消防用紅外熱像儀的工作原理及應(yīng)用

1、    消防用紅外熱像儀的工作原理及應(yīng)用    李大勇摘  要：從日常生活中太陽光的色散實(shí)驗(yàn)引出紅外線，簡單闡述了紅外線的基本特性，重點(diǎn)介紹了消防用的紅外熱像儀成像機(jī)理、識別條件，以及紅外熱像儀在消防領(lǐng)域的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：消防用紅外熱像儀;分類;工作原理;應(yīng)用分類號：d631.6一、引言生活中人們知道太陽光呈現(xiàn)白色，而在歷史上英國科學(xué)家艾薩克·牛頓于1665年通過著名的太陽光色散實(shí)驗(yàn)，將太陽光通過三棱鏡折射后形成了由紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫順次連續(xù)分布的彩色光譜，使得人們第一次接觸到了光的客觀的和定量的特征。1800年英國倫敦皇家學(xué)院

2、的威廉·赫歇爾發(fā)表太陽光在可見光譜的紅光之外還有一種不可見的延伸光譜，具有熱效應(yīng)。他所使用的方法很簡單，用一支溫度計(jì)測量經(jīng)過棱鏡分光后的各色光線溫度，由紫到紅，發(fā)現(xiàn)溫度逐漸增加，可是當(dāng)溫度計(jì)放到紅光以外的部分，溫度仍持續(xù)上升，因而斷定有紅外線存在。紅外線是一種不可見光，是一種波長介于可見光和微波之間的電磁波。紅外線具有很強(qiáng)熱效應(yīng)，并易于被物體吸收，透過煙霧的能力比可見光強(qiáng)，俗稱紅外光。自然界中一切物體都會輻射紅外線，并且紅外線遵循適用于“可見光”的所有規(guī)律，當(dāng)紅外線照射物體時(shí)，一部分被反射，一部分被吸收或散射，一部分被透射。人們通過測定目標(biāo)本身和背景之間的紅外線強(qiáng)度差而得到不同的紅外

3、圖像的特性發(fā)明制造了紅外熱像儀。紅外熱像儀是通過紅外光學(xué)系統(tǒng)、紅外探測器及電子處理系統(tǒng)，將物體表面紅外輻射轉(zhuǎn)換成可分辨的灰度圖像的設(shè)備1，主要分為便攜類紅外熱像儀、移動類紅外熱像儀、固定類紅外熱像儀、救助型紅外熱像儀、檢測型紅外熱像儀等5類，其中便攜類紅外熱像儀是使用時(shí)可手持?jǐn)y帶、固定佩戴于身體某一部位的紅外熱像儀。移動類紅外熱像儀是安裝于消防移動載體上（如消防車、消防機(jī)器人等）的紅外熱像儀。固定類紅外熱像儀是固定安裝于室內(nèi)或室外用于監(jiān)控區(qū)域溫度的紅外熱像儀。救助型紅外熱像儀是采用電池供電，具備紅外圖像顯示和溫度指示功能，能在黑暗環(huán)境、濃煙和高溫火場等環(huán)境下使用，輔助消防員搜尋被困人員、偵測高

4、溫位置等用途的紅外熱像儀。檢測型紅外熱像儀是防火監(jiān)督人員進(jìn)行防火檢查所使用的能實(shí)現(xiàn)圖像顯示、溫度分析和圖像存儲，并實(shí)時(shí)給出被測目標(biāo)的溫度及分布等圖像信息的便攜類紅外熱像儀。因此，它們不僅被廣泛用于滅火、救援、電氣火災(zāi)原因分析等消防工作中，而且也可作為消防檢查人員進(jìn)行消防安全檢查、監(jiān)控的主要探測儀器。二、消防用的紅外熱像儀工作機(jī)理1.熱成像機(jī)理及識別目標(biāo)條件消防用的紅外成像系統(tǒng)是以由目標(biāo)和背景組成的場景自身發(fā)出的紅外輻射作為輻射源，通過光電轉(zhuǎn)換形成反映場景特征的圖像的。通過探測目標(biāo)的熱輻射來迅速地發(fā)現(xiàn)、識別和跟蹤目標(biāo)的。該系統(tǒng)的正常工作必須具備三個(gè)條件2：第一、適合成像探測器接收的足夠強(qiáng)的紅外輻

5、射，即入射的輻射波長應(yīng)與探測器的工作波長相匹配，入射的輻射能量要足夠多;第二、和背景之間應(yīng)有一定的輻射對比度3-5。紅外輻射對比度有多種表示方法，可以用目標(biāo)與背景的輻射溫度、強(qiáng)度、亮度、出射度、功率以及在探測器上輻射照度表示。若用輻射強(qiáng)度表示，則為：若用目標(biāo)和背景的輻射出射度表示輻射對比度，則為：式（2）中，表示輻射對比度，為目標(biāo)在波長間隔的輻射出射度，為目標(biāo)在波長間隔的輻射出射度。第三、觀察目標(biāo)應(yīng)有足夠的線度。紅外圖像的成像機(jī)理與可見光圖像不同，是通過紅外探測器接受場景（包括其中的動態(tài)目標(biāo)、靜態(tài)目標(biāo)以及背景）的紅外輻射成像，場景中的某一部分的輻射強(qiáng)度越大，反映在圖像中的這一部分的灰度值越高，

6、這一部分也越亮。由于目標(biāo)與背景的溫度不同，目標(biāo)自身部分溫度不同，輻射能量（）也不一樣，輻射能量與物體溫度成4次方關(guān)系6。熱成像儀通過光學(xué)系統(tǒng)把接收到的不同紅外輻射能變成電信號放大，再把電信號轉(zhuǎn)換為光信號，然后顯示成像。要在顯示屏上識別目標(biāo)，除了目標(biāo)背景與目標(biāo)本身存在溫差外，目標(biāo)本身還具有足夠的空間頻率。熱成像儀識別目標(biāo)的條件可用俄羅斯的考拉勃?jiǎng)谶_(dá)夫計(jì)算紅外熱成像儀最大識別距離的公式來表達(dá)：式（3）中，為最大識別距離，為目標(biāo)與背景的溫差，為目標(biāo)面積，為目標(biāo)寬度，為探測器系統(tǒng)參數(shù)，、為光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)，為傳輸功率，為大氣衰減系數(shù)。2.紅外圖像處理紅外探測器的焦平面上排列著感光元件陣列，陣列上的每個(gè)像素

7、點(diǎn)都可以接收到目標(biāo)物體所發(fā)射出的紅外輻射能，并轉(zhuǎn)換為不同的灰度值，經(jīng)過rgb色彩編碼模式，可呈現(xiàn)不同的色彩等級。目標(biāo)物體發(fā)射的紅外線經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)成像在系統(tǒng)焦平面的這些感光元件上，探測器將接受到光信號轉(zhuǎn)換為電信號并進(jìn)行積分放大、采樣保持，通過輸出緩沖和多路傳輸系統(tǒng)，最終送達(dá)監(jiān)視系統(tǒng)形成圖像，顯示出目標(biāo)灰度熱量分布圖或偽彩熱量分布，簡稱熱圖。對于要求定量給出物體表面溫度的紅外熱像儀，還要求將灰度圖像進(jìn)行彩色編碼，提高溫度指示的直觀性。三、消防用紅外熱像儀的應(yīng)用1.火情偵察火情偵察貫穿于滅火救援的全過程。消防員在紅外熱像儀的輔助下，對火場的各種情況進(jìn)行判斷，做出科學(xué)的決策，并按計(jì)劃實(shí)施消防戰(zhàn)斗部署，

8、為火情偵察提供全面細(xì)致的火場信息。1.1確定著火位置應(yīng)用紅外熱像儀可以通過火場煙氣與著火物之間的溫度差，快速判斷著火部位與高溫物體，從而調(diào)整滅火戰(zhàn)術(shù)有效滅火，如圖1所示，在可見光下肉眼不能看到著火位置，但是在紅外光下明顯看到著火位置。1.2監(jiān)測著火建筑物的結(jié)構(gòu)安全利用紅外熱像儀對建筑外部的溫度分布進(jìn)行監(jiān)測，能夠發(fā)現(xiàn)建筑物柱體、墻體、樓板等已發(fā)生開裂等現(xiàn)象，如圖2所示，以便及時(shí)通知消防員撤退，避免因建筑物坍塌而造成消防員的重大傷亡。1.3監(jiān)測特殊火場目標(biāo)液位及溫度使用紅外熱像儀，消防指揮員能夠快速測定燃燒和受熱罐體內(nèi)液位高度及溫度高低，如圖3所示，判斷罐體的危險(xiǎn)程度，以便采取相應(yīng)的應(yīng)對措施。1.

9、4確定泄漏隱患位置消防“無損檢測”，判定物體溫度分布不均之處，判斷可能的危險(xiǎn)。當(dāng)有可燃或有毒物料泄漏時(shí)，可以應(yīng)用紅外熱像儀快速搜尋泄漏位置，如圖4所示。2.搜索及救援在無光線或光線受阻的災(zāi)害事故現(xiàn)場，消防人員常常被置于危險(xiǎn)境地卻無法找到危險(xiǎn)源或者搜救和撤離路線。當(dāng)救援人員在建筑物內(nèi)、隧道、深井、船艙等災(zāi)害現(xiàn)場中行進(jìn)時(shí)，應(yīng)用紅外熱像儀識別和避開危險(xiǎn)源（如地面的坑洞、懸掛的帶電線路等危險(xiǎn)阻擋物，如圖5所示，減少消防搜救人員受傷害的可能。四、結(jié)束語紅外熱像儀作為實(shí)現(xiàn)紅外探測技術(shù)在消防領(lǐng)域進(jìn)行開發(fā)、應(yīng)用研究的基本器件，不僅僅是上述列舉那么多，還可以用于傷員搜救、及時(shí)發(fā)現(xiàn)暗火、消除復(fù)燃隱患、提前預(yù)告火災(zāi)隱患、監(jiān)測漏電、接觸電阻過大、過載、短路等情況。但是，也必須經(jīng)常認(rèn)識到紅外熱像儀對消防人員來說，并不是無所不能的應(yīng)用于任何環(huán)境、任何場所。只有對紅外熱像儀的正確的認(rèn)識與現(xiàn)場正確的使用，才能夠發(fā)揮其最大的輔助功效。參考文獻(xiàn)1全國消防標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會第五分技術(shù)委員會.ga/t635-2006 消防用紅外熱像儀s.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006：1-2.2鹿紅星.紅外成像技術(shù)在地雷探測中的應(yīng)用j.紅外，2004，（7）：7-11.3張建奇.紅外物理 第2版m.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2013：74-76.4婁和利，等.地面目標(biāo)和背景的紅外輻射對比度特性j.紅外與激光工程，