远距离监测用制冷式与非制冷式热像仪比较

 

   安防行业市场对价格非常敏感而且竞争特别激烈。在购买任何昂贵的中远距离监测用热成像仪系统时，都需要具体分析情况。当市场上有其它功能相当、成本更低的系统时，更需如此。

 

   本篇技术说明介绍了当今市场上提供的两种远距离热成像仪系统：制冷式和非制冷式系统。这两种系统的组件成本存在相当大的差异，因此对于决定选择哪一种系统具有极为重要的意义。

 

   现代化制冷式热成像仪的成像传感器中集成了一个低温制冷器。这种装置可以给传感器降温度。降低探测器温度，是为了使热噪声的信号低于成像信号。

 

低温制冷器的活动部件的机械公差极小，会随着时间磨损，而且氦气也会慢慢泄露。在使用时间达到8000-10000小时之后，就必须重新换置低温制冷器。

 

   制冷式热成像仪是对场景中的细小温度差异最为敏感的一种热像仪。它们可以探测到物体之间最细小的温度差异。这种热像仪能够在中波红外或者说光谱中的中波红外波段进行成像，而这个波段的热对比度高度依赖于黑体物理学。热对比度是由目标温度变化而引起的信号变化。热对比度越高，就越容易探测到与背景温度差别不太大的目标。

 

   一般而言，中波红外热像仪在夜间成像的对比度要比其他波段的红外热像仪的图像更鲜明。制冷式热成像仪也可以设计为在长波红外或LWIR波段下工作。

 

 

 

   非制冷红外热成像仪的成像传感器不需要低温制冷，它采用的探测器通常是以微测辐射热计为基础，这种探测器有温度系数极大的小型氧化钒电阻与硅元件结合而成，具有面积大、低热能和热绝缘性能良好等特点。场景温度的变化会引起辐射热计温度的变化，这些变化将被转化为电子信号，随后被处理成图像。

非制冷传感器设计为在长波红外或波长为7到14微米的LWIR波段工作。在这种环境下，陆地温度目标会散发出决大部分的红外能。

非制冷热像仪一般比制冷红外热像仪的价格更低廉，其传感器的制造步骤比制冷传感器少，产量更高，真空包装成本也更便宜。此外，非制冷热像仪不需要低温制冷器这种昂贵的装置。

 

   非制冷热像仪带有更少的运动组件，在相同操作条件下，其使用寿命比制冷热像仪更长。在安防应用中，通常需要热像仪连续不断的工作，以避免遗漏任何威胁。制冷热像仪一般在使用1至2年时间后就需要进修维修，而非制冷热像仪却可以连续工作多年。

 

 

   在非制冷热像仪的所有这些优点面前，人们会提出一个问题：在什么情况下适合使用制冷热像仪？答案是：当监测范围达到5KM以上时，使用基于制冷热像仪的热成像系统会更具成本效益。

 

   在这里，需要注意强调“系统”这个词。热像仪只是成像“系统”中的一个组件。在远距离热成像系统中，最昂贵的一种组件是镜头。随着有效范围要求的增加，非制冷热像仪系统的镜头会变得很庞大，并且价格很昂贵。这样，采用相同焦距的镜头的制冷式热像仪就显得更实惠。

 

   在短焦距环境中，由于镜头的成本只占系统成本的一小部分，因此制冷式系统的成本就显得较高。随着焦距变大，制冷系统的成本不会迅速增加，但非制冷系统却会。这种成本差异是由镜头引起的，在迅速发展的全球红外光学市场上，其交叉点也在不断变化（当前对于一般系统而言，交叉点是在350mm）

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    这涉及到另一个极为重要的镜头参数，f数。f数决定着镜头的聚光能力，因此对热像仪系统的敏感度有重大影响。镜头焦距增大时，前端镜头的直径必须增大，以保持系统f数不变。

 

   非制冷热像仪必须在较低f数（通常为1.4至2）下运行，才能获得与制冷热像仪相当的敏感度。更高的f数会降低非制冷热像仪的敏感度，而且没有办法弥补镜头光信号的减少。

   光学系统的f数是镜头焦距与前端镜头直径的比率。焦距为500mm的f/2镜头，必须采用直径为250mm的前端镜头。这样的前端镜头元件非常昂贵，并且已经达到用锗金属制造的极限，部分原因在于很难用原始的锗材料生产足够大的光学毛坯件。

 

   相比之下，制冷热像仪系统可以在光圈数为f/4甚至更高的情况下操作，而不会对系统的敏感度造成重大影响。这是因为制冷热像仪可以增大曝光时间或积分时间来弥补光吞吐量的减少。

 

   采用f/5镜头时，其需要的积分时间少于10毫秒，即可产生50/60Hz甚至更高的视频帧速，因此可以达到安防行业的标准。非制冷热像仪无法增大积分时间，它会连续不断地整合来自场景的红外光线。焦距为500mm的f/4镜头只需要直径为125mm前端镜头元件，这比250mm前端镜头元件要便宜得多。目前，商用做到制冷系统可以做到焦距更长的f/4镜头（最大焦距可达1000mm），极远焦距（几米甚至更远）的f/7.5镜头也已经问世。

 

   远距离热红外监测需要使用长焦距镜头，非制冷热像仪系统的镜头成本会随着焦距的增大而迅速增加，制冷热像仪的成本相对而言增加较慢。因此，虽然制冷热像仪机芯的成本比非制冷热像仪的机芯要高出很多，当焦距达到350mm以上时，非制冷系统的系统成本（机芯加镜头）会超过制冷式系统。要在数公里的范围内获得人类大小的目标的图像，热像仪镜头的焦距必须超过350mm。因此，在这种应用条件下，使用制冷热像仪系统会更具成本效益，至少初始系统成本会更低。

 

   系统设计师在构建成本模型时必须考虑低温制冷器的使用寿命为8000-10000小时这一因素，以获得最佳解决方案。如果低温制冷器每2年需要进行一次维修，每次维修费用是系统整体费用的10%，则在4年当中使用制冷系统的成本即为初始系统成本的1.2倍。由于FLIR Systems在热成像仪领域已拥有50余年的专业经验，并可同时生产制冷和非制冷系统，因此我们可以始终为您提供必需的信息，帮助您针对特定的应用目的做出明智的决策。