礦用紅外熱像儀性能指標(biāo)與測(cè)試方法研究

王 東

（1.煤科集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122）

0 引言

紅外線屬于電磁波的一種，自然界中溫度超過(guò)絕對(duì)零度的物體無(wú)時(shí)無(wú)刻不向周?chē)饨缈臻g輻射紅外能量。根據(jù)維恩位移定律和斯蒂芬——玻爾茲曼定律可知不同溫度的輻射曲線永不會(huì)相交，隨溫度增加輻射能量增大而峰值波長(zhǎng)減小，能量對(duì)溫度的變化非常靈敏[1]。正是基于物體輻射的紅外光的這種溫度效應(yīng)，相應(yīng)的紅外熱成像技術(shù)不斷發(fā)展起來(lái)。

紅外熱像儀是一種被動(dòng)式的紅外線接收裝置，探測(cè)目標(biāo)物體發(fā)射的紅外輻射，通過(guò)光電轉(zhuǎn)換、電信號(hào)處理等手段最終將物體的溫度分布信息轉(zhuǎn)換成物體表面相應(yīng)熱分布的熱像圖，具有非接觸、快速、實(shí)時(shí)性等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于軍事、工業(yè)、煤礦等眾多領(lǐng)域。

1 礦用紅外熱像儀應(yīng)用

目前，紅外熱像儀在煤礦井下主要應(yīng)用在以下方面：1）監(jiān)控礦用設(shè)備狀態(tài)。對(duì)于I 類煤礦設(shè)備最高表面溫度，當(dāng)設(shè)備表面可能堆積煤塵時(shí)不允許超過(guò)150℃[2]，固定式紅外熱像儀可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電氣設(shè)備、電纜、皮帶運(yùn)輸機(jī)等的表面溫度變化，根據(jù)溫升情況預(yù)防出現(xiàn)電氣、運(yùn)輸皮帶故障后產(chǎn)生的高溫，及時(shí)消除隱患；2）探測(cè)井下隱性危險(xiǎn)源。通過(guò)固定式紅外熱像儀可連續(xù)監(jiān)測(cè)堆積的煤炭、開(kāi)采的煤層，避免熱量逐漸累積甚至自燃的發(fā)生；3）應(yīng)急救援生命探測(cè)。礦難時(shí)，救援人員可以利用便攜式紅外熱像儀能在黑暗、濃煙濃霧的惡劣環(huán)境下進(jìn)行搜尋工作的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)行快速搜救，確定幸存者的確切位置，大大提高救援效率增加礦工存活幾率。

2 礦用紅外熱像儀主要性能指標(biāo)

礦山井下環(huán)境復(fù)雜，井下災(zāi)變環(huán)境應(yīng)急救援時(shí)被測(cè)礦工與背景溫度相差不大，紅外輻射較弱，因此評(píng)價(jià)熱成像系統(tǒng)性能時(shí)，NETD（噪聲等效溫差）和MRTD（最小可分辨溫差）指標(biāo)對(duì)紅外熱像儀正確判斷影響巨大[3]；井下含有大量煤塵，煤層中還會(huì)釋放甲烷、一氧化碳等氣體，影響紅外輻射吸收，因此必須考核灰塵環(huán)境下的熱像儀成像性能；為盡可能大概率并且準(zhǔn)確捕捉到熱像儀所需的熱圖像，需要測(cè)溫一致性、溫度漂移、允許誤差等指標(biāo)。

2.1 礦用紅外熱像儀分類

為適應(yīng)不同要求可分為便攜式和固定式分別考慮性能指標(biāo)，便攜式一般用來(lái)對(duì)被測(cè)物大體識(shí)別后的判斷，可以在濃煙下工作，具備紅外圖像顯示和溫度指示功能，可用于生命探測(cè)和火源探測(cè)。固定式一般用來(lái)對(duì)目標(biāo)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，具備圖像顯示，溫度分析和圖像存儲(chǔ)功能。要求測(cè)溫準(zhǔn)確度相對(duì)高，可實(shí)時(shí)給出被測(cè)目標(biāo)的溫度圖像信息。

2.2 主要技術(shù)指標(biāo)

1）噪聲等效溫差（NETD）：即熱靈敏度，是熱像儀可分辨出的最小溫差，是描述溫度分辨率的一種參數(shù)，主要通過(guò)儀器而非人的測(cè)量來(lái)定量獲得熱像儀的溫度分辨率，是評(píng)價(jià)熱像儀探測(cè)目標(biāo)靈敏度和噪聲大小的客觀參數(shù)。

采用熱像儀對(duì)目標(biāo)進(jìn)行觀察時(shí)，當(dāng)目標(biāo)的信號(hào)電壓的峰峰值Vs 與背景的噪聲電壓均方根VN 之比即信噪比（SNR）為1 時(shí)，目標(biāo)與背景之間的溫差△T 為噪聲等效溫差，簡(jiǎn)稱NETD。可用公式（1）或公式（2）表示：

環(huán)境溫度在23℃±5℃，50mm 焦距，相對(duì)孔徑為1時(shí)，NETD 宜小于0.15K。

2）最小可分辨溫差（MRTD）：可以反映熱像儀的熱靈敏度和空間分辨率，是評(píng)價(jià)紅外成像性能的最重要參數(shù)。與NETD 不同的是它與人的主觀性有很大關(guān)系，其核心思想是當(dāng)人眼感覺(jué)到圖像信噪比大于等于視覺(jué)閾值信噪比時(shí)，目標(biāo)與背景之間的溫差就是MRTD。對(duì)特定空間頻率下的四桿靶（高寬比7:1）標(biāo)準(zhǔn)黑體圖案，觀察者在顯示端不限時(shí)觀察，調(diào)節(jié)目標(biāo)與背景之間的溫差，由零逐漸增大到觀察者剛好能分辨出靶標(biāo)的圖案為止。此時(shí)背景與目標(biāo)之間的溫差即為該空間頻率下的最小可分辨溫差MRTD。技術(shù)指標(biāo)宜規(guī)定MRTD 小于1.0K （四桿靶圖案觀察法）。

3）允許誤差：環(huán)境溫度23℃±5℃時(shí)，固定式熱像儀的測(cè)溫準(zhǔn)確度應(yīng)不超過(guò)±2℃或測(cè)量值的±2%（℃）（取絕對(duì)值大者）。便攜式熱像儀應(yīng)不超過(guò)±10℃或測(cè)量值的±10%（℃）（取絕對(duì)值大者）。

4）連續(xù)穩(wěn)定工作時(shí)間：在允許誤差滿足的條件下，熱像儀連續(xù)穩(wěn)定工作的時(shí)間不小于2h。

5）測(cè)溫一致性：熱像儀視場(chǎng)范圍內(nèi)，不同區(qū)域的測(cè)量溫度的偏差值應(yīng)不超過(guò)±2℃或視場(chǎng)中心區(qū)域測(cè)量值的±2%（℃）（取絕對(duì)值大者）。

6）溫度漂移：熱像儀在不同環(huán)境溫度下，其測(cè)量值之間的差別應(yīng)小于±2℃或者小于黑體設(shè)定溫度值的±2%（取絕對(duì)值小的）。

7）模擬環(huán)境成像性能：便攜式熱像儀應(yīng)在煤塵類的場(chǎng)所仍能清晰觀察到目標(biāo)輪廓。

3 紅外熱像儀技術(shù)指標(biāo)測(cè)試方法

3.1 NETD測(cè)試

方法一：在一定的靶標(biāo)或黑體的選擇區(qū)域內(nèi)，對(duì)N 個(gè)測(cè)試點(diǎn)測(cè)量信號(hào)電壓，計(jì)算求出噪聲電壓均方根VN，調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)溫差黑體的溫差ΔT（通常2℃），使得目標(biāo)圖像占全視場(chǎng)1/10 以上，測(cè)出其對(duì)應(yīng)的信號(hào)電壓變化值 ，通過(guò)公式（1）計(jì)算得到NETD。

圖1 熱像儀成像畫(huà)面分布圖Fig.1 Image distribution of thermal imager

方法二：選取黑體輻射面的區(qū)域?yàn)樾盘?hào)區(qū)，選取靶標(biāo)表面區(qū)域?yàn)楸尘皡^(qū)，設(shè)置溫差步進(jìn)變化，每增加一次步進(jìn)值，采集一次圖像，采集完成后，將不同溫差值的熱像儀對(duì)應(yīng)的圖像灰度值記錄并繪制成曲線；取線性響應(yīng)區(qū)的直線部分，計(jì)算其斜率，即為信號(hào)傳遞函數(shù)SiTF。然后，再測(cè)試熱像儀的噪聲即信號(hào)區(qū)的統(tǒng)計(jì)漲落值，通過(guò)公式（2）獲得NETD。

3.2 MRTD測(cè)試

1）熱像儀探測(cè)平穩(wěn)放置光學(xué)平臺(tái)上，鏡頭視軸與面源黑體、四桿靶、準(zhǔn)直儀的主光軸同軸。

2）調(diào)節(jié)熱像儀焦距，使得靶標(biāo)成像清晰，四桿靶為垂直方向。

3）調(diào)節(jié)黑體溫度，使得初始黑體溫度高于靶標(biāo)溫度Tc，此時(shí)靶標(biāo)為白桿圖像；接著調(diào)低黑體溫度，直到觀察者剛好不能分辨四桿靶圖像時(shí)（試驗(yàn)通常需要至少兩人認(rèn)為恰好能分辨出四桿靶），此時(shí)的黑體溫度為T(mén)1，ΔT1=T1-Tc。

4）繼續(xù)緩慢調(diào)低黑體溫度，黑體溫度低于靶標(biāo)溫度會(huì)出現(xiàn)黑桿圖像，繼續(xù)調(diào)低黑體溫度，當(dāng)觀察者剛好不能分辨四桿靶圖像時(shí)（試驗(yàn)通常需要至少兩人認(rèn)為恰好能分辨出四桿靶），此時(shí)的黑體溫度為T(mén)2，ΔT2=Tc-T2。

5）則該空間頻率下的MRTD 為：MRTD=（ΔT1+ΔT2）/2。

3.3 允許誤差測(cè)試

將黑體置于熱像儀規(guī)定的工作位置，調(diào)節(jié)熱像儀使其能清晰成像，測(cè)溫準(zhǔn)確。設(shè)置黑體溫度分別為每個(gè)量程的最高、最低和中點(diǎn)溫度。讀出熱像儀所測(cè)數(shù)據(jù)，依據(jù)下式計(jì)算允許誤差。

當(dāng)to＜100℃時(shí)，θ=t1-t0；當(dāng)to ≥100℃時(shí)，θ=(t1-t0)/t0×100%。式中，θ 為測(cè)量誤差，t0 為標(biāo)準(zhǔn)黑體溫度，單位：℃；t1 熱像儀測(cè)溫讀數(shù)，單位：℃。

當(dāng)所有測(cè)試點(diǎn)均滿足規(guī)定的技術(shù)要求時(shí)，合格。

3.4 連續(xù)穩(wěn)定工作時(shí)間測(cè)試

把黑體設(shè)置為50℃左右，將熱像儀置于規(guī)定位置，使其清晰成像準(zhǔn)確測(cè)溫。在非人工干預(yù)的情況下，每隔10min 測(cè)量一次測(cè)溫點(diǎn)，測(cè)試時(shí)間為2h。熱像儀應(yīng)仍能清晰成像且連續(xù)讀出的數(shù)據(jù)滿足允許誤差的要求。

3.5 測(cè)溫一致性測(cè)試

根據(jù)熱像儀實(shí)際使用情況或根據(jù)用戶要求設(shè)定黑體輻射源的溫度，該值應(yīng)在熱像儀測(cè)溫范圍內(nèi)（通常10℃～100℃）。將被檢紅外熱像儀的成像畫(huà)面等分為以下9 個(gè)區(qū)域，各區(qū)域的中心點(diǎn)均如圖1 作標(biāo)記。

將面源黑體置于規(guī)定位置，調(diào)節(jié)熱像儀清晰成像，選取圖1 中區(qū)域1 ～9 的中心位置分別作為測(cè)溫點(diǎn)，調(diào)整熱像儀或黑體面源，使黑體的正中心成像于標(biāo)記點(diǎn)，使用熱像儀測(cè)量黑體面源中心溫度，記錄所測(cè)量標(biāo)記點(diǎn)n 的溫度tn 和熱像儀中心溫度t5。按公式（3）計(jì)算各點(diǎn)的測(cè)溫一致性：

公式（3）中：

n——第1 ～9 區(qū)域。

Φn——測(cè)溫一致性，℃。

tn——區(qū)域n 的測(cè)溫讀數(shù)，℃。

t5——區(qū)域5 的測(cè)溫讀數(shù)，℃。

Φn 均應(yīng)滿足的相應(yīng)技術(shù)要求。

3.6 溫度漂移測(cè)試

設(shè)置溫度試驗(yàn)箱溫度為20℃時(shí)，將熱像儀放置試驗(yàn)箱內(nèi)，待溫度穩(wěn)定后保溫2h 后開(kāi)啟熱像儀，預(yù)熱15min 后測(cè)量已設(shè)置好的黑體溫度（測(cè)溫范圍內(nèi)任一溫度），記錄測(cè)量值t0；設(shè)置溫度試驗(yàn)箱溫度分別為0℃，40℃，溫度穩(wěn)定后保溫2h 后開(kāi)啟熱像儀，預(yù)熱15min 后測(cè)量同一黑體溫度，分別記錄測(cè)量值t1，t2。

當(dāng)黑體設(shè)置溫度值＜100℃時(shí)，溫度漂移值￠=max（|t1-t0|，|t2-t0|）；當(dāng)黑體設(shè)置溫度值≥100℃時(shí)，溫度漂移值￠=max（|t1-t0|/to×100%，|t2-t0|/to×100%）

3.7 模擬環(huán)境成像性能測(cè)試

試驗(yàn)可以在一定密閉空間，使用食品級(jí)發(fā)煙器營(yíng)造探測(cè)惡劣環(huán)境，煙氣應(yīng)使肉眼無(wú)法識(shí)別1m 內(nèi)的人為準(zhǔn)，然后使用熱像儀觀察目標(biāo)應(yīng)能清晰地觀察到目標(biāo)的輪廓為合格，期間室內(nèi)照明不應(yīng)對(duì)熱像儀的成像產(chǎn)生明顯影響。

4 結(jié)語(yǔ)

為提高紅外熱像儀質(zhì)量，規(guī)范紅外熱像儀的研制、生產(chǎn)和驗(yàn)收，國(guó)家于2006 年頒布了GB/T19870《工業(yè)檢測(cè)型紅外熱像儀》[4]，公安部2007 年頒布了GA/T 635《消防用紅外熱像儀》[5]，針對(duì)消防用熱像儀的特點(diǎn)，標(biāo)準(zhǔn)對(duì)黑暗、濃煙環(huán)境中人員搜救或火源尋找相關(guān)的技術(shù)指標(biāo)均進(jìn)行了規(guī)定。而紅外熱像儀雖已廣泛應(yīng)用于煤礦井下，但尚沒(méi)有相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，針對(duì)礦用熱像儀的特點(diǎn)，分析礦用紅外熱像儀的主要性能指標(biāo)，結(jié)合實(shí)際檢驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)提出的檢驗(yàn)方法，為規(guī)范礦用紅外熱像儀的生產(chǎn)、檢驗(yàn)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定提供了可靠的技術(shù)參考。