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浅析红外热成像技术

2014/1/14 9:33:54点击:

人类的发展可分为三个阶段,第一个阶段是人类通过制造工具,扩展体力活动的能力;第二个阶段通过提高判断能力,寻求更清晰和更广泛的理解与判断事物的标准;而人类近年来致力的增强获得输入信息的能力,扩大感觉范围或增添新的感官,使我们的大脑能接受更多的信息,正是人类发展的第三阶段。在这个阶段中,红外技术的发展已经把人类的感官由五种增加到六种。
    在海湾战争中,高科技武器展示了先进技术的广阔平台,成为世界科技发展的风向计,也成为世界各国竞相研究和开发的方向和重点。这些高科技技术也因此成为新的产业和投资热点,创造了亿万的财富和无法预计的社会效益。
    在这些新科技中,以卫星定位(GPS)和红外热成像(TIS)两项技术。
    卫星定位系统(又称GPS)已经非常广泛地应用于各行各业,成为从军事到民用都有宽广发展前途的行业,其应用的发展速度,远远超过人们的预想,例如:在在广泛使用的汽车防盗定位系统等。
    红外热成像技术,也是一个有非常广阔前途的高科技技术,其大量的应用将会引起许多行业变革性的改变。

 

一、 什么是红外热成像?
    光线是大家熟悉的。光线是什么?光线就是可见光,是人眼能够感受的电磁波。可见光的波长为:0.38—0.78微米。比0.38微米短的电磁波和比0.78微米长的电磁波,人眼都无法感受。比0.38微米短的电磁波位于可见光光谱紫色以外,称为紫外线,比0.78微米长的电磁波位于可见光光谱红色以外,称为红外线。红外线,又称红外辐射,是指波长为0.78~1000微米的电磁波。其中波长为0.78~2.0微米的部分称为近红外,波长为2.0~1000微米的部分称为热红外线。
    照相机成像得到照片,电视摄像机成像得到电视图像,都是可见光成像。自然界中,一切物体都可以辐射红外线,因此利用探测仪测定目标的本身和背景之间的红外线差并可以得到不同的红外图像,热红外线形成的图像称为热图。
    目标的热图像和目标的可见光图像不同,它不是人眼所能看到的目标可见光图像,而是目标表面温度分布图像,换一句话说,红外热成像使人眼不能直接看到目标的表面温度分布,变成人眼可以看到的代表目标表面温度分布的热图像。

 

二、 红外热成像的特点是什么?
    有位著名的美国红外学者指出:“人类的发展可分为三个阶段。第一个阶段是人类通过制造工具,扩展体力活动的能力,第二阶段通过提高判断能力,寻求更清晰和更广泛的理解与判断事物的标准,而人类近年来致力的增强获得输入信息的能力,扩大感觉范围或增添新的感官,使我们的大脑能接受更多的信息,正是人类发展的第三阶段。在这个阶段中,红外技术的发展已经把人类的感官由五种增加到六种” 。这一席话,我认为恰如其分的道出了红外成像技术在当代的重要性。因为,我们周围的物体只有当它们的温度高达1000℃以上时,才能够发出可见光。相比之下,我们周围所有温度在绝对零度(-273℃)以上的物体,都会不停地发出热红外线。例如,我们可以计算出,一个正常的人所发出的热红外线能量,大约为100瓦。所以,热红外线(或称热辐射)是自然界中存在最为广泛的辐射。热辐射除存在的普遍性之外,还有另外两个重要的特性。
    1. 大气、烟云等吸收可见光和近红外线,但是对3~5微米和8~14微米的热红外线却是透明的。因此,这两个波段被称为热红外线的“大气窗口” 。利用这两个窗口,可以使人们在完全无光的夜晚,或是在烟云密布的战场,清晰地观察到前方的情况。正是由于这个特点,热红外成像技术军事上提供了先进的夜视装备并为飞机、舰艇和坦克装上了全天候前视系统。这些系统在海湾战争中发挥了非常重要的作用。
    2. 物体的热辐射能量的大小,直接和物体表面的温度相关。热辐射的这个特点使人们可以利用它来对物体进行无接触温度测量和热状态分析,从而为工业生产,节约能源,保护环境等等方面提供了一个重要的检测手段和诊断工具。
三、红外热成像仪器
    根据物体能够发射红外线的特点,各国竞相开发出各种红外热成像仪器。
    美国德克萨斯仪器公司(TI)在1964年首次研制成功第一代的热红外成像装置,叫红外前视系统(FLIR),这类装置利用光学元件运动机械,对目标的热辐射进行图像分解扫描,然后应用光电探测器进行光——电转换,最后形成视频图像信号,并在荧屏上显示,红外前视系统至今仍是军用飞机、舰船和坦克上的重要装置。
    六十年代中期瑞典AGA公司和瑞典国家电力局,在红外前视装置的基础上,开发了具有温度测量功能的热红外成像装置。这种第二代红外成像装置,通常称为热像仪。
    七十年代法国汤姆荪公司研制出,不需致冷的红外热电视产品。
    九十年代出现致冷型和非致冷型的焦平面红外热成像产品,这是一种最新一代的红外电视产品,可以进行大规模的工业化生产,把红外热成像的应用提高到一个新的阶段。
    七十年代中国有关单位已经开始对红外热成像技术进行研究,到八十年代初,中国在长波红外元件的研制和生产技术上有了一定进展。到了八十年代末和九十年代初,中国已经研制成功了实时红外成像样机,其灵敏度、温度分辨率都达到很高的水平。
    进入九十年代,中国在红外成像设备上使用低噪音宽频带前置放大器,微型致冷器等关键技术方面有了发展,并且从实验  走向应用,主要用途用于部队,例如便携式野战热像仪,反坦克飞弹、防空雷达以及坦克、军舰火炮等。
    中国在红外热成像技术方面,已经投入了大量人力物力,形成了相当规模的研发力量,但是总的来讲,与世界先进水平差距很大,与西方相比,约差10年以上。
    目前国外已经开始在部队装备第二代红外热成像仪,并开始了第三代的研发工作,但中国现在才推广第一代红外成像仪。
在国际上,美国、法国、以色列是这方面的先行者,其它国家包括俄罗斯均处下游水平。
    近几年来,在党的政策方针指引下,中国的红外成像技术得到突飞猛进的发展,与西方的差距正在逐步缩小,有些设备的先进性也可同西方同步,相信中国和西方的差距会进一步缩小,尤其在新技术的应用方面更可以独树一帜。
    红外热成像产品,可以分为致冷型的非致冷型两大类。红外电视产品和非致冷焦平面热成像仪是非致冷型产品,其他为致冷型红外热成像仪。
    目前,最先进的红外热成像仪,其温度灵敏的可达0.05摄氏度。无论白天、黑夜均可用于持红外仪来探测丛林中的敌人,其距离可达百米之遥,作为边防缉私,更可以追踪海上走私的大飞,其距离可达数公里。
    通过热像仪不仅可实时对目标进行观测,更可以通过其行踪轨迹       的“热痕迹”进行动态分析,因为一般物体的热发散有一定的时间性,有些物体的热发散需要很大时间。例如部队点燃的炊烟,曾经发动过的车辆等都可以留下“热痕迹” 。
     第一代热像仪主要由带有扫描装置的光学仪器和电子放大线路、显示器等部件组成,已经成功装备部队,并在夜间的地面观察、空中侦察、水面保险等作出重要的贡献。
    第二代热成像仪主要采用焦平面阵列技术,集成数万个乃至数十万个信号放大器,将芯片置于光学系统的焦平面上,取得目标的全景图像,无需光——机扫描系统,大大提高了灵敏度和热分辨率,可以进一步提高目标的探测距离和识别能力。
第三代热成像仪也正在研发中。

 

四、红外热像仪在消防中的作用
    在大面积的森林中,火灾往往是由不明显的隐火引发的。这是毁灭性火灾的根源,用现有的普通方法,很难发现这种隐性火灾苗头。
    然而用飞机巡逻,采用红外热成像仪,则可以快速有效地发现这些隐火,把火灾消灭在最初。
    加拿大林业学院早在1975年就开始进行森林防火试验,从飞机上检查尚未起燃地潜在火源,加拿大森林研究中心利用直升飞机采用AGA750便携式热成像仪,在一个火灾季节中发现15次隐火。
    谷物粮仓往往会发生自燃现象,这种自燃现象往往时间长、来势猛、损失大。目前一般采用温度计测量其粮仓地温度变化加以防范。采用热像仪可以准确判定这些火灾的地点和范围,做到早知道早预防,早扑灭。采用热像仪方便简单,速度快,扑灭及时。
    红外热像仪还可以用来探测电气设备的不良接触,以及过热的机械部件,以免引起严重短路和火灾。
    1980年至1983年四年中,我国利用自制的热像仪对华北电力网内的20座发电厂、8座变电站和24条高压线的10000多个插头进行了过热检查,发现不正常发热点500多处,严重过热为100处,由于及时处理,未发生火灾事故。
在国外,美国保险公司的统计数据表明,在所有电气设备隐患中的25%以上是引发火灾的主要原因,都是由于插头接触不良引发的,所以美国国家防火协会的《电气维修手册70B》规定,在任何电气插头按照规定的力距被紧固之后,只要这个力矩值不变化,以后就不应当再进行紧固。所以制造良好,安装正常的电气插头,根本不需要定期紧固,只有发现其功能异常和其过热才要去处理。
    对于所有可以直接看见的设备,红外热成像产品都能够确定所有连接点的热隐患。对于那些由于屏蔽而无法直接看到的部分,则可以根据其热量传导到外面的部件上的情况,来发现其热隐患,这种情况对传统的方法来说,除了解体检查和清洁接头外,是没有其它的办法。断路器、导体、母线及其它部件的运行测试,红外热成像产品是无法取代。然而红外热成像产品 可以很容易地探测到回路过载或三相负载的不平衡。
    美国MAI公司对许多已经进行过一般电气预防性设备做红外热成像产品检查,发现其中不少已接受过维修的设备仍然存在电气故障。例如一个重要电子产品生产厂家,这个公司对其电气设备每两年进行一次停电维修。在这停电运行期间,进行设备清扫,对所有连接点紧固和断路器的跳闸试验。并对高、低压开关装置安装进行测试。在传统维修之后进行的红外热成像产品检查,仍然确定了一些隐患。在不同设备上发现的严重隐患有19个,一般隐患有179个。这些严重隐患是指被测设备的表面温度超过NEMA或UL的最大设计温度。大多数隐患是在电动机控制设备上发现的,另外也在开关装置和动力盘上发现一些隐患。又例如一个联邦政府办公用建筑物内一个主要电动机控制中心发生火灾之后,每六个月对设备进行一次预防性维修。在这次火灾之后进行过两次维修,又进行一次红外热成像产品检查,其结果是:严重隐患预防维修之前为3个,而预防维修之后还是3个。所以红外热成像产品检查的必要性是显而易见的。
    此外,使用红外热成像产品代替传统方法的清扫和紧固可以节省大量费用。这种节约有两个原因:首先是红外热成像产品检查进行的十分快,而不像传统的方法那样花费大量人力去进行设备的清扫和紧固。另外红外热成像产品检查在进行时,不要求设备停电,而只是在找出隐患后,在进行修理时才要求短时间停电。并且为修理个别隐患的停电只是局部性的,停电时间很有限,甚至可能安排在计划停电时间内进行修理。下面是几个例子。
    1),美国的一个《资产管理公司》推行一个包括所有电动机控制设备、照明、动力盘和开关装置的完整维修项目(不包括断路器跳闸试验)。其收费标准根据工作量而定,一个典型的办公大楼(250,000平方英尺,10层)平均维修费用为6,500美元。同样的大楼进行红外热成像产品检查,只要一天便可以完成对所有电动机控制,配电盘和开关装置的检查(并包括各种机械设备),其红外热成像产品检查服务费大约为600美元到800美元。因此,红外热成像产品的费用仅是传统方法费用的1/10。
    2),一个《电子设备制造厂》在签定红外热成像产品检查合同之前,是采用4天停电,由3个组5个电工进行传统维修,工人每天工作为12小时,以便清洁和紧固所有开关装置、电动机控制设备和动力盘中的连接点。这些工作的人工费用为30,000美元。对于同样设备的红外热成像产品检查也进行了4天,并在2个工厂工人协助下完成,其费用只有3,000美元。
    3),一个大型《办公/旅馆/售货商业综合楼》每三年进行一次高、低开关装置的传统维修,在维修期间花在清洁和紧固工作上的费用至少有20,000美元。而对同样设备进行红外热成像产品检查则只用12小时,花费仅2,000美元,发现了12隐患,其中两个为能引发火灾的严重隐患。
    4),通过红外热成像产品检查和分析,一家《美国小型工厂》每年将耗费由160个减少到40个工时。如按25美元/小时的费用(包括加班)计算每年节省120小时,也就是可以节省3000美元。
    根据美国的上述经验,用红外热成像产品检查代替传统维修中的定期清扫和紧固工作,可以节约费用50%—90%,并可有效防止火灾的发生。例如在1985年7~8月期间,华盛顿邮报根据几乎每天都发生的许多电气设备停电事故,在头版上描述了这些事故造成的火灾、人身伤亡、财产破坏和在生产、税收方面的损失。例如其中当地一家旅馆的一次设备停电事故,就造成了六百五十万美元的损失。为了避免上述停电事故,许多商业和工业组织常常花费很多钱执行预防性维修工作。不幸的是这些工作不但经常发现不了存在的隐患,而且还可能造成新的电气隐患。所以电气设备的红外热成像产品检查,在很多方面可以代替传统的预防性维修工作。
    美国《设备运行和生产控制技术》第375号公报指出:无论是新的或者旧的建筑物,都能从红外热成像产品检查中受益。美国有近50个公司提供红外热成像产品检查服务,为客户的所有电气设备、配电系统,包括高压接触器、熔断器盘、主电源断路器盘、接触器、以及所有的配电线、电动机、变压器等等,作红外热成像检查,以保证客户的所有运行的电气设备不存在潜伏性的热隐患,有效的防止火灾的发生。美国保险公司的统计数据也已经表明,对所有电气设备进行红外热成像产品检查,可使不安全因素大大降低,并且节省大量保险费的支出。下面是一些需要进行红外热成像产品检查的设施。
    1),各种电气装置:可发现接头松动或接触不良,不平衡负荷,过载,过热等隐患。这些隐患可能造成的潜在影响是产生电弧、短路、烧毁、起火。它们的平均修理费用为1万到5万美元;更换需要8万—10万美元,工期为几个星期到几个月。
    2),变压器:可以发现的隐患有接头松动,套管过热,接触不良(抽头变换器),过载,三相负载不平衡,冷却管堵塞不畅。其影响为产生电弧、短路、烧毁、起火。重绕需要经费1万到5万美元,更换为8万—14万美元,工期为几个星期或几个月。
    3),电动机、发电机:可以发现的隐患是轴承温度过高,不平衡负载,绕组短路或开路,碳刷、滑环和集流环发热,过载过热,冷却管路堵塞。其影响为有毛病的轴承可以引起铁芯或绕组圈的损坏,有毛病的碳刷,则可以损坏滑环和集流环,进而损坏绕组线圈。还可能引起驱动目标的损坏。电机重新绕组圈(5000马力)需要5~10万美元,更换需用10万~20万美元,工期几个星期到几个月。
    4),电气设备维修检查,屋顶查漏,节能检测,环保检查,安全防盗,森林防火,无损探伤,质量控制,医疗检查等等也很有效益。
    此外,就是在北京也有一个使用热成像进行电气设备收费检查的事例:加拿大驻中国大使馆新馆使用前,曾于1992年9月委托香港一家公司,用美国生产的热成像设备,对新馆内电气设备进行一次防火及热隐患全面检查,并支付了4,000美元的热像检查服务费。实际上,不计算准备工作时间,真正用于检查的时间只有一天。
    同样,红外热成像产品在火灾和爆炸事故调查中也十分有用。红外热像在火灾等事故的法律事务方面,特别是围绕着与生命或财产损失有关的复杂技术问题上,已愈来愈重要。因为火灾和爆炸造成的损失,常常涉及热隐患、热传播等情况,而这些情况都可以用红外热成像产品快速地观察和记录,所以红外热像是一种强有力的形象证据,能使非专业人员也一目了然,并对损失能做出公正的裁决和审判。以下是几个火灾和爆炸事故调查中利用红外热像的实例。
    美国的地方政府和保险公司常常要求分析人身和财产损失的原因。相应的调查可能发现不了刑事犯罪行为,如凶杀或纵火。但调查能够发现设备故障及损坏状态,以及如何避免将来再发生这些问题。在已燃烧的建筑物上的热图像常常能使人们了解到如何产生火灾或爆炸的真实情况。并且从实验上再现失火、爆炸或设备损坏过程,以补充对事件的理解。红外热成像提供了一种分析和再现由热造成的事故的非常好的目测手段。实验性的火灾、爆炸和设备损坏的红外和视频录像,使人们能对其原因有更深入的理解。
    在美国,每年爆炸事故引起数百万美元的财产损失,侦破专家调查和分析这些事件,确定可能的原因时,常利用重现事件的方法去理解爆炸机理。如用红外热成像产品摄取一组照片,来显示在一辆汽车中发生的爆炸,用以模拟恐怖主义分子或纵火犯造成的事故。这些红外热图像中白色代表热、黑色代表冷,用来人为的重现爆炸现象,分析事故,确定事故的类型和原因。下面有几个实例。
    1),一辆试验用汽车中,在司机座位上放有一筒一加仑的汽油,在它的下面放置一磅炸药,炸药用电子仪器遥控引爆。红外热像录像能记录爆炸后大约0.04秒时试验车辆的情况,显示出从汽油中发出的火球,以及事故后发出的辐射范围,和随后爆炸的发展。这种只有应用红外热成像才能获得的热分布图显示出爆炸时和爆炸后热传导范围。由重放热像录像很容易辨认燃爆碎片的抛射轨迹,而重放可见光录像常常查不到这些轨迹。在车辆外表上残留的热图像能指出高温分布区,它常常被作为查找事故源的线索。
    2),另一个类似试验,是以废弃的房屋为试验目标。在这个试验中,将0.25磅的C4炸药放在一罐一加仑的汽油下。结果显示了试验房屋的最初状态,最初的热状态和随后发生的一系列情况,其中爆炸后3秒钟的热状态,爆炸发出的残余热和它最初引起火源,及在几分钟后进一步扩大为火灾都可看到。
在美国分析失火原因和火源的程序与爆炸事故分析是类似的,热图像的识别能帮助人们确定失火原因,为起火点的详细检验提供事故原因的信息。下面有几个实例。
    1),例如,红外热像录像可以显示在一辆汽车内失火过程。丙酮和聚苯乙烯混合在一起,形成一个球型塑料团,它位于引擎室内驾驶杆附近,并被引燃。红外热像录像可以显示出大约3分钟后的火势,在防护玻璃窗的局部发热是明显的。并可以显示热燃气通过火墙进入乘员室,从窗户发出的较高的辐射证实了这个状况。此外红外热像录像显示从引擎室泄漏的挥发性气体,显示出挥发性液体泄漏和燃烧的过程。此外通过红外热像录像还可显示火区火焰正在熄灭。用热图像能清晰地描述了失火过程的各个阶段,它正被用在火灾调查人员的训练中。
    2),在一座废弃的房屋中进行失火试验的红外热像录像,能显示一个消防员正在放置引燃液体混合物和摇晃一个柜中存放的氯化物粉末,以及随后火势的发展,建筑物内自上而下形成的热气流,从这些红外热像录像可以看出,从柜中着火点传导热的速度是非常的快。
    3),由于机械或电器设备制造问题引起的火灾和爆炸是调查人员经常关心的问题。例如在一座房屋中,因加热器故障引起火灾,里面一个人因烟雾致死。当对一个落地式加热器检查时,只要它与引起火灾的那个加热器完全一样,取得这种加热器工作时的热图像,便可以看到热图像上的热试验点(hottest)在高温限制开关附近,判断出故障是由铜线引起的,这种故障足以点燃加热器内部的碎片和粉末,以及保护高限开关的底盒。在热图像上看到的高温亮点超过了电线绝缘的温度额定值。电线在这种环境中,绝缘老化必然导致短路,引起失火,热图像不仅提供了定量的温度值,而且也对故障产生的方式提供了明显而直观的描述。
    4),一个已过热的皮带牵引轮,这个皮带牵引轮力图驱动一个已闭锁的压缩机。从这个试验中解答的问题是,三角皮带和皮带牵引轮之间产生多高温度可以点燃这个设备附近的可燃性气体。具有燃点温度为6000 F的可燃性气体被点燃,附近的一个压缩机发生爆炸,造成一个石油加工厂严重损坏和人员伤亡。使用捍红外热像在轮外缘测量温度,将获得的信息作为有限元热传导分析的边界条件,计算结果表明,风机皮带牵引轮和皮带之间的温度超过8000 F 。这个温度是以点燃可燃性气体,这些可燃性气体是由于疏忽从工厂的石油加工厂设备中泄漏出来的。
    5),火灾发生后,美国调查人员从目击者、消防部门、警察和现场搜集证据。在机械或电气设备可能引起失火的情况中,从过去能量核算或设备分析得到的红外热像资料可能是很有用的。例如一个具有过热马达和风机皮带牵引轮的空气传送装置(air hander)的热图像。从皮带和皮带牵引轮发出的热很快穿过该设备外边的金属外壳,以后如果怀疑这个空气传送装置可能引起火灾,这个设备几乎损坏的红外热图像可以是阐述失火原因观点的重要基础。 
五、红外热成像仪在安全防范中的应用  
    红外热成像仪因其有的特点功能,已广泛应用于安全防范系统中,成为安全监控系统中的明星。
红外热成像仪具有隐蔽式探测功能,它不需要可见光,可以使犯罪份子不知其工作地点和存在,因而产生错误判断,导致犯罪行为被揭。
    在一些非常重要的单位,例如:重要的行政中心、银行的金库、机要室、军事要地、监狱等地,特别使用于这种红外热成像仪,它可以24小时处于运行状态,并随时对背景资料进行分析,一旦发生变化,可以及时发出警报,并可以通过智能设备的处理,自动对有关情况进行处理,并随时将情况上报,取得进一步的处理意见。
     对于这些特殊重要部门,其防范的灵敏度大大高于其他防范系统,例如在这些单位下了班,只要有人在里面隐藏,系统就会发生报警信号。
    正如大家所知,边界防卫是一件非常困难的事情。我国边境线甚长,海洋也辽阔,由于野外环境的恶劣,许多系统都不可能很好地担当起防范作用,特别在下雨、下雪、大雾、大风地日子,边界巡逻也是很苦地任务。如果采用人员巡逻,利用望远镜进行观察,往往由于可见光波长短,因而观查效果甚差,造成漏查、误查和失查的现象。
    红外热成像仪可以探测到波长较短的红外线,因而可以远距离进行观察,特别适用于风雨天气。据香港《东方日报》报道:香港警方在某一边境地区放置了五套红外热成像仪,在试用过程中,成功地破获了多起非法入境者案件,效率大大高于原来用人工巡查。因而香港警方计划,今年再购进新的系统,以加强防止非法移民案件。
    在海岸边,用红外热成像仪,可以迅速地跟踪来往地船只。现在海边走私,常常利用“大飞”来进行,这些“大飞”无灯光,马力大,机动性强,往往容易摆脱我方缉私人员和边防人员地追踪,有了红外热成像仪,可以远距离跟踪这些“大飞”,就是在雷达地死角,这个系统也可正常运行,特别在黑夜和恶劣的天气下,均可充分发挥其良好的特点。
    同样的道理,红外热成像仪,可以应用在生活小区的周界防范,重要地区的周界防范,可以达到一般监视系统不易达到的效果,众所周知,小区的防范主要严防罪犯进入,一般的监视系统,安装时容易产生死角,不利于全面控制监控面。再一点就是容易受干扰,比如小动物入侵等。安装红外热成像仪,可以克服以上二种缺点,减少误报。
    在我国,随着城市交通的扩大,各种高速公路和铁路的延伸,这些系统的正常运作也成为极大的问题,尤其在夜间的安全巡查,更是成为问题,如今装有红外热成像仪的飞机,可以顺利完成这些任务,它可以发现阻塞的车辆,故障的汽车,以及需要锁定的目标,在国外,许多单位已经实际采用这些系统进行巡查。