紅外熱成像技術(shù)的滅火救援應(yīng)用探究

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(chǎng)、大型物流倉庫等建筑大量涌現(xiàn)。同時(shí)，火災(zāi)對(duì)象也隨之發(fā)生了大的變化，從一般建筑向商場(chǎng)、酒店等公眾聚集場(chǎng)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(huì)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(duì)著火點(diǎn)、高溫?zé)煔饬鲃?dòng)方向及被困人員所在位置進(jìn)行搜索。

紅外熱像儀（Infrared Thermal Camera）是一種檢測(cè)設(shè)備，具體是通過非接觸探測(cè)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(cè)到的熱量進(jìn)行精確量化，對(duì)發(fā)熱區(qū)域進(jìn)行準(zhǔn)確的識(shí)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(duì)溫度值進(jìn)行計(jì)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(cè)器上，探測(cè)器則產(chǎn)生電信號(hào)，電信號(hào)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(duì)零度（-273.15℃）的物體都會(huì)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(duì)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(shí)，按上式就可計(jì)算出物體的輻射功率。反之，如果測(cè)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(gè)熱輻射能量場(chǎng),相應(yīng)有一個(gè)溫度分布場(chǎng)。紅外熱像儀就是利用對(duì)物體表面紅外輻射的強(qiáng)弱進(jìn)行探測(cè)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(chǎng)能見度低的情況下，通過熱成像圖像對(duì)物體進(jìn)行搜索、辨識(shí)非常方便[5]。

優(yōu)點(diǎn)非接觸的檢測(cè)與識(shí)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(chǎng)，應(yīng)用廣泛探測(cè)能力強(qiáng)，作用距離遠(yuǎn)，顯示方式多缺點(diǎn)圖像對(duì)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(jià)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(duì)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(gè)火場(chǎng)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?dòng)方向、蔓延情況，尤其是在尋找隱匿火點(diǎn)、搜索被困人員時(shí)更能凸顯其優(yōu)勢(shì)并發(fā)揮重大作用。

建筑火災(zāi)發(fā)生后，初期階段燃燒會(huì)暫時(shí)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(shì)會(huì)通過各種途徑向建筑其他位置蔓延，火場(chǎng)高溫?zé)煔鈴浡?，能見度極低。指揮員想第一時(shí)間判斷著火位置和火勢(shì)蔓延的方向，必須掌握高溫位置和煙氣流動(dòng)的方向，這時(shí)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(duì)到場(chǎng)后發(fā)現(xiàn)整個(gè)建筑煙霧彌漫，火勢(shì)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(duì)指揮員利用紅外熱成像儀對(duì)整棟建筑進(jìn)行觀察比對(duì)，準(zhǔn)確找到起火點(diǎn)，第一時(shí)間組織內(nèi)攻，深入建筑內(nèi)部后，查明火勢(shì)蔓延方向，迅速撲滅了火災(zāi)。中隊(duì)指揮員在戰(zhàn)評(píng)總結(jié)時(shí)說：著火位置燃燒時(shí)間長(zhǎng)，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(duì)比各個(gè)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(chǎng)，用肉眼即可以明確判斷火勢(shì)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(chǎng)中更加適合偵察火勢(shì)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(shí)水漬損失。

3.2 有效保護(hù)消防隊(duì)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(xiǎn)，很快發(fā)現(xiàn)火點(diǎn)、被困人員等。這樣，消防員在危險(xiǎn)的環(huán)境中停留的時(shí)間也會(huì)相對(duì)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(huì)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(shí)，只能看見水面上的物體，在室內(nèi)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)，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(shí)盡量停止向成像區(qū)域射水。

（2）“對(duì)比”是紅外熱成像儀的精髓所在，在拍攝現(xiàn)場(chǎng)熱像圖時(shí)，不宜將儀器的中央測(cè)溫點(diǎn)對(duì)在火場(chǎng)溫度最高處，因?yàn)榧t外熱成像儀會(huì)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(cè)溫點(diǎn)，這樣拍出的圖像更加清晰，層次更加分明。

（3）火場(chǎng)內(nèi)玻璃、鏡子、窗戶、不銹鋼面等光滑面的物質(zhì)會(huì)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(duì)焦（1米內(nèi)），所以在狹小空間操作有一定的限制。

(5)火場(chǎng)內(nèi)外溫差較大，使用紅外熱成像儀時(shí)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(cè)

美國消防界流行“用熱成像儀600℃溫度量測(cè)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(gè)消防員救災(zāi)時(shí)殉職，在NIOSH網(wǎng)站內(nèi)有詳細(xì)的分析各種原因，其中一個(gè)原因就是“使用熱成像儀的溫度量測(cè)值當(dāng)作火場(chǎng)情勢(shì)判斷的依據(jù)！”熱成像儀的溫度測(cè)量，是測(cè)量表面溫度，不是測(cè)量“煙層溫度”，而且距離不同、物質(zhì)介質(zhì)不同、測(cè)量角度不同，即使同一個(gè)點(diǎn)去測(cè)量都會(huì)有很大的誤差。消防用紅外熱成像儀的設(shè)計(jì)理念是“出對(duì)比成像”，而不是用來“量測(cè)溫度”。判斷火場(chǎng)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(chǎng)特性的基礎(chǔ)上來判斷，不能將溫度量測(cè)值作為火場(chǎng)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(duì)員在復(fù)雜多變的災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)搜尋和營(yíng)救被困人員，尋找著火點(diǎn)及辨識(shí)危險(xiǎn)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(dòng)下，紅外熱成像的技術(shù)及各種衍生產(chǎn)品將會(huì)廣泛地應(yīng)用在在消防工作中，對(duì)于保護(hù)國家和人民生命財(cái)產(chǎn)的安全、防火救災(zāi)等方面將會(huì)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。