紅外成像技術(shù)在城市地下空間防災(zāi)監(jiān)測(cè)與應(yīng)急搜救中的應(yīng)用發(fā)展對(duì)策

王新賽，周豐俊，鄭磊，賀菁

（1. 陸軍炮兵防空兵學(xué)院，鄭州450052；2. 中央軍委后勤保障部科研四所，北京100850）

一、前言

城市地下空間的公共安全事關(guān)國(guó)家戰(zhàn)略全局，是國(guó)家安全的重要任務(wù)之一。地下空間特有的空間封閉性、人流密集性，使得其安全事故具有更大的突發(fā)性、破壞性和惡劣的國(guó)際影響 [1]。因此，無(wú)論是防控平時(shí)的恐怖爆炸，還是應(yīng)對(duì)非常時(shí)期的核生化襲擊，防災(zāi)監(jiān)控和應(yīng)急搜救都是保障城市地下空間安全亟待解決的問(wèn)題。

紅外成像技術(shù)因其在軍用和民用兩個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，得到世界發(fā)達(dá)國(guó)家的高度關(guān)注，成為國(guó)家科技發(fā)展水平和技術(shù)實(shí)力的重要標(biāo)志之一。紅外成像設(shè)備可利用目標(biāo)間的溫差成像，無(wú)需照明，且可以探知視場(chǎng)內(nèi)所有物體的溫度變化 [2]，特別適用于地下空間實(shí)時(shí)監(jiān)控，以及在爆炸火災(zāi)應(yīng)急搜救時(shí)進(jìn)行有效的觀(guān)測(cè)。因此，迫切需要加強(qiáng)紅外成像技術(shù)在地下空間安全保障中的應(yīng)用研究。

二、城市地下空間的安全現(xiàn)狀

城市地下空間由于其自身特點(diǎn)，使其一方面對(duì)很多災(zāi)害的防御能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于地面建筑，如地震災(zāi)害；另一方面，當(dāng)?shù)叵驴臻g內(nèi)部發(fā)生某些災(zāi)害時(shí)，其所造成的危害又將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)地面同類(lèi)災(zāi)害，如火災(zāi)、爆炸等 [3]。這就要求我們一方面要充分利用地下空間良好的防災(zāi)功能，使之成為城市居民抵御自然災(zāi)害和戰(zhàn)爭(zhēng)災(zāi)害的重要場(chǎng)所；另一方面要重視城市地下空間的火災(zāi)、爆炸等防災(zāi)減災(zāi)技術(shù)的研究，防止災(zāi)害的發(fā)生，或?qū)?zāi)害的損失降低到最低限度。

目前，城市地下空間已經(jīng)成為全球發(fā)展最快的工程建設(shè)和商業(yè)運(yùn)營(yíng)市場(chǎng)，我國(guó)城市地下工程建設(shè)技術(shù)總體上已達(dá)到世界先進(jìn)水平，但隨之而來(lái)的城市地下空間的安全事故也明顯增加，而相應(yīng)的安全監(jiān)控和應(yīng)急救援設(shè)備卻非常落后，需要引起高度關(guān)注。

在日常監(jiān)管方面，雖然大城市地下空間已有較為完善的監(jiān)控系統(tǒng)，配備了一些智能化的監(jiān)控中心和監(jiān)控平臺(tái)，同時(shí)在部分重要區(qū)域采用了可見(jiàn)光視頻監(jiān)控系統(tǒng)，但使用的前端探頭僅有可見(jiàn)光電荷耦合元件（CCD），而且日常管控缺乏對(duì)人流監(jiān)測(cè)的具體數(shù)據(jù)，所以當(dāng)災(zāi)害發(fā)生時(shí)，在停電無(wú)照明條件下，視頻監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)完全失效，對(duì)于爆炸火災(zāi)更是無(wú)法辨識(shí)其源頭并告警。

一旦災(zāi)害發(fā)生，通過(guò)各種渠道獲取現(xiàn)場(chǎng)信息就成為首要任務(wù)。但是，當(dāng)城市地下空間發(fā)生爆炸火災(zāi)時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)的低照度、濃煙和高溫會(huì)使應(yīng)急救援設(shè)備失效。如消防員頭盔上面的一個(gè)照明手電筒、火場(chǎng)內(nèi)部偵察用的點(diǎn)源紅外線(xiàn)火源探測(cè)儀等，在煙霧和低照度下因無(wú)法辨識(shí)人員、物品，造成不少消防員傷亡。由于大型救援設(shè)備在地下空間使用受限，對(duì)救援力量單體探察能力要求高，但目前單體探察能力明顯不足，缺乏針對(duì)性的成像熱感知裝備。

三、紅外成像技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域及面臨的挑戰(zhàn)

針對(duì)城市地下空間監(jiān)測(cè)面廣、管理養(yǎng)護(hù)維修困難、安全保障任務(wù)重、失事后果嚴(yán)重的問(wèn)題，利用先進(jìn)紅外成像技術(shù)優(yōu)勢(shì)，以解決在特殊環(huán)境中紅外成像技術(shù)應(yīng)用面臨的問(wèn)題。

（一）紅外成像技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域

相對(duì)于普通可見(jiàn)光成像，紅外成像技術(shù)對(duì)于提升城市地下空間安全保障水平具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，這是由紅外成像技術(shù)特點(diǎn)決定的。紅外成像設(shè)備無(wú)需光照條件，能精確反映場(chǎng)景的熱差圖像，可以準(zhǔn)確測(cè)量場(chǎng)景的目標(biāo)溫度，且具有穿透煙霧、粉塵環(huán)境成像的能力，同時(shí)功耗低、體積小，便于攜帶使用，支持網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控和實(shí)時(shí)圖像傳輸擴(kuò)展，屬于本安型產(chǎn)品。

紅外成像技術(shù)在城市地下空間安全中的應(yīng)用領(lǐng)域包括：城市地鐵/隧道交通安全監(jiān)測(cè)預(yù)警；地下人防工事、停車(chē)場(chǎng)、交通樞紐等地下大空間低照度下群體目標(biāo)行為的安全監(jiān)控；地下石油天然氣管線(xiàn)漏油漏氣檢測(cè)，地下水暖管道泄露、供電電纜的短路斷路檢測(cè)；爆炸火災(zāi)及煙霧現(xiàn)場(chǎng)搶險(xiǎn)救援設(shè)備；地下空間防火防爆實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)；地下公共場(chǎng)所重點(diǎn)區(qū)域人流情況監(jiān)測(cè)。

（二）特殊環(huán)境應(yīng)用亟待解決的問(wèn)題

目前對(duì)于紅外成像技術(shù)的研究，國(guó)內(nèi)外研究者往往比較關(guān)注儀器自身的內(nèi)部因素，如焦平面列陣探測(cè)器、算法設(shè)計(jì)、光學(xué)鍍膜鏡頭等技術(shù)對(duì)儀器成像性能的影響，而外部環(huán)境因素對(duì)儀器成像性能的影響研究較少，特別是實(shí)際災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)的高溫、濃煙、黑暗環(huán)境和群體恐慌行為等。

1. 城市地下空間低照度的影響

監(jiān)控系統(tǒng)在地下空間的開(kāi)發(fā)和防災(zāi)救災(zāi)全過(guò)程中都會(huì)起著非常重要的作用。地下空間的特殊性給自然采光型監(jiān)控帶來(lái)障礙，在照明和監(jiān)控設(shè)計(jì)選擇上必須有特殊要求。當(dāng)火災(zāi)爆炸或核生化襲擊出現(xiàn)時(shí)，通常電力設(shè)施會(huì)遭到破壞，封閉空間常規(guī)配備的應(yīng)急照明燈即使沒(méi)有損害，也在燃燒爆炸以及救援滅火的煙霧、粉塵等作用下，使得地下空間呈現(xiàn)低照度狀態(tài)，無(wú)法滿(mǎn)足可見(jiàn)光CCD監(jiān)控所需的照度要求，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)可見(jiàn)光敏感的監(jiān)控設(shè)備就會(huì)失效。以紅外成像探頭為前端的監(jiān)控系統(tǒng)，在這種惡劣地下空間環(huán)境中使用，必然要對(duì)穿煙透霧、低功耗等提出更高要求。

2. 空間封閉、爆炸火災(zāi)高溫灼燒的影響

地下空間相對(duì)封閉，當(dāng)火災(zāi)或核生化爆炸發(fā)生時(shí)，濃煙很難擴(kuò)散，特別是再生爆炸引發(fā)的破壞性加劇，使滯留以及救援人員生命受到威脅，而且現(xiàn)場(chǎng)高溫灼燒對(duì)于各類(lèi)應(yīng)急救援設(shè)備的可靠使用也需重點(diǎn)考量。這對(duì)紅外成像探測(cè)設(shè)備的環(huán)境溫度適應(yīng)性提出了特別高的要求。

3. 災(zāi)害突發(fā)初期高溫?zé)熿F噪聲環(huán)境的影響

災(zāi)害突發(fā)初期往往伴隨高溫濃煙，使得整個(gè)空間形成熱障，此時(shí)長(zhǎng)波紅外成像監(jiān)控設(shè)備難以清晰觀(guān)察現(xiàn)場(chǎng)災(zāi)情，特別是火災(zāi)的原始燃點(diǎn)以及爆炸點(diǎn)附近，會(huì)被濃煙霧掩蓋，探測(cè)設(shè)備無(wú)法定位感知。需要開(kāi)發(fā)能夠不受高溫濃煙影響，且能穿透煙霧的特殊的短波紅外成像探測(cè)設(shè)備。

4. 人流密集、布點(diǎn)分散、缺乏管控

城市地下空間僅有為數(shù)不多的出入口，如果人員和車(chē)輛集中于地下空間時(shí)，疏解會(huì)受到許多限制。特別是在地下空間的出入口，當(dāng)災(zāi)害或事故出現(xiàn)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)急劇擁堵，堵塞出入通道，造成人員傷亡。而在地面以上出現(xiàn)災(zāi)害或事故時(shí)，救援力量可以比較方便地到達(dá)災(zāi)害或事故的現(xiàn)場(chǎng)，例如，消防車(chē)、救護(hù)車(chē)、直升機(jī)等可以直接到達(dá)災(zāi)害或事故現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行救援。但在地下空間發(fā)生災(zāi)害時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)救援設(shè)備、人員不能及時(shí)到位的情況，如一些消防設(shè)備難以進(jìn)入地下空間災(zāi)害的現(xiàn)場(chǎng)，因此救援力量單體能力就顯得尤為重要?？梢?jiàn)在城市地下空間安全保障中，使用紅外成像監(jiān)控系統(tǒng)，可以有效提升防災(zāi)監(jiān)控效果，同時(shí)，高靈敏度的紅外探測(cè)便攜設(shè)備在應(yīng)對(duì)爆炸火災(zāi)等突發(fā)事件中，可以增強(qiáng)武警消防人員的個(gè)體應(yīng)急搜救能力，保護(hù)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，減少災(zāi)害損失，同時(shí)也能增強(qiáng)救援人員的防護(hù)能力。

四、紅外成像的關(guān)鍵技術(shù)

建筑材料燃燒產(chǎn)生的熱煙氣是一個(gè)復(fù)雜的體系，包含數(shù)十種成分。主要分為無(wú)機(jī)類(lèi)有毒氣體、有機(jī)類(lèi)有毒氣體、細(xì)微固體顆粒物、凝縮液滴以及剩余空氣。其中，細(xì)微固體顆粒物是可燃物不完全燃燒的產(chǎn)物，其粒徑在0.01～10 μm，是遮蔽可見(jiàn)光、影響火場(chǎng)能見(jiàn)度的最主要因素。

經(jīng)過(guò)近十年的發(fā)展，相關(guān)紅外成像技術(shù)已經(jīng)取得了以下幾個(gè)方向性的突破，為解決地下空間爆炸火災(zāi)中的場(chǎng)景探測(cè)提供行之有效的技術(shù)支撐。

（一）短波紅外成像技術(shù)

短波紅外成像在霧霾、灰塵、濃煙和低能見(jiàn)度環(huán)境下，具有非常好的目標(biāo)成像探測(cè)能力。短波紅外（0.9～1.7 μm）是重要的大氣透射窗口，可以提供可見(jiàn)光，中波、長(zhǎng)波紅外不能提供的信息，有利于實(shí)現(xiàn)1～2.5 μm、3～5 μm和8～14 μm三個(gè)大氣紅外透射窗口的“無(wú)縫隙探測(cè)”，對(duì)在紅外波段全面獲取目標(biāo)信息具有重要意義，在交通安全、氣候觀(guān)測(cè)、農(nóng)林普查、國(guó)土資源探測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、深空探測(cè)和天文觀(guān)測(cè)等領(lǐng)域具有重大作用。

短波紅外成像能探測(cè)目標(biāo)紅外反射信息，形成可見(jiàn)視頻，圖像在分辨率和細(xì)節(jié)方面可以和可見(jiàn)光圖像相媲美，物體更容易被識(shí)別，與中長(zhǎng)波紅外一樣能晝夜成像，且具有較強(qiáng)的透霧、霾、煙成像探測(cè)能力，還可以透過(guò)玻璃成像探測(cè)。借助于該波段輔助照射，特別適用于重要區(qū)域地下空間安全監(jiān)控、便攜式火災(zāi)應(yīng)急搜救設(shè)備。

短波紅外成像設(shè)備是集光學(xué)、半導(dǎo)體材料、微電子學(xué)、精密機(jī)械、顯示器等技術(shù)為一體的高新技術(shù)產(chǎn)品，研制難度較大，技術(shù)復(fù)雜；國(guó)外對(duì)我國(guó)此類(lèi)高端產(chǎn)品封鎖嚴(yán)重；經(jīng)過(guò)近年的跟蹤研究，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)產(chǎn)化產(chǎn)品已經(jīng)有所突破 [4]，其主要組成包括焦平面探測(cè)器、信息讀出及成像處理電路、顯控等部分。機(jī)芯產(chǎn)品具有數(shù)字圖像細(xì)節(jié)增強(qiáng)，數(shù)字圖像放大，黑熱/白熱圖像極性，對(duì)比度、亮度可調(diào)，自適應(yīng)非均勻性校正，數(shù)字圖像采集等功能。

在建筑物火災(zāi)濃煙環(huán)境下，細(xì)微固體顆粒物懸浮于空氣中，遮蔽了可見(jiàn)光。而在光學(xué)成像原理中，光的波長(zhǎng)越長(zhǎng)，其穿過(guò)濃煙的能力越強(qiáng)。短波紅外成像恰恰是利用了0.9～1.7 μm這段波長(zhǎng)大于可見(jiàn)光的波段，一方面人肉眼對(duì)其無(wú)法識(shí)別，另一方面，它具有較好的透煙能力。在建筑物火災(zāi)中，遮蔽可見(jiàn)光的細(xì)微固體顆粒物是可燃物不完全燃燒的產(chǎn)物。當(dāng)氧氣濃度低于燃燒材料的氧指數(shù)范圍時(shí)，氧氣濃度越小，燃燒就越不充分，越容易產(chǎn)生細(xì)微固體顆粒物。

利用滅火救援公安部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)平臺(tái) [5]，分別在木材陰燃火、棉繩陰燃火、柴油明火與聚氨酯明火四種煙氣環(huán)境下，對(duì)短波紅外攝像機(jī)觀(guān)測(cè)發(fā)光與不發(fā)光疏散指示標(biāo)志的成像效果進(jìn)行研究。為了模擬地下空間能夠在短時(shí)間內(nèi)得到足夠濃度的煙氣，產(chǎn)煙系統(tǒng)不宜設(shè)計(jì)成外部燃燒式，本實(shí)驗(yàn)燃燒產(chǎn)煙作業(yè)全部在集煙箱內(nèi)部中心處完成。煙氣濃度-圖像清晰度關(guān)系曲線(xiàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示，其中，圖像清晰度用絕對(duì)中心距（ACM）表示。實(shí)驗(yàn)證明短波紅外成像儀在煙霧濃度較大時(shí)表現(xiàn)出良好的探測(cè)穩(wěn)定性。

（二）多尺度紅外成像預(yù)處理技術(shù)

多尺度紅外成像的預(yù)處理主要解決兩個(gè)問(wèn)題：一是提高圖像的溫度分辨率和空間分辨率；二是調(diào)整不同通道獲取圖像的動(dòng)態(tài)范圍。采用多尺度Retinex（MSR）算法和雙邊濾波器（BF）相結(jié)合的技術(shù) [6]，實(shí)現(xiàn)火災(zāi)發(fā)生時(shí)穿透火場(chǎng)熱障，能對(duì)火場(chǎng)重點(diǎn)目標(biāo)清晰成像。

圖1 煙氣濃度-圖像清晰度關(guān)系曲線(xiàn)

在MSR算法中，小尺度Retinex（SSR）分量的主要作用就是圖像細(xì)節(jié)增強(qiáng)以及動(dòng)態(tài)范圍壓縮，這與雙邊濾波器的圖像細(xì)節(jié)增強(qiáng)的特性是十分相似的。可以使用BF輸出替代MSR算法中的SSR，以避免由于細(xì)節(jié)信息缺乏帶來(lái)的對(duì)光照的錯(cuò)誤估計(jì)，從而引發(fā)“光暈”現(xiàn)象。本質(zhì)上BF是一個(gè)帶有邊緣保護(hù)功能的高通濾波器，通過(guò)BF獲得的細(xì)節(jié)分量的主要作用是有選擇的提取圖像中的細(xì)節(jié)信息，以實(shí)現(xiàn)圖像細(xì)節(jié)增強(qiáng)；同時(shí)消除具有局部高對(duì)比度的空間高頻分量，以?xún)?yōu)化MSR算法動(dòng)態(tài)范圍壓縮的效果。特別是在高溫高熱的火災(zāi)爆炸現(xiàn)場(chǎng)，具有透過(guò)火場(chǎng)對(duì)目標(biāo)清晰成像的突出效果。

利用滅火救援公安部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)平臺(tái) [5]對(duì)0.4～0.76 μm、0.4～1 μm、7～14 μm三種譜段成像儀進(jìn)行模擬火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)圖像成像清晰度比較實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖2所示，其中，圖像清晰度用ACM表示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，被觀(guān)測(cè)物是否發(fā)光、煙氣顆粒大小與煙氣濃度對(duì)紅外成像的觀(guān)測(cè)效果均無(wú)明顯影響，唯一影響成像效果的因素是被觀(guān)測(cè)物與周?chē)h(huán)境的溫度對(duì)比度。在實(shí)際火場(chǎng)高溫濃煙環(huán)境中，觀(guān)測(cè)環(huán)境比較復(fù)雜，不同物體均由多種材料組成，不同材料的比熱容也不盡相同，再加上燃燒物質(zhì)的熱釋放速率不同、消防力量到場(chǎng)時(shí)火焰與煙氣對(duì)周?chē)h(huán)境的熱作用時(shí)間不同等多方面因素，導(dǎo)致紅外成像沒(méi)有一個(gè)固定的、標(biāo)準(zhǔn)的失效溫度。在實(shí)際火場(chǎng)環(huán)境中，當(dāng)高濃度陰燃火煙氣導(dǎo)致短波與普通可見(jiàn)光成像均失效時(shí)，只有紅外成像有較好的觀(guān)測(cè)效果，如圖2所示。當(dāng)火災(zāi)發(fā)展到一定階段，被觀(guān)測(cè)物體及周?chē)h(huán)境經(jīng)過(guò)火焰或高溫?zé)煔庖欢〞r(shí)間的熱作用后，溫度對(duì)比度極低，紅外成像與普通可見(jiàn)光成像均失效，只有短波紅外成像有較好的觀(guān)測(cè)效果。因此，將短波紅外成像與長(zhǎng)波紅外成像設(shè)備融合使用能夠互相取長(zhǎng)補(bǔ)短，并適用于更多、更復(fù)雜的消防實(shí)際火場(chǎng)環(huán)境，有效輔助消防部隊(duì)到場(chǎng)后迅速完成火情探察任務(wù)。

圖2 三種譜段成像儀探測(cè)不同濃度煙氣中目標(biāo)圖像清晰度對(duì)比

（三）先進(jìn)紅外圖像自適應(yīng)增強(qiáng)技術(shù)

為了有效地改善和提高紅外圖像的質(zhì)量，提高對(duì)比度、清晰物體邊緣、獲得更好的圖像信息，紅外圖像增強(qiáng)算法是一種重要的方法。而增強(qiáng)算法的處理結(jié)果直接影響增強(qiáng)后紅外圖像的質(zhì)量，尤其在實(shí)時(shí)性要求較高的情況下，既要保證算法對(duì)圖像的增強(qiáng)效果，又要保證算法的實(shí)時(shí)性要求。

通常采用直方圖均衡化的圖像增強(qiáng)算法。紅外圖像的特點(diǎn)是接收目標(biāo)和背景的熱輻射，由于背景與目標(biāo)之間的溫度差很低，使他們之間的灰度差較小，而有的高溫目標(biāo)與背景之間的溫度差又很高，所以又會(huì)出現(xiàn)灰度差很大的情況；因此，采用直方圖均衡化方法增強(qiáng)的紅外圖像，要么背景圖像的增強(qiáng)效果不好，要么高溫目標(biāo)又被飽和，并不適合紅外圖像的特點(diǎn)。為了克服傳統(tǒng)直方圖均衡化算法的這些不足，后期又出現(xiàn)了平臺(tái)直方圖算法，其算法的關(guān)鍵是平臺(tái)值的選擇，可以有效增強(qiáng)背景的對(duì)比度，但是其運(yùn)算復(fù)雜，影響實(shí)時(shí)性，而且圖像邊緣依然模糊，沒(méi)有增強(qiáng)邊緣的效果。采用結(jié)合自適應(yīng)平臺(tái)直方圖與邊緣增強(qiáng)疊加融合的紅外圖像增強(qiáng)算法，達(dá)到平臺(tái)直方圖閾值的自適應(yīng)選取、邊緣增強(qiáng)、實(shí)時(shí)性好，能滿(mǎn)足復(fù)雜的地下空間環(huán)境自適應(yīng)成像探測(cè)要求 [7]。

（四）環(huán)境自適應(yīng)紅外成像技術(shù)

地下空間相對(duì)封閉，當(dāng)火災(zāi)或核生化爆炸發(fā)生時(shí)，其濃煙很難擴(kuò)散，特別是再生爆炸引發(fā)的破壞性加劇，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)局部高溫灼燒使得環(huán)境溫度變化劇烈。紅外成像在環(huán)境溫度變化劇烈時(shí)，焦平面像素感應(yīng)溫度的非均勻性變化較大，嚴(yán)重影響成像質(zhì)量；另外，環(huán)境溫度過(guò)高，影響紅外成像的靈敏度，導(dǎo)致紅外成像探測(cè)設(shè)備無(wú)法探測(cè)場(chǎng)景，這對(duì)紅外成像探測(cè)設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性提出較高的要求。紅外成像探測(cè)設(shè)備的核心部件是紅外焦平面成像機(jī)芯（也稱(chēng)組件），根據(jù)環(huán)境溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果改變紅外焦平面非均勻校正模型從而達(dá)到背景自適應(yīng)校正，并通過(guò)設(shè)計(jì)紅外成像組件的硬件可重構(gòu)方法來(lái)具體實(shí)現(xiàn)。設(shè)置紅外成像組件的環(huán)境精密溫度傳感器，組件處理器實(shí)時(shí)讀取溫度值，并根據(jù)溫度值選擇不同的焦平面非均勻校正系數(shù)以適應(yīng)環(huán)境溫度變化；紅外成像焦平面可以通過(guò)改變其偏置電壓來(lái)調(diào)整其輸出信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍，由此進(jìn)一步改變靈敏度。在設(shè)計(jì)紅外成像組件的硬件電路時(shí)，對(duì)焦平面的偏置電壓采用高精度可程控模式即可以達(dá)到目的，實(shí)驗(yàn)證明上述方法行之有效 [8]。

（五）基于紅外成像的災(zāi)情定位及報(bào)警技術(shù)

地下空間火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)面臨的難題之一是火源的定位，由于地下建筑物及路徑復(fù)雜和空間有限，加上火災(zāi)發(fā)生時(shí)在濃煙條件下無(wú)法辨別火源位置，出現(xiàn)貽誤搜救時(shí)機(jī)的問(wèn)題。利用預(yù)先構(gòu)建的地下空間地理信息系統(tǒng)，在地下空間布控帶有電子定位標(biāo)簽的紅外成像終端，分布式組網(wǎng)紅外成像終端能夠覆蓋所有空間區(qū)域。由于紅外終端是固定安裝，將其作為基站（預(yù)先知道位置坐標(biāo)），其所觀(guān)察區(qū)域中的所有目標(biāo)位置都可以在地理信息系統(tǒng)上得到確認(rèn)。

為了實(shí)時(shí)獲得現(xiàn)場(chǎng)的異常情況，采用在前端紅外成像終端中嵌入目標(biāo)識(shí)別及熱源追蹤等圖像處理技術(shù)，以有效獲得紅外成像場(chǎng)景中的熱點(diǎn)目標(biāo)，并利用紅外成像的測(cè)溫功能對(duì)熱點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度測(cè)量，判斷熱點(diǎn)目標(biāo)的絕對(duì)溫度值是否大于所設(shè)定的門(mén)限值，或者熱點(diǎn)目標(biāo)的溫度上升速率是否高于所設(shè)定的閾值。如果出現(xiàn)異常情況，紅外成像終端利用內(nèi)嵌低功耗無(wú)線(xiàn)網(wǎng)格（Mesh）網(wǎng)絡(luò)模塊，能夠有效地進(jìn)行自組織通信，經(jīng)過(guò)多跳傳輸在非均勻電離的媒質(zhì)空間找到與外界通信的通道。由于Mesh網(wǎng)絡(luò)模塊與火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)同步安裝，其密度足夠在火災(zāi)區(qū)域構(gòu)建起可靠的通信系統(tǒng)，自動(dòng)通過(guò)無(wú)線(xiàn)自主網(wǎng)絡(luò)或者有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)向監(jiān)控指揮中心傳送目標(biāo)的視頻、位置坐標(biāo)、目標(biāo)的溫度及溫升速率等信息，并同時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警信息。

五、紅外成像技術(shù)在特定領(lǐng)域的應(yīng)用

在城市地下空間領(lǐng)域，紅外成像技術(shù)主要用于地下空間災(zāi)害防控系統(tǒng)的研發(fā)，在系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性方面取得了重大進(jìn)展。其中在超短波紅外成像組件、多功能小型手持式紅外成像儀、紅外消防頭盔等方面取得了進(jìn)展。

（一）多功能小型手持式紅外成像儀

城市地下管線(xiàn)經(jīng)常需要安全檢查員定時(shí)巡視，以防止?jié)B漏、火災(zāi)、各種管道及電纜破裂等災(zāi)害發(fā)生。同時(shí)在災(zāi)害發(fā)生時(shí)需要尋找根源，尤其在斷電和煙霧灰塵較濃情況下實(shí)施救護(hù)，需要在能見(jiàn)度不好的情況下也能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行有效的觀(guān)察。運(yùn)用紅外成像技術(shù)研發(fā)的多功能小型手持式紅外成像儀對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行觀(guān)測(cè)，為后續(xù)救援修復(fù)工作的開(kāi)展提供基本支持。

多功能小型手持式紅外成像儀能夠?qū)Ω黝?lèi)目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)紅外成像探測(cè)，可以實(shí)時(shí)記錄（拍照、錄像）現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)景，并回放紅外視頻圖像。該產(chǎn)品采用電池供電，連續(xù)工作時(shí)間長(zhǎng)，具有體積小、重量輕、攜帶方便、可單手操作等特點(diǎn) [9]。

（二）消防頭盔式紅外成像系統(tǒng)

當(dāng)城市地下空間發(fā)生爆炸火災(zāi)險(xiǎn)情時(shí)，由于沒(méi)有電力，照明系統(tǒng)開(kāi)始失效，濃煙嚴(yán)重影響常規(guī)消防頭盔的使用效能，無(wú)法看清現(xiàn)場(chǎng)情況，不能有效地實(shí)施救護(hù)，甚至威脅到消防人員的生命安全，采用紅外成像頭盔使得消防人員能清晰觀(guān)察火場(chǎng)火情，容易發(fā)現(xiàn)進(jìn)出火場(chǎng)的路徑，減少人員傷亡。

該系統(tǒng)采用了基于特征分解的紅外焦平面非均勻性自適應(yīng)校正方法 [10]、連續(xù)幀圖像的成像參數(shù)優(yōu)化技術(shù)、基于局部線(xiàn)性嵌入（LLE）算法的紅外偽彩色圖像增強(qiáng)算法 [11]，提升了觀(guān)測(cè)圖像的清晰度和層次感，有助于消防人員在運(yùn)動(dòng)中通過(guò)頭盔觀(guān)察鏡對(duì)目標(biāo)進(jìn)行高清晰、高分辨率的探測(cè)和識(shí)別，實(shí)時(shí)記錄（拍照、錄像）現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)景，同時(shí)采用紅外圖像無(wú)線(xiàn)傳輸功能可與指揮中心取得聯(lián)系。該系統(tǒng)采用電池供電，連續(xù)工作時(shí)間長(zhǎng)，具有重量輕、抗震性強(qiáng)、操作方便等特點(diǎn)，與普通制式的消防頭盔結(jié)構(gòu)相似。

（三）煙霧下短波紅外成像救援設(shè)備

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)是核威脅下的高技術(shù)戰(zhàn)爭(zhēng)，在城市地下空間的安全保障中需要大力加強(qiáng)對(duì)核生化襲擊的軍事防御準(zhǔn)備。在處于核生化襲擊的城市地下空間，通道環(huán)境相對(duì)惡劣，通常有大量防護(hù)（霧消）的煙霧釋放，特殊的救援設(shè)備對(duì)通行空間要求較高，交通量相對(duì)較大，可以使用先進(jìn)的短波紅外成像透霧裝置進(jìn)行觀(guān)察、識(shí)別，以方便救助。

（四）管控區(qū)域人員統(tǒng)計(jì)紅外成像終端

相對(duì)封閉的地下空間通常由許多區(qū)域構(gòu)成，一旦發(fā)生人員踩踏事故，就特別需要知道該區(qū)域內(nèi)的人員數(shù)量。為此，需要設(shè)計(jì)基于紅外成像的管控區(qū)域人員統(tǒng)計(jì)紅外成像終端，能24 h統(tǒng)計(jì)地下空間各個(gè)區(qū)域的人員流動(dòng)情況，運(yùn)用紅外成像以及相應(yīng)的視頻流圖像分析技術(shù)，在視頻監(jiān)控范圍內(nèi)進(jìn)行人員進(jìn)出流量分析和計(jì)數(shù)，同時(shí)存儲(chǔ)并發(fā)送至指揮中心，形成人員進(jìn)出實(shí)時(shí)報(bào)表，統(tǒng)計(jì)準(zhǔn)確率可達(dá)98%。

（五）網(wǎng)絡(luò)化測(cè)溫型紅外成像監(jiān)控系統(tǒng)

城市地下空間各區(qū)域小而分散，由于各區(qū)域性質(zhì)、功能不同，監(jiān)控的目的也不同。對(duì)于突發(fā)火災(zāi)爆炸的安全防范，人工巡視比較困難或者達(dá)不到效果，可以通過(guò)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化測(cè)溫型紅外成像監(jiān)控系統(tǒng)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱情，防患于未然。這種探測(cè)與測(cè)溫一體化的紅外成像設(shè)備終端，可以隨時(shí)觀(guān)察到現(xiàn)場(chǎng)圖像，同時(shí)又能監(jiān)測(cè)觀(guān)察目標(biāo)的溫度變化狀態(tài)，當(dāng)探測(cè)到目標(biāo)溫度異常時(shí)會(huì)自動(dòng)識(shí)別告警。該設(shè)備采用高速并行數(shù)據(jù)流傳遞技術(shù)，將圖像信息上傳到綜合集成管理器，進(jìn)行多點(diǎn)分布式聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)，形成網(wǎng)絡(luò)化紅外成像監(jiān)控系統(tǒng)，及時(shí)獲得監(jiān)控區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)情況。

（六）分布式紅外成像安全監(jiān)控系統(tǒng)

針對(duì)大型城市地下空間防恐監(jiān)測(cè)的需求，即在低照度條件下，發(fā)現(xiàn)并識(shí)別監(jiān)控點(diǎn)周邊可疑人員和爆炸物品入侵，進(jìn)行聲光或小范圍預(yù)警，同時(shí)進(jìn)行目標(biāo)測(cè)距、測(cè)速并進(jìn)行追蹤報(bào)警，根據(jù)設(shè)定目標(biāo)及靠近速度，監(jiān)控中心和報(bào)警裝置進(jìn)行聯(lián)動(dòng)。采用紅外光、可見(jiàn)光雙光譜的視頻監(jiān)控，綜合運(yùn)用多譜段成像融合處理 [12]、紅外圖像背景自適應(yīng)增強(qiáng)、紅外焦平面自適應(yīng)校正等技術(shù)，有效增強(qiáng)了低照度下紅外圖像的質(zhì)量和可靠性。紅外成像視頻監(jiān)控終端具有結(jié)構(gòu)緊湊、功耗低等特點(diǎn)。該系統(tǒng)通過(guò)微波無(wú)線(xiàn)視頻傳輸，采用綜合集成管理下的分布式終端監(jiān)控技術(shù)，結(jié)合目標(biāo)靜態(tài)與動(dòng)態(tài)特征識(shí)別方法，建立了典型目標(biāo)特征庫(kù)，具備實(shí)時(shí)的目標(biāo)識(shí)別和異常行為提示功能，實(shí)現(xiàn)了觀(guān)察圖像數(shù)據(jù)的高速處理，實(shí)時(shí)錄像、拍照和回放功能，大大提高了地下空間在無(wú)照明、濃煙、高溫狀態(tài)下的監(jiān)控和搜救指揮能力。

六、發(fā)展對(duì)策

（一）加強(qiáng)災(zāi)害防控保障的立法

由于地下空間的特殊環(huán)境，災(zāi)害發(fā)生后的損失非常嚴(yán)重，有時(shí)是毀滅性的災(zāi)難，基于此，應(yīng)重點(diǎn)研究地下空間的火情災(zāi)情預(yù)警的防控 [13]。防火防災(zāi)以防為主，遏制事故高發(fā)態(tài)勢(shì)，就需要以市政部門(mén)（建設(shè)、交通、鐵道、消防）以及行業(yè)部門(mén)強(qiáng)有力的法規(guī)作指導(dǎo)和規(guī)范，提出針對(duì)地下空間安全防控的管理法規(guī)。雖然我國(guó)針對(duì)地下空間建筑工程施工期的安全防控有一些相關(guān)法規(guī)，但還不健全，在災(zāi)害防控方面還亟待加強(qiáng)。如完善地下防火安全性措施的基本方法，強(qiáng)制實(shí)施具有穿透煙霧功能的紅外視頻監(jiān)控技術(shù)，制定救助、援助的消防政策等。

（二）加快紅外成像應(yīng)用研究立項(xiàng)

鑒于地下空間安全防控是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，不可預(yù)見(jiàn)的安全因素多，對(duì)環(huán)境、社會(huì)影響大，防治技術(shù)難度高，建議國(guó)家科學(xué)技術(shù)部將《多波段紅外成像融合技術(shù)在城市地下空間中的智能防災(zāi)監(jiān)測(cè)應(yīng)用研究》列為“十三五”技術(shù)支撐研究重大專(zhuān)項(xiàng)，盡快開(kāi)展研究。同時(shí)加大項(xiàng)目?jī)A斜力度，對(duì)低成本紅外成像模組和系統(tǒng)規(guī)?；a(chǎn)給予更多關(guān)注，以利于其普及推廣。

（三）構(gòu)建多級(jí)智能紅外監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)

對(duì)于城市地下空間的防災(zāi)監(jiān)測(cè)，利用固定式紅外成像網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行低照度實(shí)時(shí)監(jiān)控，在災(zāi)情發(fā)生時(shí)實(shí)施提前預(yù)警顯得尤其重要。如發(fā)展地下空間安全監(jiān)控和預(yù)報(bào)技術(shù)、建立地下工程信息系統(tǒng)，結(jié)合人類(lèi)群體行為心理學(xué)專(zhuān)家的經(jīng)驗(yàn)，把災(zāi)害發(fā)生時(shí)的場(chǎng)景實(shí)時(shí)記錄下來(lái)，作為應(yīng)急處理時(shí)的決策支持或用于災(zāi)后損失評(píng)估 [14]。同時(shí)，建立安全遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)傳感器獲取信息后及時(shí)反饋到指揮部，實(shí)時(shí)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，及時(shí)發(fā)出警報(bào)并采取預(yù)先制定的應(yīng)急預(yù)案。

（四）加強(qiáng)人員搜救設(shè)備的保障

當(dāng)?shù)叵驴臻g出現(xiàn)災(zāi)情時(shí)，可能伴隨空間環(huán)境污染，而且供電系統(tǒng)通常不能正常運(yùn)行，但是在爆炸火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的搶險(xiǎn)救援中，及時(shí)有效的施救又是非常有必要的，所以一方面要加強(qiáng)對(duì)救援人員的個(gè)人裝備（紅外頭盔、手持紅外成像儀等）的研究，這些裝備也是救援人員發(fā)現(xiàn)危情、撤離現(xiàn)場(chǎng)、尋找撤離路線(xiàn)的必要裝置；另一方面也要針對(duì)地下空間的狹窄性、發(fā)生災(zāi)害時(shí)的高危險(xiǎn)性，有必要加強(qiáng)對(duì)相關(guān)具有紅外視覺(jué)救援機(jī)器人（自主救援機(jī)器人）的研究。

（五）關(guān)注地下空間的圖像傳輸

關(guān)注紅外成像技術(shù)的研究技術(shù)水平和信息傳輸技術(shù)發(fā)展進(jìn)度，將多光譜成像融合技術(shù)與地波通信技術(shù)結(jié)合，加快研制分布式可定位前端紅外成像探頭，并應(yīng)用于地下空間實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的圖像傳輸。同時(shí)，將現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入地下空間的實(shí)時(shí)災(zāi)情監(jiān)控系統(tǒng)，地下空間的災(zāi)情發(fā)生情況是復(fù)雜多變的，所以除了成像傳感器以外，還需要多類(lèi)傳感器（生化、氣味、震動(dòng)、煙霧等）進(jìn)行實(shí)時(shí)探測(cè)定位，這些傳感器的結(jié)合就可以全面監(jiān)視地下空間情況。另外，要整體規(guī)劃地下空間的多層次視頻監(jiān)管監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，加大對(duì)相關(guān)地下空間監(jiān)管監(jiān)控的專(zhuān)有技術(shù)和設(shè)備的研究，便于實(shí)時(shí)了解地下空間的整體情況。

綜上所述，紅外成像技術(shù)在城市地下空間安全保障領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景。作為國(guó)家戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)發(fā)展的技術(shù)之一，紅外成像技術(shù)倍受矚目；非制冷紅外成像技術(shù)經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展，其核心探測(cè)器件的國(guó)產(chǎn)化水平進(jìn)一步提升，且成像質(zhì)量穩(wěn)定、應(yīng)用場(chǎng)景廣泛，規(guī)模化成本已經(jīng)具備產(chǎn)業(yè)化條件，為城市地下空間爆炸和核生化襲擊防護(hù)提供了有效的視頻成像安全監(jiān)控和應(yīng)急搜救的基礎(chǔ)保障。

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