無人機傳感器與檢測技術(shù)課件：紅外熱成像傳感器認知與應(yīng)用

紅外熱成像傳感器認知與應(yīng)用項目描述自從1800年英國著名的物理學(xué)家赫胥爾發(fā)現(xiàn)了紅外射線后，紅外技術(shù)為人類生活做出了巨大貢獻，應(yīng)用領(lǐng)域廣闊，比如：偵測火災(zāi)、檢查故障、鑒定真?zhèn)?。最早的紅外熱成像裝置于1964年由美國的德克薩斯儀器公司研發(fā)成功，在此之后，紅外成像技術(shù)突飛猛進，紅外產(chǎn)品種類繁多，生產(chǎn)規(guī)模也迅速擴大，也象征著紅外技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展到達了一個新的臺階。本項目擬通過熱外熱成像傳感器及特性的調(diào)研、無人機載熱像儀及特性的調(diào)研、無人機載熱像儀操作和紅外熱成像傳感器應(yīng)用場景調(diào)研四個工作任務(wù)，使學(xué)生了解紅外熱成像傳感器的結(jié)構(gòu)、原理，掌握無人機載紅外熱像儀的使用方法及應(yīng)用場景，并增強學(xué)生規(guī)范操作、團隊協(xié)作意識。任務(wù)一紅外熱成像傳感器認知任務(wù)描述

根據(jù)弗朗克輻射定理，自然界中，所有溫度在絕對零度(-273℃)以上的物體，都會不停地發(fā)出紅外輻射(或熱輻射)。利用紅外熱成像傳感器測定目標的本身和背景之間的紅外線差可以得到不同的紅外圖像，熱紅外線形成的圖像稱為熱圖像。本任務(wù)要求調(diào)研紅外熱成像傳感器的型號與特性。本任務(wù)要求調(diào)研紅外熱成像傳感器的型號與特性。任務(wù)實施1）課前準備紅外熱成像傳感器，包括手持測溫槍、手持紅外熱成像儀等。2）熟悉光譜分布圖、熱成像技術(shù)、熱成像系統(tǒng)組成、工作原理等相關(guān)概念。3）按照熱成像系統(tǒng)分類，選定調(diào)研的目標型號。4）根據(jù)目標型號，查閱并收集資料。5）對初步整理的資料進行分析研究，運用比較法、歸納法及推理等手段，總結(jié)紅外熱成像傳感器的特性，填寫表6-1。一、光譜分布圖熱紅外線知識鏈接溫度在絕對零度(-273℃)以上的物體，都會不停地發(fā)出紅外輻射(或熱輻射)把人眼不能直接看到的目標表面溫度分布，變成人眼可以看到的代表目標表面溫度分布的熱圖像。紅外熱成像功能二、熱成像技術(shù)熱成像儀1.熱成像系統(tǒng)的組成成像測溫裝置紅外光學(xué)系統(tǒng)紅外探測器圖像采集處理及控制系統(tǒng)監(jiān)視器冷卻系統(tǒng)紅外光學(xué)系統(tǒng)濾除各種雜散光信號紅外探測器將感應(yīng)到的紅外光信號轉(zhuǎn)換為電信號輸出圖像采集處理及控制模塊實現(xiàn)探測器信號的采集處理并完成對整個系統(tǒng)的控制冷卻系統(tǒng)為紅外探測器冷卻到合適的溫度監(jiān)視器用于觀察采集處理后的圖像2.熱成像儀的工作原理組成光學(xué)系統(tǒng)掃描機構(gòu)紅外探測器前置放大器視頻信號預(yù)處理電路顯示記錄系統(tǒng)和外圍輔助裝置工作原理3.紅外探測器的分類按紅外輻射與探測器的作用方式分按照工作溫度分光子型探測器熱探測器制冷型探測器非制冷型探測器按照敏感元的數(shù)量單元探測器線列探測器焦平面探測器按照響應(yīng)波長短波紅外探測器中波紅外探測器長波紅外探測器4.熱成像系統(tǒng)性能參數(shù)紅外探測器類型01工作波段02視場角04溫度分辨率05空間分辨率06幀頻07顯示記錄方式08測溫范圍03使用環(huán)境溫度范圍09熱成像技術(shù)發(fā)展簡史最早的紅外探測器1800年，Herschel用的涂墨水銀溫度計。二戰(zhàn)時期新材料、新的微加工工藝帶動了高性能探測器的更迭知識拓展紅外探測器的發(fā)展時間：20世紀60年代中期以前；探測器：硫化鉛(PbS)、銻化銦(InSb)及鍺摻汞(Ge：Hg)；工作波段：1~3μm和8~12μm；優(yōu)缺點：抗干擾能力差第三階段第一階段第二階段時間：20世紀60年代中期至70年代中期；出現(xiàn)紅外成像技術(shù)；工作波段：3-5μm；優(yōu)缺點：應(yīng)用多遠紅外熱成像系統(tǒng)時間：20世紀70年代至今；探測器：碲鎘汞(HgCdTe)；工作波段：3-5μm或8~14μm；優(yōu)缺點：試制成人工控制晶體結(jié)構(gòu)的超晶格多量子阱紅外探測器第一代紅外熱成像系統(tǒng)主要由紅外探測器(含致冷器)、光機掃描器、信號處理電路和視頻顯示器組成。第二代第三代第四代熱成像系統(tǒng)采用位于光學(xué)系統(tǒng)焦平面、具有n×m元且?guī)в行盘柼幚淼拿骊囂綔y器，即紅外焦平面探測器列陣。這種焦平面列陣的優(yōu)點是既能在焦平面上封裝高密度探測器，又能在焦平面上進行信號處理。紅外焦平面凝視式列陣，被稱為第三代紅外熱成像器件，技術(shù)日趨成熟。除32×32和64×64元凝視式中波紅外列陣外，512×512元高密度CMT列陣已經(jīng)問世。是紅外熱成像探測器的非致冷陣列熱電探測器，可以在室溫下工作,一般不需要致冷器,不需要機械掃描裝置;質(zhì)量輕、功耗小、可靠性好比較紅外熱成像傳感器認知與應(yīng)用任務(wù)二無人機用紅外熱像儀認知任務(wù)描述

與有人飛行器相比，無人機成本低，機動性能好，能夠執(zhí)行低能見度、低云層的低空飛行，安全性好，可顯著增加每天可飛時間、加快作業(yè)進度，因此，無人機近年來得到了迅速發(fā)展。無人機可搭載可見光相機和紅外熱像儀進行航拍。熱像儀通過探測物體本身發(fā)出的紅外線，對景物溫度分布進行成像，提供了比可見光相機更多的信息，可用于夜視追蹤、搜尋救援、設(shè)備巡檢等眾多領(lǐng)域。本任務(wù)要求調(diào)研無人機載紅外熱像儀的型號與特性。任務(wù)實施1）課前準備無人機載紅外熱像儀，包括大疆禪思XT系列紅外熱成像云臺相機、御2雙光版等。2）熟悉XM6A無人機載熱像儀、XT系列紅外熱成像云臺相機等技術(shù)參數(shù)。3）按照無人機載熱像儀的參數(shù)規(guī)格，選定調(diào)研的目標型號。4）根據(jù)目標型號，查閱并收集資料。5）對初步整理的資料進行分析研究，運用比較法、歸納法及推理等手段，總結(jié)無人機載紅外熱像儀的特性，填寫表6-4。一、XM6A無人機載紅外熱成像儀知識鏈接電氣接口接口參數(shù)以太網(wǎng)100M以太網(wǎng)，R45接口HDMIMicroHDMI接口，輸出支持1080P模擬視頻PAL/NTSC串口可用于控制存儲、對焦、調(diào)色板等I/O輸入33V下降沿觸發(fā)抓圖或錄像PPM支持PWM支持存儲可插拔TF卡，容量32G電源DC12V功耗2.5W二、大疆禪思XT系列紅外熱成像云臺相機項目內(nèi)容熱成像傳感器非制冷型氧化釩（VOx）微測輻射熱計尺寸1055mm×101mm×83mm質(zhì)量387g像元間距17μm分辨率640×512光譜范圍8~14μm鏡頭焦距19mm視場角32o×26o（f/1.1）工作溫度-20℃至+50℃場景溫度范圍-40℃至+150℃云臺參數(shù)角度抖動量±0.025o可控轉(zhuǎn)動范圍俯仰：-120o至+30o，平移：±302o最大控制轉(zhuǎn)速俯仰：90o/s，平移：90o/s手持熱像儀01知識拓展020304紅外熱成像傳感器認知與應(yīng)用任務(wù)三無人機載紅外熱像儀的基礎(chǔ)操作任務(wù)描述

DJI禪思XT2與DIPilotApp連接后，在相機界面可預(yù)覽拍攝畫面，如右圖所示。完成無人機載紅外熱像儀的基礎(chǔ)操作與參數(shù)配置是本任務(wù)的要求。任務(wù)實施1）課前準備DJI禪思XT2相機，M100無人機，無人機電池等。2）熟悉DJI禪思XT2相機界面、DIPilotApp的操作與使用。3）選定任務(wù)目標，操作DJI禪思XT2相機對目標進行拍攝操作。4）調(diào)節(jié)配置參數(shù)并獲取拍攝畫面。5）針對任務(wù)目標的特點，記錄并總結(jié)機載紅外熱像儀的參數(shù)配置，填寫表6-10。聚焦云臺工作模式數(shù)字變焦開啟FFC顯示模式輔助設(shè)置相機設(shè)置錄像/拍照切換拍照鍵回放DJI禪思XT2與DIPilotApp連接知識鏈接快速跟蹤

高溫跟蹤畫中畫模式融合顯示調(diào)色板等溫線搜人知識拓展ThermoVison紅外熱像儀紅外熱成像傳感器認知與應(yīng)用任務(wù)四無人機載紅外熱像儀的應(yīng)用任務(wù)描述

近年來，隨著低空無人機遙感技術(shù)的發(fā)展，熱紅外成像儀體積的縮小和溫度靈敏度的提高，無人機搭載熱紅外成像儀已經(jīng)廣泛應(yīng)用到各個領(lǐng)域中。紅外熱成像技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域見表6-12。本任務(wù)要求調(diào)研無人機載紅外熱像儀的應(yīng)用場景與工作流程。任務(wù)實施1）課前準備無人機載紅外熱像儀，包括大疆禪思XT系列紅外熱成像云臺相機、御2雙光版等。2）熟悉輸電線路巡檢、農(nóng)作物溫度監(jiān)測、光伏組件巡檢、工業(yè)管道巡檢等場景要求。3）分析不同應(yīng)用場景中無人機載熱像儀設(shè)備的參數(shù)要求，了解應(yīng)用場景的工作流程。4）選定任務(wù)場景及無人機載熱像儀設(shè)備，查閱并收集資料。5）對初步整理的資料進行分析研究，運用比較法、歸納法及推理等手段，總結(jié)無人機載紅外熱像儀的應(yīng)用場