红外热成像仪的视觉应用详解

红外热成像仪的救援应用

红外热成像仪通过利用红外热成像技术能够帮助消防员在灾害现场进行侦察、搜救及灭火工作，无论是火灾事故还是抢险救援事故，热成像仪都能带给消防员肉眼以外的视野，成为职业消防员救援不可或缺的重要工具，消防员熟练使用红外热像 仪可提升灭火救援效率，预知风险隐患，确保消防救援行动安全高效。

一、红外热成像仪基础知识

1.工作原理

自然界中一切温度高于绝对零度（－273℃）的物体每时每刻都会向外辐热量，这种辐射热就是通过红外线的电磁波形式向外辐射，这种红外线辐射能够表征物体的特征信息，例如温度高低，红外热成像仪就是利用这一特性，红外热成像仪通过光电红外探测器将物体发热部位辐射的功率信号转换成电信号，再通过成像装置一一将转换的电信号经过处理转换成图像信号传导至屏幕上，就得到与物体便面热分布相对应的热成像图，就是我们所看到的红外热图像。

红外热成像的成像原理决定了红外热成像的的缺点和不足，掌握该原理能够帮助消防员理解仪器缺陷。

2.热成像的结构及模式应用

消防红外热成像仪有五个组件组成：光学系统、红外探测器、放大器、信号处理器、显示器。为了便于消防应用，一般消防热成像仪具有防爆、耐热、防水、防摔、轻便等特点。

为了更好的适应消防救援的应用，目前很热成像仪有多种成像模式，目的就是为了更好的在不同应用环境下的使用，以Mi-TIC-320-3-C 手持式红外热成像仪 为例，该热成像仪共有6种成像模式：

①火灾模式：一般用于建筑内部灭火救援时使用，该模式的特点在于当温度高于150℃时，物体的现象将增着色，从而更清晰的判断一定范围内的温度的物体。着色时固定的，通过改变亮度和色彩，使图像细节在整个范围内保持可见。

②评估模式：一般在火场外部进行侦察评估时使用，此模式与火灾模式不同的是，其将显像着色的温度变低，在250℃的有限动态范围内，将温度颜色参照分为5个刻度，从而能够在外部快速判断高温度区域及着火点位置。

③白热模式：该模式主要用于搜索景区、建筑物或交通事故现场的热源应用，该模式未将温度现象做颜色区别，只有白热、黑冷的对比，温度从-40℃至80℃的有限动态范围参照条，没有温度标，通过改变亮度使图像细节在整个范围内保持可见。

④搜索模式：可用于可以热源和高热物体的搜索，主要特点就是将环境中温度最高的物体突出的显为红色，利于搜索人员及时定位环境中的高热物体。

⑤检查模式：主要用于对设备进行维护性检查，例如电器设备荷载情况查询，该模式的特点在于其对不同温度的现象为全色阶显示，能够清晰的看到不同温度的颜色差异。

⑥搜救模式：该模式一般用在未过火的建筑内部搜寻被困人员使用，该模式的特点在没有过火的环境中，利用蓝色和高反差的画面凸显热源，增加搜救发现的概率。

二、红外热成像仪的救援场景运用

红外热成像仪器在消防救援应用中主要有以下方面：

1.火情侦察使用

侦察主要判断燃烧产生热量的生源点和蔓延途径，以此判断火场最先起火的房间、着火点的具体位置、火灾发展和蔓延的方向等，以此判断火灾发展的阶段和火场进攻的路径，火情侦察一般使用评估模式。

1.1判断最先起火的房间

民房火灾发生后，受建筑分隔的影响，燃烧会暂时局限在最先起火的房间里。随着燃烧的不断进行，火势突破门窗向其他房间蔓延，由于最先起火的房间燃烧时间最长，燃烧最充分，室内温度最高。所以，利用红外热成像仪在建筑物外部实时成像，可以大致确定最先着火房间。

1.2判断火灾蔓延方向

一般而言，火灾烟气的蔓延方向就是火势蔓延的方向，由于火灾烟气具有高温高热的特性，通过热成像仪实时成像的特点观察火灾烟气的流动方向可大致判断火势蔓延的方向，并大致判断火场内部压力分布及烟气驱动形式，预防消防员在烟气流动路径中作战。

1.3判断起火点

火场中起火点的判断非常重要。一般起火点位置的室内墙壁和顶棚处为整个建筑内部温度的最高处，可以以此判断出着火点的大概位置。

2.火场内部灭火救援使用

红外成像仪能够在浓烟或低能见度的环境中为消防员提供清晰的视野，更方便的观察火场内部的环境，在火场内部主要有搜寻被困人员、寻找隐秘火点、辅助射流冷却、寻找逃生出口等。

2.1.搜救被困人员

红外光可以穿透热烟雾，火灾现场被困人员与周围环境存在的温度差，通过利用这一特点。红外热成像仪显示不同的温度分布图，可使消防人员在浓烟情况下，清晰地发现被困人员，为营救赢得宝贵时间。研究数据表明，在同等热烟状况下的室内火灾现场，使用红外热像仪进行搜救的时间，比未使用红外热像仪进行搜救的时间可减少80%。

2.2寻找隐秘火点

在建筑火灾因为建筑存在许多镂空的空隙，例如天花吊顶、保温墙壁空腔、电梯线缆竖井内位置当发生火灾时往往火点不易被发现，存在隐秘燃烧和阴燃的情况，不注意时可能发生复燃，此时可利用火灾、巡检模式快速定位隐秘火点，精准打击火点。

2.3辅助射流

红外热成像能够清晰的看清建筑室内的热能分布，根据热成像的视野可以识别高温物体、积蓄的高温烟气、燃烧的火源等，以此将有限的灭火剂打在最需要降温的地方，提高灭火救援的效率，降低火场内部的水渍损失。

3.非火灾救援应用

3.1交通事故救援应用

在车辆事故救援中尤其在黑夜中利用白热模式，可寻觅隐藏的泄漏物质，例如燃料、危化品等；确定现场的范围和大小，包括设计的车辆数量及其在夜间下或下雪、大雾等能见度低情况下的人员、车辆位置，另外也可在能见度低的情况下确定救援人员位置，做好现场安全管控。

3.2户外搜救

由于热成像仪可以检测人体产生的热量，使搜索者能够使用热成像仪透过障碍物更快的寻早到被困人员，搜救模式能够扩大在户外人体温度与周围温度的差异对比，因此户外搜索要选择搜救模式。

3.3电量荷载监测

电线在高荷载的情况下会发热，电力部门工作人员常常利用检查模式检测电线或者电器设备的荷载发热情况，及时安全的管控风险。

3.4确定泄漏位置

液化类或者高压类气体在气化或者泄漏时都是吸热，导致泄漏点位置温度急剧下降，低温的气体会冷凝周围空气中的水蒸气，导致像有大雾发生一样，造成周围视线模糊，另外这种情况下消防员一般穿着重型防护装备，减轻了听觉、视觉的观察能力，此时红外热成像仪器就可以透过气雾将周围温度差显示在屏幕中，所以可以利用红外热像仪快速寻找到阀门损坏、管道破裂或其他相关设备破损造成的隐蔽性泄漏的具体部位。

4.罐体容量检测

当无保温层油罐及其他罐体受到热辐射时，由于罐内物质热容量比空罐大会产生温度差，用热像仪可以很方便判断储液罐液位。也可以对槽罐车、火场中的液化气钢瓶进行检测，判断危险源是否有爆炸危险。石油、化工等特殊灾害现场，因存放大量易燃物储罐，使其成为高危的灾害救援场所。这类企业火灾中，储罐温度和液位的数据采集对指挥员决策显得尤为重要。肉眼是不能直接看见石油化工产品及原料在储罐内的具体液位。但是，这些液体在罐内储存时，因储存的可燃液体热容量较空罐区域大，会出现一定的温度差。

三、红外热成像仪使用的局限及影响因素

1.红外线的反射

对于表面光滑的物体，比如玻璃、金属门、地面上的积水，附近环境或物体的红外能量会被光滑表面反射，使用热成像时可能看到红外线被反射的影像。

2.穿透率

有些能被可见光穿透的物体不一定能被红外线穿透，例如玻璃或者透明胶片等。

透明玻璃窗后的红外线能量不能穿透玻璃，热成像仪只能显示窗户打开部位的户外环境。相反，在玻璃窗前的使用者红线线能量被反射并呈现在热成像仪的显像视频中。

3.视野

人眼的可视范围大约为水平角度200度、垂直角度135度，而一般的热成像仪只有水平角度50度、垂直角度37.5度，这就导致红外热成像仪的视野只有人眼视野的1/4，狭隘的角度容令使用者错误判断观察中的地方或物件距离较近或者体积较大，实际看到的是较远或者是较小的。

4.相对温度

一件物体在红外热成像仪的画面之中是变得光亮还是暗淡，取决于物体在环境中的相对温度，所以在搜救中，假设人身处火场，人体相对温度与火场相比是较低的，所以人体成像是比较暗淡，架设人实在户外，相对室外温度，人体温度相对较高，此时人体成像是较为光亮的。

5.温度测量

部分热成像仪可以读取现场的温度，并显示中央的标记点位置物质表面面的温度。但由于红外热成像仪是从外部间接接收红外线并推算出相关物体便面温度的，这种非直接接触时的温度测量容易收到很多因素的影响，并不能作为准且的温度读数，只能作为参考使用，在测量温度时应注意以下方面可以提高温度测量的精准度。

以下例子以一个盛满热水的水瓶作为示范。

5.1测量距离：当红外线在空间中传播时，可能会被空间中的物质所影响，例如水蒸气、烟等，导致热量损失，建议热成像仪测量温度时，被测物体与仪器之间的距离不超过4米，测量的温度只是被测量物体表面的温度，并不等于物质的实际温度，距离较近时可以准确的得出物体的实际温度，但是由于红外成像仪显像的原因，难以判断物体的形状或整体环境情况。所以如果需要利用红外热成像仪测量温度，应在较近的距离测量。

以下为近距离测试热水瓶和远距离测试热水瓶情况队比。（温度精准则近距离测，成像清晰则远距离测）

5.2测量角度：若被测物体与红外热成像仪不在同一个水平方向，则红外线的传播距离会增加，温度损失也较多，所以测量物体温度时尽量与物体保持在同一个水平方向。

5.3测量位置：红外热成像仪只读取显示屏中央目标标记物体位置的平均温度，要测量物体时使用者须确保显示屏中央的标点对准物体，并将中央标点完全覆盖。

测量水平时不同位置标点的差异

5.4被测量物体的大小：若被测量物件面积较小，则热成像仪测量的该物体温度被周围物质温度干扰就越大。建议被测量物件应占热能显像机显示屏至少三份之一画面。

5.5环境因素：若现场环境充满大量水蒸气或者红外热成像仪镜头有水汽或其他污染物质，都会减少热成像仪接收红外线能量的强度，在使用时应该避免有大量水蒸气的情况，并保持红外热成像仪镜面的清洁。

5.6被测量物体的材料:金属材料和其他材料相比，在相同温度之下放射的红外线能量会较少，导致温度读书会大幅降低。而表面光滑的物料也有可能将附近环境的红外线反射，所以热成像仪不能有效测量金属物体本身放射的红外线能量。

5.7物质干扰或者屏蔽，红外线不能穿透玻璃、金属、积水在测量以上物质之后的温度将会被屏蔽，另外一些较厚的物质，例如墙体、被子也会干扰测量，导致物质在显示屏中显像不够清晰。

红外热成像仪能带给消防人员肉眼看不见的视野，可大大加强灭火救援行动的效率、灵活性和安全性。但是，若对红外热成像仪的技术限制没有充份理解，却有可能会对影像解读造成误会，甚至造成危险。因此，消防员在日常操练时，都配备红外热成像仪，多加观察不同情况时的显像机影像，有助加强的画面、事物、距离、空间大小和间隔等的判断，在实际使用时便更有信心和得心应手。