程 剛

1 引言

近年來，我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)迅猛發(fā)展，城市規(guī)模擴(kuò)大、人口劇增，高層建筑、地下大型商場、大型物流倉庫等建筑大量涌現(xiàn)。同時，火災(zāi)對象也隨之發(fā)生了大的變化，從一般建筑向商場、酒店等公眾聚集場所及高層、地下建筑蔓延[1]?；馂?zāi)發(fā)生后，伴隨產(chǎn)生的各種復(fù)雜環(huán)境，比如濃煙、黑暗、建筑物結(jié)構(gòu)復(fù)雜等會給具體火情的偵察帶來非常不利的影響。傳統(tǒng)的消防救援裝備很難準(zhǔn)確迅速地對著火點(diǎn)、高溫?zé)煔饬鲃臃较蚣氨焕藛T所在位置進(jìn)行搜索。

紅外熱像儀（Infrared Thermal Camera）是一種檢測設(shè)備，具體是通過非接觸探測紅外熱量，并將其轉(zhuǎn)換生成熱圖像和溫度值，能夠?qū)⑻綔y到的熱量進(jìn)行精確量化，對發(fā)熱區(qū)域進(jìn)行準(zhǔn)確的識別以及嚴(yán)格的分析，從而顯示在顯示器上，并能進(jìn)一步地對溫度值進(jìn)行計算，消防員可以使用熱像儀視穿透煙霧、尋找人員、定位火源位置。

圖1 紅外熱成像工作原理圖

2 紅外熱成像技術(shù)原理與特點(diǎn)

2.1 紅外熱成像技術(shù)原理

紅外熱像儀就是通過記錄目標(biāo)與背景溫度的差別來顯示目標(biāo)圖像的儀器，因此紅外熱像儀可以將不可見的紅外輻射轉(zhuǎn)換成可見的圖像。其基本原理是物體的紅外輻射經(jīng)過專用光學(xué)鏡頭聚焦到探測器上，探測器則產(chǎn)生電信號，電信號經(jīng)過放大裝置并數(shù)字化后到達(dá)熱像儀的電子處理部分，最后轉(zhuǎn)換成可視的能在顯示器上顯示的紅外熱像圖像[2]。

溫度高于絕對零度（-273.15℃）的物體都會發(fā)出紅外線，發(fā)出紅外線的強(qiáng)度跟物體的溫度存在一定關(guān)系。根據(jù)斯蒂芬—玻爾茲曼定律，物體表面每一輻射單元的熱輻射能量與該單元絕對溫度的四次方成正比[3]，即

公式中，M為輻射單元的熱輻射能量；ε為輻射單元表面發(fā)射率；δ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，數(shù)值為5.67×10-8；T為輻射單元表面溫度。

當(dāng)己知物體的表面溫度和它的發(fā)射率時，按上式就可計算出物體的輻射功率。反之，如果測定了物體所發(fā)射的輻射功率，就可以利用上式確定物體表面的溫度。由于物體表面由許多單元組成，所以物體表面都存在一個熱輻射能量場,相應(yīng)有一個溫度分布場。紅外熱像儀就是利用對物體表面紅外輻射的強(qiáng)弱進(jìn)行探測而呈現(xiàn)出物體表面形狀輪廓及分布情況的，并且紅外圖像的明亮情況反映出物體表面溫度的高低不同[4]。

2.2 紅外熱成像技術(shù)特點(diǎn)

依據(jù)紅外熱成像技術(shù)原理，物體在熱成像儀上成像的灰度、亮度以及輪廓的不同可以區(qū)別不同物體，因此在事故災(zāi)難現(xiàn)場能見度低的情況下，通過熱成像圖像對物體進(jìn)行搜索、辨識非常方便[5]。

優(yōu)點(diǎn)非接觸的檢測與識別不受電磁干擾，遠(yuǎn)距離精確跟蹤目標(biāo)直觀顯示物體表面溫度場，應(yīng)用廣泛探測能力強(qiáng)，作用距離遠(yuǎn)，顯示方式多缺點(diǎn)圖像對比度低，分辨細(xì)節(jié)能力較差不能透過水，受水霧影響大一米之內(nèi)近距離無法聚焦光滑面易產(chǎn)生反射影像

3 紅外熱成像技術(shù)在消防上的實(shí)際價值[5]

3.1 火情偵察

火情偵察是消防員獲得有關(guān)滅火戰(zhàn)斗對象相關(guān)信息的手段，是指揮員進(jìn)行戰(zhàn)斗部署的依據(jù)，是整個火場最重要的工作之一。紅外熱成像儀作為火情偵察的輔助工具，能夠確定火焰中心位置、燃燒程度，了解高溫?zé)煔獾牧鲃臃较?、蔓延情況，尤其是在尋找隱匿火點(diǎn)、搜索被困人員時更能凸顯其優(yōu)勢并發(fā)揮重大作用。

建筑火災(zāi)發(fā)生后，初期階段燃燒會暫時在起火的房間里,隨著火災(zāi)從初期階段到發(fā)展階段的過渡，火勢會通過各種途徑向建筑其他位置蔓延，火場高溫?zé)煔鈴浡?，能見度極低。指揮員想第一時間判斷著火位置和火勢蔓延的方向，必須掌握高溫位置和煙氣流動的方向，這時候，可以利用紅外熱成像儀來觀察建筑及內(nèi)部走廊、頂棚等位置的溫度熱像圖，就可以做出準(zhǔn)確的判斷。2017年11月，南京浦口區(qū)一棟三層磚木結(jié)構(gòu)發(fā)生火災(zāi)，消防隊到場后發(fā)現(xiàn)整個建筑煙霧彌漫，火勢沒有突破窗戶，通過肉眼觀察無法準(zhǔn)確判斷起火位置，中隊指揮員利用紅外熱成像儀對整棟建筑進(jìn)行觀察比對，準(zhǔn)確找到起火點(diǎn)，第一時間組織內(nèi)攻，深入建筑內(nèi)部后，查明火勢蔓延方向，迅速撲滅了火災(zāi)。中隊指揮員在戰(zhàn)評總結(jié)時說：著火位置燃燒時間長，溫度高，利用紅外熱成像儀進(jìn)行外部觀察和內(nèi)部偵查，通過對比各個位置的溫度差異，準(zhǔn)確判斷出燃燒位置和蔓延方向是此次火災(zāi)撲救成功的關(guān)鍵。

猛烈階段的火場，用肉眼即可以明確判斷火勢情況，通過紅外熱成像儀得到的圖像分辨率不夠高，并不能獲得更多的信息。紅外熱成像儀在火場中更加適合偵察火勢不大，煙霧很大的壞境，當(dāng)火災(zāi)處于初起階段或者陰燃狀態(tài)，使用紅外熱成像儀進(jìn)行火情偵察，有利于提高滅火效率、減少滅火時水漬損失。

3.2 有效保護(hù)消防隊員安全

在復(fù)雜的災(zāi)害環(huán)境中，紅外熱成像儀具有非常強(qiáng)的濃煙穿透能力，被困人員、隱匿火點(diǎn)及高溫?zé)煔獾臏囟燃凹t外輻射遠(yuǎn)大于周邊環(huán)境，消防員通過紅外熱成像儀可以清晰地發(fā)現(xiàn)所有可能存在的危險，很快發(fā)現(xiàn)火點(diǎn)、被困人員等。這樣，消防員在危險的環(huán)境中停留的時間也會相對減少，能有效地保護(hù)消防員自身的安全。紅外熱成像儀己成為現(xiàn)代消防的必備工具，美國職業(yè)安全與衛(wèi)生研究院（NIOSH）的消防員死亡調(diào)查與防范技術(shù)再三推薦使用熱成像儀，NOISH建議消防機(jī)構(gòu)在滅火工作中使用紅外熱成像儀并將其列入必備裝備中。頭盔與熱成像儀的組合是最受認(rèn)可的，因?yàn)檫@樣可以解放消防員的雙手。如果熱成像儀能夠以護(hù)目鏡或其他類似的便捷形式出現(xiàn)，會使消防員獲益良多。

4 紅外熱成像儀實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)注意的問題

4.1 使用紅外熱成像儀的注意事項(xiàng)

（1）因?yàn)榧t外熱成像儀無法穿透水，所以在水域搜索時，只能看見水面上的物體，在室內(nèi)火災(zāi)現(xiàn)場，撲救過程射水形成的水霧容易干擾熱成像儀的成像，在使用紅外熱成像儀時盡量停止向成像區(qū)域射水。

（2）“對比”是紅外熱成像儀的精髓所在，在拍攝現(xiàn)場熱像圖時，不宜將儀器的中央測溫點(diǎn)對在火場溫度最高處，因?yàn)榧t外熱成像儀會按照最高溫度點(diǎn)調(diào)整圖像，這樣圖像呈現(xiàn)的層次較少，可以選取溫度較高的點(diǎn)為中央測溫點(diǎn)，這樣拍出的圖像更加清晰，層次更加分明。

（3）火場內(nèi)玻璃、鏡子、窗戶、不銹鋼面等光滑面的物質(zhì)會反射熱源影像，容易導(dǎo)致誤判，消防員在實(shí)際使用中可以在儀器后方揮揮手確認(rèn)是否為反射影樣。

(4)紅外熱成像儀近距離無法對焦（1米內(nèi)），所以在狹小空間操作有一定的限制。

(5)火場內(nèi)外溫差較大，使用紅外熱成像儀時若發(fā)現(xiàn)熒幕全白，很有可能是熒幕、面罩或是前方鏡頭形成了冷凝水霧，擦拭后即可使用。

4.2 紅外熱成像儀使用大禁忌——溫度量測

美國消防界流行“用熱成像儀600℃溫度量測作為判斷爆燃或是空間是否能夠進(jìn)入”的作法，休斯敦有四個消防員救災(zāi)時殉職，在NIOSH網(wǎng)站內(nèi)有詳細(xì)的分析各種原因，其中一個原因就是“使用熱成像儀的溫度量測值當(dāng)作火場情勢判斷的依據(jù)！”熱成像儀的溫度測量，是測量表面溫度，不是測量“煙層溫度”，而且距離不同、物質(zhì)介質(zhì)不同、測量角度不同，即使同一個點(diǎn)去測量都會有很大的誤差。消防用紅外熱成像儀的設(shè)計理念是“出對比成像”，而不是用來“量測溫度”。判斷火場情況，應(yīng)是從建筑結(jié)構(gòu)、通風(fēng)結(jié)構(gòu)、火災(zāi)荷載量、居室空間等既有火場特性的基礎(chǔ)上來判斷，不能將溫度量測值作為火場判斷的依據(jù)！

5 結(jié)束語

紅外熱成像儀在消防救援中最普遍、最基本的作用是協(xié)助消防隊員在復(fù)雜多變的災(zāi)害現(xiàn)場搜尋和營救被困人員，尋找著火點(diǎn)及辨識危險區(qū)域。在火災(zāi)撲救中，使用熱像圖像搜索能夠大大提高消防偵察救援效率。在未來高科技發(fā)展的推動下，紅外熱成像的技術(shù)及各種衍生產(chǎn)品將會廣泛地應(yīng)用在在消防工作中，對于保護(hù)國家和人民生命財產(chǎn)的安全、防火救災(zāi)等方面將會發(fā)揮巨大的作用，其越來越突出的現(xiàn)實(shí)意義更加不容忽視。