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是什麽阻擋了國內熱成像技術的爆發之路

發布日期:2018-07-16??浏覽次數:1101

從全球範圍看,熱成像技術已經被廣泛的應用于醫療、電力、消防、建築、軍事等各大領域,但是就國內而言,熱成像雖然已被大衆所熟知但與國外相比,其使用範圍遠不及國外,真正能用到這一技術的人並不太多,爲什麽會出現這樣的情況?

    從全球範圍看,熱成像技術已經被廣泛的應用于醫療、電力、消防、建築、軍事等各大領域,但是就國內而言,熱成像雖然已被大衆所熟知但與國外相比,其使用範圍遠不及國外,真正能用到這一技術的人並不太多,爲什麽會出現這樣的情況?

    什麽是熱成像技術

    在自然界中,所有高于絕對零度(-273.15℃)的物體都在不停的往外輻射和該物體本身性質、溫度相關的電磁波,這一現象稱之爲熱輻射。不同的溫度,物體所發出的熱輻射波長不同。

    熱成像技術是指利用感紅外探測器和光學成像物鏡接受被測目標的紅外輻射能量分布圖形反映到紅外探測器的光敏元件上,從而獲得紅外熱像圖,這種熱像圖與物體表面的熱分布場相對應。通俗地講熱成像就是將物體發出的不可見紅外熱輻射能量轉變爲可見的視頻圖像。   

    热成像技术的發展曆程

    1800年英國物理學家赫胥爾利用塗黑的水銀溫度計發現紅外輻射,此後很長一段時間人們都將水銀溫度計作爲紅外探測器,直到1833年梅羅裏利用銻化铋作爲熱電堆材料,才大幅提高了熱電堆紅外探測器的探測靈敏度。接下來的100多年中,紅外探測技術不斷提升,我們大致可以將這段發展史分爲三個階段。

    第一階段:光子單元探測爲主。這一階段大致起源于20世紀50年代,當時只能研制出一些基于單元器件的熱像儀,其特點是場頻較低,只能小範圍使用。直到20世紀70年代中長波碲镉汞(MCT)材料與光導型多元線列器件工藝成熟之後,熱像儀才開始大量生産並裝備軍隊。這一時期熱像儀的種類繁多,可大致分爲通用組件化的熱像儀和按特殊要求設計的熱像儀兩類。

    第二階段:致冷型紅外焦平面陣列爲主。不用光機掃描而用紅外焦平面陣列(IRFPA)器件成像的熱像儀,由于去掉了光機掃描,這種用大規模焦平面成像的傳感器被稱爲凝視傳感器。它的特點是體積小、重量輕、可靠性高。在俯仰方向可有數百元以上的探測器陣列,可得到更大張角的視場,還可采用特殊的掃描機構,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爲主。第三代紅外熱像技術采用的紅外焦平面探測器單元數已達到320240元或更高(即100000—1000000),其性能提高了近3個數量級。目前,3~5μm焦平面探測器的單元靈敏度又比8~14μm探測器高2-3倍左右。因而,基于320×240元的中波與長波熱像儀的總體性能指標相差不大,所以3~5μm焦平面探測器在第三代焦平面熱成像技術中格外的重要。

    熱成像應用現狀

    紅外熱成像在國內也已經發展了幾十年,在應用方面,典型的行業主要集中在森林防火、電力監控、邊防監控、海島監控、動物保護、人體測溫等等,這些行業專業性很強,項目預算較高,應用環境相對惡劣,施工難度大,維護成本高昂,所以熱成像較難以呈現爆發式發展,這一細分市場競爭也比較激烈。

    隨著近年國産熱成像探測器的逐漸成熟,已有不少的大小廠商具備了生産熱像機芯、模組,以及配套的熱成像鏡頭的能力,效果和技術指標上面已經可以與FLIR等國際先進企業一爭高下。國産探測器的逐步量産,打破了核心部件長期被國外廠家壟斷的局面,使得熱成像模組價格逐漸親民,爲熱成像産品的快速增長打下基礎。

    目前國內的熱成像攝像機主要分爲監控型以及測溫預警型兩大類。監控型熱成像攝像機主要提供實時視頻圖像,通過僞彩圖像來觀察監控物體的溫度分布,技術含量和價格都比較低,對于大部分的並不需要精確測溫的市場應用較爲普遍。測溫預警型産品除了提供實時的視頻圖像外,還可以提供畫面中各像素點的溫度信息,並能提供多區域測溫,鼠標點擊測溫等多種測溫模式,還可以設置溫度報警阈值,測溫型熱成像攝像機需要廠商開發測溫算法,研發投入大,成本較高,主要應用于電力在線測溫,人體測溫等需要精確知道物體溫度的場景。

    雖然熱成像攝像機目前有各種外觀形態,如槍機形態、球機形態、手持設備、雲台形態等,但因國內攝像機主要用于電力在線測溫、森林防火、水利、海島監控等場景,最適合的熱成像産品形態還是雲台型産品,國內廠商創造了特有的雙波段熱成像雲台結構,利用熱成像攝像機來探測溫度,用可見光攝像機來觀察全景以及細節。但目前絕大部分廠家所提供的雙波段熱成像雲台攝像機都是簡單的硬件拼湊和堆疊,內部各個功能模塊,如熱成像機芯、可見光機芯、雲台、交換機等都出自不同廠家,其本身集成度較差,二次開發程度不夠,熱成像視頻和可見光視頻無法形成良好的雙通道聯動,大大影響了客戶體驗。

    總的來說,因爲熱成像産品現階段價格還較高,産品實際功能還不夠完善等原因,熱成像攝像機目前還只是應用在一些特殊行業,暫時還沒有形成爆發性的的增長模式。

    雙波段熱成像攝像機在輸電線路防山火監測系統上的應用

    衆所周知,輸電線路一般建設在城郊、山區等偏遠地帶,縱橫延伸幾百米、幾千米不等,周遭環境複雜多變,對監控設備挑戰較大。熱成像攝像機可在晝夜及極端天氣正常使用,並可克服雨、霧、煙等障礙,有效捕捉一切發熱物體圖像。國內一些知名廠商如金三立,針對熱成像攝像機的這些特點,已推出適用于電力行業在各種環境下的在線監測系統,其中美譽度較高的有輸電線路防山火監測系統等。

    輸電線路防山火監控系統用于對高壓輸電線路周邊的實時山火監測,用戶在監控中心就可以獲取遠方線路山火、焚燒稭稈、燒紙等威脅線路安全的山火事件,一旦發生山火災情,便可在第一時間發出報警,以便及時撲滅山火,保障輸電線路穩定運行。

    輸電線路防山火監控系統含有多個子系統,防山火視頻監控系統便是其中之一。這個子系統杆塔端采用雙波段熱成像雲台攝像機,可對監控區域進行可見光視頻和紅外輻射的同步監測,一但發生山火,雙波段熱成像雲台攝像機探測到的溫度超過設定阈值即可自動報警。監控人員可結合溫度數據和實時視頻畫面進行判斷並快速響應。

    在這個系統中,杆塔端裝置通過太陽能供電系統供電,通過無線傳輸裝置將視頻信號傳輸至後端監控中心。熱成像、太陽能供電、4G無線傳輸、低功耗雲台等技術保障系統供電穩定、通信可靠和視頻清晰。

    值得一提的是系統中監控中心配置的輸電線路防山火監測平台,通過集合各在線監測子系統,對輸電架空線路的運行狀態進行實時監測,實現異常及故障狀態的預警和報警,實現設備健康狀況的動態評估,實現管理模式從“事後處置”到“事前預警”、“粗放控制”到“狀態評估”、“定期巡視”到“狀態監視”的轉變,實現電網運行狀態的多維可視化以及異常立體報警模式,對突發事件實現三位一體的應急指揮。

    目前,電力行業是國內熱成像技術應用最多的民用行業,作爲目前較爲成熟有效的電力在線檢測手段,熱成像技術可有效縮短電力設備檢修時間,大大提高設備運行的可靠性。但是考慮到設備成本等問題,各省對熱成像設備采購數量有限,在應用較多的廣東、江蘇、山東等經濟發達的沿海地區,設備擁有量也不到需求量的一半,內陸地區熱成像設備擁有量更少,這說明熱成像産品存在巨大的潛在市場。

    熱成像攝像機發展趨勢

    对国内厂家来说,在跟随市场需求的同时,更需要思考推出差异化,符合细分市场需求的整机解決方案,而不是进行简单的硬件堆叠,才能未来激烈的竞争中有所收获。目前来看,市面上双波段的热成像云台摄像机产品,只不过是简单地将热成像机芯、可见光机芯、云台、交换机进行硬件堆叠,热成像和可见光之间并没有实现真正的联动和融合。另外,国内市场长期的“重产品、轻应用”的发展方式,导致目前并没有针对热成像监控的行业解決方案和定制化平台,热成像产品更多的时候只是用来简单的实现温度告警,造成投资的浪费。还有,虽然国内热成像传感器取得了较大的进步,但是还是没有实现真正意义上的量产,整体良率较低,导致成本还是过高,部分客户虽然有意向采用先进的热成像摄像机方案,但是迫于预算压力,只能专用较低成本的高清可见光方案。

    总的来说,热成像如果要进一步打开市场,需要进一步的内外兼修。对内,需要加大科研投入,提升产品核心竞争力,降低成本;对外,要通过行业定制,推出高附加值的智能化产品,提供行业整体解決方案,真正解决行业客户的实际问题。


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