激光红外摄像机原理（高速红外摄像机改善设计阶段测试）

文 | AI国际站 唐恩

编 | 艾娃

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内燃机，制动转子和轮胎以及高速安全气囊的产品研发只是真正受益于高速，高灵敏度热特性测试的部分领域。不幸的是，传统形式的接触温度测量（例如热电偶）不适合安装在移动的物体上，而非接触形式的温度测量（例如点测枪-甚至是当前的红外摄像机）都不够快，无法在如此高的温度下停止运动速度目标，以进行准确的温度测量。

没有适当的工具来进行适当的热测量和测试，汽车设计工程师可能会浪费时间和效率，并有可能遗漏导致危险产品和昂贵召回费用的缺陷。例如，美国汽车制造商最近召回了数百万辆汽车，SUV和卡车，原因是安全气囊出现故障，问题范围从乘客激活系统中的微裂纹到充气机有缺陷。这些有缺陷的系统不仅对驾驶员构成危险，而且对面临诉讼，罚款和失去公众信任的制造商的底线有害。下一代红外摄像机技术可以为工程师提供解决方案。这些相机包含640 x 512像素的高分辨率检测器，它们可以以每秒1000帧的速度捕获图像。此外，新型的检测器材料（例如，应变层超晶格（SLS））提供了较早的MCT和QWIP检测器材料更宽的温度范围，同时具有出色的均匀性和量子效率。这些新技术以及远程同步和触发功能为工程师和技术人员提供了解决高速汽车测试难题所需的工具。

测量快速移动的物体上的温度具有挑战性。传统的温度测量形式（例如热电偶）不适用于运动中的系统。非接触形式的温度测量（例如点测高温计）缺乏对快速移动的物体进行准确读数或准确地对高速目标进行热特性分析所需的快速响应速率。

带有未冷却的测微辐射热计探测器的红外摄像机也无法以极高的速度准确地测量温度。这些相机的曝光时间长，会导致热图像模糊。为了可视化并获得快速移动的目标的准确温度读数，您需要一台冷却时间短，帧速快的热成像仪。让我们探索两种探测器类型，以更好地了解每种探测器的优缺点，因为它们与高速热测量有关。

热探测器和量子探测器的区别在于传感器如何将红外辐射转换为数据。诸如未冷却的测微热计之类的热探测器会对入射的辐射能产生反应。红外辐射加热像素，并产生温度变化，该变化反映在电阻变化中。未冷却的测微热像仪的优点包括耐用性，便携性和低价格。但是，缺点包括帧速率慢-每秒约60帧-响应时间慢（时间常数）。因此，未冷却的测微辐射热计无法生成快速移动物体的清晰，定格图像。取而代之的是，缓慢的帧速率和响应时间会导致图像模糊，并最终导致温度读数不准确。较低的帧频还会阻止这些相机准确地描述快速加热的物体。 相比之下，由锑化铟（InSb），砷化铟镓（InGaAs）或SLS制成的量子检测器是光伏的。探测器的晶体结构吸收光子，从而提升电子进入更高的能量状态这改变了材料的电导率。冷却这些探测器使它们对红外辐射非常敏感，有些探测器能够探测到小于18 mK或.018°C的温度差。量子检测器还可以对温度变化做出快速反应，其时间常数为微秒，而不是数毫秒。短曝光时间和高帧频的结合使量子检测器非常适合在高速目标上停止运动，以进行准确的温度测量以及对快速加热的目标上温度随时间的升高情况进行正确表征。这些相机通常比未冷却的微辐射热仪相机更昂贵，并且通常更大：一些研究团队可能需要考虑这些因素。

如前所述，每秒记录数百或数千帧的能力只是停止运动所需的一部分。等式的另一个要素是积分时间，即相机为这些帧中的每一个收集数据的时间。积分时间类似于数码相机的快门速度。如果快门保持打开的时间过长，则其捕获的图像中的任何动作都将显得模糊。同样，具有较长积分时间的红外热像仪将记录模糊的运动。例如，一个弹跳球将看起来像一颗彗星-后面有运动痕迹。

相机具有的模数转换器或通道的数量以及高速处理像素的能力也很重要。高速红外摄像机通常至少具有16个通道，并且处理速度（或像素时钟速率）至少为200 MP / sec。大多数低性能相机都有四个通道，并以低于50 MP / sec的像素时钟速率运行。目标的温度可能会影响积分速度，并最终影响数字计数。摄像机将数字计数转换为用于目标温度读数的辐射值。较热的目标发出更多的辐射红外能量，从而产生更多的光子，而较冷的目标发出更少的光子。面临的挑战是如何以快速的帧频准确地测量较冷目标的温度，因为快速的帧速率需要更短的积分时间。

使问题更加复杂的是，较早的检测器以及上一代的读出集成电路（ROIC）在低孔填充时是非线性的。这导致非均匀性校正失效，导致图像质量差和温度测量精度令人怀疑。现在有了下一代ROIC设计，检测器可为低孔填充提供线性，从而可以在较冷的目标上以高速（较短的积分时间）进行准确的测量。这就是为什么高速红外摄像机拥有对低阱填充具有线性响应的下一代ROIC至关重要的原因。

要考虑的另一个因素是相机的同步能力和对外部事件的触发能力，例如与旋转的制动盘同步或内燃机点火。当摄像机系统以内部时钟运行时，检测器的积分开始点和数据输出由时钟设置。如果事件并非恰好与整合期间相对应，则可能会错过部分或整个事件。单独的触发系统可以通过严格控制积分开始时间和帧速率来帮助您更好地同步记录。未冷却的微辐射热检测器摄像机不具备此功能，因为它们具有无法外部控制的热阻元件。这是光子计数检测器相机对于高速热测试必不可少的另一个原因。

红外热像仪的显着优势是灵敏度。冷却后的摄像机可以检测到仅0.02°C的细微温度变化。通常，未冷却的摄像机的灵敏度约为0.03°C。虽然.01°C的差异可能很小，但灵敏度却提高了30％。冷却的相机不仅产生较少的数字噪点，而且其产生的图像更加精细。检测这种细微的温度变化的能力可以帮助您更好地检测小热点。

未冷却的测微热像仪的一个优点是，它们可以检测7.5-14μm光谱范围内的长波红外。通过长波带的光子要多于通过短波或中波的光子，这意味着量子检测器收集足够的光子以产生电荷所需的时间更少。具体来说，在8-9μm范围内，黑体在30°C处发射的光子比在中波4-5μm范围内发射的光子几乎多10倍。通常，量子检测器在短波中波红外中工作。但是，由应变层超晶格（SLS）制成的检测器可以检测7.5- 9.5μm光谱范围内的长波红外。因为要检测的光子更多，所以SLS检测器的积分时间极短，比InSb检测器快12倍。

在将光子转换为电子时，它们比其他量子检测器更有效，并且在对冷目标成像时可提供更多的热对比度。LWIR SLS检测器的优点是温度范围更广且曝光时间更短，如果您的目标在很宽的温度范围内变热或空间移动非常快，这都可以提供帮助。

通过在汽车工程的设计和测试阶段加入热成像技术，研发团队可以更轻松地发现薄弱环节，并提高整体产品性能和安全性。但是相机的类型及其功能可能会影响成像的成功。选择具有最高速度，灵敏度和集成时间的冷却热像仪将使研究人员能够准确跟踪高速应用中随时间的温度变化。这些摄像机还将提供清晰明了的定格图像，因此研究人员可以准确地测量温度并对其产品进行热特性分析，从而确定问题开始的确切时间。