不同拍摄条件对红外热像图温差的影响

■ 梅正君 Mei Zhengjun

不同拍摄条件对红外热像图温差的影响

■ 梅正君 Mei Zhengjun

采用现场测量、软件处理、归纳总结等手段，研究在不同拍摄条件下（包括不同拍摄距离、拍摄仰角等），热像图温差的变化规律，从而优化红外热像检测方法，以更好地指导现场检测工作。

红外热像；热像图；无损检测；阳光强度

0 引言

由于红外热像检测是建立在无接触温度测量和热状态分析基础上，因此，热像图能否准确、清晰地反映物体表面温度差别是检测技术的关键。严格按照红外热像法检测技术规程进行现场测量，是准确拍摄红外热像图的技术保证，例如对拍摄距离、拍摄时间、拍摄仰角等方面的操作要求[1-3]。但在实际工程中，往往因为现场条件和检测设备的限制，无法完全按照技术规程操作[4、5]。本文将采用现场测量、软件处理、统计归纳等手段，研究在不同拍摄条件下，热像图中物体表面温差的变化规律，从而优化红外热像检测方法，以更好地指导现场检测工作。

1 理论基础

热像图是一种利用红外热像仪拍摄的，能反映物体表面温度的照片。红外热像仪可以捕捉人眼看不见的红外线，主要由红外透视目镜、传输线、探测器组成。探测器将红外辐射转化为电子信号，经过信号处理后，可在热像仪的显示器上显示出热像图[6]。

自然界中,所有绝对零度(-273℃)以上的物体都连续不断地辐射红外能,而红外能与温度具有对应的关系。根据斯蒂芬-波尔茨曼定律，物体在某一温度T时所辐射的总能量E为：

式中，E—物体辐射能,K/m2；

σ=5.673×10-8W/m2K4；

ε—物体表面的发射率；

T—物体表面温度，K。

从公式（1）可以看出，物体辐射的总能量随着温度的4次幂非线性关系而迅速增加。红外热像仪不是直接测量物体表面温度，而是测量物体的红外辐射信号，然后对辐射信号进行线性化，根据所测得的能量计算出温度值[7]。

2 在不同拍摄条件下的红外热像

上海某13层的框架结构建筑，建于2006年，外墙采用灰白色的陶瓷外墙面砖，面砖局部存在不同颜色区域。采用TH9100 WRI8.5红外热像仪对其进行检测。该红外热像仪采用氧化钒晶体材料探测器，图像细腻稳定；可同时拍摄红外热图像和可见光图像，获得红外/可见光组合图像，便于找出热点位置；自动纠正热图像和可见光图像的视差，适合在明亮或较暗的光线下使用；自带IEEE1394接口，可由计算机实时控制仪器并采集图像，曝光时间亦可以延长，最多达64倍。其主要技术参数如下：①温度分辨率=0.03℃；②空间分辨率=1.2mrad；③视场角/最小对焦距离为21.70×16.40/0.3m。

2.1 测试点的布置

为了研究不同拍摄仰角、不同距离对建筑物热像图温差的影响，在建筑物东面的不同距离布置热像仪拍摄点（A~I），具体如图1所示。

2.2 不同距离拍摄

在6月30日10:00~20:00，在A~I拍摄点对建筑物一层墙面的测点a~d，每隔2～3h进行热像图拍摄，其中，测点a、b选择在窗台的角上，测点c、d选择在移动窗框的中点和顶部（图2）。

选取4个时间段，观测测点温差在不同拍摄距离的变化（图3~6）。其中,10:00和13:00时阳光强度较大，16:00时阳光强度弱，20:00时没有阳光。从图中可以看出，温差随着拍摄距离呈波动变化，且温差变化在1℃以内。由于每拍一张热像图需要一定操作时间，因此，每个时间段内的热像图本身包含由时间差产生的一定温差。

图1 拍摄布置点图

图2 一层墙面a~d点(可见图)

图3 10:10时间段测点（a~d）温差随拍摄距离的变化

图4 13:15时间段测点（a~d）温差随拍摄距离的变化

图5 16:00时间段测点（a~d）温差随拍摄距离的变化

图6 20:00时间段测点（a~d）温差随拍摄距离的变化

图7 四层墙面a1~f1点(可见图)

根据热像图的温差分析结果，热像图测点温差在5~70m拍摄距离变化时较平稳，说明这段距离变化对温差影响较小；但随着拍摄距离越大，热像图中物体的轮廓边缘越模糊，判断空鼓区域的准确性越低。根据《红外热像法检测建筑外墙饰面层黏结缺陷技术规程》（CECS 2004：2006）规定，拍摄距离宜控制在10~50m以内，拍摄距离越大，热像图中越不容易分辨面积小的空鼓区域。

一般来讲，红外热像仪检测空鼓在所测墙面能分辨的最小测点直径在50mm左右[7]。TH9100 WRI8.5红外热像仪的空间分辨率是1.2mrad, 为了满足能分辨直径50mm的目标，其拍摄距离宜控制在40m左右。

2.3 不同仰角拍摄

在建筑的四层墙面位置选择典型测点a1~f1（图7）。根据已知的四层墙面测点高度和拍摄点(A~I)距离，利用三角函数关系，可以计算出热像仪与墙面测点形成的不同拍摄仰角，从而研究不同拍摄仰角对墙面选择点温差的影响。拍摄点和仰角的对应关系见表1。

在4个时间段中，a1~f1温差与拍摄仰角的变化关系如图8~10所示。其中，10:00和13:00时阳光强度较大，16:00时阳光强度弱，20:00时没有阳光。可以看出，热像图测点温差随拍摄角度的变化较平稳，温差变化在1℃以内；在20:00没有阳光的时间段，测点温差基本为0℃；当拍摄仰角大于45°时，易造成热像图温度场范围大，而忽略局部大于标准温差的区域。由于倾斜拍摄，在热像图中，建筑物易产生变形而导致位置偏差。

3 结语

综合上述试验结果，笔者认为，选择合适的拍摄距离和拍摄角度，对热像图的清晰度及后期图片的处理工作非常重要。同时，增大红外热像仪的分辨率及视场角，将会使红外热像仪更好地应用于工程实际。

[1]周云,赵为民,赵鸿.红外热像技术在房屋检测中的应用[J].住宅科技,2008(2):42-45.

[2]王靖.红外热像技术在建筑中的检测与分析[D]:[硕士学位论文].辽宁：辽宁工程技术大学,2013.

[3]袁仁续,赵鸣.红外热像技术在无损检测中的应用进展研究[J].福州大学学报（自然科学版）增刊,2005.

表1 拍摄距离与拍摄仰角

图8 10:10时间段测点（a1~f1）温差随拍摄仰角的变化

图9 13:15时间段测点（a1~f1）温差随拍摄仰角的变化

图10 16:00时间段测点（a1~f1）温差随拍摄仰角的变化

图11 20:00时间段测点（a1~f1）温差随拍摄仰角的变化

[4]杜红秀,张雄,韩继红.混凝土火灾损伤的红外热像检测与评估.同济大学学报,2002,30(9).

[5]代博洋.红外热成像技术在震后房屋损坏快速鉴定中的应用研究[D]: [硕士学位论文].中国地震局地质研究所,2009.

[6]Walter Wild. Application of infrared thermography in civil engineering. Proc.Estonian Acad.Sci.Eng.,2007,13(4):436-444.

[7]Silvia Martın Ocaña, Ignacio Cañas Guerrero, Ignacio González Requena. Thermographic survey of two rural buildings in Spain. Energy and Buildings, 2004(36):515-523.

Effect of Different Shooting Conditions on Temperature Difference of Infrared Thermal Image

By using such methods as on-the-spot measurement, software processing and induction, the paper studied the change rules of thermal image temperature variation under different shooting conditions (including different shooting distance, shooting elevation etc.), so as to optimize the infrared detection method and better guide the inspection work at site.

infrared thermography, thermal image, nondestructive testing, sunlight intensity

2016-10-18）

梅正君，上海岩土工程勘察设计研究院有限公司房屋质量检测站项目负责人，工程师。