原创 FLIR远距离监测用制冷式与非制冷式热像仪比较

FLIR远距离监测用制冷式与非制冷式热像仪比较
技术说明
COMMERCIAL VISION SYSTEMS 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。

制冷式热成像仪 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。这种探伤仪| 电子称| 热像仪| 频闪仪| 测高仪| 测距仪| 金属探测器| 试验机|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。 在低亮度或完全黑暗的环境中进行远距离监测，是热成像技术的一 种完美应用。这种监测常用于大多数威胁发生在夜间的边境地带或 宽阔的场地。市场上推出的用于中远距离监测的热成像仪为用户提 供了多种选择。用户经常会问：我应该使用制冷式还是非制冷式热 成像系统？哪一种系统最具成本效益？
远距离监测用制冷式与非制冷式 热像仪比较 非制冷热成像仪 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 器由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 至 14 微米 的 LWIR 波段中工作。在这种环境下， 陆地温度目标会散发出绝大部分的红 外能。 完全黑暗环境中的远距离监测是热成像技术的一种完美应用。 PTZ-35x140 MS：带有两个非制冷式微测辐射热计探测 器，用于中远距离监测的热成像仪。

低温制冷器 技术说明 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 年时间后就需要进行维修，而 非冷热像仪却可以连续工作多年。 选择制冷还是非制冷热像仪？ 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”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）。 长焦距环境中非制冷系统的镜头为什 么会如此昂贵？ 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 产出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。

结论：
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 像仪系统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 FLIR考虑低温制冷器的使用寿命为 8,000- 10,000 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，每次维修的费用是系统 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。 特此感谢 Dr. Austin Richards 博士撰写此 文，并感谢 Pierre Boulanger 先生所做的 贡献。 ?像?成本与焦距之?的相??系 相?成本 焦距 (mm) 0 100 200 300 400 500 600 100 75 50 25 0 非制冷?像? 制冷?像? 冷却式和非冷却式摄像机（包括镜头）的成本模型 HRC-S 是采用制冷锑化铟 (InSb) 探测器的热成像仪的一 个示例。 TN_0709_0005_CH