红外热成像技术的灭火救援应用探究

程 刚

1 引言

近年来，我国经济建设迅猛发展，城市规模扩大、人口剧增，高层建筑、地下大型商场、大型物流仓库等建筑大量涌现。同时，火灾对象也随之发生了大的变化，从一般建筑向商场、酒店等公众聚集场所及高层、地下建筑蔓延[1]。火灾发生后，伴随产生的各种复杂环境，比如浓烟、黑暗、建筑物结构复杂等会给具体火情的侦察带来非常不利的影响。传统的消防救援装备很难准确迅速地对着火点、高温烟气流动方向及被困人员所在位置进行搜索。

红外热像仪（Infrared Thermal Camera）是一种检测设备，具体是通过非接触探测红外热量，并将其转换生成热图像和温度值，能够将探测到的热量进行精确量化，对发热区域进行准确的识别以及严格的分析，从而显示在显示器上，并能进一步地对温度值进行计算，消防员可以使用热像仪视穿透烟雾、寻找人员、定位火源位置。

图1 红外热成像工作原理图

2 红外热成像技术原理与特点

2.1 红外热成像技术原理

红外热像仪就是通过记录目标与背景温度的差别来显示目标图像的仪器，因此红外热像仪可以将不可见的红外辐射转换成可见的图像。其基本原理是物体的红外辐射经过专用光学镜头聚焦到探测器上，探测器则产生电信号，电信号经过放大装置并数字化后到达热像仪的电子处理部分，最后转换成可视的能在显示器上显示的红外热像图像[2]。

温度高于绝对零度（-273.15℃）的物体都会发出红外线，发出红外线的强度跟物体的温度存在一定关系。根据斯蒂芬—玻尔兹曼定律，物体表面每一辐射单元的热辐射能量与该单元绝对温度的四次方成正比[3]，即

公式中，M为辐射单元的热辐射能量；ε为辐射单元表面发射率；δ为斯蒂芬-玻尔兹曼常数，数值为5.67×10-8；T为辐射单元表面温度。

当己知物体的表面温度和它的发射率时，按上式就可计算出物体的辐射功率。反之，如果测定了物体所发射的辐射功率，就可以利用上式确定物体表面的温度。由于物体表面由许多单元组成，所以物体表面都存在一个热辐射能量场,相应有一个温度分布场。红外热像仪就是利用对物体表面红外辐射的强弱进行探测而呈现出物体表面形状轮廓及分布情况的，并且红外图像的明亮情况反映出物体表面温度的高低不同[4]。

2.2 红外热成像技术特点

依据红外热成像技术原理，物体在热成像仪上成像的灰度、亮度以及轮廓的不同可以区别不同物体，因此在事故灾难现场能见度低的情况下，通过热成像图像对物体进行搜索、辨识非常方便[5]。

优点非接触的检测与识别不受电磁干扰，远距离精确跟踪目标直观显示物体表面温度场，应用广泛探测能力强，作用距离远，显示方式多缺点图像对比度低，分辨细节能力较差不能透过水，受水雾影响大一米之内近距离无法聚焦光滑面易产生反射影像

3 红外热成像技术在消防上的实际价值[5]

3.1 火情侦察

火情侦察是消防员获得有关灭火战斗对象相关信息的手段，是指挥员进行战斗部署的依据，是整个火场最重要的工作之一。红外热成像仪作为火情侦察的辅助工具，能够确定火焰中心位置、燃烧程度，了解高温烟气的流动方向、蔓延情况，尤其是在寻找隐匿火点、搜索被困人员时更能凸显其优势并发挥重大作用。

建筑火灾发生后，初期阶段燃烧会暂时在起火的房间里,随着火灾从初期阶段到发展阶段的过渡，火势会通过各种途径向建筑其他位置蔓延，火场高温烟气弥漫，能见度极低。指挥员想第一时间判断着火位置和火势蔓延的方向，必须掌握高温位置和烟气流动的方向，这时候，可以利用红外热成像仪来观察建筑及内部走廊、顶棚等位置的温度热像图，就可以做出准确的判断。2017年11月，南京浦口区一栋三层砖木结构发生火灾，消防队到场后发现整个建筑烟雾弥漫，火势没有突破窗户，通过肉眼观察无法准确判断起火位置，中队指挥员利用红外热成像仪对整栋建筑进行观察比对，准确找到起火点，第一时间组织内攻，深入建筑内部后，查明火势蔓延方向，迅速扑灭了火灾。中队指挥员在战评总结时说：着火位置燃烧时间长，温度高，利用红外热成像仪进行外部观察和内部侦查，通过对比各个位置的温度差异，准确判断出燃烧位置和蔓延方向是此次火灾扑救成功的关键。

猛烈阶段的火场，用肉眼即可以明确判断火势情况，通过红外热成像仪得到的图像分辨率不够高，并不能获得更多的信息。红外热成像仪在火场中更加适合侦察火势不大，烟雾很大的坏境，当火灾处于初起阶段或者阴燃状态，使用红外热成像仪进行火情侦察，有利于提高灭火效率、减少灭火时水渍损失。

3.2 有效保护消防队员安全

在复杂的灾害环境中，红外热成像仪具有非常强的浓烟穿透能力，被困人员、隐匿火点及高温烟气的温度及红外辐射远大于周边环境，消防员通过红外热成像仪可以清晰地发现所有可能存在的危险，很快发现火点、被困人员等。这样，消防员在危险的环境中停留的时间也会相对减少，能有效地保护消防员自身的安全。红外热成像仪己成为现代消防的必备工具，美国职业安全与卫生研究院（NIOSH）的消防员死亡调查与防范技术再三推荐使用热成像仪，NOISH建议消防机构在灭火工作中使用红外热成像仪并将其列入必备装备中。头盔与热成像仪的组合是最受认可的，因为这样可以解放消防员的双手。如果热成像仪能够以护目镜或其他类似的便捷形式出现，会使消防员获益良多。

4 红外热成像仪实际应用中应注意的问题

4.1 使用红外热成像仪的注意事项

（1）因为红外热成像仪无法穿透水，所以在水域搜索时，只能看见水面上的物体，在室内火灾现场，扑救过程射水形成的水雾容易干扰热成像仪的成像，在使用红外热成像仪时尽量停止向成像区域射水。

（2）“对比”是红外热成像仪的精髓所在，在拍摄现场热像图时，不宜将仪器的中央测温点对在火场温度最高处，因为红外热成像仪会按照最高温度点调整图像，这样图像呈现的层次较少，可以选取温度较高的点为中央测温点，这样拍出的图像更加清晰，层次更加分明。

（3）火场内玻璃、镜子、窗户、不锈钢面等光滑面的物质会反射热源影像，容易导致误判，消防员在实际使用中可以在仪器后方挥挥手确认是否为反射影样。

(4)红外热成像仪近距离无法对焦（1米内），所以在狭小空间操作有一定的限制。

(5)火场内外温差较大，使用红外热成像仪时若发现荧幕全白，很有可能是荧幕、面罩或是前方镜头形成了冷凝水雾，擦拭后即可使用。

4.2 红外热成像仪使用大禁忌——温度量测

美国消防界流行“用热成像仪600℃温度量测作为判断爆燃或是空间是否能够进入”的作法，休斯敦有四个消防员救灾时殉职，在NIOSH网站内有详细的分析各种原因，其中一个原因就是“使用热成像仪的温度量测值当作火场情势判断的依据！”热成像仪的温度测量，是测量表面温度，不是测量“烟层温度”，而且距离不同、物质介质不同、测量角度不同，即使同一个点去测量都会有很大的误差。消防用红外热成像仪的设计理念是“出对比成像”，而不是用来“量测温度”。判断火场情况，应是从建筑结构、通风结构、火灾荷载量、居室空间等既有火场特性的基础上来判断，不能将温度量测值作为火场判断的依据！

5 结束语

红外热成像仪在消防救援中最普遍、最基本的作用是协助消防队员在复杂多变的灾害现场搜寻和营救被困人员，寻找着火点及辨识危险区域。在火灾扑救中，使用热像图像搜索能够大大提高消防侦察救援效率。在未来高科技发展的推动下，红外热成像的技术及各种衍生产品将会广泛地应用在在消防工作中，对于保护国家和人民生命财产的安全、防火救灾等方面将会发挥巨大的作用，其越来越突出的现实意义更加不容忽视。