消防用紅外熱像儀的工作原理及應用

李大勇

摘? 要：從日常生活中太陽光的色散實驗引出紅外線，簡單闡述了紅外線的基本特性，重點介紹了消防用的紅外熱像儀成像機理、識別條件，以及紅外熱像儀在消防領域的應用。

關鍵詞：消防用紅外熱像儀;分類;工作原理;應用

分類號：D631.6

一、引言

生活中人們知道太陽光呈現白色，而在歷史上英國科學家艾薩克·牛頓于1665年通過著名的太陽光色散實驗，將太陽光通過三棱鏡折射后形成了由紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫順次連續分布的彩色光譜，使得人們第一次接觸到了光的客觀的和定量的特征。1800年英國倫敦皇家學院的威廉·赫歇爾發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。他所使用的方法很簡單，用一支溫度計測量經過棱鏡分光后的各色光線溫度，由紫到紅，發現溫度逐漸增加，可是當溫度計放到紅光以外的部分，溫度仍持續上升，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。紅外線具有很強熱效應，并易于被物體吸收，透過煙霧的能力比可見光強，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”的所有規律，當紅外線照射物體時，一部分被反射，一部分被吸收或散射，一部分被透射。人們通過測定目標本身和背景之間的紅外線強度差而得到不同的紅外圖像的特性發明制造了紅外熱像儀。

紅外熱像儀是通過紅外光學系統、紅外探測器及電子處理系統，將物體表面紅外輻射轉換成可分辨的灰度圖像的設備[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可手持攜帶、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或室外用于監控區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，能在黑暗環境、濃煙和高溫火場等環境下使用，輔助消防員搜尋被困人員、偵測高溫位置等用途的紅外熱像儀。檢測型紅外熱像儀是防火監督人員進行防火檢查所使用的能實現圖像顯示、溫度分析和圖像存儲，并實時給出被測目標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、電氣火災原因分析等消防工作中，而且也可作為消防檢查人員進行消防安全檢查、監控的主要探測儀器。

二、消防用的紅外熱像儀工作機理

1.熱成像機理及識別目標條件

消防用的紅外成像系統是以由目標和背景組成的場景自身發出的紅外輻射作為輻射源，通過光電轉換形成反映場景特征的圖像的。通過探測目標的熱輻射來迅速地發現、識別和跟蹤目標的。該系統的正常工作必須具備三個條件[2]：

第一、適合成像探測器接收的足夠強的紅外輻射，即入射的輻射波長應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，可以用目標與背景的輻射溫度、強度、亮度、出射度、功率以及在探測器上輻射照度表示。

若用輻射強度表示，則為：

若用目標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，為目標在～波長間隔的輻射出射度，為目標在～波長間隔的輻射出射度。

第三、觀察目標應有足夠的線度。

紅外圖像的成像機理與可見光圖像不同，是通過紅外探測器接受場景（包括其中的動態目標、靜態目標以及背景）的紅外輻射成像，場景中的某一部分的輻射強度越大，反映在圖像中的這一部分的灰度值越高，這一部分也越亮。由于目標與背景的溫度不同，目標自身部分溫度不同，輻射能量（）也不一樣，輻射能量與物體溫度成4次方關系[6]。熱成像儀通過光學系統把接收到的不同紅外輻射能變成電信號放大，再把電信號轉換為光信號，然后顯示成像。要在顯示屏上識別目標，除了目標背景與目標本身存在溫差外，目標本身還具有足夠的空間頻率。熱成像儀識別目標的條件可用俄羅斯的考拉勃勞達夫計算紅外熱成像儀最大識別距離的公式來表達：

式（3）中，為最大識別距離，為目標與背景的溫差，為目標面積，為目標寬度，為探測器系統參數，、為光學系統參數，為傳輸功率，為大氣衰減系數。

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，陣列上的每個像素點都可以接收到目標物體所發射出的紅外輻射能，并轉換為不同的灰度值，經過RGB色彩編碼模式，可呈現不同的色彩等級。目標物體發射的紅外線經過光學系統成像在系統焦平面的這些感光元件上，探測器將接受到光信號轉換為電信號并進行積分放大、采樣保持，通過輸出緩沖和多路傳輸系統，最終送達監視系統形成圖像，顯示出目標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行判斷，做出科學的決策，并按計劃實施消防戰斗部署，為火情偵察提供全面細致的火場信息。

1.1確定著火位置

應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，從而調整滅火戰術有效滅火，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監測著火建筑物的結構安全

利用紅外熱像儀對建筑外部的溫度分布進行監測，能夠發現建筑物柱體、墻體、樓板等已發生開裂等現象，如圖2所示，以便及時通知消防員撤退，避免因建筑物坍塌而造成消防員的重大傷亡。

1.3監測特殊火場目標液位及溫度

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液位高度及溫度高低，如圖3所示，判斷罐體的危險程度，以便采取相應的應對措施。

1.4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。當有可燃或有毒物料泄漏時，可以應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害事故現場，消防人員常常被置于危險境地卻無法找到危險源或者搜救和撤離路線。當救援人員在建筑物內、隧道、深井、船艙等災害現場中行進時，應用紅外熱像儀識別和避開危險源（如地面的坑洞、懸掛的帶電線路等危險阻擋物，如圖5所示，減少消防搜救人員受傷害的可能。

四、結束語

紅外熱像儀作為實現紅外探測技術在消防領域進行開發、應用研究的基本器件，不僅僅是上述列舉那么多，還可以用于傷員搜救、及時發現暗火、消除復燃隱患、提前預告火災隱患、監測漏電、接觸電阻過大、過載、短路等情況。但是，也必須經常認識到紅外熱像儀對消防人員來說，并不是無所不能的應用于任何環境、任何場所。只有對紅外熱像儀的正確的認識與現場正確的使用，才能夠發揮其最大的輔助功效。

參考文獻

[1]全國消防標準化技術委員會第五分技術委員會.GA/T635-2006 消防用紅外熱像儀[S].北京：中國標準出版社，2006：1-2.

[2]鹿紅星.紅外成像技術在地雷探測中的應用[J].紅外，2004，（7）：7-11.

[3]張建奇.紅外物理 第2版[M].西安：西安電子科技大學出版社，2013：74-76.

[4]婁和利，等.地面目標和背景的紅外輻射對比度特性[J].紅外與激光工程，2012，（8）：2002-2006.

[5]田昌會，等.紅外輻射對比度概念的探討[J].空軍工程大學學報（自然科學版），2013，（8）：81-83.

[6]尹宏.大氣輻射學基礎[M].北京：氣象出版社，1993：1-12.

（內蒙古自治區消防救援總隊? 內蒙古 呼和浩特? 010070）