紅外熱像儀原理與領(lǐng)域應用

隨著(zhù)光電信息、微電子、網(wǎng)絡(luò )通信、數字視頻、多媒體技術(shù)及傳感技術(shù)的發(fā)展，安防監控已由傳統的模擬走向數字化、智能化、網(wǎng)絡(luò )化。下面簡(jiǎn)要地介紹紅外熱成像技術(shù)在安全防范系統中的應用。

一、什么是紅外熱成像?

紅外熱成像

人眼能夠感受到的可見(jiàn)光波長(cháng)為0.38-0.78微米。通常將比0.78微米長(cháng)的電磁波，稱(chēng)為紅外線(xiàn)。自然界中，一切物體都會(huì )輻射不同波長(cháng)的紅外線(xiàn)，因此能夠利用特制的探測設備分別檢測出監控目標本身和背景之間的紅外線(xiàn)波長(cháng)，從而可以得到不同的紅外圖像，這種紅外圖像稱(chēng)為熱圖像。

同一目標的熱圖像和可見(jiàn)光圖像是不同的，熱圖像是目標表面溫度分布圖，或者說(shuō)，紅外熱圖像是人眼不能直接看到的目標表面溫度分布圖，只有通過(guò)專(zhuān)門(mén)的設備才能轉換成人眼可以看到的、表徵目標表面溫度分布的熱圖像。

紅外熱成像特點(diǎn)

自然界所有溫度在絕對零度(-273℃)以上的物體，都會(huì )發(fā)出紅外線(xiàn)，紅外線(xiàn)(或稱(chēng)熱輻射)是自然界中存在最為廣泛的輻射。大氣、煙云等吸收可見(jiàn)光和近紅外線(xiàn)，但是對3-5微米和8-14微米的紅外線(xiàn)卻是透明的。因此，這兩個(gè)波段被稱(chēng)為紅外線(xiàn)的“大氣窗口”。我們利用這兩個(gè)窗口，可以在完全無(wú)光的夜晚，或是在煙云密布的惡劣環(huán)境，能夠清晰地觀(guān)察到前方的情況。正是由于這個(gè)特點(diǎn)，紅外熱成像技術(shù)可用在安全防范的夜間監視和各種場(chǎng)所的防火監控系統中。

紅外熱成像儀

采用紅外熱成像技術(shù)，探測目標物體的紅外輻射，并通過(guò)光電轉換、信號處理等手段，將目標物體的溫度分布圖像轉換成視頻圖像的設備被稱(chēng)為紅外熱成像儀。紅外熱成像儀可分為致冷型和非致冷型兩大類(lèi)。致冷型的熱靈敏度高,結構復雜,一般用于軍事用途,而非致冷型靈敏度雖低于致冷型，但其性能已可以滿(mǎn)足多數軍事用途和幾乎所有的民用領(lǐng)域。由于不需要配備制冷裝置，因此非制冷紅外熱成像儀可靠性及性?xún)r(jià)比較致冷型的高。

紅外熱成像儀的應用

1、夜間及惡劣氣候條件下的目標監控

夜晚，需可見(jiàn)光工作的設備已經(jīng)不能正常工作，如果采用人工照明，則容易暴露目標。若采用微光夜視設備，它同樣也工作在可見(jiàn)光波段，依然需要外界光照明。而紅外熱成像儀是被動(dòng)接受目標自身的紅外熱輻射，無(wú)論白天黑夜均可以正常工作，并且也不會(huì )暴露自己。同樣在雨、霧等惡劣的氣候條件下，由于可見(jiàn)光的波長(cháng)短，克服障礙的能力差，因而觀(guān)測效果差，但紅外線(xiàn)的波長(cháng)較長(cháng)，特別是工作在8-14um的熱成像儀，穿透雨、霧的能力較強，因此在夜間以及惡劣氣候條件，采用紅外熱成像監控設備仍可以正常地對各種目標進(jìn)行監控。

2、防火監控

由于紅外熱成像儀是反映物體表面溫度而成像的設備，因此除了夜間可以作為現場(chǎng)監控使用外，還可以作為有效的防火報警設備，在所有的消防火險發(fā)生初期，災害往往是由不明顯的隱火引發(fā)的。用現有的普通方法，很難發(fā)現這種隱性火災苗頭。而應用紅外熱成像儀可以快速有效地發(fā)現這些隱火，并且可以準確判定火災的地點(diǎn)和范圍，透過(guò)煙霧發(fā)現著(zhù)火點(diǎn)，做到早知道早預防，早撲滅。

3、偽裝及隱蔽目標的識別

偽裝是以防可見(jiàn)光觀(guān)測為主，犯罪分子作案時(shí)通常會(huì )隱蔽在草叢及樹(shù)林中，由于野外環(huán)境的惡劣及人的視覺(jué)錯覺(jué)，容易產(chǎn)生錯誤判斷。紅外熱成像儀是被動(dòng)接受目標自身的熱輻射，人體和車(chē)輛的溫度及紅外輻射一般都遠大于草木的溫度及紅外輻射，因此不易偽裝，也不容易產(chǎn)生錯誤判斷。

二、紅外熱成像的特點(diǎn)是什么?

我們周?chē)奈矬w只有當它們的溫度高達1000℃以上時(shí)，才能夠發(fā)出可見(jiàn)光。相比之下，我們周?chē)袦囟仍诮^對零度(-273℃)以上的物體，都會(huì )不停地發(fā)出熱紅外線(xiàn)。例如，我們可以計算出，一個(gè)正常的人所發(fā)出的熱紅外線(xiàn)能量，大約為100瓦。所以，熱紅外線(xiàn)(或稱(chēng)熱輻射)是自然界中存在最為廣泛的輻射。熱輻射除存在的普遍性之外，還有另外兩個(gè)重要的特性。

1.大氣、煙云等吸收可見(jiàn)光和近紅外線(xiàn)，但是對3~5微米和8~14微米的熱紅外線(xiàn)卻是透明的。因此，這兩個(gè)波段被稱(chēng)為熱紅外線(xiàn)的“大氣窗口” 。利用這兩個(gè)窗口，可以使人們在完全無(wú)光的夜晚，或是在煙云密布的現場(chǎng)，清晰地觀(guān)察到前方的情況。正是由于這個(gè)特點(diǎn)，紅外成像技術(shù)為軍事上提供了先進(jìn)的夜視裝備并為飛機、艦艇和坦克裝上了全天候前視系統。這些系統在海灣戰爭中發(fā)揮了非常重要的作用。

2.物體的熱輻射能量的大小，直接和物體表面的溫度相關(guān)。熱輻射的這個(gè)特點(diǎn)使人們可以利用它來(lái)對物體進(jìn)行無(wú)接觸溫度測量和熱狀態(tài)分析，從而為工業(yè)生產(chǎn)，節約能源，保護環(huán)境等等方面提供了一個(gè)重要的檢測手段和診斷工具。

三、紅外熱成像儀

根據物體能夠發(fā)射紅外線(xiàn)的特點(diǎn)，各國競相開(kāi)發(fā)出各種紅外熱成像儀器。 美國德克薩斯儀器公司(TI)在1964年首次研制成功第一代的熱紅外成像裝置，叫紅外前視系統(FLIR)，這類(lèi)裝置利用光學(xué)元件運動(dòng)機械，對目標的熱輻射進(jìn)行圖像分解掃描，然后應用光電探測器進(jìn)行光——電轉換，最后形成視頻圖像信號，并在熒屏上顯示，紅外前視系統至今仍是軍用飛機、艦船和坦克上的重要裝置。

六十年代中期瑞典AGA公司和瑞典國家電力局，在紅外前視裝置的基礎上，開(kāi)發(fā)了具有溫度測量功能的熱紅外成像裝置。這種第二代紅外成像裝置，通常稱(chēng)為熱像儀。

七十年代法國湯姆蓀公司研制出，不需致冷的紅外熱電視產(chǎn)品。 九十年代出現致冷型和非致冷型的焦平面紅外熱成像產(chǎn)品，這是一種最新一代的紅外電視產(chǎn)品，可以進(jìn)行大規模的工業(yè)化生產(chǎn)，把紅外熱成像的應用提高到一個(gè)新的階段。

紅外熱成像產(chǎn)品，可以分為致冷型的非致冷型兩大類(lèi)。紅外電視產(chǎn)品和非致冷焦平面熱成像儀是非致冷型產(chǎn)品，其他為致冷型紅外熱成像儀。

通過(guò)熱像儀不僅可實(shí)時(shí)對目標進(jìn)行觀(guān)測，更可以通過(guò)其行蹤軌跡 的“熱痕跡”進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，因為一般物體的熱發(fā)散有一定的時(shí)間性，有些物體的熱發(fā)散需要很大時(shí)間。例如部隊點(diǎn)燃的炊煙，曾經(jīng)發(fā)動(dòng)過(guò)的車(chē)輛等都可以留下“熱痕跡” 。

四、紅外熱像儀在消防中的作用

A. 森林防火

在大面積的森林中，火災往往是由不明顯的隱火引發(fā)的。這是毀滅性火災的根源，用現有的普通方法，很難發(fā)現這種隱性火災苗頭。 然而用飛機巡邏，采用紅外熱成像儀，則可以快速有效地發(fā)現這些隱火，把火災消滅在最初。

加拿大林業(yè)學(xué)院早在1975年就開(kāi)始進(jìn)行森林防火試驗，從飛機上檢查尚未起燃的潛在火源，加拿大森林研究中心利用直升飛機采用AGA750便攜式熱成像儀，在一個(gè)火災季節中發(fā)現15次隱火。谷物糧倉往往會(huì )發(fā)生自燃現象，這種自燃現象往往時(shí)間長(cháng)、來(lái)勢猛、損失大。目前一般采用溫度計測量其糧倉地溫度變化加以防范。采用熱像儀可以準確判定這些火災的地點(diǎn)和范圍，做到早知道早預防，早撲滅。采用熱像儀方便簡(jiǎn)單，速度快，撲滅及時(shí)。

B.電氣設備消防檢測

紅外熱像儀還可以用來(lái)探測電氣設備的不良接觸，以及過(guò)熱的機械部件，以免引起嚴重短路和火災。

1980年至1983年四年中，我國利用熱像儀對華北電力網(wǎng)內的20座發(fā)電廠(chǎng)、8座變電站和24條高壓線(xiàn)的10000多個(gè)插頭進(jìn)行了過(guò)熱檢查，發(fā)現不正常發(fā)熱點(diǎn)500多處，嚴重過(guò)熱為100處，由于及時(shí)處理，未發(fā)生火災事故。在國外，美國保險公司的統計數據表明，在所有電氣設備隱患中的25%以上是引發(fā)火災的主要原因，都是由于插頭接觸不良引發(fā)的。

對于所有可以直接看見(jiàn)的設備，紅外熱成像產(chǎn)品都能夠確定所有連接點(diǎn)的熱隱患。對于那些由于屏蔽而無(wú)法直接看到的部分，則可以根據其熱量傳導到外面的部件上的情況，來(lái)發(fā)現其熱隱患，這種情況對傳統的方法來(lái)說(shuō)，除了解體檢查和清潔接頭外，是沒(méi)有其它的辦法。斷路器、導體、母線(xiàn)及其它部件的運行測試，紅外熱成像產(chǎn)品是無(wú)法取代。然而紅外熱成像產(chǎn)品可以很容易地探測到回路過(guò)載或三相負載的不平衡。

大多數熱隱患是在電動(dòng)機控制設備上發(fā)現的，另外也在開(kāi)關(guān)裝置和動(dòng)力盤(pán)上發(fā)現一些隱患。例如一個(gè)聯(lián)邦政府辦公用建筑物內一個(gè)主要電動(dòng)機控制中心發(fā)生火災之后，每六個(gè)月對設備進(jìn)行一次預防性維修。在這次火災之后進(jìn)行過(guò)兩次維修，又進(jìn)行一次紅外熱成像產(chǎn)品檢查，其結果是：嚴重隱患預防維修之前為3個(gè)，而預防維修之后還是3個(gè)。所以紅外熱成像產(chǎn)品檢查的必要性是顯而易見(jiàn)的。

此外，使用紅外熱成像產(chǎn)品代替傳統方法的清掃和緊固可以節省大量費用。這種節約有兩個(gè)原因：首先是紅外熱成像產(chǎn)品檢查進(jìn)行的十分快，而不像傳統的方法那樣花費大量人力去進(jìn)行設備的清掃和緊固。另外紅外熱成像產(chǎn)品檢查在進(jìn)行時(shí)，不要求設備停電，而只是在找出隱患后，在進(jìn)行修理時(shí)才要求短時(shí)間停電。并且為修理個(gè)別隱患的停電只是局部性的，停電時(shí)間很有限，甚至可能安排在計劃停電時(shí)間內進(jìn)行修理。下面是幾個(gè)例子。

1、美國的一個(gè)資產(chǎn)管理公司推行一個(gè)包括所有電動(dòng)機控制設備、照明、動(dòng)力盤(pán)和開(kāi)關(guān)裝置的完整維修項目(不包括斷路器跳閘試驗)。其收費標準根據工作量而定，一個(gè)典型的辦公大樓(250,000平方英尺，10層)平均維修費用為6,500美元。同樣的大樓進(jìn)行紅外熱成像產(chǎn)品檢查，只要一天便可以完成對所有電動(dòng)機控制，配電盤(pán)和開(kāi)關(guān)裝置的檢查(并包括各種機械設備)，其紅外熱成像產(chǎn)品檢查服務(wù)費大約為600美元到800美元。因此，紅外熱成像產(chǎn)品的費用僅是傳統方法費用的1/10。

2、一個(gè)電子設備制造廠(chǎng)在簽定紅外熱成像產(chǎn)品檢查合同之前，是采用4天停電，由3個(gè)組5個(gè)電工進(jìn)行傳統維修，工人每天工作為12小時(shí)，以便清潔和緊固所有開(kāi)關(guān)裝置、電動(dòng)機控制設備和動(dòng)力盤(pán)中的連接點(diǎn)。這些工作的人工費用為30,000美元。對于同樣設備的紅外熱成像產(chǎn)品檢查也進(jìn)行了4天，并在2個(gè)工廠(chǎng)工人協(xié)助下完成，其費用只有3,000美元。

3、一個(gè)大型辦公/旅館/售貨商業(yè)綜合樓每三年進(jìn)行一次高、低開(kāi)關(guān)裝置的傳統維修，在維修期間花在清潔和緊固工作上的費用至少有20,000美元。而對同樣設備進(jìn)行紅外熱成像產(chǎn)品檢查則只用12小時(shí)，花費僅2,000美元，發(fā)現了12隱患，其中兩個(gè)為能引發(fā)火災的嚴重隱患。

4、通過(guò)紅外熱成像產(chǎn)品檢查和分析，一家美國小型工廠(chǎng)每年將耗費由160個(gè)減少到40個(gè)工時(shí)。如按25美元/小時(shí)的費用(包括加班)計算每年節省120小時(shí)，也就是可以節省3000美元。

根據美國的上述經(jīng)驗，用紅外熱成像產(chǎn)品檢查代替傳統維修中的定期清掃和緊固工作，可以節約費用50%—90%，并可有效防止火災的發(fā)生。例如在1985年7～8月期間，華盛頓郵報根據幾乎每天都發(fā)生的許多電氣設備停電事故，在頭版上描述了這些事故造成的火災、人身傷亡、財產(chǎn)破壞和在生產(chǎn)、稅收方面的損失。例如其中當地一家旅館的一次設備停電事故，就造成了六百五十萬(wàn)美元的損失。為了避免上述停電事故，許多商業(yè)和工業(yè)組織常?；ㄙM很多錢(qián)執行預防性維修工作。不幸的是這些工作不但經(jīng)常發(fā)現不了存在的隱患，而且還可能造成新的電氣隱患。所以電氣設備的紅外熱成像產(chǎn)品檢查，在很多方面可以代替傳統的預防性維修工作。

美國《設備運行和生產(chǎn)控制技術(shù)》第375號公報指出：無(wú)論是新的或者舊的建筑物，都能從紅外熱成像產(chǎn)品檢查中受益。美國有近50個(gè)公司提供紅外熱成像產(chǎn)品檢查服務(wù)，為客戶(hù)的所有電氣設備、配電系統，包括高壓接觸器、熔斷器盤(pán)、主電源斷路器盤(pán)、接觸器、以及所有的配電線(xiàn)、電動(dòng)機、變壓器等等，作紅外熱成像檢查，以保證客戶(hù)的所有運行的電氣設備不存在潛伏性的熱隱患，有效的防止火災的發(fā)生。美國保險公司的統計數據也已經(jīng)表明，對所有電氣設備進(jìn)行紅外熱成像產(chǎn)品檢查，可使不安全因素大大降低，并且節省大量保險費的支出。下面是一些需要進(jìn)行紅外熱成像產(chǎn)品檢查的設施。