【摘要】 本文簡述了紅外熱成像技術(shù)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(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，展望了其良好的應(yīng)用前景。

　　【關(guān)鍵詞】 紅外熱成像技術(shù);安全檢測;應(yīng)用進(jìn)展

　　紅外熱成像技術(shù)是通過運用光電技術(shù)接收物體輻射的特殊紅外線信號，將該信號轉(zhuǎn)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(shù)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(shù)生產(chǎn)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(yuǎn)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(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用[2]。

　　1 紅外熱成像技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

　　1.1 紅外熱成像技術(shù)的原理

　　任何溫度高于絕對零度的物體，由于其內(nèi)部熱運動的存在，都會向外輻射包括紅外波段在內(nèi)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(nèi)有效地傳輸[3]。紅外熱成像技術(shù)就是通過吸收目標(biāo)物體輻射的紅外線電磁波，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，通過軟件算法，將肉眼不可見的紅外輻射轉(zhuǎn)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(xué)、半導(dǎo)體、光電子學(xué)、電子學(xué)、精密機械、顯示器等技術(shù)為一體的高新技術(shù)產(chǎn)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(nèi)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(shè)備體積大、便攜性差、成本高，阻礙了其應(yīng)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(chǎn)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(guān)，此類設(shè)備體積小、便于攜帶，價格便宜，因此應(yīng)用廣泛[4]。

　　1.3 紅外熱成像儀的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)

　　非制冷紅外焦平面探測器的關(guān)鍵技術(shù)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_(dá)到1920×1080甚至更高。

　　像元中心距與光學(xué)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(dāng)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(biāo)。它與傳感器設(shè)計及薄膜材料等因素有關(guān)。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(jīng)歷了技術(shù)探索期、技術(shù)成熟期等階段，來到了新技術(shù)探索期，目前國外研究機構(gòu)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(jìn)行著產(chǎn)品開發(fā)。我國的相關(guān)研究在以電子科技大學(xué)、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(gòu)及企業(yè)的努力下也取得了很大突破，目前國產(chǎn)最先進(jìn)微型機芯模組產(chǎn)品與全球典型產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)相比較，國內(nèi)研究機構(gòu)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(biāo))接近甚至超過某些國際研究機構(gòu)的同等像元尺寸產(chǎn)品[6]。

　　2 紅外熱成像技術(shù)在安全檢測領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

　　近年來，紅外熱成像技術(shù)引起廣大科研工作者的關(guān)注，對其進(jìn)行了持續(xù)的研究。表1給出了通過百度學(xué)術(shù)統(tǒng)計近十年來與紅外熱像技術(shù)相關(guān)的研究文獻(xiàn)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(shù)的發(fā)展與研究的深入，與安全科學(xué)中不同學(xué)科相結(jié)合，可進(jìn)行安全隱患排查及安全風(fēng)險監(jiān)測，應(yīng)用越來越廣泛。

　　2.1 建筑行業(yè)安全檢測應(yīng)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(zhì)量問題發(fā)生墜落傷人事故，建筑材料存在內(nèi)部缺陷從而發(fā)生安全事故。通過紅外熱像技術(shù)，可快速給出建筑物的紅外熱像譜圖或視頻，結(jié)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(shù)在建筑外墻檢測中的應(yīng)用，以外墻飾面施工質(zhì)量檢測為例，對技術(shù)的可靠性、靈敏度和檢測條件進(jìn)行了分析。在合理的條件下采用紅外熱成像技術(shù)可以可靠、準(zhǔn)確地對建筑外墻的質(zhì)量進(jìn)行檢測，可為房屋建筑的驗收或飾面質(zhì)量的普查提供可靠的依據(jù)。王凱[8]從建筑節(jié)能、結(jié)構(gòu)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(shù)最新理論研究成果和試驗。

　　2.2 電力行業(yè)安全檢測應(yīng)用現(xiàn)狀

　　電力行業(yè)是紅外熱成像技術(shù)最先應(yīng)用的行業(yè)之一，已被電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 644和DL/T 596等確定標(biāo)準(zhǔn)檢測工具，它在安全隱患發(fā)現(xiàn)和設(shè)備維護(hù)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(shè)備，由于機械振動、灰塵的腐蝕、外力損傷等因素的作用，使設(shè)備出現(xiàn)接頭接觸不良、材料老化等，造成設(shè)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(shù)手段，可對負(fù)荷電氣設(shè)備進(jìn)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(zāi)事故發(fā)生。劉磊[9]結(jié)合實際案例，分析了紅外熱成像技術(shù)在電力設(shè)備狀態(tài)檢修工作中的運用方法，闡述了紅外熱成像技術(shù)的應(yīng)用情況。許多供電系統(tǒng)及企業(yè)利用紅外熱成像技術(shù)對電氣設(shè)備進(jìn)行檢測，預(yù)先發(fā)現(xiàn)事故隱患，從而使電力設(shè)備能持續(xù)可靠運行[10-19]。

　　2.3 石化行業(yè)安全檢測應(yīng)用現(xiàn)狀

　　石油化工領(lǐng)域的許多設(shè)備需要在高溫高壓環(huán)境下工作，容易產(chǎn)生安全隱患。根據(jù)安全生產(chǎn)要求，需要對其進(jìn)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(shù)能對管道、法蘭、閥門、油罐氣罐等石油化工行業(yè)常見設(shè)備的腐蝕、破裂、減薄、堵塞及泄漏等進(jìn)行檢測，得到設(shè)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(chǎn)中的潛在危險。丁德武[20]利用紅外熱成像技術(shù)通過對某石化企業(yè)設(shè)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(shè)備維修整改提供了數(shù)據(jù)依據(jù)，為企業(yè)設(shè)備安全管理提供了技術(shù)支持。李新寧[21]概述石化熱設(shè)備的故障類型和等級，以石化設(shè)備內(nèi)部腐蝕實例指出紅外熱像技術(shù)在檢測腐蝕故障時的應(yīng)用。

　　2.4 運輸行業(yè)重點場所安全檢測應(yīng)用現(xiàn)狀

　　機場、海關(guān)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(biāo)，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(dǎo)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(jīng)無法滿足機場、海關(guān)等出入境旅客的安全順暢通關(guān)，利用紅外熱成像技術(shù)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(shù)在公眾場合對大量流動人員進(jìn)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(yán)謹(jǐn)性。

　　2.5 森林防火安全檢測應(yīng)用現(xiàn)狀

　　在的森林防火中，不明顯的隱火也容易引起火災(zāi)，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(jīng)發(fā)展成了難以控制的局面。采用紅外熱成像技術(shù)可以通過設(shè)置目標(biāo)溫度上限來對監(jiān)測目標(biāo)進(jìn)行實時分析，根據(jù)不同場景的總體結(jié)構(gòu)及特點，在這些易于產(chǎn)生火災(zāi)的關(guān)鍵位置設(shè)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(biāo)溫度達(dá)到設(shè)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(zāi)消滅在萌芽階段，從而消除火災(zāi)隱患。李興海[23]通過建立的紅外熱成像監(jiān)控及指揮調(diào)度中心系統(tǒng)并應(yīng)用到了森林消防工作中，既可以提早預(yù)警火災(zāi)，也可實時傳達(dá)火災(zāi)信息并進(jìn)行災(zāi)后監(jiān)測。

　　2.6 海事安全監(jiān)管應(yīng)用現(xiàn)狀

　　紅外熱成像技術(shù)在海事安全應(yīng)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(wù)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(wù)。劉壘[24]通過比較紅外成像技術(shù)、雷達(dá)和可見光技術(shù)，提出了利用紅外成像技術(shù)進(jìn)行船舶內(nèi)部感知和船舶外部感知的具體應(yīng)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(shù)和通信技術(shù)進(jìn)行充分研究的基礎(chǔ)上，開發(fā)研究了珠三角河流岔道口大橋預(yù)警導(dǎo)航系統(tǒng)，最大限度地保證船舶的航行安全，起到既保護(hù)橋，也保護(hù)船舶，解決大橋、海事管理部門的安全監(jiān)管問題。

　　3 結(jié)論

　　紅外成像技術(shù)已經(jīng)成為各個領(lǐng)域爭相發(fā)展的技術(shù)之一，相關(guān)領(lǐng)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(shù)、新工藝的出現(xiàn)，紅外成像技術(shù)也將向著更高的分辨力、更智能化、更集成化的方向邁進(jìn)，同時隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能AI技術(shù)及大數(shù)據(jù)云計算技術(shù)的發(fā)展，與紅外成像技術(shù)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(lǐng)域的應(yīng)用也必將更廣泛。

　　【參考文獻(xiàn)】

　　[1] 鄧連軍，王沖，雷克輝，等.紅外熱成像掃描技術(shù)在原油儲罐油泥測量中的應(yīng)用[J].清洗世界，2020(6)：15-16+52.

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　　[3] 佚名.紅外顯微熱成像系統(tǒng)研究及應(yīng)用[J].紅外技術(shù)，2017(11)：5-10.

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