熱成像技術(shù) -簡(jiǎn)介

熱成像技術(shù)是指利用紅外探測(cè)器和光學(xué)成像物鏡接受被測(cè)目標(biāo)的紅外輻射能量分布圖形反映到紅外探測(cè)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(chǎng)相對(duì)應(yīng)。通俗地講紅外熱像儀就是將物體發(fā)出的不可見(jiàn)紅外能量轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢?jiàn)的熱圖像。熱圖像上面的不同顏色代表被測(cè)物體的不同溫度。

發(fā)現(xiàn)

1800年英國(guó)的天文學(xué)家Mr.WilliamHerschel用分光棱鏡將太陽(yáng)光分解成從紅色到紫色的單色光，依次測(cè)量不同顏色光的熱效應(yīng)。他發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水銀溫度計(jì)移到紅色光邊界以外，人眼看不見(jiàn)任何光線的黑暗區(qū)的時(shí)候，溫度反而比紅光區(qū)更高。反復(fù)試驗(yàn)證明，在紅光外側(cè)，確實(shí)存在一種人眼看不見(jiàn)的“熱線”，后來(lái)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(duì)零度(-273.16℃ )的物體都會(huì)發(fā)出紅外線，比如冰塊。

發(fā)展

從第二次世界大戰(zhàn)開(kāi)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(lái)工作的，它能夠透過(guò)漆黑的戰(zhàn)場(chǎng)讓士兵們清楚地看到敵方的行蹤。又由于它為無(wú)源性接收系統(tǒng)，比無(wú)線電雷達(dá)等可見(jiàn)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(gè)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(shí)，體溫會(huì)升高，測(cè)量體溫能夠判斷有無(wú)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(chǎng)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(dòng)脈血管時(shí)，熱像儀上的動(dòng)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(wú)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(cè)檢查，避免故障帶來(lái)的損失。熱像儀也可以用于地質(zhì)調(diào)查，地?zé)崽讲椋种脖环植?，大氣與海洋監(jiān)測(cè)，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(jìn)一步探索宇宙的奧秘?？梢灶A(yù)期未來(lái)熱成像技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?huì)得到更充分的開(kāi)發(fā)，推廣和普及。

中國(guó)的熱成像技術(shù)起步于70年代中期，經(jīng)過(guò)20多年來(lái)不懈的努力，依靠我們自己的技術(shù)力量，中國(guó)工程人員已經(jīng)成功地研制開(kāi)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(guó)的國(guó)防和國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中。

成像儀

美國(guó)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(yùn)動(dòng)機(jī)械，對(duì)目標(biāo)的熱輻射進(jìn)行圖像分解掃描，然后應(yīng)用光電探測(cè)器進(jìn)行光——電轉(zhuǎn)換，最后形成視頻圖像信號(hào)，并在熒屏上顯示，紅外前視系統(tǒng)至今仍是軍用飛機(jī)、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(kāi)發(fā)了具有溫度測(cè)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(jìn)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(gè)新的階段。

七十年代中國(guó)有關(guān)單位已經(jīng)開(kāi)始對(duì)紅外熱成像技術(shù)進(jìn)行研究，到八十年代初，中國(guó)在長(zhǎng)波紅外元件的研制和生產(chǎn)技術(shù)上有了一定進(jìn)展。到了八十年代末和九十年代初，中國(guó)已經(jīng)研制成功了實(shí)時(shí)紅外成像樣機(jī)，其靈敏度、溫度分辨率都達(dá)到很高的水平。

進(jìn)入九十年代，中國(guó)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(shí)驗(yàn)走向應(yīng)用，主要用途用于部隊(duì)，例如便攜式野戰(zhàn)熱像儀，反坦克飛彈、防空雷達(dá)以及坦克、軍艦火炮等。中國(guó)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(lái)講，與世界先進(jìn)水平差距很大，與西方相比，約差10年以上。目前國(guó)外已經(jīng)開(kāi)始在部隊(duì)裝備第二代紅外熱成像儀，并開(kāi)始了第三代的研發(fā)工作，但中國(guó)現(xiàn)在才推廣第一代紅外成像儀。在國(guó)際上，美國(guó)、法國(guó)、以色列是這方面的先行者，其它國(guó)家包括俄羅斯均處下游水平。近幾年來(lái)，中國(guó)的紅外成像技術(shù)得到突飛猛進(jìn)的發(fā)展，與西方的差距正在逐步縮小，有些設(shè)備的先進(jìn)性也可同西方同步，相信中國(guó)和西方的差距會(huì)進(jìn)一步縮小，尤其在新技術(shù)的應(yīng)用方面更可以獨(dú)樹(shù)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(jìn)的紅外熱成像儀，其溫度靈敏的可達(dá)0.03攝氏度。無(wú)論白天、黑夜均可用于持紅外儀來(lái)探測(cè)叢林中的敵人，其距離可達(dá)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(dá)數(shù)公里。通過(guò)熱像儀不僅可實(shí)時(shí)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)，更可以通過(guò)其行蹤軌跡的“熱痕跡”進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，因?yàn)橐话阄矬w的熱發(fā)散有一定的時(shí)間性，有些物體的熱發(fā)散需要很大時(shí)間。例如部隊(duì)點(diǎn)燃的炊煙，曾經(jīng)發(fā)動(dòng)過(guò)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(duì)，并在夜間的地面觀察、空中偵察、水面保險(xiǎn)等作出重要的貢獻(xiàn)。第二代熱成像儀主要采用焦平面陣列技術(shù)，集成數(shù)萬(wàn)個(gè)乃至數(shù)十萬(wàn)個(gè)信號(hào)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(wú)需光——機(jī)掃描系統(tǒng)，大大提高了靈敏度和熱分辨率，可以進(jìn)一步提高目標(biāo)的探測(cè)距離和識(shí)別能力。[2]

司法界定

美國(guó)最高法院針對(duì)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(lái)測(cè)量Kyllo房子中的熱輻射。熱成像儀偵測(cè)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(duì)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(cè)結(jié)果以及其他的相關(guān)信息，聯(lián)邦探員相信Danny Kyllo確實(shí)在使用鹵化燈種植大麻，于是他申請(qǐng)并獲得了搜查令。

在隨后對(duì)Kyllo的搜查中探員發(fā)現(xiàn)在嫌疑人屋內(nèi)生長(zhǎng)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(kāi)庭審判前提出申請(qǐng)要求排除證據(jù)。而這一申請(qǐng)被法院駁回。在能夠做到對(duì)熱進(jìn)行測(cè)度之后的第九年，聯(lián)邦最高法院終于同意對(duì)居家房屋中發(fā)散出的熱進(jìn)行偵測(cè)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(huì)所確認(rèn)具有合理性的隱私受到政府侵犯之時(shí)，即發(fā)生《第四修正案》所指的搜查。自Katz案后最高法院即對(duì)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(wèn)題關(guān)涉到合理隱私期待在高度上達(dá)至的范圍(四百至一千英尺)以及其橫向所至的終點(diǎn)(止于緊鄰房屋對(duì)外有隔欄的區(qū)域)。Katz案的事實(shí)正是在這樣的背景下提出了一個(gè)獨(dú)特的問(wèn)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(cè)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(lái)，很明顯Kyllo對(duì)自己的房屋有隱私期待，而且社會(huì)一直承認(rèn)一個(gè)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(chǎng)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(duì)其的保護(hù)(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(duì)四票接近均勢(shì)的判決宣布熱成像構(gòu)成了對(duì)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(kù)特、托馬斯、金斯博格和布萊耶加入同一陣營(yíng)的司法意見(jiàn))。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(guò)去只有通過(guò)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(duì)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(cè)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(jiàn)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(shí)施的侵入具有高度合理隱私期待的區(qū)域(房屋)的行動(dòng)都可能會(huì)提出《第四修正案》上的棘手問(wèn)題。在司法意見(jiàn)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(jiān)定的界線，執(zhí)法官員無(wú)論是走入房間還是測(cè)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(lái)以彈射般飛速精近，很自然地可以懷疑最高法院今后將會(huì)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。