礦用紅外熱像儀性能指標與測試方法研究

王 東

（1.煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122）

0 引言

紅外線屬于電磁波的一種，自然界中溫度超過絕對零度的物體無時無刻不向周圍外界空間輻射紅外能量。根據維恩位移定律和斯蒂芬——玻爾茲曼定律可知不同溫度的輻射曲線永不會相交，隨溫度增加輻射能量增大而峰值波長減小，能量對溫度的變化非常靈敏[1]。正是基于物體輻射的紅外光的這種溫度效應，相應的紅外熱成像技術不斷發展起來。

紅外熱像儀是一種被動式的紅外線接收裝置，探測目標物體發射的紅外輻射，通過光電轉換、電信號處理等手段最終將物體的溫度分布信息轉換成物體表面相應熱分布的熱像圖，具有非接觸、快速、實時性等特點，被廣泛應用于軍事、工業、煤礦等眾多領域。

1 礦用紅外熱像儀應用

目前，紅外熱像儀在煤礦井下主要應用在以下方面：1）監控礦用設備狀態。對于I 類煤礦設備最高表面溫度，當設備表面可能堆積煤塵時不允許超過150℃[2]，固定式紅外熱像儀可實時監測電氣設備、電纜、皮帶運輸機等的表面溫度變化，根據溫升情況預防出現電氣、運輸皮帶故障后產生的高溫，及時消除隱患；2）探測井下隱性危險源。通過固定式紅外熱像儀可連續監測堆積的煤炭、開采的煤層，避免熱量逐漸累積甚至自燃的發生；3）應急救援生命探測。礦難時，救援人員可以利用便攜式紅外熱像儀能在黑暗、濃煙濃霧的惡劣環境下進行搜尋工作的優勢，進行快速搜救，確定幸存者的確切位置，大大提高救援效率增加礦工存活幾率。

2 礦用紅外熱像儀主要性能指標

礦山井下環境復雜，井下災變環境應急救援時被測礦工與背景溫度相差不大，紅外輻射較弱，因此評價熱成像系統性能時，NETD（噪聲等效溫差）和MRTD（最小可分辨溫差）指標對紅外熱像儀正確判斷影響巨大[3]；井下含有大量煤塵，煤層中還會釋放甲烷、一氧化碳等氣體，影響紅外輻射吸收，因此必須考核灰塵環境下的熱像儀成像性能；為盡可能大概率并且準確捕捉到熱像儀所需的熱圖像，需要測溫一致性、溫度漂移、允許誤差等指標。

2.1 礦用紅外熱像儀分類

為適應不同要求可分為便攜式和固定式分別考慮性能指標，便攜式一般用來對被測物大體識別后的判斷，可以在濃煙下工作，具備紅外圖像顯示和溫度指示功能，可用于生命探測和火源探測。固定式一般用來對目標長期監測，具備圖像顯示，溫度分析和圖像存儲功能。要求測溫準確度相對高，可實時給出被測目標的溫度圖像信息。

2.2 主要技術指標

1）噪聲等效溫差（NETD）：即熱靈敏度，是熱像儀可分辨出的最小溫差，是描述溫度分辨率的一種參數，主要通過儀器而非人的測量來定量獲得熱像儀的溫度分辨率，是評價熱像儀探測目標靈敏度和噪聲大小的客觀參數。

采用熱像儀對目標進行觀察時，當目標的信號電壓的峰峰值Vs 與背景的噪聲電壓均方根VN 之比即信噪比（SNR）為1 時，目標與背景之間的溫差△T 為噪聲等效溫差，簡稱NETD。可用公式（1）或公式（2）表示：

環境溫度在23℃±5℃，50mm 焦距，相對孔徑為1時，NETD 宜小于0.15K。

2）最小可分辨溫差（MRTD）：可以反映熱像儀的熱靈敏度和空間分辨率，是評價紅外成像性能的最重要參數。與NETD 不同的是它與人的主觀性有很大關系，其核心思想是當人眼感覺到圖像信噪比大于等于視覺閾值信噪比時，目標與背景之間的溫差就是MRTD。對特定空間頻率下的四桿靶（高寬比7:1）標準黑體圖案，觀察者在顯示端不限時觀察，調節目標與背景之間的溫差，由零逐漸增大到觀察者剛好能分辨出靶標的圖案為止。此時背景與目標之間的溫差即為該空間頻率下的最小可分辨溫差MRTD。技術指標宜規定MRTD 小于1.0K （四桿靶圖案觀察法）。

3）允許誤差：環境溫度23℃±5℃時，固定式熱像儀的測溫準確度應不超過±2℃或測量值的±2%（℃）（取絕對值大者）。便攜式熱像儀應不超過±10℃或測量值的±10%（℃）（取絕對值大者）。

4）連續穩定工作時間：在允許誤差滿足的條件下，熱像儀連續穩定工作的時間不小于2h。

5）測溫一致性：熱像儀視場范圍內，不同區域的測量溫度的偏差值應不超過±2℃或視場中心區域測量值的±2%（℃）（取絕對值大者）。

6）溫度漂移：熱像儀在不同環境溫度下，其測量值之間的差別應小于±2℃或者小于黑體設定溫度值的±2%（取絕對值小的）。

7）模擬環境成像性能：便攜式熱像儀應在煤塵類的場所仍能清晰觀察到目標輪廓。

3 紅外熱像儀技術指標測試方法

3.1 NETD測試

方法一：在一定的靶標或黑體的選擇區域內，對N 個測試點測量信號電壓，計算求出噪聲電壓均方根VN，調節標準溫差黑體的溫差ΔT（通常2℃），使得目標圖像占全視場1/10 以上，測出其對應的信號電壓變化值 ，通過公式（1）計算得到NETD。

圖1 熱像儀成像畫面分布圖Fig.1 Image distribution of thermal imager

方法二：選取黑體輻射面的區域為信號區，選取靶標表面區域為背景區，設置溫差步進變化，每增加一次步進值，采集一次圖像，采集完成后，將不同溫差值的熱像儀對應的圖像灰度值記錄并繪制成曲線；取線性響應區的直線部分，計算其斜率，即為信號傳遞函數SiTF。然后，再測試熱像儀的噪聲即信號區的統計漲落值，通過公式（2）獲得NETD。

3.2 MRTD測試

1）熱像儀探測平穩放置光學平臺上，鏡頭視軸與面源黑體、四桿靶、準直儀的主光軸同軸。

2）調節熱像儀焦距，使得靶標成像清晰，四桿靶為垂直方向。

3）調節黑體溫度，使得初始黑體溫度高于靶標溫度Tc，此時靶標為白桿圖像；接著調低黑體溫度，直到觀察者剛好不能分辨四桿靶圖像時（試驗通常需要至少兩人認為恰好能分辨出四桿靶），此時的黑體溫度為T1，ΔT1=T1-Tc。

4）繼續緩慢調低黑體溫度，黑體溫度低于靶標溫度會出現黑桿圖像，繼續調低黑體溫度，當觀察者剛好不能分辨四桿靶圖像時（試驗通常需要至少兩人認為恰好能分辨出四桿靶），此時的黑體溫度為T2，ΔT2=Tc-T2。

5）則該空間頻率下的MRTD 為：MRTD=（ΔT1+ΔT2）/2。

3.3 允許誤差測試

將黑體置于熱像儀規定的工作位置，調節熱像儀使其能清晰成像，測溫準確。設置黑體溫度分別為每個量程的最高、最低和中點溫度。讀出熱像儀所測數據，依據下式計算允許誤差。

當to＜100℃時，θ=t1-t0；當to ≥100℃時，θ=(t1-t0)/t0×100%。式中，θ 為測量誤差，t0 為標準黑體溫度，單位：℃；t1 熱像儀測溫讀數，單位：℃。

當所有測試點均滿足規定的技術要求時，合格。

3.4 連續穩定工作時間測試

把黑體設置為50℃左右，將熱像儀置于規定位置，使其清晰成像準確測溫。在非人工干預的情況下，每隔10min 測量一次測溫點，測試時間為2h。熱像儀應仍能清晰成像且連續讀出的數據滿足允許誤差的要求。

3.5 測溫一致性測試

根據熱像儀實際使用情況或根據用戶要求設定黑體輻射源的溫度，該值應在熱像儀測溫范圍內（通常10℃～100℃）。將被檢紅外熱像儀的成像畫面等分為以下9 個區域，各區域的中心點均如圖1 作標記。

將面源黑體置于規定位置，調節熱像儀清晰成像，選取圖1 中區域1 ～9 的中心位置分別作為測溫點，調整熱像儀或黑體面源，使黑體的正中心成像于標記點，使用熱像儀測量黑體面源中心溫度，記錄所測量標記點n 的溫度tn 和熱像儀中心溫度t5。按公式（3）計算各點的測溫一致性：

公式（3）中：

n——第1 ～9 區域。

Φn——測溫一致性，℃。

tn——區域n 的測溫讀數，℃。

t5——區域5 的測溫讀數，℃。

Φn 均應滿足的相應技術要求。

3.6 溫度漂移測試

設置溫度試驗箱溫度為20℃時，將熱像儀放置試驗箱內，待溫度穩定后保溫2h 后開啟熱像儀，預熱15min 后測量已設置好的黑體溫度（測溫范圍內任一溫度），記錄測量值t0；設置溫度試驗箱溫度分別為0℃，40℃，溫度穩定后保溫2h 后開啟熱像儀，預熱15min 后測量同一黑體溫度，分別記錄測量值t1，t2。

當黑體設置溫度值＜100℃時，溫度漂移值￠=max（|t1-t0|，|t2-t0|）；當黑體設置溫度值≥100℃時，溫度漂移值￠=max（|t1-t0|/to×100%，|t2-t0|/to×100%）

3.7 模擬環境成像性能測試

試驗可以在一定密閉空間，使用食品級發煙器營造探測惡劣環境，煙氣應使肉眼無法識別1m 內的人為準，然后使用熱像儀觀察目標應能清晰地觀察到目標的輪廓為合格，期間室內照明不應對熱像儀的成像產生明顯影響。

4 結語

為提高紅外熱像儀質量，規范紅外熱像儀的研制、生產和驗收，國家于2006 年頒布了GB/T19870《工業檢測型紅外熱像儀》[4]，公安部2007 年頒布了GA/T 635《消防用紅外熱像儀》[5]，針對消防用熱像儀的特點，標準對黑暗、濃煙環境中人員搜救或火源尋找相關的技術指標均進行了規定。而紅外熱像儀雖已廣泛應用于煤礦井下，但尚沒有相關行業標準規范，針對礦用熱像儀的特點，分析礦用紅外熱像儀的主要性能指標，結合實際檢驗經驗提出的檢驗方法，為規范礦用紅外熱像儀的生產、檢驗及行業標準制定提供了可靠的技術參考。