2020年02月14日 | 红外热像仪原理与领域应用

　　随着光电信息、微电子、网络通信、数字视频、多媒体技术及传感技术的发展，安防监控已由传统的模拟走向数字化、智能化、网络化。下面简要地介绍红外热成像技术在安全防范系统中的应用。

　　一、什么是红外热成像?

　　红外热成像

　　人眼能够感受到的可见光波长为0.38-0.78微米。通常将比0.78微米长的电磁波，称为红外线。自然界中，一切物体都会辐射不同波长的红外线，因此能够利用特制的探测设备分别检测出监控目标本身和背景之间的红外线波长，从而可以得到不同的红外图像，这种红外图像称为热图像。

　　同一目标的热图像和可见光图像是不同的，热图像是目标表面温度分布图，或者说，红外热图像是人眼不能直接看到的目标表面温度分布图，只有通过专门的设备才能转换成人眼可以看到的、表徵目标表面温度分布的热图像。

　　红外热成像特点

　　自然界所有温度在绝对零度(-273℃)以上的物体，都会发出红外线，红外线(或称热辐射)是自然界中存在最为广泛的辐射。大气、烟云等吸收可见光和近红外线，但是对3-5微米和8-14微米的红外线却是透明的。因此，这两个波段被称为红外线的“大气窗口”。我们利用这两个窗口，可以在完全无光的夜晚，或是在烟云密布的恶劣环境，能够清晰地观察到前方的情况。正是由于这个特点，红外热成像技术可用在安全防范的夜间监视和各种场所的防火监控系统中。

　　红外热成像仪

　　采用红外热成像技术，探测目标物体的红外辐射，并通过光电转换、信号处理等手段，将目标物体的温度分布图像转换成视频图像的设备被称为红外热成像仪。红外热成像仪可分为致冷型和非致冷型两大类。致冷型的热灵敏度高,结构复杂,一般用于军事用途,而非致冷型灵敏度虽低于致冷型，但其性能已可以满足多数军事用途和几乎所有的民用领域。由于不需要配备制冷装置，因此非制冷红外热成像仪可靠性及性价比较致冷型的高。

　　红外热成像仪的应用

　　1、夜间及恶劣气候条件下的目标监控

　　夜晚，需可见光工作的设备已经不能正常工作，如果采用人工照明，则容易暴露目标。若采用微光夜视设备，它同样也工作在可见光波段，依然需要外界光照明。而红外热成像仪是被动接受目标自身的红外热辐射，无论白天黑夜均可以正常工作，并且也不会暴露自己。同样在雨、雾等恶劣的气候条件下，由于可见光的波长短，克服障碍的能力差，因而观测效果差，但红外线的波长较长，特别是工作在8-14um的热成像仪，穿透雨、雾的能力较强，因此在夜间以及恶劣气候条件，采用红外热成像监控设备仍可以正常地对各种目标进行监控。

　　2、防火监控

　　由于红外热成像仪是反映物体表面温度而成像的设备，因此除了夜间可以作为现场监控使用外，还可以作为有效的防火报警设备，在所有的消防火险发生初期，灾害往往是由不明显的隐火引发的。用现有的普通方法，很难发现这种隐性火灾苗头。而应用红外热成像仪可以快速有效地发现这些隐火，并且可以准确判定火灾的地点和范围，透过烟雾发现着火点，做到早知道早预防，早扑灭。

　　3、伪装及隐蔽目标的识别

　　伪装是以防可见光观测为主，犯罪分子作案时通常会隐蔽在草丛及树林中，由于野外环境的恶劣及人的视觉错觉，容易产生错误判断。红外热成像仪是被动接受目标自身的热辐射，人体和车辆的温度及红外辐射一般都远大于草木的温度及红外辐射，因此不易伪装，也不容易产生错误判断。

　　二、红外热成像的特点是什么?

　　我们周围的物体只有当它们的温度高达1000℃以上时，才能够发出可见光。相比之下，我们周围所有温度在绝对零度(-273℃)以上的物体，都会不停地发出热红外线。例如，我们可以计算出，一个正常的人所发出的热红外线能量，大约为100瓦。所以，热红外线(或称热辐射)是自然界中存在最为广泛的辐射。热辐射除存在的普遍性之外，还有另外两个重要的特性。

　　1.大气、烟云等吸收可见光和近红外线，但是对3~5微米和8~14微米的热红外线却是透明的。因此，这两个波段被称为热红外线的“大气窗口” 。利用这两个窗口，可以使人们在完全无光的夜晚，或是在烟云密布的现场，清晰地观察到前方的情况。正是由于这个特点，红外成像技术为军事上提供了先进的夜视装备并为飞机、舰艇和坦克装上了全天候前视系统。这些系统在海湾战争中发挥了非常重要的作用。

　　2.物体的热辐射能量的大小，直接和物体表面的温度相关。热辐射的这个特点使人们可以利用它来对物体进行无接触温度测量和热状态分析，从而为工业生产，节约能源，保护环境等等方面提供了一个重要的检测手段和诊断工具。

　　三、红外热成像仪

　　根据物体能够发射红外线的特点，各国竞相开发出各种红外热成像仪器。 美国德克萨斯仪器公司(TI)在1964年首次研制成功第一代的热红外成像装置，叫红外前视系统(FLIR)，这类装置利用光学元件运动机械，对目标的热辐射进行图像分解扫描，然后应用光电探测器进行光——电转换，最后形成视频图像信号，并在荧屏上显示，红外前视系统至今仍是军用飞机、舰船和坦克上的重要装置。

　　六十年代中期瑞典AGA公司和瑞典国家电力局，在红外前视装置的基础上，开发了具有温度测量功能的热红外成像装置。这种第二代红外成像装置，通常称为热像仪。

　　七十年代法国汤姆荪公司研制出，不需致冷的红外热电视产品。 九十年代出现致冷型和非致冷型的焦平面红外热成像产品，这是一种最新一代的红外电视产品，可以进行大规模的工业化生产，把红外热成像的应用提高到一个新的阶段。

　　红外热成像产品，可以分为致冷型的非致冷型两大类。红外电视产品和非致冷焦平面热成像仪是非致冷型产品，其他为致冷型红外热成像仪。

　　通过热像仪不仅可实时对目标进行观测，更可以通过其行踪轨迹 的“热痕迹”进行动态分析，因为一般物体的热发散有一定的时间性，有些物体的热发散需要很大时间。例如部队点燃的炊烟，曾经发动过的车辆等都可以留下“热痕迹” 。

　　四、红外热像仪在消防中的作用

　　A. 森林防火

　　在大面积的森林中，火灾往往是由不明显的隐火引发的。这是毁灭性火灾的根源，用现有的普通方法，很难发现这种隐性火灾苗头。 然而用飞机巡逻，采用红外热成像仪，则可以快速有效地发现这些隐火，把火灾消灭在最初。

　　加拿大林业学院早在1975年就开始进行森林防火试验，从飞机上检查尚未起燃的潜在火源，加拿大森林研究中心利用直升飞机采用AGA750便携式热成像仪，在一个火灾季节中发现15次隐火。谷物粮仓往往会发生自燃现象，这种自燃现象往往时间长、来势猛、损失大。目前一般采用温度计测量其粮仓地温度变化加以防范。采用热像仪可以准确判定这些火灾的地点和范围，做到早知道早预防，早扑灭。采用热像仪方便简单，速度快，扑灭及时。

　　B.电气设备消防检测

　　红外热像仪还可以用来探测电气设备的不良接触，以及过热的机械部件，以免引起严重短路和火灾。

　　1980年至1983年四年中，我国利用热像仪对华北电力网内的20座发电厂、8座变电站和24条高压线的10000多个插头进行了过热检查，发现不正常发热点500多处，严重过热为100处，由于及时处理，未发生火灾事故。在国外，美国保险公司的统计数据表明，在所有电气设备隐患中的25%以上是引发火灾的主要原因，都是由于插头接触不良引发的。

　　对于所有可以直接看见的设备，红外热成像产品都能够确定所有连接点的热隐患。对于那些由于屏蔽而无法直接看到的部分，则可以根据其热量传导到外面的部件上的情况，来发现其热隐患，这种情况对传统的方法来说，除了解体检查和清洁接头外，是没有其它的办法。断路器、导体、母线及其它部件的运行测试，红外热成像产品是无法取代。然而红外热成像产品可以很容易地探测到回路过载或三相负载的不平衡。

　　大多数热隐患是在电动机控制设备上发现的，另外也在开关装置和动力盘上发现一些隐患。例如一个联邦政府办公用建筑物内一个主要电动机控制中心发生火灾之后，每六个月对设备进行一次预防性维修。在这次火灾之后进行过两次维修，又进行一次红外热成像产品检查，其结果是：严重隐患预防维修之前为3个，而预防维修之后还是3个。所以红外热成像产品检查的必要性是显而易见的。

　　此外，使用红外热成像产品代替传统方法的清扫和紧固可以节省大量费用。这种节约有两个原因：首先是红外热成像产品检查进行的十分快，而不像传统的方法那样花费大量人力去进行设备的清扫和紧固。另外红外热成像产品检查在进行时，不要求设备停电，而只是在找出隐患后，在进行修理时才要求短时间停电。并且为修理个别隐患的停电只是局部性的，停电时间很有限，甚至可能安排在计划停电时间内进行修理。下面是几个例子。

　　1、美国的一个资产管理公司推行一个包括所有电动机控制设备、照明、动力盘和开关装置的完整维修项目(不包括断路器跳闸试验)。其收费标准根据工作量而定，一个典型的办公大楼(250,000平方英尺，10层)平均维修费用为6,500美元。同样的大楼进行红外热成像产品检查，只要一天便可以完成对所有电动机控制，配电盘和开关装置的检查(并包括各种机械设备)，其红外热成像产品检查服务费大约为600美元到800美元。因此，红外热成像产品的费用仅是传统方法费用的1/10。

　　2、一个电子设备制造厂在签定红外热成像产品检查合同之前，是采用4天停电，由3个组5个电工进行传统维修，工人每天工作为12小时，以便清洁和紧固所有开关装置、电动机控制设备和动力盘中的连接点。这些工作的人工费用为30,000美元。对于同样设备的红外热成像产品检查也进行了4天，并在2个工厂工人协助下完成，其费用只有3,000美元。

　　3、一个大型办公/旅馆/售货商业综合楼每三年进行一次高、低开关装置的传统维修，在维修期间花在清洁和紧固工作上的费用至少有20,000美元。而对同样设备进行红外热成像产品检查则只用12小时，花费仅2,000美元，发现了12隐患，其中两个为能引发火灾的严重隐患。

　　4、通过红外热成像产品检查和分析，一家美国小型工厂每年将耗费由160个减少到40个工时。如按25美元/小时的费用(包括加班)计算每年节省120小时，也就是可以节省3000美元。

　　根据美国的上述经验，用红外热成像产品检查代替传统维修中的定期清扫和紧固工作，可以节约费用50%—90%，并可有效防止火灾的发生。例如在1985年7～8月期间，华盛顿邮报根据几乎每天都发生的许多电气设备停电事故，在头版上描述了这些事故造成的火灾、人身伤亡、财产破坏和在生产、税收方面的损失。例如其中当地一家旅馆的一次设备停电事故，就造成了六百五十万美元的损失。为了避免上述停电事故，许多商业和工业组织常常花费很多钱执行预防性维修工作。不幸的是这些工作不但经常发现不了存在的隐患，而且还可能造成新的电气隐患。所以电气设备的红外热成像产品检查，在很多方面可以代替传统的预防性维修工作。

　　美国《设备运行和生产控制技术》第375号公报指出：无论是新的或者旧的建筑物，都能从红外热成像产品检查中受益。美国有近50个公司提供红外热成像产品检查服务，为客户的所有电气设备、配电系统，包括高压接触器、熔断器盘、主电源断路器盘、接触器、以及所有的配电线、电动机、变压器等等，作红外热成像检查，以保证客户的所有运行的电气设备不存在潜伏性的热隐患，有效的防止火灾的发生。美国保险公司的统计数据也已经表明，对所有电气设备进行红外热成像产品检查，可使不安全因素大大降低，并且节省大量保险费的支出。下面是一些需要进行红外热成像产品检查的设施。

　　1、各种电气装置：可发现接头松动或接触不良，不平衡负荷，过载，过热等隐患。这些隐患可能造成的潜在影响是产生电弧、短路、烧毁、起火。

　　2、变压器：可以发现的隐患有接头松动，套管过热，接触不良(抽头变换器)，过载，三相负载不平衡，冷却管堵塞不畅。其影响为产生电弧、短路、烧毁、起火。重绕需要经费1万到5万美元，更换为8万—14万美元，工期为几个星期或几个月。

　　3、电动机、发电机：可以发现的隐患是轴承温度过高，不平衡负载，绕组短路或开路，碳刷、滑环和集流环发热，过载过热，冷却管路堵塞。其影响为有毛病的轴承可以引起铁芯或绕组圈的损坏，有毛病的碳刷，则可以损坏滑环和集流环，进而损坏绕组线圈。还可能引起驱动目标的损坏。电机重新绕组圈(5000马力)需要5～10万美元，更换需用10万～20万美元，工期几个星期到几个月。

　　4、除了在电气设备维修检查外，在屋顶查漏，节能检测，环保检查，安全防盗，森林防火，无损探伤，质量控制，医疗检查等方面，红外成像检测也很有效益。

　　C.消防现场搜救

　　红外线应用是基于物体本身具有红外热辐射性质发展出的一种探测技术。这项技术在消防领域中延伸出的红外搜救技术，能极大地增强在浓烟、热、建筑物塌落等复杂状态下，消防人员在火灾现场浓烟状态下清楚的显示出被拍物体形状及每个点的温度,帮助消防队员迅速搜索到遇险人员及贵重物品, 还能及时发现着火点或最大火源，从而减少扑火时间，减少物品损失，是火灾现场救助工作的有利工具。与基于肉眼侦察的传统灭火救援手段相比，基于红外线技术的红外线热像仪能帮助消防人员不受浓烟和黑暗的干扰，清晰地观测、发现、掌握火场的真实情况，尽快做出科学的决策和正确的部署。

　　D.消防事故调查

　　同样，红外热成像产品在火灾和爆炸事故调查中也十分有用。红外热像在火灾等事故的法律事务方面，特别是围绕着与生命或财产损失有关的复杂技术问题上，已愈来愈重要。因为火灾和爆炸造成的损失，常常涉及热隐患、热传播等情况，而这些情况都可以用红外热成像产品快速地观察和记录，所以红外热像是一种强有力的形象证据，能使非专业人员也一目了然，并对损失能做出公正的裁决和审判。以下是几个火灾和爆炸事故调查中利用红外热像的实例。

　　美国的地方政府和保险公司常常要求分析人身和财产损失的原因。相应的调查可能发现不了刑事犯罪行为，如凶杀或纵火。但调查能够发现设备故障及损坏状态，以及如何避免将来再发生这些问题。在已燃烧的建筑物上的热图像常常能使人们了解到如何产生火灾或爆炸的真实情况。并且从实验上再现失火、爆炸或设备损坏过程，以补充对事件的理解。红外热成像提供了一种分析和再现由热造成的事故的非常好的目测手段。实验性的火灾、爆炸和设备损坏的红外和视频录像，使人们能对其原因有更深入的理解。