紅外熱成像技術在安全檢測領域的應用現(xiàn)狀

伍利兵 陳朝方 林國生 易志偉 陳劍峰 吳飛龍

【摘要】 本文簡述了紅外熱成像技術的原理，概括了近十年來的研究情況，介紹了其在安全檢測領域的應用現(xiàn)狀，展望了其良好的應用前景。

【關鍵詞】 紅外熱成像技術;安全檢測;應用進展

【DOI編碼】 10.3969/j.issn.1674-4977.2021.04.034

Application Status of Infrared Thermal Imaging Technology in the Field of Safety Inspection

Wu Li-bing，Chen Chao-fang*，Lin Guo-sheng，Yi Zhi-wei，Chen jian-feng，Wu Fei-long

（Gongbei Customs Technical Center，Zhuhai 519015，China）

Abstract： This paper briefly introduces the principle of infrared thermal imaging technology，summarizes the research and development status in the past ten years，introduces its application in the field of safety supervision and prospects its good application prospects.

Key words： infrared imaging technology;safety inspection;application statistics

紅外熱成像技術是通過運用光電技術接收物體輻射的特殊紅外線信號，將該信號轉換成可供人眼可識別的圖像或視頻，并賦予圖像或視頻溫度值。紅外熱成像技術使人類超越了視覺局限，由此人們可以“看到”物體表面的溫度分布狀況[1]。紅外熱成像儀就是利用該技術生產的商用儀器，憑著實時視頻成像、操作簡便、成本低等優(yōu)勢，遠距離、非接觸、大面積、直觀快速檢測的優(yōu)點，在民航、電力、石化、森林防火、醫(yī)療等領域也有著廣泛的應用[2]。

1 紅外熱成像技術的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 紅外熱成像技術的原理

任何溫度高于絕對零度的物體，由于其內部熱運動的存在，都會向外輻射包括紅外波段在內的電磁波。紅外光譜波長約在0.75～1000 μm之間，由于大氣對紅外輻射的選擇性吸收，在大氣中紅外輻射僅能在1～2.5 μm、3～5 μm和8～14 μm三個波段內有效地傳輸[3]。紅外熱成像技術就是通過吸收目標物體輻射的紅外線電磁波，將光信號轉換為電信號，通過軟件算法，將肉眼不可見的紅外輻射轉換為可視圖像或視頻。

1.2 紅外熱成像儀的組成

紅外熱成像儀是集光學、半導體、光電子學、電子學、精密機械、顯示器等技術為一體的高新技術產品，能探測到肉眼看不到的紅外輻射圖像。紅外熱成像儀按探測器的工作溫度分為制冷型和非制冷型，制冷式熱成像儀是利用光子探測器接收紅外線輻射，材料內部電子能量分布發(fā)生變化從而引起電信號的變化，其靈敏度高，但受到波長的限制，且工作時需要低溫，這就使得此類的設備體積大、便攜性差、成本高，阻礙了其應用。非制冷式熱成像儀是利用光熱探測器接受紅外線輻射，材料的溫度發(fā)生變化從而產生電信號，電信號強度取決于接收到的紅外線輻射功率，與波長無關，此類設備體積小、便于攜帶，價格便宜，因此應用廣泛[4]。

1.3 紅外熱成像儀的關鍵技術參數(shù)

非制冷紅外焦平面探測器的關鍵技術參數(shù)包括陣列規(guī)模、像元中心距、噪聲等效溫差（Noise Equivalent Temperature Difference，NETD）等。

探測器的陣列規(guī)模越大，圖像分辨率越高，圖像越清晰，目前焦平面探測器陣列規(guī)?？蛇_到1920×1080甚至更高。

像元中心距與光學系統(tǒng)共同決定了成像系統(tǒng)的空間分辨率。原則上來說，當像元尺寸大于紅外輻射波長時，像元中心距越小，圖像的空間分辨率越高。

噪聲等效溫差（NETD）也被稱為探測器靈敏度，是非制冷紅外焦平面探測器最重要的性能指標。它與傳感器設計及薄膜材料等因素有關。NETD越小，探測器靈敏度越高。典型軍用探測器的NETD需小于50 mK。

1.4 紅外熱成像儀的發(fā)展現(xiàn)狀

紅外熱成像探測器是整個紅外成像系統(tǒng)的核心器件，按發(fā)展特點可分為四代，目前正在發(fā)展的以大面陣、高分辨率、多波段、智能靈巧型為主要特點的系統(tǒng)芯片，具有高性能數(shù)字信號處理功能，甚至具備單片多波段探測與識別能力[5]。使用廣泛的非制冷焦平面探測器也經歷了技術探索期、技術成熟期等階段，來到了新技術探索期，目前國外研究機構主要沿著超大面陣規(guī)模以及尺寸、重量、功耗、成本（Size Weight and Power-Cost，SWaP-C）兩個方向進行著產品開發(fā)。我國的相關研究在以電子科技大學、北方廣微科技有限公司、浙江大立科技股份有限公司、艾睿光電及武漢高德紅外股份有限公司等為代表的研究機構及企業(yè)的努力下也取得了很大突破，目前國產最先進微型機芯模組產品與全球典型產品的技術指標相比較，國內研究機構在像元中心距和陣列規(guī)模方面緊跟國際水平，器件噪聲等效溫差（也被稱為探測器靈敏度，是非制冷紅外焦平面探測器最重要的性能指標）接近甚至超過某些國際研究機構的同等像元尺寸產品[6]。

2 紅外熱成像技術在安全檢測領域的應用現(xiàn)狀

近年來，紅外熱成像技術引起廣大科研工作者的關注，對其進行了持續(xù)的研究。表1給出了通過百度學術統(tǒng)計近十年來與紅外熱像技術相關的研究文獻數(shù)量，從統(tǒng)計中可以看出近年來研究數(shù)量出現(xiàn)了上升的趨勢。

紅外熱成像儀有著諸多的優(yōu)點，隨著技術的發(fā)展與研究的深入，與安全科學中不同學科相結合，可進行安全隱患排查及安全風險監(jiān)測，應用越來越廣泛。

2.1 建筑行業(yè)安全檢測應用現(xiàn)狀

在建筑行業(yè)中常存在外墻由于年久失修或其它質量問題發(fā)生墜落傷人事故，建筑材料存在內部缺陷從而發(fā)生安全事故。通過紅外熱像技術，可快速給出建筑物的紅外熱像譜圖或視頻，結合數(shù)據(jù)分析能直觀反映其受損或缺陷狀況，及時發(fā)現(xiàn)問題并消除隱患。曹平華[7]介紹了紅外熱成像技術在建筑外墻檢測中的應用，以外墻飾面施工質量檢測為例，對技術的可靠性、靈敏度和檢測條件進行了分析。在合理的條件下采用紅外熱成像技術可以可靠、準確地對建筑外墻的質量進行檢測，可為房屋建筑的驗收或飾面質量的普查提供可靠的依據(jù)。王凱[8]從建筑節(jié)能、結構損傷監(jiān)測和建筑物表面裂縫探測等幾個方面綜述紅外熱成像無損檢測技術最新理論研究成果和試驗。

2.2 電力行業(yè)安全檢測應用現(xiàn)狀

電力行業(yè)是紅外熱成像技術最先應用的行業(yè)之一，已被電力行業(yè)標準DL/T 644和DL/T 596等確定標準檢測工具，它在安全隱患發(fā)現(xiàn)和設備維護檢測等方面具有不可替代的作用。電力行業(yè)中，各種高低壓電器設備，由于機械振動、灰塵的腐蝕、外力損傷等因素的作用，使設備出現(xiàn)接頭接觸不良、材料老化等，造成設備非正常發(fā)熱，帶來安全隱患和熱缺陷，紅外熱像儀作為成熟的電力在線監(jiān)測技術手段，可對負荷電氣設備進行檢測，通過對紅外熱成像譜圖的分析，能及時發(fā)現(xiàn)異常溫度點，快速定位隱患及缺陷點，防止電氣火災事故發(fā)生。劉磊[9]結合實際案例，分析了紅外熱成像技術在電力設備狀態(tài)檢修工作中的運用方法，闡述了紅外熱成像技術的應用情況。許多供電系統(tǒng)及企業(yè)利用紅外熱成像技術對電氣設備進行檢測，預先發(fā)現(xiàn)事故隱患，從而使電力設備能持續(xù)可靠運行[10-19]。

2.3 石化行業(yè)安全檢測應用現(xiàn)狀

石油化工領域的許多設備需要在高溫高壓環(huán)境下工作，容易產生安全隱患。根據(jù)安全生產要求，需要對其進行實時監(jiān)測，提前發(fā)現(xiàn)異常及時消除隱患。使用紅外熱成像技術能對管道、法蘭、閥門、油罐氣罐等石油化工行業(yè)常見設備的腐蝕、破裂、減薄、堵塞及泄漏等進行檢測，得到設備和材料表面溫度分布，根據(jù)異常溫度點的分布，可快速定位隱患點，以此減少石油化工生產中的潛在危險。丁德武[20]利用紅外熱成像技術通過對某石化企業(yè)設備管閥件、儲罐密封圈及呼吸口開展泄漏檢測，查找到多處泄漏隱患，為設備維修整改提供了數(shù)據(jù)依據(jù)，為企業(yè)設備安全管理提供了技術支持。李新寧[21]概述石化熱設備的故障類型和等級，以石化設備內部腐蝕實例指出紅外熱像技術在檢測腐蝕故障時的應用。

2.4 運輸行業(yè)重點場所安全檢測應用現(xiàn)狀

機場、海關是比較特殊的場所，在白天用普通攝像頭很容易監(jiān)視和跟蹤目標，但在夜間，普通攝像頭存在一定的局限性，這是由于普通攝像頭是利用可見光成像，黑夜或光線不好時圖像效果不佳，可能導致一些警報被忽略或誤報，而采用紅外熱成像攝像頭可輕松解決該問題。去年新冠肺炎疫情在全球流行和肆虐，傳統(tǒng)的體溫安全監(jiān)測模式已經無法滿足機場、海關等出入境旅客的安全順暢通關，利用紅外熱成像技術的體溫監(jiān)測系統(tǒng)可有效提高口岸出入境人員的體溫監(jiān)測能力。蘇東岳[22]討論了紅外測溫技術在公眾場合對大量流動人員進行體溫篩查中普遍存在的若干問題及建議，以提高測溫的規(guī)范性與嚴謹性。

2.5 森林防火安全檢測應用現(xiàn)狀

在的森林防火中，不明顯的隱火也容易引起火災，僅靠人工監(jiān)控是難以及時發(fā)現(xiàn)的，等發(fā)現(xiàn)時已經發(fā)展成了難以控制的局面。采用紅外熱成像技術可以通過設置目標溫度上限來對監(jiān)測目標進行實時分析，根據(jù)不同場景的總體結構及特點，在這些易于產生火災的關鍵位置設置熱成像監(jiān)控點，全天候、全方位監(jiān)控記錄主要場所的實時情況，如果目標溫度達到設定上限就會發(fā)出報警信息，由此便可迅速確定起火點的位置和規(guī)模，將森林火災消滅在萌芽階段，從而消除火災隱患。李興海[23]通過建立的紅外熱成像監(jiān)控及指揮調度中心系統(tǒng)并應用到了森林消防工作中，既可以提早預警火災，也可實時傳達火災信息并進行災后監(jiān)測。

2.6 海事安全監(jiān)管應用現(xiàn)狀

紅外熱成像技術在海事安全應用高效實用，如在海上救援、潛水作業(yè)、執(zhí)法、港口安全巡邏、救助落水船員和執(zhí)行國土安全任務等，無論白天還是黑夜、天氣好壞與否，紅外熱像儀都可幫助海事公共安全船舶（如公安艇，消防艇、海港巡邏艦等）順利完成重要任務。劉壘[24]通過比較紅外成像技術、雷達和可見光技術，提出了利用紅外成像技術進行船舶內部感知和船舶外部感知的具體應用方向。吳震[25]在對紅外視頻監(jiān)控系統(tǒng)VHF自動播報技術和通信技術進行充分研究的基礎上，開發(fā)研究了珠三角河流岔道口大橋預警導航系統(tǒng)，最大限度地保證船舶的航行安全，起到既保護橋，也保護船舶，解決大橋、海事管理部門的安全監(jiān)管問題。

3 結論

紅外成像技術已經成為各個領域爭相發(fā)展的技術之一，相關領域的研究近年來發(fā)展迅猛，取得了很多的成果，隨著新技術、新工藝的出現(xiàn)，紅外成像技術也將向著更高的分辨力、更智能化、更集成化的方向邁進，同時隨著互聯(lián)網(wǎng)技術、人工智能AI技術及大數(shù)據(jù)云計算技術的發(fā)展，與紅外成像技術配套的軟件及算法將更加智能、高效，配合云平臺在社會的各領域的應用也必將更廣泛。

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【作者簡介】

伍利兵（1978-），男，高級工程師，大專，研究方向為石油化礦金產品的理化檢測。

通訊作者：陳朝方（1971-），男，高級工程師，碩士，研究方向為理化分析。