潘古炎 王燁

摘 要：紅外成像技術具有非接觸、實時監(jiān)測、不破壞溫度場等優(yōu)勢，在我國各領域得到了廣泛的應用。文章簡要介紹了紅外熱成像系統(tǒng)的工作原理和我國紅外成像技術發(fā)展歷程，指出了目前紅外成像技術發(fā)展存在的主要問題，對紅外熱像技術在電力、石化領域設備檢測診斷中的應用進行了簡要的概述，并提出了未來的發(fā)展方向。

關鍵詞：紅外成像技術；研究現(xiàn)狀；應用及發(fā)展

引言

自20世紀60年代第一臺制冷型熱像儀問世以來，隨著微電子技術和傳感器技術的發(fā)展，熱像儀歷經(jīng)四代的革新，體積越來越小，溫度分辨率和空間分辨率越來越高[1]。如今，紅外成像系統(tǒng)是由紅外熱像技術、計算機圖像處理技術、微電子電路技術等多種高新技術的綜合體，涉及物理、光學、材料、電子學、計算機、圖像處理等多個領域[2]。

我國對紅外技術的研究起步相對較晚，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，也取得了一定的成果。不過，由于國外對關鍵技術的封鎖，仍與其他先進水平國家存在一定的差距。

近年來，紅外成像技術由于其非接觸、無損傷、可靠性高、測量快速，測溫面積大等優(yōu)勢在電氣、建筑、石化、醫(yī)學等行業(yè)中得到了廣泛的應用。文章主要總結了近年來我國紅外成像技術的研究成果，對其在設備監(jiān)測診斷中的應用進行了系統(tǒng)性的概述，并提出了未來可能的應用領域及發(fā)展方向。

1 紅外成像技術原理及問題

自1800年，英國物理學家F.W.赫胥爾發(fā)現(xiàn)了紅外線，紅外熱成像技術經(jīng)歷了漫長、復雜的發(fā)展過程。任何高于絕對0度的物體都會不斷的向外輻射能量，其中波長范圍在0.76-1000μm之間的稱為紅外光譜。雖然其波長范圍很廣，但是研究發(fā)現(xiàn)，大氣對紅外線的吸收和波長有很大關系，只有幾個特定波段的紅外輻射能夠較好的穿透大氣，將這幾個特定的波段稱為大氣窗口。目前在紅外成像領域研究較多的是采用中波紅外（3μm～5μm）和長波紅外（8μm～14μm）兩個大氣窗口，將這些波段的輻射轉換為人眼可觀測并可供測量分析的圖像數(shù)據(jù)。

紅外波段具有很強的溫度效應，對外不同的輻射強度，反映了物體的溫度高低，正是利用這一原理，能夠通過測量物體表面的輻射能量確定溫度場分布。紅外輻射的四個基本定律：普朗克公式、維恩位移定律、朗伯余弦定律和斯蒂芬-波爾茲曼定律，描述了物體輻射能量與表面溫度、發(fā)射率、介質透射率、環(huán)境等影響參數(shù)的關系。

紅外熱像儀利用紅外探測器和光學成像物鏡接受被測目標的紅外輻射能量分布圖形反映到紅外探測器的光敏元件上，從而獲得與溫度場對應的紅外熱像圖。但是紅外熱像儀所獲得的輻射能量受多種因素的影響并不能完全真實的反映出被測物體表面的實際溫度。目前采用的凝視焦平面探測器由于加工工藝不足導致半導體材料不均勻、缺陷、掩模誤差等因素使得探測器在接收均勻入射輻射時其輸出幅值并不相同。并且在將輸出幅值轉為圖像信號時，也會受到讀出電路、放大器、暗電流等多種因素的影響，導致探測器中各像元的響應不一致。紅外探測器將探測信號轉為灰度圖像輸出，由于紅外信號的動態(tài)范圍大，而人眼對灰度級的敏感程度不高，如何將原始灰度信號調(diào)整為使人眼能夠具有良好分辨且信息豐富的圖像是紅外探測系統(tǒng)的另一難題。

可見，想要提升紅外成像系統(tǒng)的整體效果，提高測量精度，需要對紅外成像原理、探測器加工工藝、圖像信息處理等多方面進行深入、細致的研究。

2 紅外成像技術研究現(xiàn)狀

針對影響紅外成像系統(tǒng)的各種因素，國內(nèi)多位研究學者進行了深入的研究。海軍工程大學楊立等人對紅外熱像儀測溫原理及影響因素進行了深入的研究，主要討論了被測物體表面發(fā)射率、反射率、環(huán)境溫度、濕度、距離等多種因素對測量誤差的影響，給出了由熱像儀輻射溫度準確算出被測表面的真實溫度的通用公式[3-6]。劉慧開對太陽輻射對熱像儀測溫誤差的影響進行了分析[7]，張健對高溫環(huán)境對熱像儀誤差的影響進行了研究[8]。

西安電子科技大學劉上乾等人對焦平面探測器的非均勻度帶來的圖像噪聲影響進行了研究，提出了自適應校正算法，低次插值算法、時空域非線性濾波等多種校正算法，取得了比較好的效果[9-12]。然而，不同的校正算法都有其自身的局限性，如利用時空域非線性濾波算法，可利用連續(xù)幾幀的圖像對非均勻性進行效果比較好的校正，對于靜止場景的細節(jié)處理效果卻一般。

南京理工大學陳錢等人對紅外圖像增強技術做了全面細致的研究[13]。對紅外圖像直方圖雙向均衡技術，紅外與微光圖像融合技術，形態(tài)學圖像邊緣增強技術都有著較為深入的研究[14-16]。傳統(tǒng)的紅外圖像增強主要以直方圖均衡和反銳化掩模為主，簡單而有效，得到了廣泛的應用，但是普遍都存在過度增強，平坦區(qū)域噪聲過度放大等問題，而通過微光融合及形態(tài)學邊緣增強，可以較好的解決這些問題。

隨著熱像儀在我國各行業(yè)的普及，對熱像儀應用性方面的研究也呈現(xiàn)逐年上升的趨勢，同時也有很多高校的團隊對熱像系統(tǒng)的基礎理論研究、產(chǎn)品研發(fā)和應用研究方面做出了比較突出的貢獻，如南京理工大學、華南理工大學、哈爾濱工業(yè)大學等。

3 紅外成像技術應用及發(fā)展方向

早期紅外熱像儀主要是為了軍方提供夜視能力，第一代熱像儀除了光學掃描系統(tǒng)外還需要配備液氮制冷系統(tǒng)，這使得熱像儀不僅體積龐大，而且價格昂貴，最初也只能應用于軍事及尖端的科研領域。然而隨著凝視型焦平面探測器的出現(xiàn)和非制冷熱像儀的研制成功，紅外熱像儀向著輕小型化、非制冷、集成、大陣面方向發(fā)展。這很大程度的降低了熱像儀的使用成本并使得熱像儀在多個領域得到了廣泛的應用。

瑞典國家電力局于20世紀60年代最早使用熱像儀對電力設備進行故障診斷檢測，我國對電力設備紅外檢測診斷技術始于70年代，主要對運行中的電氣設備裸露過熱接頭進行檢查。在1990年國際大電網(wǎng)會議中，指出該技術對電力設備的預知性狀態(tài)維修中發(fā)揮了重要作用，充分肯定了紅外成像技術在電力設備故障診斷中的地位。1985年廣東電力實驗所引入對廣州供電局、佛山供電局及其所屬電站對變電站電氣設備、線路接頭、發(fā)電機及使用直升機裝在紅外熱像儀巡檢高壓輸電線路進行了普檢[17]，并指出紅外熱像儀進行電力設備診斷是切實可行切卓有成效的。1994年邯鄲電業(yè)局使用紅外熱像儀在9個月時間中隊108個變電所、發(fā)電站和配電室進行了檢測，初步提出了設備故障的熱像圖譜和判斷方法[18]，并于1998年提出了電氣設備紅外診斷的相對溫差法及判斷標準[19]。我國于1999年頒布了《帶電設備紅外診斷技術應用導則》（DL/T664-1999）標準，并于2008年對該標準進行了修訂，頒布《帶電設備紅外診斷應用規(guī)范》（DL/T 664-2008）用于替代DL/T664-1999，對電氣設備中對設備的校驗、操作、檢測及各部件的診斷標準都做出了明確規(guī)范，更進一步地促進了紅外熱像技術在電力系統(tǒng)中的應用。目前，紅外成像技術以能夠不改變設備運行狀態(tài)進行在線檢測，操作簡單方便、使用面廣，績效比高等優(yōu)勢在國內(nèi)已經(jīng)得到了廣泛的應用[20，21]。

紅外熱像技術在石化領域也發(fā)揮著同樣重要的作用。由于在現(xiàn)代石油化工中，裝置設備大型化、復雜化，要求能夠連續(xù)長期、安全、穩(wěn)定運行，所以對設備在線監(jiān)測診斷十分重要。1981年上海石油化工總廠引進紅外熱像儀主要對裂解爐爐管彎頭、列管式換熱器內(nèi)漏、保溫層、襯里材料和球形儲罐液位高進行了檢測，紅外熱像儀以效率高，直觀性強的特點，并結合其他無損檢測方法展現(xiàn)了相當?shù)膬?yōu)越性[22]。撫順石化公司對催化再生器在檢修前進行了紅外熱像檢測，在檢修時，對襯里損傷部位進行仔細的檢查，在裝置內(nèi)部均發(fā)現(xiàn)了相應的缺陷，并且與之前紅外檢測時的分析結果一致[23]。但是紅外熱像儀檢測時，受現(xiàn)場各種因素較大，如風力、日光、周圍輻射源等對測試結果都有一定的影響，在實際操作時應充分考慮。

由于紅外成像技術只能獲得設備表面溫度分布，對內(nèi)部缺陷并不能直接體現(xiàn)，制約了其使用范圍。近年來，隨著導熱反問題的發(fā)展，更多的學者通過設備表面溫度分布對內(nèi)部缺陷尺寸、方位、及不規(guī)則邊界的識別算法進行了研究[24，25]，取得了一定的成果?？紤]到實際情況較為復雜、建模難度大、算法速度較慢等問題，目前還沒有得到廣泛的應用。

紅外成像技術以非接觸，響應快，分辨率高，不破壞原有溫度場的優(yōu)勢，理論上可以適用于所有需要進行溫度檢測的情況，但是由于紅外熱成像技術受到物體表面發(fā)射率、周圍環(huán)境、輻射波段等因素的影響，及針對不同應用場合需要進行不同熱特性捕捉等問題。今后紅外熱成像技術的發(fā)展方向主要有如下幾個方面：對紅外成像原理的繼續(xù)發(fā)展，不同波段紅外特性的分析與對比；新型紅外探測器的研制，降低探測器本身的不均勻度帶來的噪聲影響；結合微光及圖形學技術，增強紅外圖像細節(jié)表現(xiàn)能力的同時結合場景非均勻性校正技術減少不良效果；針對不能夠直接觀測設備內(nèi)部情況紅外探測器應該微型化，提高抗干擾能力，如將紅外成像技術集成在工業(yè)內(nèi)窺鏡前端，實現(xiàn)可見光與紅外雙成像內(nèi)窺鏡。未來紅外熱像儀將會繼續(xù)朝著微型化、高性能、高可靠性、智能化的方向繼續(xù)發(fā)展。而隨著導熱反問題等其他學科的發(fā)展，也將使得紅外成像技術的應用領域越來越廣泛。

4 結束語

雖然相比于可見光成像而言，紅外成像在分辨率、清晰度、成像效果上仍然有較大的提升空間，但是紅外成像技術發(fā)展至今，已經(jīng)從原本的軍用大型化設備轉變成為了便攜式商用設備，紅外熱像儀的成本大大降低，紅外成像技術已經(jīng)應用到各個領域，并且以其獨特的技術優(yōu)勢發(fā)揮著重要作用。

參考文獻

[1]莫朝霞，陳沅江.我國紅外熱像檢測技術的研究及發(fā)展展望[J].激光與紅外，2014（12）：1300-1305.

[2]楊鶴猛.遠紅外實時成像樣機系統(tǒng)關鍵技術研究[D].天津大學，2012.

[3]楊立.紅外熱像儀測溫計算與誤差分析[J].紅外技術，1999（4）：20-24.

[4]楊立，寇蔚，劉慧開，等.熱像儀測量物體表面輻射率及誤差分析[J].激光與紅外，2002（1）：43-45.

[5]楊楨，楊立.反射溫度補償法對紅外測溫的補償計算與誤差分析[J].光學技術，2008（S1）：154-156.

[6]寇蔚，楊立.熱測量中誤差的影響因素分析[J].紅外技術，2001（3）：32-34.

[7]劉慧開，楊立.太陽輻射對紅外熱像儀測溫誤差的影響[J].紅外技術，2002（1）：34-37.

[8]張健，楊立，劉慧開.環(huán)境高溫物體對紅外熱像儀測溫誤差的影響[J].紅外技術，2005（5）：419-422.

[9]姜光，劉上乾.紅外焦平面陣列非均勻性自適應校正算法研究[J].紅外與毫米波學報，2001（2）：93-96.

[10]殷世民，劉上乾.基于低次插值的紅外焦平面器件非均勻性多點校正算法[J].光子學報，2002（6）：715-718.

[11]李佳，秦翰林，延翔，等.時空域非線性濾波紅外序列圖像非均勻性校正[J].光子學報，2015（4）：93-97.

[12]王炳健，拜麗萍，劉上乾.紅外焦平面非均勻性自適應校正算法實時實現(xiàn)[J].中國電子科學研究院學報，2008（2）：174-176.

[13]陳錢.紅外圖像處理技術現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].紅外技術，2013（6）：311-318.

[14]陳錢，柏連發(fā)，張保民.紅外圖像直方圖雙向均衡技術研究[J].紅外與毫米波學報，2003（6）：428-430.

[15]馮國進，顧國華，陳錢.基于形態(tài)學的紅外圖像邊緣增強[J].激光與紅外，2003（6）：453-454.

[16]柏連發(fā)，陳錢，孔捷，等.紅外與微光圖像融合技術研究[J].紅外與毫米波學報，1999（1）：49-54.

[17]黃東東.紅外熱象儀在電力設備診斷中的應用[J].華北電力技術，1989（1）：10-17.

[18]張建坤.電力設備在線紅外熱像診斷[J].中國電力，1994（5）：55-57.

[19]胡世征.電氣設備紅外診斷的相對溫差判斷法及判斷標準[J].電網(wǎng)技術，1998（10）：49-52.

[20]張振杰，任世科.紅外熱像檢測技術在電氣設備故障診斷中的應用研究[J].甘肅科技，2015（10）：29-30.

[21]劉冰，郭杰.紅外檢測技術在變電站電氣設備故障診斷中的應用研究[J].電子技術與軟件工程，2015（3）：128.

[22]丁浩武，董蘭生.紅外熱象技術在石油化工設備檢測中的應用[J].煉油設備設計，1984（5）：57-61.

[23]姜凱，仲齊生.紅外熱像在石化設備檢測中的應用[J].激光與紅外，1994（3）：17-19.

[24]范春利，孫豐瑞，楊立，等.基于紅外測溫的內(nèi)部缺陷尺寸、方位的計算方法研究[J].熱科學與技術，2005（1）：82-86.

[25]范春利，孫豐瑞，楊立.基于紅外測溫的圓管內(nèi)壁不規(guī)則邊界的識別算法研究[J].熱科學與技術，2006（2）：112-117.

作者簡介：潘古炎（1972-），男，碩士。