熱成像技術(shù) -簡介

熱成像技術(shù)是指利用紅外探測器和光學(xué)成像物鏡接受被測目標(biāo)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(yīng)。通俗地講紅外熱像儀就是將物體發(fā)出的不可見紅外能量轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姷臒釄D像。熱圖像上面的不同顏色代表被測物體的不同溫度。

發(fā)現(xiàn)

1800年英國的天文學(xué)家Mr.WilliamHerschel用分光棱鏡將太陽光分解成從紅色到紫色的單色光，依次測量不同顏色光的熱效應(yīng)。他發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水銀溫度計移到紅色光邊界以外，人眼看不見任何光線的黑暗區(qū)的時候，溫度反而比紅光區(qū)更高。反復(fù)試驗證明，在紅光外側(cè)，確實存在一種人眼看不見的“熱線”，后來稱為“紅外線”，也就是“紅外輻射”。

紅外線普遍存于自然界中，任何溫度高于絕對零度(-273.16℃ )的物體都會發(fā)出紅外線，比如冰塊。

發(fā)展

從第二次世界大戰(zhàn)開始，熱成像技術(shù)就已應(yīng)用在軍事上。由于這種儀器是靠熱輻射來工作的，它能夠透過漆黑的戰(zhàn)場讓士兵們清楚地看到敵方的行蹤。又由于它為無源性接收系統(tǒng)，比無線電雷達等可見光裝置更安全、隱蔽。

現(xiàn)在，熱成像技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在日常生活當(dāng)中。一個重要應(yīng)用是診斷疾病，大家都知道，當(dāng)某一部位出現(xiàn)炎癥時，體溫會升高，測量體溫能夠判斷有無炎癥，但不能確定炎癥的具體位置，而熱像儀可以直觀給出人體溫度場分布圖，將病變的熱圖與正常熱圖比較，就可以從異常變化上診斷病灶部位。熱成像技術(shù)也能在手術(shù)室大顯身手。當(dāng)血液流經(jīng)剛剛被安置的動脈血管時，熱像儀上的動脈管的顏色由灰變白，而在通常情況下，肉眼是很難觀察到血管是否暢通無阻的。

與診斷疾病類似，高壓輸變電的電器部件、火車軸箱、電路板等出現(xiàn)故障， 也可以用熱像儀直接觀測檢查，避免故障帶來的損失。熱像儀也可以用于地質(zhì)調(diào)查，地?zé)崽讲?，森林植被分布，大氣與海洋監(jiān)測，火災(zāi)的發(fā)現(xiàn)與救援。熱像儀可以幫助救援者發(fā)現(xiàn)那些被濃煙和黑暗隱僻住的遇難者，從而救出他們。

熱成像技術(shù)還能幫助科學(xué)家們進一步探索宇宙的奧秘?？梢灶A(yù)期未來熱成像技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)玫礁浞值拈_發(fā)，推廣和普及。

中國的熱成像技術(shù)起步于70年代中期，經(jīng)過20多年來不懈的努力，依靠我們自己的技術(shù)力量，中國工程人員已經(jīng)成功地研制開發(fā)出了多種熱像儀和熱成像系統(tǒng)。性能優(yōu)良的紅外熱像儀正在廣泛地應(yīng)用于中國的國防和國民經(jīng)濟建設(shè)中。

成像儀

美國德克薩斯儀器公司(TI)在1964年首次研制成功第一代的熱紅外成像裝置，叫紅外前視系統(tǒng)，這類裝置利用光學(xué)元件運動機械，對目標(biāo)的熱輻射進行圖像分解掃描，然后應(yīng)用光電探測器進行光——電轉(zhuǎn)換，最后形成視頻圖像信號，并在熒屏上顯示，紅外前視系統(tǒng)至今仍是軍用飛機、艦船和坦克上的重要裝置。六十年代中期，在紅外前視裝置的基礎(chǔ)上，開發(fā)了具有溫度測量功能的熱紅外成像裝置。這種第二代紅外成像裝置，通常稱為熱像儀。

七十年代研制出不需致冷的紅外熱電視產(chǎn)品。九十年代出現(xiàn)致冷型和非致冷型的焦平面紅外熱成像產(chǎn)品，這是一種最新一代的紅外電視產(chǎn)品，可以進行大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)，把紅外熱成像的應(yīng)用提高到一個新的階段。

七十年代中國有關(guān)單位已經(jīng)開始對紅外熱成像技術(shù)進行研究，到八十年代初，中國在長波紅外元件的研制和生產(chǎn)技術(shù)上有了一定進展。到了八十年代末和九十年代初，中國已經(jīng)研制成功了實時紅外成像樣機，其靈敏度、溫度分辨率都達到很高的水平。

進入九十年代，中國在紅外成像設(shè)備上使用低噪音寬頻帶前置放大器，微型致冷器等關(guān)鍵技術(shù)方面有了發(fā)展，并且從實驗走向應(yīng)用，主要用途用于部隊，例如便攜式野戰(zhàn)熱像儀，反坦克飛彈、防空雷達以及坦克、軍艦火炮等。中國在紅外熱成像技術(shù)方面，已經(jīng)投入了大量人力物力，形成了相當(dāng)規(guī)模的研發(fā)力量，但是總的來講，與世界先進水平差距很大，與西方相比，約差10年以上。目前國外已經(jīng)開始在部隊裝備第二代紅外熱成像儀，并開始了第三代的研發(fā)工作，但中國現(xiàn)在才推廣第一代紅外成像儀。在國際上，美國、法國、以色列是這方面的先行者，其它國家包括俄羅斯均處下游水平。近幾年來，中國的紅外成像技術(shù)得到突飛猛進的發(fā)展，與西方的差距正在逐步縮小，有些設(shè)備的先進性也可同西方同步，相信中國和西方的差距會進一步縮小，尤其在新技術(shù)的應(yīng)用方面更可以獨樹一幟。紅外熱成像產(chǎn)品，可以分為致冷型的.非致冷型兩大類。目前，最先進的紅外熱成像儀，其溫度靈敏的可達0.03攝氏度。無論白天、黑夜均可用于持紅外儀來探測叢林中的敵人，其距離可達百米之遙，作為邊防緝私，更可以追蹤海上走私的大飛，其距離可達數(shù)公里。通過熱像儀不僅可實時對目標(biāo)進行觀測，更可以通過其行蹤軌跡的“熱痕跡”進行動態(tài)分析，因為一般物體的熱發(fā)散有一定的時間性，有些物體的熱發(fā)散需要很大時間。例如部隊點燃的炊煙，曾經(jīng)發(fā)動過的車輛等都可以留下“熱痕跡”。第一代熱像儀主要由帶有掃描裝置的光學(xué)儀器和電子放大線路、顯示器等部件組成，已經(jīng)成功裝備部隊，并在夜間的地面觀察、空中偵察、水面保險等作出重要的貢獻。第二代熱成像儀主要采用焦平面陣列技術(shù)，集成數(shù)萬個乃至數(shù)十萬個信號放大器，將芯片置于光學(xué)系統(tǒng)的焦平面上，取得目標(biāo)的全景圖像，無需光——機掃描系統(tǒng)，大大提高了靈敏度和熱分辨率，可以進一步提高目標(biāo)的探測距離和識別能力。[2]

司法界定

美國最高法院針對房屋內(nèi)的熱成像技術(shù)中確立新的界線，認(rèn)定這屬于《第四修正案》中所指的搜查。一九九二年一月的一天，聯(lián)邦探員懷疑Danny Kyllo在其家中種植大麻植物于是使用了熱成像儀來測量Kyllo房子中的熱輻射。熱成像儀偵測到存在熱輻射幾乎所有的目標(biāo)都有熱輻射散出，且存在于散射出的溫度值之間。聯(lián)邦探員將熱成像儀固定在Danny Kyllo房子的街對面，遠(yuǎn)離其房子周圍部分，熱成像的結(jié)果顯示屋頂和側(cè)墻都比房子的其他部分溫度高而且比其鄰居的房屋溫度高。持有這些偵測結(jié)果以及其他的相關(guān)信息，聯(lián)邦探員相信Danny Kyllo確實在使用鹵化燈種植大麻，于是他申請并獲得了搜查令。

在隨后對Kyllo的搜查中探員發(fā)現(xiàn)在嫌疑人屋內(nèi)生長著近百株大麻植物。Kyllo因違反Title 21 U.S.C. § 841(a)(1)生產(chǎn)大麻被起訴。Kyllo在開庭審判前提出申請要求排除證據(jù)。而這一申請被法院駁回。在能夠做到對熱進行測度之后的第九年，聯(lián)邦最高法院終于同意對居家房屋中發(fā)散出的熱進行偵測是否屬于《第四修正案》所指的合理搜查的一種做出裁判。

《第四修正案》中部分條文規(guī)定人民擁有在其家中獲得確保免受不合理搜查的權(quán)利。直到一九六七年在Katz v. United States案中最高法院才首次制定出這樣的原則，即當(dāng)人們主觀上期待存在并為社會所確認(rèn)具有合理性的隱私受到政府侵犯之時，即發(fā)生《第四修正案》所指的搜查。自Katz案后最高法院即對什么是合理隱私期待給出指引。在關(guān)于房屋的情形下，這一問題關(guān)涉到合理隱私期待在高度上達至的范圍(四百至一千英尺)以及其橫向所至的終點(止于緊鄰房屋對外有隔欄的區(qū)域)。Katz案的事實正是在這樣的背景下提出了一個獨特的問題，從房屋內(nèi)發(fā)散出的熱是在直接毗鄰房屋的區(qū)域之外被測度到的，但是熱本身又是在房屋內(nèi)產(chǎn)生的。在最高法院看來，很明顯Kyllo對自己的房屋有隱私期待，而且社會一直承認(rèn)一個人的居家房屋是他最重要的存有合理隱私期待的區(qū)域。然而自Katz案以后，最高法院同樣指出任何暴露于公共之下或是暴露于合法在場的執(zhí)法人員之下的事物，即使是處在存在合理隱私期待的區(qū)域，仍然將失去《第四修正案》對其的保護(依據(jù)直接目視規(guī)則)。

在二〇〇一年六月十一日聯(lián)邦最高法院以五票對四票接近均勢的判決宣布熱成像構(gòu)成了對第四修正案的違反(非常不同尋常的大法官組合斯卡利亞、斯庫特、托馬斯、金斯博格和布萊耶加入同一陣營的司法意見)。在這份司法判決中大法官得出結(jié)論認(rèn)為由政府使用并不是為一般公眾所使用的儀器探索居家房屋內(nèi)的事物、了解在過去只有通過物理侵入方式才能知悉的屋內(nèi)事物細(xì)節(jié)，這樣的做法侵犯了人們的合理隱私期待屬于《第四修正案》意義內(nèi)的不合理搜查。

對于法律執(zhí)行工作而言這意味著什么呢?很明顯這意味著法律執(zhí)行人員不能使用熱成像儀測度從房屋內(nèi)發(fā)散出的熱。更具重要意義的是，最高法院的意見似乎是暗示著任何由法律執(zhí)行官使用非為一般公眾所使用的儀器而實施的侵入具有高度合理隱私期待的區(qū)域(房屋)的行動都可能會提出《第四修正案》上的棘手問題。在司法意見中，最高法院重申，《第四修正案》在房屋的入口處劃出了一道堅定的界線，執(zhí)法官員無論是走入房間還是測度從房屋里發(fā)散出的熱或是執(zhí)行其他任何方式的侵入式監(jiān)控都必須獲得建立在合理可能之上的令狀。隨著監(jiān)控技術(shù)近日來以彈射般飛速精近，很自然地可以懷疑最高法院今后將會處理更多這類案件尤其是在處理涉及合理隱私期待的區(qū)域。