消防用红外热像仪的工作原理及应用

1、    消防用红外热像仪的工作原理及应用    李大勇摘  要：从日常生活中太阳光的色散实验引出红外线，简单阐述了红外线的基本特性，重点介绍了消防用的红外热像仪成像机理、识别条件，以及红外热像仪在消防领域的应用。关键词：消防用红外热像仪;分类;工作原理;应用分类号：d631.6一、引言生活中人们知道太阳光呈现白色，而在历史上英国科学家艾萨克·牛顿于1665年通过著名的太阳光色散实验，将太阳光通过三棱镜折射后形成了由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫顺次连续分布的彩色光谱，使得人们第一次接触到了光的客观的和定量的特征。1800年英国伦敦皇家学院

2、的威廉·赫歇尔发表太阳光在可见光谱的红光之外还有一种不可见的延伸光谱，具有热效应。他所使用的方法很简单，用一支温度计测量经过棱镜分光后的各色光线温度，由紫到红，发现温度逐渐增加，可是当温度计放到红光以外的部分，温度仍持续上升，因而断定有红外线存在。红外线是一种不可见光，是一种波长介于可见光和微波之间的电磁波。红外线具有很强热效应，并易于被物体吸收，透过烟雾的能力比可见光强，俗称红外光。自然界中一切物体都会辐射红外线，并且红外线遵循适用于“可见光”的所有规律，当红外线照射物体时，一部分被反射，一部分被吸收或散射，一部分被透射。人们通过测定目标本身和背景之间的红外线强度差而得到不同的红外

3、图像的特性发明制造了红外热像仪。红外热像仪是通过红外光学系统、红外探测器及电子处理系统，将物体表面红外辐射转换成可分辨的灰度图像的设备1，主要分为便携类红外热像仪、移动类红外热像仪、固定类红外热像仪、救助型红外热像仪、检测型红外热像仪等5类，其中便携类红外热像仪是使用时可手持携带、固定佩戴于身体某一部位的红外热像仪。移动类红外热像仪是安装于消防移动载体上（如消防车、消防机器人等）的紅外热像仪。固定类红外热像仪是固定安装于室内或室外用于监控区域温度的红外热像仪。救助型红外热像仪是采用电池供电，具备红外图像显示和温度指示功能，能在黑暗环境、浓烟和高温火场等环境下使用，辅助消防员搜寻被困人员、侦测高

4、温位置等用途的红外热像仪。检测型红外热像仪是防火监督人员进行防火检查所使用的能实现图像显示、温度分析和图像存储，并实时给出被测目标的温度及分布等图像信息的便携类红外热像仪。因此，它们不仅被广泛用于灭火、救援、电气火灾原因分析等消防工作中，而且也可作为消防检查人员进行消防安全检查、监控的主要探测仪器。二、消防用的红外热像仪工作机理1.热成像机理及识别目标条件消防用的红外成像系统是以由目标和背景组成的场景自身发出的红外辐射作为辐射源，通过光电转换形成反映场景特征的图像的。通过探测目标的热辐射来迅速地发现、识别和跟踪目标的。该系统的正常工作必须具备三个条件2：第一、适合成像探测器接收的足够强的红外辐

5、射，即入射的辐射波长应与探测器的工作波长相匹配，入射的辐射能量要足够多;第二、和背景之间应有一定的辐射对比度3-5。红外辐射对比度有多种表示方法，可以用目标与背景的辐射温度、强度、亮度、出射度、功率以及在探测器上辐射照度表示。若用辐射强度表示，则为：若用目标和背景的辐射出射度表示辐射对比度，则为：式（2）中，表示辐射对比度，为目标在波长间隔的辐射出射度，为目标在波长间隔的辐射出射度。第三、观察目标应有足够的线度。红外图像的成像机理与可见光图像不同，是通过红外探测器接受场景（包括其中的动态目标、静态目标以及背景）的红外辐射成像，场景中的某一部分的辐射强度越大，反映在图像中的这一部分的灰度值越高，

6、这一部分也越亮。由于目标与背景的温度不同，目标自身部分温度不同，辐射能量（）也不一样，辐射能量与物体温度成4次方关系6。热成像仪通过光学系统把接收到的不同红外辐射能变成电信号放大，再把电信号转换为光信号，然后显示成像。要在显示屏上识别目标，除了目标背景与目标本身存在温差外，目标本身还具有足够的空间频率。热成像仪识别目标的条件可用俄罗斯的考拉勃劳达夫计算红外热成像仪最大识别距离的公式来表达：式（3）中，为最大识别距离，为目标与背景的温差，为目标面积，为目标宽度，为探测器系统参数，、为光学系统参数，为传输功率，为大气衰减系数。2.红外图像处理红外探测器的焦平面上排列着感光元件阵列，阵列上的每个像素

7、点都可以接收到目标物体所发射出的红外辐射能，并转换为不同的灰度值，经过rgb色彩编码模式，可呈现不同的色彩等级。目标物体发射的红外线经过光学系统成像在系统焦平面的这些感光元件上，探测器将接受到光信号转换为电信号并进行积分放大、采样保持，通过输出缓冲和多路传输系统，最终送达监视系统形成图像，显示出目标灰度热量分布图或伪彩热量分布，简称热图。对于要求定量给出物体表面温度的红外热像仪，还要求将灰度图像进行彩色编码，提高温度指示的直观性。三、消防用红外热像仪的应用1.火情侦察火情侦察贯穿于灭火救援的全过程。消防员在红外热像仪的辅助下，对火场的各种情况进行判断，做出科学的决策，并按计划实施消防战斗部署，

8、为火情侦察提供全面细致的火场信息。1.1确定着火位置应用红外热像仪可以通过火场烟气与着火物之间的温度差，快速判断着火部位与高温物体，从而调整灭火战术有效灭火，如图1所示，在可见光下肉眼不能看到着火位置，但是在红外光下明显看到着火位置。1.2监测着火建筑物的结构安全利用红外热像仪对建筑外部的温度分布进行监测，能够发现建筑物柱体、墙体、楼板等已发生开裂等现象，如图2所示，以便及时通知消防员撤退，避免因建筑物坍塌而造成消防员的重大伤亡。1.3监测特殊火场目标液位及温度使用红外热像仪，消防指挥员能够快速测定燃烧和受热罐体内液位高度及温度高低，如图3所示，判断罐体的危险程度，以便采取相应的应对措施。1.

9、4确定泄漏隐患位置消防“无损检测”，判定物体温度分布不均之处，判断可能的危险。当有可燃或有毒物料泄漏时，可以应用红外热像仪快速搜寻泄漏位置，如图4所示。2.搜索及救援在无光线或光线受阻的灾害事故现场，消防人员常常被置于危险境地却无法找到危险源或者搜救和撤离路线。当救援人员在建筑物内、隧道、深井、船舱等灾害现场中行进时，应用红外热像仪识别和避开危险源（如地面的坑洞、悬挂的带电线路等危险阻挡物，如图5所示，减少消防搜救人员受伤害的可能。四、结束语红外热像仪作为实现红外探测技术在消防领域进行开发、应用研究的基本器件，不仅仅是上述列举那么多，还可以用于伤员搜救、及时发现暗火、消除复燃隐患、提前预告火灾隐患、监测漏电、接触电阻过大、过载、短路等情况。但是，也必须经常认识到红外热像仪对消防人员来说，并不是无所不能的应用于任何环境、任何场所。只有对红外热像仪的正确的认识与现场正确的使用，才能够发挥其最大的辅助功效。参考文献1全国消防标准化技术委员会第五分技术委员会.ga/t635-2006 消防用红外热像仪s.北京：中国标准出版社，2006：1-2.2鹿红星.红外成像技术在地雷探测中的应用j.红外，2004，（7）：7-11.3张建奇.红外物理 第2版m.西安：西安电子科技大学出版社，2013：74-76.4娄和利，等.地面目标和背景的红外辐射对比度特性j.红外与激光工程，