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红外天文学:红外热像仪如何检测恒星
2021-12-08

红外天文学:红外热像仪如何检测恒星

事实上,热像仪的视野远远超出了我们人眼所能看到的范围。通过这样做,它可以为我们提供数十万英里外恒星诞生的明确迹象。

事实上,再强大的哈勃太空望远镜也无法探测到这样一个突破性的时刻。美国宇航局的低轨道太空望远镜或许能够为您提供一个很远很远的美丽星云的壮观图像。然而,它不会给我们暗示即将在该星云内诞生的初出茅庐的恒星的崛起。星际尘埃覆盖的图像会掩盖这一重大事件。但如果红外热像仪无法帮助它,则不会。 

言归正传,热像仪一直在全球范围内与新冠病毒的斗争掀起波澜,这种可怕的病毒使我们的活动受到严格测量。毫无疑问,这些相机已经占据了中心位置。它可能无法直接检测病原体的存在。但是,说实话,没有任何设备可以比红外热像仪更安全地从安全距离检测发烧,这是病毒感染的首要症状。难怪如今它已成为购物中心和其他公共场所入口处的固定装置。 

因此,最重要的是仔细观察热像仪的工作原理。通过获得更多的知识,您将能够最大限度地利用热像仪,就像它改变了我们在地球上的生活一样。在很大程度上,当您想让事情顺利进行时,可以获得更高的生产力和效率。 

原则第一

马上,您可能会对红外热像仪如何检测恒星的诞生感到困惑。但这只是冰山一角。红外天文学可以发现更多关于我们已知宇宙的信息,因为它超越了可见光。或者一双人的眼睛能看到什么。 

所以首先要知道红外线是不可见的。与我们每天看到的正常事物不同,我们不能用人类的视觉来看到红外线。

1800 年发现红外辐射 (IR) 的英国天文学家威廉·赫歇尔爵士 (Sir William Herschel ) 甚至不知道存在红外辐射,这绝非偶然。至少在他看到它的效果之前不会。使用艾萨克牛顿爵士熟悉的棱镜实验,威廉使用温度计测量太阳光产生的每种颜色的温度。他意识到随着颜色变成红色,热量会增加。终于,他撞上了比红色还要炽热的"无形之光"。这就是红外线或热能的发现方式。 

因此,您必须意识到比较普通相机和热像仪是徒劳的。智能手机上的普通相机使用可见光能量捕捉您周围的照片。人眼也是如此,人眼也充分利用了可见光能量。 

热像仪检测热量(而不是可见光)的存在。并从该输入通过数字或模拟输出形成视觉表示。因此,它只能看到热能,而看不到我们眼睛习惯的画面。 

请注意,地球上的一切都会散发出热能,即使是一块冷冰。物体越热,它发出的热能就越多。热像仪检测物体的特定热分布是义不容辞的,也称为热特征。并排放置的物体可能具有不同的热特征。但是,火等极端高温会影响靠近它的物体的热特征。 

事实上,热像仪的工作是描绘物体发出的热能。虽然普通相机可以以令人惊叹的颜色为您提供周围物体的视觉表示,但它无法描绘所述物体的热能。另一方面,热像仪可以向您显示周围物体的各种热能,但无法为您提供周围环境的生动图像。 

红外天文学比任何强大的望远镜都能更好地探测新恒星的诞生,因为它可以跟踪外太空的能量排放。当新恒星诞生时,它们会发出某种明确无误的红外光,表明它们的存在。虽然通常的天体望远镜无法看穿所有的星系尘埃和星云,但强大的红外望远镜可以探测到这种星系间能量的突然爆发。

热像仪内部:工作原理

 

了解什么是红外线辐射是一回事,而捕捉它又是另一回事。我们必须明白,我们今天所知道的热像仪是一个漫长而曲折的过程,需要几十年才能完善的产物。一方面,我们今天的红外热像仪功能强大且用户友好。因此,与几十年前消防使用的那些不同,它们不仅重量大,而且价格也不利。 

先说第一件事。让我们在信用到期的地方给予信用。虽然是威廉·赫歇尔爵士让世界意识到了红外辐射,但 在 1929 年发明了第一台红外敏感相机的是匈牙利物理学家和发明家 Kálmán Tihanyi。在这方面,我们可以将 Tihanyi 称为"制造红外热像仪的人"。我们看到了看不见的东西。

由于红外摄像机旨在捕捉周围环境中的热能,因此其主要部件旨在处理红外辐射。输入单元尤其如此。我们谈论的是镜头和传感器,红外线辐射必须通过的路径。 

1、镜片

马上,想想热像仪的镜头,就像你的眼睑一样。如果您的眼睑不打开,您将无法看到周围的环境。不是一回事。就其本身而言,热像仪必须有一个镜头,允许红外线及其各种频率通过。只有这样,传感器才能处理信号。 

这就是 IR 摄像头和标准摄像头(手机上的那个)不同的地方。与普通相机不同,红外相机的镜头不得由玻璃制成。请注意,玻璃会阻挡长波红外辐射 (LWIR),这是对热成像最有用的频率。 

因此,镜片通常由锗、硒化锌、氟化钙或蓝宝石制成。通过这样做,透镜可以满足 7 到 14 μm 热辐射的电磁光谱范围。由于这些材料中的大多数都具有高折射率,因此将抗反射涂层应用于镜片以校正偏转至关重要。

2、传感器

热像仪的核心是传感器。这是红外辐射通过热探测器的地方。这种检测器直接响应因吸收入射红外光而发生的热增加。 

但是,随着时间的推移,有两种最突出的方法可以完成这项工作。今天使用的最新和常用技术是通过微测辐射热计,而另一种方法是使用热释电材料。详情如下。

微测辐射热计 

原则上,微测辐射热计是一种对辐射敏感的设备。第一台辐射热计是由 美国物理学家/天文学家发明家塞缪尔·皮尔庞特·兰利( Samuel Pierpont Langley,1834 - 1906 年) 发明的。 

任何直接撞击微测辐射热计吸收元件的辐射都会导致温度相应升高。吸收的能量越大,温度就越高。这种温度变化可以使用电阻温度计直接测量。并作为电子信号读出以产生电子图像。本质上,微测辐射热计由一层薄薄的金属组成,然后通过热链接直接连接到(恒温的)热库。 

传感器阵列是排列在网格中的数千个探测器像素的所在地。知道阵列中的每个像素都会对直接撞击它的红外辐射做出反应,产生一个电阻,然后可以将其转换为电子信号。来自每个像素的信号通过应用数学公式进行处理,该公式构成了所捕获物体温度的颜色图的基础。然后将随后的彩色图片发送到相机的处理单元进行显示。 

知道每个像素都有一个微测辐射热计,以获得更高的精度。因此,与智能电视或普通相机相比,热成像相机的分辨率相当低。事实通常是,640x480 已经被认为是热像仪的高分辨率。 

基于微测辐射热计的热像仪也称为非制冷热像仪,因为不需要单独的冷却机制来操作微测辐射热计传感器。直接的优势是这些红外热像仪比传统的冷却型号更轻。 

3、热电材料 

这些是使用冷却传感器检测器的热像仪。一个光辉的例子是钽酸锂。这种材料会直接响应温度的变化而产生微小的电压。从这个意义上说,它直接检测红外光子。它是光伏的,而不是使用光电导的基于非制冷微测辐射热计的热像仪。 

尽管它们提供了许多优势,例如远距离红外检测和更精细的温差结果,但冷却式热像仪正逐渐被非冷却设备所取代。这主要是因为它们更昂贵的价格标签和笨重的性质。由于其成像传感器必须与低温冷却器集成,因此按照当今的标准,这些红外探测器很重。更糟糕的是,随着时间的推移,低温冷却器中的运动部件很容易磨损。 

4、图像处理器

获取红外辐射后,必须处理数据以创建在红外摄像机屏幕上看到的输出。数据处理包括预处理、特征提取和分类。请注意,过滤用于消除噪音或不需要的数据。在这里,使用算法或数学方程来产生可视图像。 

展示

这是来自相机处理器的数据转换为电子信号的地方。请记住,所述数据取自每个像素(非冷却)。通过应用数学算法,可以生成颜色图。这代表了被调查物体的明显热特征。以前,非彩色或黑白表示在热成像显示器中很常见。 

顶级独特的热像仪应用

扫描宇宙

当涉及到广阔的宇宙时,可见光可能会不足。事实上,宇宙中有数百亿个物体,它们的温度太低,而且非常微弱,无法通过可见光定位。然而,红外摄像机在检测这些方面没有问题。由于天体(与它们一样大)会发出红外线,定位和监测它们会容易得多。 

一个典型的例子是土星的极光。NASA 能够监测这颗行星的光的运动,从而将其与地球(北极光)的光进行比较。 

更好的是,红外波具有比可见光更长的波长,可以穿过外太空的星云和巨大的尘埃区域,效果更好,散射更少,完整性更高。因此,我们可以更深入地了解我们已知宇宙的起源, 并发现恒星和其他星系的诞生。 

自动修理

想象一下,您和机械师找到您的汽车问题会变得多么容易。您不必再猜测是保险丝盒还是汽车的电气系统。通过使用方便的红外摄像头,您可以查明问题的根源。请注意,过热是汽车故障的明显迹象。 

就像房屋检查员使用它来检测您生活空间中的能源漏洞一样,热像仪可用于处理汽车问题。在此过程中节省宝贵的时间和精力。 

动物健康

我们目睹了热像仪如何有助于阻止新冠威胁的蔓延。此外,该技术应该被证明对于在大流行后时期重新开放设施至关重要。不仅可以获得更快的发烧检测,而且还可以获得优质产品,而不会在您的钱包上炸开一个大洞。

但热成像也有利于宠物。由于我们最喜欢的动物——从狗、猫到马——无法用语言表达它们的痛苦,因此能够确定它们是否患有健康问题是很重要的。即使你知道他们正在受苦,找到问题的核心完全是另一个挑战。 

这就是热像仪再次发挥作用的地方。热量的存在一直是动物健康问题的良好迹象。在发烧、感染和可能的炎症方面尤其如此。红外热像仪已成为公共场所入口的标准配置。 

通过部署红外技术,您可以检测宠物可能存在的热点区域。无论您的宠物是在家庭中还是在农场中与您一起生活,这都无关紧要。 

确实,您节省了精力和时间,更不用说您宝贵的财务了。最重要的是,您可以挽救生命。这就是您手中的热像仪的美妙之处。