光学气体成像技术的科学奥秘

探测器

光学气体红外热像仪可视作是红外热像仪的高度专业化版本。热像仪由一个镜头、一个探测器、一些用以处理来自探测器的信号的电子器件和一个供用户查看热像仪生成的图像的取景器或屏幕组成。光学气体红外热像仪使用的探测器是需要冷却到超低温（大约70K或-203°C）的量子探测器。用于检测甲烷等气体的中波红外热像仪通常使用在3-5μm波长范围内运行的锑化铟（InSb）红外探测器。用于检测六氟化硫等气体的长波红外热像仪使用通常在8-12μm波长范围内运行的量子阱红外探测器（QWIP）。

用于量子探测器的材料在室温条件下时具有处于不同能量级的电子。某些电子具有处于导带中所需的足够热能，这意味着这些电子可自由移动并且材料能传导电流。然而，大多数处于价带中的电子不携带任何电流，因为它们无法自由移动。

当材料冷却到足够低的温度（取决于选择的材料）时，电子的热能可能非常低以至于没有电子能到达导带。因此，材料不传输任何电流。当这些材料接触到入射光子，光子拥有足够能量，这些能量激发价带中的电子，导致这些电子跃升到导带中。这时材料（探测器）能传输光电流，光电流与入射辐射的强度成正比。

使电子能够从价带跃升到导带中有一个非常确切的入射光子能量阈值。该能量与特定波长有关，即截止波长。由于光子能量与其波长成反比，短波/中波频段中的能量高于长波频段中的能量。因此，一般说来，长波探测器的工作温度低于短波/中波探测器的工作温度。对于InSb中波探测器，必需温度必须低于173 K（-100°C），尽管其可能在更低的温度下运行。而QWIP长波探测器通常需要在大约70 K（-203°C）或更低温度下运行。入射光子波长和能量必须足以克服带隙能量ΔE。

冷却方法

大多数光学气体红外热像仪的探测器利用斯特林制冷器进行冷却。斯特林制冷过程消除冷凝管（图1）中的热量并在较热侧耗散掉。这种制冷器的效率相对较低，但是足以满足红外热像仪探测器的制冷需求。

图1.集成型斯特林制冷，配合氦气使用，能将探测器冷却至-196ºC，有时甚至更低

图像归一化

另一个复杂之处在于，事实上焦平面阵列（FPA）中的每个探测器具有略微不同的增益和零点偏移。为了创建有用的热图像，不同的增益与偏差必须校准到归一化值。该多步校准过程由热像仪软件执行。校准过程的最后一步是非均匀性校正（NUC）。在测量热像仪中，校准由热像仪自动执行。在光学气体红外热像仪中，校准是手动过程。这是因为热像仪没有内置快门将一个均匀温度源呈递至探测器。

最终结果是生成能准确描绘分布于整个目标物体或场景的相对温度的热图像。没有对来自其它物体且从目标物体反射回热像仪的发射率或辐射（反射表观温度）作出补偿。该热图像是不考虑热辐射源的真正辐射强度图像。

光谱自适应

光学气体红外热像仪采用一种独特的光谱滤波方法，使其能够检测到一种气体化合物。该滤波片固定在探测器前方，并且随探测器一起冷却以防止滤波片与探测器之间发生任何辐射交换。滤波片将允许通过其到达探测器的辐射的波长限制至极窄波段，称作带通。该技术称作光谱自适应。

图 2.光学气体红外热像仪机芯的内部设计

气体红外吸收光谱

对于大多数气体化合物，红外吸收特性取决于波长。在图3A和3B，丙烷和甲烷的吸收峰由图上透射比线的急剧下降表示。黄色区域表示用于光学气体红外热像仪的样本光谱滤波片，其设计旨在对应于大多数背景红外能量会被特定感兴趣气体吸收的波长范围。

图3A.丙烷的红外吸收特性

图2.甲烷的红外吸收特性

大多数碳氢化合物吸收接近3.3μm光波的能量，因此图3的样本滤波片可用于检测多种气体。您可访问以下网站，查阅超过400种其它化合物的响应系数（RF）：http://rfcalc.providencephotonics.com.

乙烯有两个很强的吸收谱带，但是根据如下所示的透射比曲线，长波传感器检测该气体比中波传感器检测该气体具有更高的灵敏度。

图4.乙烯的红外吸收特性

选择一个将热像仪限制在仅在气体具有极高吸收峰（透射率波谷）的波长范围内运行的滤波片能增强气体的可见性。该气体会有效‘阻挡’来自背景中烟柱后物体的辐射。

为什么有些气体吸收红外辐射？

从力学观点来看，气体中的分子可比作重量（下面图5中的球），通过弹簧连接在一起。根据原子的数目，原子各自的尺寸和质量，弹簧的弹性常数，分子可能朝给定方向移动，沿一个轴振动、旋转、扭曲、伸展、震动、摇摆等。

最简单的气体分子是单个原子，如氦（He）、氖（Ne）或氪（Kr）。它们无法振动或旋转，因此它们每次仅能向一个方向平移。

图5.单个原子

复杂性仅次于单个原子的分子类别为由两个原子组成的同核分子，如氢气（H2）、氮气（N2）和氧气（O2）。除了平移运动，它们能够围着轴翻滚。

图6.两个原子

接下来，比同核分子更复杂的分子是双原子分子，如二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、六氟化硫 （SF6）或苯乙烯（C6H5CH=CH2）（这仅是少数几个例子）。

图7.二氧化碳 - 每个分子由3个原子构成

图8.甲烷 - 每个分子由5个原子构成

该假设对多原子分子同样有效。

图9.六氟化硫 - 每个分子由6-7个原子构成

图10.苯乙烯 - 每个分子由16个原子构成

它们更大的机械自由度允许多级旋转和振动跃迁。由于由多个原子构成，它们比简单分子能更有效地吸收和辐射热量。根据跃迁频率，它们中的其中一些处于热像仪对其灵敏的红外区域中的能量范围。

表1.分子运动的频率和波长

为了使分子能够通过从一种状态跃迁至另一种状态吸收光子（红外能量），分子必须具有能够在与入射光子相同频率下短暂振荡的偶极矩。该量子力学作用使光子的电磁场能“转移到”分子或被分子吸收。

光学气体红外热像仪利用某些分子的吸收特性将其在其原生环境中可视化。热像仪焦平面阵列和光学系统专门调谐至大约数百纳米的极窄波长范围，并因此具有超选择性。只有红外区域内受窄带通滤光片限定的气体吸收剂才能被检测到（图3、4）。

可视化气流

如果热像仪指向无气体泄漏的场景，视场角中的物体将通过热像仪的镜头和滤波片发出和反射红外辐射。该滤波片仅允许特定波长的辐射通过并到达探测器，热像仪通过探测器生成辐射强度的无补偿热图像。如果物体和热像仪之间存在气体云，并且该气体吸收滤波器带通范围内的辐射，那么透过云到达探测器的辐射量将会减少（图11）。

图11.气体云的作用

为了看到相对于背景的云，云和背景之间必须有辐射对比。更确切地说，离开云的辐射量决不能与进入云的辐射量相同（图12）。如果图12中的蓝色箭头与红色箭头尺寸一样，云将会不可见。

图12.云的辐射对比

事实上，从云中分子反射的辐射量很小，可以忽略不计。因此，让云可见的关键是云和背景之间存在一定的表观温度差（图13）。

图13.表观温度差

让气体云可见的关键概念

• 气体必须吸收热像仪观测到的波段中的红外辐射
• 气体云必须与背景有辐射对比
• 云与背景必须具有不同的表观温度
• 运动让云更易看清

• 确保您的光学气体成像设备校准至测量温度将会在分析温差（气体和背景之间的表观温度）中提供关键价值。