红外热成像技术在安全检测领域的应用现状

2021-08-20伍利兵陈朝方林国生易志伟陈剑峰吴飞龙

品牌与标准化 2021年4期

关键词：安全检测应用进展

伍利兵陈朝方林国生易志伟陈剑峰吴飞龙

【摘要】本文简述了红外热成像技术的原理，概括了近十年来的研究情况，介绍了其在安全检测领域的应用现状，展望了其良好的应用前景。

【关键词】红外热成像技术;安全检测;应用进展

【DOI编码】 10.3969/j.issn.1674-4977.2021.04.034

Application Status of Infrared Thermal Imaging Technology in the Field of Safety Inspection

Wu Li-bing，Chen Chao-fang*，Lin Guo-sheng，Yi Zhi-wei，Chen jian-feng，Wu Fei-long

（Gongbei Customs Technical Center，Zhuhai 519015，China）

Abstract： This paper briefly introduces the principle of infrared thermal imaging technology，summarizes the research and development status in the past ten years，introduces its application in the field of safety supervision and prospects its good application prospects.

Key words： infrared imaging technology;safety inspection;application statistics

红外热成像技术是通过运用光电技术接收物体辐射的特殊红外线信号，将该信号转换成可供人眼可识别的图像或视频，并赋予图像或视频温度值。红外热成像技术使人类超越了视觉局限，由此人们可以“看到”物体表面的温度分布状况[1]。红外热成像仪就是利用该技术生产的商用仪器，凭着实时视频成像、操作简便、成本低等优势，远距离、非接触、大面积、直观快速检测的优点，在民航、电力、石化、森林防火、医疗等领域也有着广泛的应用[2]。

1 红外热成像技术的发展现状

1.1 红外热成像技术的原理

任何温度高于绝对零度的物体，由于其内部热运动的存在，都会向外辐射包括红外波段在内的电磁波。红外光谱波长约在0.75～1000 μm之间，由于大气对红外辐射的选择性吸收，在大气中红外辐射仅能在1～2.5 μm、3～5 μm和8～14 μm三个波段内有效地传输[3]。红外热成像技术就是通过吸收目标物体辐射的红外线电磁波，将光信号转换为电信号，通过软件算法，将肉眼不可见的红外辐射转换为可视图像或视频。

1.2 红外热成像仪的组成

红外热成像仪是集光学、半导体、光电子学、电子学、精密机械、显示器等技术为一体的高新技术产品，能探测到肉眼看不到的红外辐射图像。红外热成像仪按探测器的工作温度分为制冷型和非制冷型，制冷式热成像仪是利用光子探测器接收红外线辐射，材料内部电子能量分布发生变化从而引起电信号的变化，其灵敏度高，但受到波长的限制，且工作时需要低温，这就使得此类的设备体积大、便携性差、成本高，阻碍了其应用。非制冷式热成像仪是利用光热探测器接受红外线辐射，材料的温度发生变化从而产生电信号，电信号强度取决于接收到的红外线辐射功率，与波长无关，此类设备体积小、便于携带，价格便宜，因此应用广泛[4]。

1.3 红外热成像仪的关键技术参数

非制冷红外焦平面探测器的关键技术参数包括阵列规模、像元中心距、噪声等效温差（Noise Equivalent Temperature Difference，NETD）等。

探测器的阵列规模越大，图像分辨率越高，图像越清晰，目前焦平面探测器阵列规模可达到1920×1080甚至更高。

像元中心距与光学系统共同决定了成像系统的空间分辨率。原则上来说，当像元尺寸大于红外辐射波长时，像元中心距越小，图像的空间分辨率越高。

噪声等效温差（NETD）也被称为探测器灵敏度，是非制冷红外焦平面探测器最重要的性能指标。它与传感器设计及薄膜材料等因素有关。NETD越小，探测器灵敏度越高。典型军用探测器的NETD需小于50 mK。

1.4 红外热成像仪的发展现状

红外热成像探测器是整个红外成像系统的核心器件，按发展特点可分为四代，目前正在发展的以大面阵、高分辨率、多波段、智能灵巧型为主要特点的系统芯片，具有高性能数字信号处理功能，甚至具备单片多波段探测与识别能力[5]。使用广泛的非制冷焦平面探测器也经历了技术探索期、技术成熟期等阶段，来到了新技术探索期，目前国外研究机构主要沿着超大面阵规模以及尺寸、重量、功耗、成本（Size Weight and Power-Cost，SWaP-C）两个方向进行着产品开发。我国的相关研究在以电子科技大学、北方广微科技有限公司、浙江大立科技股份有限公司、艾睿光电及武汉高德红外股份有限公司等为代表的研究机构及企业的努力下也取得了很大突破，目前国产最先进微型机芯模组产品与全球典型产品的技术指标相比较，国内研究机构在像元中心距和阵列规模方面紧跟国际水平，器件噪声等效温差（也被称为探测器灵敏度，是非制冷红外焦平面探测器最重要的性能指標）接近甚至超过某些国际研究机构的同等像元尺寸产品[6]。

2 红外热成像技术在安全检测领域的应用现状

近年来，红外热成像技术引起广大科研工作者的关注，对其进行了持续的研究。表1给出了通过百度学术统计近十年来与红外热像技术相关的研究文献数量，从统计中可以看出近年来研究数量出现了上升的趋势。

红外热成像仪有着诸多的优点，随着技术的发展与研究的深入，与安全科学中不同学科相结合，可进行安全隐患排查及安全风险监测，应用越来越广泛。

2.1 建筑行业安全检测应用现状

在建筑行业中常存在外墙由于年久失修或其它质量问题发生坠落伤人事故，建筑材料存在内部缺陷从而发生安全事故。通过红外热像技术，可快速给出建筑物的红外热像谱图或视频，结合数据分析能直观反映其受损或缺陷状况，及时发现问题并消除隐患。曹平华[7]介绍了红外热成像技术在建筑外墙检测中的应用，以外墙饰面施工质量检测为例，对技术的可靠性、灵敏度和检测条件进行了分析。在合理的条件下采用红外热成像技术可以可靠、准确地对建筑外墙的质量进行检测，可为房屋建筑的验收或饰面质量的普查提供可靠的依据。王凯[8]从建筑节能、结构损伤监测和建筑物表面裂缝探测等几个方面综述红外热成像无损检测技术最新理论研究成果和试验。

2.2 电力行业安全检测应用现状

电力行业是红外热成像技术最先应用的行业之一，已被电力行业标准DL/T 644和DL/T 596等确定标准检测工具，它在安全隐患发现和设备维护检测等方面具有不可替代的作用。电力行业中，各种高低压电器设备，由于机械振动、灰尘的腐蚀、外力损伤等因素的作用，使设备出现接头接触不良、材料老化等，造成设备非正常发热，带来安全隐患和热缺陷，红外热像仪作为成熟的电力在线监测技术手段，可对负荷电气设备进行检测，通过对红外热成像谱图的分析，能及时发现异常温度点，快速定位隐患及缺陷点，防止电气火灾事故发生。刘磊[9]结合实际案例，分析了红外热成像技术在电力设备状态检修工作中的运用方法，阐述了红外热成像技术的应用情况。许多供電系统及企业利用红外热成像技术对电气设备进行检测，预先发现事故隐患，从而使电力设备能持续可靠运行[10-19]。

2.3 石化行业安全检测应用现状

石油化工领域的许多设备需要在高温高压环境下工作，容易产生安全隐患。根据安全生产要求，需要对其进行实时监测，提前发现异常及时消除隐患。使用红外热成像技术能对管道、法兰、阀门、油罐气罐等石油化工行业常见设备的腐蚀、破裂、减薄、堵塞及泄漏等进行检测，得到设备和材料表面温度分布，根据异常温度点的分布，可快速定位隐患点，以此减少石油化工生产中的潜在危险。丁德武[20]利用红外热成像技术通过对某石化企业设备管阀件、储罐密封圈及呼吸口开展泄漏检测，查找到多处泄漏隐患，为设备维修整改提供了数据依据，为企业设备安全管理提供了技术支持。李新宁[21]概述石化热设备的故障类型和等级，以石化设备内部腐蚀实例指出红外热像技术在检测腐蚀故障时的应用。

2.4 运输行业重点场所安全检测应用现状

机场、海关是比较特殊的场所，在白天用普通摄像头很容易监视和跟踪目标，但在夜间，普通摄像头存在一定的局限性，这是由于普通摄像头是利用可见光成像，黑夜或光线不好时图像效果不佳，可能导致一些警报被忽略或误报，而采用红外热成像摄像头可轻松解决该问题。去年新冠肺炎疫情在全球流行和肆虐，传统的体温安全监测模式已经无法满足机场、海关等出入境旅客的安全顺畅通关，利用红外热成像技术的体温监测系统可有效提高口岸出入境人员的体温监测能力。苏东岳[22]讨论了红外测温技术在公众场合对大量流动人员进行体温筛查中普遍存在的若干问题及建议，以提高测温的规范性与严谨性。

2.5 森林防火安全检测应用现状

在的森林防火中，不明显的隐火也容易引起火灾，仅靠人工监控是难以及时发现的，等发现时已经发展成了难以控制的局面。采用红外热成像技术可以通过设置目标温度上限来对监测目标进行实时分析，根据不同场景的总体结构及特点，在这些易于产生火灾的关键位置设置热成像监控点，全天候、全方位监控记录主要场所的实时情况，如果目标温度达到设定上限就会发出报警信息，由此便可迅速确定起火点的位置和规模，将森林火灾消灭在萌芽阶段，从而消除火灾隐患。李兴海[23]通过建立的红外热成像监控及指挥调度中心系统并应用到了森林消防工作中，既可以提早预警火灾，也可实时传达火灾信息并进行灾后监测。

2.6 海事安全监管应用现状

红外热成像技术在海事安全应用高效实用，如在海上救援、潜水作业、执法、港口安全巡逻、救助落水船员和执行国土安全任务等，无论白天还是黑夜、天气好坏与否，红外热像仪都可帮助海事公共安全船舶（如公安艇，消防艇、海港巡逻舰等）顺利完成重要任务。刘垒[24]通过比较红外成像技术、雷达和可见光技术，提出了利用红外成像技术进行船舶内部感知和船舶外部感知的具体应用方向。吴震[25]在对红外视频监控系统VHF自动播报技术和通信技术进行充分研究的基础上，开发研究了珠三角河流岔道口大桥预警导航系统，最大限度地保证船舶的航行安全，起到既保护桥，也保护船舶，解决大桥、海事管理部门的安全监管问题。

3 结论

红外成像技术已经成为各个领域争相发展的技术之一，相关领域的研究近年来发展迅猛，取得了很多的成果，随着新技术、新工艺的出现，红外成像技术也将向着更高的分辨力、更智能化、更集成化的方向迈进，同时随着互联网技术、人工智能AI技术及大数据云计算技术的发展，与红外成像技术配套的软件及算法将更加智能、高效，配合云平台在社会的各领域的应用也必将更广泛。

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