的图像，以供分析和解读。

热成像技术的局限性
热成像仪在透过某些材料进行观察时存在局限性。由于热辐射会从光滑的表面反射出来，使得热像仪难以捕捉到玻璃另一面的热信息，因此热像仪无法生成玻璃表面后物体的热图像。虽然红外热像仪可以收集墙壁内部的数据，但却无法 "看穿 "墙壁，无法提供墙壁后面物体的详细图像。

红外技术的另一个缺点是，它们在夜间的探测范围受到场景照明距离的限制。由于这些设备会发射能量来生成热图像，因此与被动式传感器相比，它们往往会消耗更多的电能，这在某些应用中可能是一个限制因素。

用于热成像的不同设备
红外热成像是最基本、最常见的热成像类型。这些成像系统利用专用相机来创建各种物体的热图像。

红外热像仪是另一种用于测量热辐射的热设备。它的工作原理是测定因吸收辐射而发热的物体的温度。当暴露在辐射能下时，热辐射计的电阻会随着吸收辐射产生的热能而发生变化。热敏电阻是最常见的测辐射探测器类型之一，因其对入射辐射引起的温度变化非常敏感而被广泛应用于各种场合。

无人机热遥感在农业中的应用

热成像系统在各行各业都得到了广泛应用。根据《遥感》杂志发表的最新文章，采用现代热成像系统的无人驾驶飞行器（UAV）已被用于精准农业活动。

遥感（RS）是指通过分析不接触物体的设备获取的图像来收集有关物体、区域或现象的信息。热遥感已成为测量地表温度的重要工具。通过热传感器获得的地表温度数据可以快速监测植物生长情况并检测压力。

在监测水分胁迫方面，热图像已显示出其在揭示细微变化方面的有效性，而归一化差异植被指数（NDVI）等其他方法可能无法发现这些变化。基于温度的指数为评估和估计作物水分状况提供了一种快速实用的方法，可提供有关植物含水量的宝贵信息。

与 RGB（红、绿、蓝）红外热像仪等传感器相比，红外热像仪的一个明显局限是几何分辨率较低。不过，在无人机和热传感器的发展过程中，预计技术的不断进步将继续改善各类用户的使用便利性，从而有可能提高其在各种应用中的采用率。

建筑行业中的热成像技术
冲击电钻广泛应用于建筑业和家用领域。这些电钻通常采用换向器电机作为关键部件。换向器电机可用于各类电动工具，如拆除锤和无绳螺丝刀。

测量》杂志上的最新文章重点介绍了依靠热图像分析进行故障诊断的方法。研究介绍了一种称为 BCAoID（图像差异二值化公共区域）的创新方法，用于从热图像中提取特征。分析使用了三台电动冲击钻 (EID) 的热图像：一台健康的 EID、一台有故障风扇的 EID（有 10 个破碎的风扇叶片）和一台齿轮系损坏的 EID。

我们采用 BCAoID 方法从这些热图像中提取独特的特征。然后使用近邻分类器和反向传播神经网络对计算出的这些特征进行分析。

分析结果显示了较高的准确性，识别率在 97.91% 到 100% 之间。这种基于热图像的故障诊断方法在保护旋转机械和发动机方面具有巨大的应用潜力，提供了一种检测和处理故障以防止潜在问题的有效手段。

将人工智能应用于热成像
美国普渡大学的研究人员推出了一种名为 HADAR 的热成像系统，该系统利用机器学习技术破译红外图像中蕴含的信息。这一创新系统有可能使被动式热成像仪生成类似于在日光条件下拍摄的图像，从而扩展热成像技术的功能，提高其在各种应用中的实用性。

HADAR 采用了高光谱热成像技术，该技术可捕捉热红外光谱内数百种不同颜色的场景热图像。这种方法可以对热信息进行更详细、更全面的分析，提高系统辨别细微温度变化的能力，并从热图像中提取有价值的数据。

热成像仪具有广泛的应用潜力，包括自主导航、机器人和智能医疗监控，特别是在夜间或弱光条件下。

热成像系统的应用非常广泛。从研究生态系统的环境监测应用到研究天体，热成像技术在生活的各个领域都发挥着作用。随着现代人工智能算法的实施和数据处理速度的加快，热成像系统有望以更快的速度实现商业化。

参考资料

Omega, 2023. Thermal Imaging Camera. [Online]
Available at: https://www.omega.com/en-us/resources/thermal-imagers

Messina G. et. al. (2020). Applications of UAV Thermal Imagery in Precision Agriculture: State of the Art and Future Research Outlook. Remote Sensing. 12(9):1491. Available at:  https://doi.org/10.3390/rs12091491

Association for Advancing Automation, 2016. What is Thermal Imaging?. [Online]
Available at: https://www.automate.org/blogs/what-is-thermal-imaging

Physics World, 2023. Machine learning brings sharpness and colour to thermal images. [Online]
Available at: https://physicsworld.com/a/machine-learning-brings-sharpness-and-colour-to-thermal-images/

Glowacz, A. (2021). Fault diagnosis of electric impact drills using thermal imaging. Measurement, 171, 108815. Available at: https://doi.org/10.1016/j.measurement.2020.108815

Waitt, T., 2022. The Revolutionary Technology behind Thermal Imaging Cameras. [Online]
Available at: https://americansecuritytoday.com/the-revolutionary-technology-behind-thermal-imaging-cameras/

作者：Ibtisam Abbasi