红外热像仪船用数据采集方法应用

孙朝斌，石明华，马卫民，郭海生

(中国卫星海上测控部，江苏 江阴 214431)

0 引言

红外热像仪是指定波长范围(1～3 μm，3～5 μm，8 ～13 μm)［1］的光谱辐射测温装置。它基于电成像、图像处理存贮等技术应用，以获取被测物体表面热像图，判断被测量物体工况的实时测量仪器。

本文基于红外热像仪数据采集方法和国内外仪器设备无损检测方法应用研究和热像仪的船舶工程应用，在大量实验基础上，提出了集热像图采集、处理、存贮和利用的热像图图文信息采集管理方案。该方案使热像图的采集、处理和利用更为科学和实用，同比节约大量的人力和财力，使热像图在防范船用设备隐患中起到预警作用。

1 红外热像仪测温原理和影响测温的因素

普朗克定律［2］是以黑体(黑体是能全部吸收电磁辐射而毫无反射和透射的理想物体)辐射理论为基础，揭示了黑体辐射能量在不同的温度下按波长分布的规律。其数学表达式为:

其中:Wλ为黑体光谱辐射能量密度，W/(m2·μm);λ为辐射电磁波的波长，μm;T为黑体热力学温度，K;c1为第一辐射常数，c1=3.742×10－16W·m2;c2为第二辐射常数，c2=1.4388×10－2m·K。

从表达式可知，物体的温度T与辐射物体的光谱辐射能量密度Wλ和光谱的波长λ密切相关，故波长是热像仪选用的先决条件。

2 红外热像仪数据采集、处理、利用存在的问题及对策

除第2.1.1节外，本项测试中获取的温度均为默认设置(发射率为0.95，背景温度为10.0℃)下得到的温度值，并非被测物体表面的真实温度。

2.1 红外热像仪图像采集中的问题

通常情况下，黑体吸收外来的电磁辐射与发射电磁辐射的能力比同温度下的任何物体都强。但在实际工作中的物体基本上都属于灰体，当红外辐射到物体表面时，会产生透射、吸收和反射，造成物体光谱辐射能量密度的不确定性，使测试的绝对温度存在偏差。另外，由于图像采集没有相对规范的操作流程及强制性要求，使得被测物体发射率、透射率、环境温度等环节上影响不统一，损失了测量精度。主要表现为以下几个方面。

2.1.1 被测物体发射率的影响

以FLUKE Ti50红外热像仪对船用柴油机后轴承端盖进行测试试验，测试条件为:热像仪距离柴油机后轴承端盖1 m，正对轴承端盖拍摄，周围无其他干扰热源。监测轴承的水银温度计显示32℃。改变热像仪发射率设置值观察对测量值的影响，测试数据见表1示。

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由表1可见，选择的发射率值越小，获取的物体表面温度值越高，由于设置不当产生的最大温差可达到实际被测温度的1.5倍。当发射率选在0.88时热像仪测得的平均温度与监测轴承温度的水银温度计示值接近。为此，热像仪使用时应设置物体发射率值。但通常情况下，热像仪使用者大多不是材料分析人员，不能准确地判定材料的发射率，导致热像仪使用中准确测量的一个难点。

2.1.2 被测物体透射率的影响

实际工作中，设备内部温度的异常并不能立刻从设备外壳上反映出来。发热物体产生的热辐射对包围其外壳的穿透能力低于外壳对它的反射能力。随着外壳厚度的增加，穿透外壳所耗费的时间随之延长［3］。因此，要提高故障检出率，必须提高对设备外表温度微弱变化的分辨能力。

2.1.3 被测物体与热像仪镜头相对位置的影响

图1为FLUKE Ti50热像仪镜头的上下位置与柴油机轴承端盖保持水平时，热像仪向左或右移动到指定距离获取的温度数据。

图1 距离测试点2 m，向左或右偏移获取的船用柴油机轴承端盖温度数据Fig.1 Temperatures of the diesel engine cover，2 meter apart(from the left to the right)

当距离测试点2 m时，因向左偏移受船空间限制，无法获得225 cm和300 cm测试点的数据。由图中数据分析，当向左偏移225 cm时，测试的温度没有大的波动，此时的水平偏移角

其中，l为水平偏移到被测目标法线的距离;r为沿被测目标法线方向到热像仪镜头的距离;

多次实验证明，拍摄角度和拍摄位置对获取真实的热像图片是重要因素。当热像仪与被测目标的偏移角在48°以内都是合适的拍摄角度;但从获取的热像图看出，随着测量距离及偏移角的变化，热像图的视野范围变化较大，因此在采集过程中，需要在48°范围内选择一个重复拍摄位置，以获取最佳的标准热像图片资料。为了克服不同热像仪产品间的差异，建议拍摄角度最好不超过45°。

2.1.4 环境温度的影响

表2为环境温度影响测试数据的试验，可以看出，轴承端盖温度随环境温度的上升而升高。

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2.1.5 热像仪量程校准范围不当对测量的影响

设置热像仪量程校准范围:－20.0～100.0℃，当被测物体的温度大于校准范围上限时，热像图只能用＞110.0℃进行标注;当更改校准范围为－20.0～350.0℃时，可获取最高温度点。因此，热像仪量程校准范围选择应大于被测量范围，否则造成的测量图像失真就是在后期的热像图处理软件中都无法调整。

2.1.6 聚焦不当时对测试结果的影响

为了便于表述，根据散焦程度的不同将其分为6级(F级:聚焦良好;E级:聚焦稍差;…… A级:完全散焦)轴承端盖的散焦测试结果见表3。

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从表中可看出，随着聚焦程度变差，轴承端盖区域内的最高温度点的温度示值缓慢下降，最低温度点的温度示值缓慢上升，而温度平均值也略有上升。因此，要实现高质量的采集，必须保证热像仪镜头聚焦良好。

2.2 热像图资料利用中存在的问题

热像仪测试过程中的目标物参照对比法是目前常用的诊断方法，依据热像图判断设备潜在故障是建立在对热像图资料综合分析基础上的。

如同时测量三相配电箱3根母线的连接处，利用这3根相线连接处的温度值相互对比来确定连接螺丝的接触情况。当出现三相不平衡的情况时，就可能引起误判。要防止误判，需利用热像图历史图文资料为连接点的好坏判断提供依据。

对于只有单相的配电箱，常将连接头温度与导线温度进行比较，认为温差不高于某值属于正常。由Q=0.24 I2Rt可以看出，在负载变化时，导线和接头的发热情况随电流以指数形式变化。尽管接头接触良好，接头接触电阻与导线电阻比值保持不变，导线和接头的温度差仍是1个变量，如有历史图文资料可进行对比，将会给判断带来便捷。

以上举例说明了热像图数据资料利用的重要性。由于图像处理过程没有规范性要求，容易造成设备热像图资料丢失，以及没有历史热像图资料数据库，利用资料困难，从而失去对比分析与重复利用的价值。

3 船用热像图的采集方法

3.1 建立采集点位置控制图

为规避上述数据采集中存在的问题，引进相对值概念，不追求被测物体表面的真实温度，只要能满足被拍摄的热像图图文信息资料的重复性即可。这就要求测试时必须找到一种规范的采集方法，以保证不同测试人员对相同的设备，相同测试的对象获取热像图时，都能使热像图在相同条件下复现。

为此，要求建立采集点前，首先对采集点环境进行仔细考察，对每1个采集部分都用热像仪反复测试，寻找能减轻环境反射、环境温度等的影响，且在热像仪与被测目标的偏移角不大于45°范围内的拍摄位置，调整热像仪发射率、量程校准范围和聚焦拍摄出标准的热像图;再用数码相机记录采集人员站立的标准位置和被测目标的可见光图;最后把被测目标的可见光图、采集人员站立位置图、目标的标准热像图、目标编号和热像仪拍摄时的参数设置4个部分组合成1张采集点位置控制图。按照这种方法，依次采集所有要监测的目标，制成采集点位置控制图参照标准，装订成册，做为工作人员以后每次巡检、采集时的参照拍摄规范。

3.2 船舱室热像图采集方法

1)舱室环境温度采集

采集者进入舱室后，选择1个不受任何热源干扰的固定区域进行图像采集，获取图像的平均温度值作为当前机舱的环境温度。要求每次巡检均用这个区域测量环境温度。

2)记录设备周围环境状态

舱室可能有多台甚至多种设备，巡检时对于工作中的设备均要进行检测。采集前，要在附表上记录被采集设备的环境情况，包括周围设备的工作状态、有无其他热源、被监测设备的负荷大小等信息，形成计算机管理的文字资料。

3)根据采集点位置控制图参照标准依次进行采集

在影像采集时，要保持采集方式、采集部位、热像仪的设置、采集人员的站立位置、热像仪与采集部位的相对位置等均与采集点位置控制图参照标准保持一致，切实克服热像图采集过程中的随意性，获取符合计算机管理要求的图形资料。

3.3 热像图的后期处理

热像图后期处理的好坏直接影响设备的隐患检出率。

图2 不同水平跨度热像图比较Fig.2 Effect comparing by different test ranges

图2是被测物体的同一张热像图，只是在后期的图像处理中采用不同的水平跨度设置而呈现出截然不同的效果。为提高设备的隐患检出率，要求对热像图的水平和跨度设置能在被关注的对象上有明显伪彩色层次感为宜(图2左图);在热像图处理时不能仅关注高温点的变化，还要关注整个热像图上反映的温度梯度变化情况。一旦有不正常温度出现，无需具体的温度值，就很容易发现异常情况，非常直观。如果设置不当(图2右图)，即使有异常，温度达不到一定程度，仅从图形上观察很难发现隐患。

3.4 船舱室热像图采集数据库的建立

每次完成采集与处理后，均利用计算机热像图数据库信息管理系统，把这些图文资料依次分类贮存管理，便于以后热像图资料的快速检索，实现设备隐患的早期预警。

研究中发现，在季节不同、负荷相同、机舱温度变化明显的情况下，采集到的船用柴油机相同部位的热像图有明显差异。因此必须在不同环境温度条件下，利用热像图数据库信息管理系统，各制作一张有颜色梯度分布的标准热像图片，形成热像图后期对比处理的样片，作为在相同温度、环境条件下设备隐患预警的计算机参照比较基准。

4 结语

通过对热像图采集方法的分析研究，提出了用采集点位置控制图为参照拍摄标准的采集方法，以适应计算机贮存、管理和处理，达到热像图图文信息在设备隐患预警中指导作用的目的。这种实用有效的红外热像仪数据采集方法，可以广泛应用于各种不能或不便于直接接触式检测获取温度数据的场合，尤其在船舶动力、线路和管路等有限环境条件下设备的监测、检测和维修中起到非常重要的作用。

［1］田裕鹏.红外检测与诊断技术［M］.北京:化学工业出版社，2006.31 －32.

［2］田裕鹏.红外检测与诊断技术［M］.北京:化学工业出版社，2006.11 －11.

［3］李国华，等.红外热像技术及其应用的研究进展［J］.红外与激光工程，2004，33(3):227 －230.

［4］周军盈，杜啸晓.图像型火灾探测技术在舰船消防报警系统中的应用［J］.舰船科学技术，2008，30(2):99－111.

［5］胡宗成，王娟，等.舰船大功率减速器动态抗冲击性能分析［J］.舰船科学技术，2008，30(4):50 －53.

［6］刘振兴，周常尧，姜宁.基于目力观测的红外烟幕干扰效能分析［J］.舰船科学技术，2007，29(1):63－66.