紅外熱像儀原理與領(lǐng)域應(yīng)用

隨著光電信息、微電子、網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)字視頻、多媒體技術(shù)及傳感技術(shù)的發(fā)展，安防監(jiān)控已由傳統(tǒng)的模擬走向數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化。下面簡要地介紹紅外熱成像技術(shù)在安全防范系統(tǒng)中的應(yīng)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光波長為0.38-0.78微米。通常將比0.78微米長的電磁波，稱為紅外線。自然界中，一切物體都會輻射不同波長的紅外線，因此能夠利用特制的探測設(shè)備分別檢測出監(jiān)控目標(biāo)本身和背景之間的紅外線波長，從而可以得到不同的紅外圖像，這種紅外圖像稱為熱圖像。

同一目標(biāo)的熱圖像和可見光圖像是不同的，熱圖像是目標(biāo)表面溫度分布圖，或者說，紅外熱圖像是人眼不能直接看到的目標(biāo)表面溫度分布圖，只有通過專門的設(shè)備才能轉(zhuǎn)換成人眼可以看到的、表徵目標(biāo)表面溫度分布的熱圖像。

紅外熱成像特點

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

紅外熱成像儀

采用紅外熱成像技術(shù)，探測目標(biāo)物體的紅外輻射，并通過光電轉(zhuǎn)換、信號處理等手段，將目標(biāo)物體的溫度分布圖像轉(zhuǎn)換成視頻圖像的設(shè)備被稱為紅外熱成像儀。紅外熱成像儀可分為致冷型和非致冷型兩大類。致冷型的熱靈敏度高,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,一般用于軍事用途,而非致冷型靈敏度雖低于致冷型，但其性能已可以滿足多數(shù)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價比較致冷型的高。

紅外熱成像儀的應(yīng)用

1、夜間及惡劣氣候條件下的目標(biāo)監(jiān)控

夜晚，需可見光工作的設(shè)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(biāo)。若采用微光夜視設(shè)備，它同樣也工作在可見光波段，依然需要外界光照明。而紅外熱成像儀是被動接受目標(biāo)自身的紅外熱輻射，無論白天黑夜均可以正常工作，并且也不會暴露自己。同樣在雨、霧等惡劣的氣候條件下，由于可見光的波長短，克服障礙的能力差，因而觀測效果差，但紅外線的波長較長，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(jiān)控設(shè)備仍可以正常地對各種目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)控。

2、防火監(jiān)控

由于紅外熱成像儀是反映物體表面溫度而成像的設(shè)備，因此除了夜間可以作為現(xiàn)場監(jiān)控使用外，還可以作為有效的防火報警設(shè)備，在所有的消防火險發(fā)生初期，災(zāi)害往往是由不明顯的隱火引發(fā)的。用現(xiàn)有的普通方法，很難發(fā)現(xiàn)這種隱性火災(zāi)苗頭。而應(yīng)用紅外熱成像儀可以快速有效地發(fā)現(xiàn)這些隱火，并且可以準(zhǔn)確判定火災(zāi)的地點和范圍，透過煙霧發(fā)現(xiàn)著火點，做到早知道早預(yù)防，早撲滅。

3、偽裝及隱蔽目標(biāo)的識別

偽裝是以防可見光觀測為主，犯罪分子作案時通常會隱蔽在草叢及樹林中，由于野外環(huán)境的惡劣及人的視覺錯覺，容易產(chǎn)生錯誤判斷。紅外熱成像儀是被動接受目標(biāo)自身的熱輻射，人體和車輛的溫度及紅外輻射一般都遠(yuǎn)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、紅外熱成像的特點是什么?

我們周圍的物體只有當(dāng)它們的溫度高達(dá)1000℃以上時，才能夠發(fā)出可見光。相比之下，我們周圍所有溫度在絕對零度(-273℃)以上的物體，都會不停地發(fā)出熱紅外線。例如，我們可以計算出，一個正常的人所發(fā)出的熱紅外線能量，大約為100瓦。所以，熱紅外線(或稱熱輻射)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，還有另外兩個重要的特性。

1.大氣、煙云等吸收可見光和近紅外線，但是對3~5微米和8~14微米的熱紅外線卻是透明的。因此，這兩個波段被稱為熱紅外線的“大氣窗口” 。利用這兩個窗口，可以使人們在完全無光的夜晚，或是在煙云密布的現(xiàn)場，清晰地觀察到前方的情況。正是由于這個特點，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(tǒng)。這些系統(tǒng)在海灣戰(zhàn)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)。熱輻射的這個特點使人們可以利用它來對物體進(jìn)行無接觸溫度測量和熱狀態(tài)分析，從而為工業(yè)生產(chǎn)，節(jié)約能源，保護(hù)環(huán)境等等方面提供了一個重要的檢測手段和診斷工具。

三、紅外熱成像儀

根據(jù)物體能夠發(fā)射紅外線的特點，各國競相開發(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(tǒng)(FLIR)，這類裝置利用光學(xué)元件運動機械，對目標(biāo)的熱輻射進(jìn)行圖像分解掃描，然后應(yīng)用光電探測器進(jìn)行光——電轉(zhuǎn)換，最后形成視頻圖像信號，并在熒屏上顯示，紅外前視系統(tǒng)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(chǔ)上，開發(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(xiàn)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(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)，把紅外熱成像的應(yīng)用提高到一個新的階段。

紅外熱成像產(chǎn)品，可以分為致冷型的非致冷型兩大類。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。

通過熱像儀不僅可實時對目標(biāo)進(jìn)行觀測，更可以通過其行蹤軌跡 的“熱痕跡”進(jìn)行動態(tài)分析，因為一般物體的熱發(fā)散有一定的時間性，有些物體的熱發(fā)散需要很大時間。例如部隊點燃的炊煙，曾經(jīng)發(fā)動過的車輛等都可以留下“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(zāi)往往是由不明顯的隱火引發(fā)的。這是毀滅性火災(zāi)的根源，用現(xiàn)有的普通方法，很難發(fā)現(xiàn)這種隱性火災(zāi)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(xiàn)這些隱火，把火災(zāi)消滅在最初。

加拿大林業(yè)學(xué)院早在1975年就開始進(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，在一個火災(zāi)季節(jié)中發(fā)現(xiàn)15次隱火。谷物糧倉往往會發(fā)生自燃現(xiàn)象，這種自燃現(xiàn)象往往時間長、來勢猛、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(zhǔn)確判定這些火災(zāi)的地點和范圍，做到早知道早預(yù)防，早撲滅。采用熱像儀方便簡單，速度快，撲滅及時。

B.電氣設(shè)備消防檢測

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

1980年至1983年四年中，我國利用熱像儀對華北電力網(wǎng)內(nèi)的20座發(fā)電廠、8座變電站和24條高壓線的10000多個插頭進(jìn)行了過熱檢查，發(fā)現(xiàn)不正常發(fā)熱點500多處，嚴(yán)重過熱為100處，由于及時處理，未發(fā)生火災(zāi)事故。在國外，美國保險公司的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，在所有電氣設(shè)備隱患中的25%以上是引發(fā)火災(zāi)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的設(shè)備，紅外熱成像產(chǎn)品都能夠確定所有連接點的熱隱患。對于那些由于屏蔽而無法直接看到的部分，則可以根據(jù)其熱量傳導(dǎo)到外面的部件上的情況，來發(fā)現(xiàn)其熱隱患，這種情況對傳統(tǒng)的方法來說，除了解體檢查和清潔接頭外，是沒有其它的辦法。斷路器、導(dǎo)體、母線及其它部件的運行測試，紅外熱成像產(chǎn)品是無法取代。然而紅外熱成像產(chǎn)品可以很容易地探測到回路過載或三相負(fù)載的不平衡。

大多數(shù)熱隱患是在電動機控制設(shè)備上發(fā)現(xiàn)的，另外也在開關(guān)裝置和動力盤上發(fā)現(xiàn)一些隱患。例如一個聯(lián)邦政府辦公用建筑物內(nèi)一個主要電動機控制中心發(fā)生火災(zāi)之后，每六個月對設(shè)備進(jìn)行一次預(yù)防性維修。在這次火災(zāi)之后進(jìn)行過兩次維修，又進(jìn)行一次紅外熱成像產(chǎn)品檢查，其結(jié)果是：嚴(yán)重隱患預(yù)防維修之前為3個，而預(yù)防維修之后還是3個。所以紅外熱成像產(chǎn)品檢查的必要性是顯而易見的。

此外，使用紅外熱成像產(chǎn)品代替?zhèn)鹘y(tǒng)方法的清掃和緊固可以節(jié)省大量費用。這種節(jié)約有兩個原因：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(tǒng)的方法那樣花費大量人力去進(jìn)行設(shè)備的清掃和緊固。另外紅外熱成像產(chǎn)品檢查在進(jìn)行時，不要求設(shè)備停電，而只是在找出隱患后，在進(jìn)行修理時才要求短時間停電。并且為修理個別隱患的停電只是局部性的，停電時間很有限，甚至可能安排在計劃停電時間內(nèi)進(jìn)行修理。下面是幾個例子。

1、美國的一個資產(chǎn)管理公司推行一個包括所有電動機控制設(shè)備、照明、動力盤和開關(guān)裝置的完整維修項目(不包括斷路器跳閘試驗)。其收費標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)工作量而定，一個典型的辦公大樓(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機控制，配電盤和開關(guān)裝置的檢查(并包括各種機械設(shè)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(tǒng)方法費用的1/10。

2、一個電子設(shè)備制造廠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個組5個電工進(jìn)行傳統(tǒng)維修，工人每天工作為12小時，以便清潔和緊固所有開關(guān)裝置、電動機控制設(shè)備和動力盤中的連接點。這些工作的人工費用為30,000美元。對于同樣設(shè)備的紅外熱成像產(chǎn)品檢查也進(jìn)行了4天，并在2個工廠工人協(xié)助下完成，其費用只有3,000美元。

3、一個大型辦公/旅館/售貨商業(yè)綜合樓每三年進(jìn)行一次高、低開關(guān)裝置的傳統(tǒng)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(shè)備進(jìn)行紅外熱成像產(chǎn)品檢查則只用12小時，花費僅2,000美元，發(fā)現(xiàn)了12隱患，其中兩個為能引發(fā)火災(zāi)的嚴(yán)重隱患。

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

根據(jù)美國的上述經(jīng)驗，用紅外熱成像產(chǎn)品檢查代替?zhèn)鹘y(tǒng)維修中的定期清掃和緊固工作，可以節(jié)約費用50%—90%，并可有效防止火災(zāi)的發(fā)生。例如在1985年7～8月期間，華盛頓郵報根據(jù)幾乎每天都發(fā)生的許多電氣設(shè)備停電事故，在頭版上描述了這些事故造成的火災(zāi)、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(dāng)?shù)匾患衣灭^的一次設(shè)備停電事故，就造成了六百五十萬美元的損失。為了避免上述停電事故，許多商業(yè)和工業(yè)組織常常花費很多錢執(zhí)行預(yù)防性維修工作。不幸的是這些工作不但經(jīng)常發(fā)現(xiàn)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(shè)備的紅外熱成像產(chǎn)品檢查，在很多方面可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的預(yù)防性維修工作。

美國《設(shè)備運行和生產(chǎn)控制技術(shù)》第375號公報指出：無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個公司提供紅外熱成像產(chǎn)品檢查服務(wù)，為客戶的所有電氣設(shè)備、配電系統(tǒng)，包括高壓接觸器、熔斷器盤、主電源斷路器盤、接觸器、以及所有的配電線、電動機、變壓器等等，作紅外熱成像檢查，以保證客戶的所有運行的電氣設(shè)備不存在潛伏性的熱隱患，有效的防止火災(zāi)的發(fā)生。美國保險公司的統(tǒng)計數(shù)據(jù)也已經(jīng)表明，對所有電氣設(shè)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(jié)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(shè)施。