紅外成像技術(shù)在設(shè)備監(jiān)測(cè)診斷中的應(yīng)用概述*

潘古炎 王燁

摘 要：紅外成像技術(shù)具有非接觸、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、不破壞溫度場(chǎng)等優(yōu)勢(shì)，在我國(guó)各領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。文章簡(jiǎn)要介紹了紅外熱成像系統(tǒng)的工作原理和我國(guó)紅外成像技術(shù)發(fā)展歷程，指出了目前紅外成像技術(shù)發(fā)展存在的主要問(wèn)題，對(duì)紅外熱像技術(shù)在電力、石化領(lǐng)域設(shè)備檢測(cè)診斷中的應(yīng)用進(jìn)行了簡(jiǎn)要的概述，并提出了未來(lái)的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：紅外成像技術(shù)；研究現(xiàn)狀；應(yīng)用及發(fā)展

引言

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

我國(guó)對(duì)紅外技術(shù)的研究起步相對(duì)較晚，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，也取得了一定的成果。不過(guò)，由于國(guó)外對(duì)關(guān)鍵技術(shù)的封鎖，仍與其他先進(jìn)水平國(guó)家存在一定的差距。

近年來(lái)，紅外成像技術(shù)由于其非接觸、無(wú)損傷、可靠性高、測(cè)量快速，測(cè)溫面積大等優(yōu)勢(shì)在電氣、建筑、石化、醫(yī)學(xué)等行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。文章主要總結(jié)了近年來(lái)我國(guó)紅外成像技術(shù)的研究成果，對(duì)其在設(shè)備監(jiān)測(cè)診斷中的應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)性的概述，并提出了未來(lái)可能的應(yīng)用領(lǐng)域及發(fā)展方向。

1 紅外成像技術(shù)原理及問(wèn)題

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

紅外波段具有很強(qiáng)的溫度效應(yīng)，對(duì)外不同的輻射強(qiáng)度，反映了物體的溫度高低，正是利用這一原理，能夠通過(guò)測(cè)量物體表面的輻射能量確定溫度場(chǎng)分布。紅外輻射的四個(gè)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(zhì)透射率、環(huán)境等影響參數(shù)的關(guān)系。

紅外熱像儀利用紅外探測(cè)器和光學(xué)成像物鏡接受被測(cè)目標(biāo)的紅外輻射能量分布圖形反映到紅外探測(cè)器的光敏元件上，從而獲得與溫度場(chǎng)對(duì)應(yīng)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(shí)的反映出被測(cè)物體表面的實(shí)際溫度。目前采用的凝視焦平面探測(cè)器由于加工工藝不足導(dǎo)致半導(dǎo)體材料不均勻、缺陷、掩模誤差等因素使得探測(cè)器在接收均勻入射輻射時(shí)其輸出幅值并不相同。并且在將輸出幅值轉(zhuǎn)為圖像信號(hào)時(shí)，也會(huì)受到讀出電路、放大器、暗電流等多種因素的影響，導(dǎo)致探測(cè)器中各像元的響應(yīng)不一致。紅外探測(cè)器將探測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)為灰度圖像輸出，由于紅外信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍大，而人眼對(duì)灰度級(jí)的敏感程度不高，如何將原始灰度信號(hào)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(cè)系統(tǒng)的另一難題。

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

2 紅外成像技術(shù)研究現(xiàn)狀

針對(duì)影響紅外成像系統(tǒng)的各種因素，國(guó)內(nèi)多位研究學(xué)者進(jìn)行了深入的研究。海軍工程大學(xué)楊立等人對(duì)紅外熱像儀測(cè)溫原理及影響因素進(jìn)行了深入的研究，主要討論了被測(cè)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(duì)測(cè)量誤差的影響，給出了由熱像儀輻射溫度準(zhǔn)確算出被測(cè)表面的真實(shí)溫度的通用公式[3-6]。劉慧開(kāi)對(duì)太陽(yáng)輻射對(duì)熱像儀測(cè)溫誤差的影響進(jìn)行了分析[7]，張健對(duì)高溫環(huán)境對(duì)熱像儀誤差的影響進(jìn)行了研究[8]。

西安電子科技大學(xué)劉上乾等人對(duì)焦平面探測(cè)器的非均勻度帶來(lái)的圖像噪聲影響進(jìn)行了研究，提出了自適應(yīng)校正算法，低次插值算法、時(shí)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(shí)空域非線性濾波算法，可利用連續(xù)幾幀的圖像對(duì)非均勻性進(jìn)行效果比較好的校正，對(duì)于靜止場(chǎng)景的細(xì)節(jié)處理效果卻一般。

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

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

3 紅外成像技術(shù)應(yīng)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(xué)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(jià)格昂貴，最初也只能應(yīng)用于軍事及尖端的科研領(lǐng)域。然而隨著凝視型焦平面探測(cè)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(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

瑞典國(guó)家電力局于20世紀(jì)60年代最早使用熱像儀對(duì)電力設(shè)備進(jìn)行故障診斷檢測(cè)，我國(guó)對(duì)電力設(shè)備紅外檢測(cè)診斷技術(shù)始于70年代，主要對(duì)運(yùn)行中的電氣設(shè)備裸露過(guò)熱接頭進(jìn)行檢查。在1990年國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議中，指出該技術(shù)對(duì)電力設(shè)備的預(yù)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(shù)在電力設(shè)備故障診斷中的地位。1985年廣東電力實(shí)驗(yàn)所引入對(duì)廣州供電局、佛山供電局及其所屬電站對(duì)變電站電氣設(shè)備、線路接頭、發(fā)電機(jī)及使用直升機(jī)裝在紅外熱像儀巡檢高壓輸電線路進(jìn)行了普檢[17]，并指出紅外熱像儀進(jìn)行電力設(shè)備診斷是切實(shí)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(gè)月時(shí)間中隊(duì)108個(gè)變電所、發(fā)電站和配電室進(jìn)行了檢測(cè)，初步提出了設(shè)備故障的熱像圖譜和判斷方法[18]，并于1998年提出了電氣設(shè)備紅外診斷的相對(duì)溫差法及判斷標(biāo)準(zhǔn)[19]。我國(guó)于1999年頒布了《帶電設(shè)備紅外診斷技術(shù)應(yīng)用導(dǎo)則》（DL/T664-1999）標(biāo)準(zhǔn)，并于2008年對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了修訂，頒布《帶電設(shè)備紅外診斷應(yīng)用規(guī)范》（DL/T 664-2008）用于替代DL/T664-1999，對(duì)電氣設(shè)備中對(duì)設(shè)備的校驗(yàn)、操作、檢測(cè)及各部件的診斷標(biāo)準(zhǔn)都做出了明確規(guī)范，更進(jìn)一步地促進(jìn)了紅外熱像技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。目前，紅外成像技術(shù)以能夠不改變?cè)O(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行在線檢測(cè)，操作簡(jiǎn)單方便、使用面廣，績(jī)效比高等優(yōu)勢(shì)在國(guó)內(nèi)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用[20，21]。

紅外熱像技術(shù)在石化領(lǐng)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(shè)備大型化、復(fù)雜化，要求能夠連續(xù)長(zhǎng)期、安全、穩(wěn)定運(yùn)行，所以對(duì)設(shè)備在線監(jiān)測(cè)診斷十分重要。1981年上海石油化工總廠引進(jìn)紅外熱像儀主要對(duì)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(chǔ)罐液位高進(jìn)行了檢測(cè)，紅外熱像儀以效率高，直觀性強(qiáng)的特點(diǎn)，并結(jié)合其他無(wú)損檢測(cè)方法展現(xiàn)了相當(dāng)?shù)膬?yōu)越性[22]。撫順石化公司對(duì)催化再生器在檢修前進(jìn)行了紅外熱像檢測(cè)，在檢修時(shí)，對(duì)襯里損傷部位進(jìn)行仔細(xì)的檢查，在裝置內(nèi)部均發(fā)現(xiàn)了相應(yīng)的缺陷，并且與之前紅外檢測(cè)時(shí)的分析結(jié)果一致[23]。但是紅外熱像儀檢測(cè)時(shí)，受現(xiàn)場(chǎng)各種因素較大，如風(fēng)力、日光、周圍輻射源等對(duì)測(cè)試結(jié)果都有一定的影響，在實(shí)際操作時(shí)應(yīng)充分考慮。

由于紅外成像技術(shù)只能獲得設(shè)備表面溫度分布，對(duì)內(nèi)部缺陷并不能直接體現(xiàn)，制約了其使用范圍。近年來(lái)，隨著導(dǎo)熱反問(wèn)題的發(fā)展，更多的學(xué)者通過(guò)設(shè)備表面溫度分布對(duì)內(nèi)部缺陷尺寸、方位、及不規(guī)則邊界的識(shí)別算法進(jìn)行了研究[24，25]，取得了一定的成果。考慮到實(shí)際情況較為復(fù)雜、建模難度大、算法速度較慢等問(wèn)題，目前還沒(méi)有得到廣泛的應(yīng)用。

紅外成像技術(shù)以非接觸，響應(yīng)快，分辨率高，不破壞原有溫度場(chǎng)的優(yōu)勢(shì)，理論上可以適用于所有需要進(jìn)行溫度檢測(cè)的情況，但是由于紅外熱成像技術(shù)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(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)合需要進(jìn)行不同熱特性捕捉等問(wèn)題。今后紅外熱成像技術(shù)的發(fā)展方向主要有如下幾個(gè)方面：對(duì)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(duì)比；新型紅外探測(cè)器的研制，降低探測(cè)器本身的不均勻度帶來(lái)的噪聲影響；結(jié)合微光及圖形學(xué)技術(shù)，增強(qiáng)紅外圖像細(xì)節(jié)表現(xiàn)能力的同時(shí)結(jié)合場(chǎng)景非均勻性校正技術(shù)減少不良效果；針對(duì)不能夠直接觀測(cè)設(shè)備內(nèi)部情況紅外探測(cè)器應(yīng)該微型化，提高抗干擾能力，如將紅外成像技術(shù)集成在工業(yè)內(nèi)窺鏡前端，實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光與紅外雙成像內(nèi)窺鏡。未來(lái)紅外熱像儀將會(huì)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(dǎo)熱反問(wèn)題等其他學(xué)科的發(fā)展，也將使得紅外成像技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛。

4 結(jié)束語(yǔ)

雖然相比于可見(jiàn)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(shù)發(fā)展至今，已經(jīng)從原本的軍用大型化設(shè)備轉(zhuǎn)變成為了便攜式商用設(shè)備，紅外熱像儀的成本大大降低，紅外成像技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，并且以其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)發(fā)揮著重要作用。

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作者簡(jiǎn)介：潘古炎（1972-），男，碩士。