1 红外热成像技术简介

人眼能够感受到的可见光波长为0.38～0.78微米。比0.78微米长的电磁波位于可见光光谱红色以外，称为红外线，又称红外辐射，是指波长为0.78~1000微米的电磁波。照相机成像得到照片，摄像机成像得到视频图像，都是可见光成像。而自然界中，一切物体都可以辐射红外线，因此利用仪器测定目标本身和背景之间的红外辐射差并可以得到不同的热图像。目标的热图像和目标的可见光图像不同，它是目标表面的温度分布图像，而不是目标表面的构造图像。

红外测温技术的理论基础是普朗克分布定律, 该定律揭示了黑体辐射能量在不同温度下按波长的分布规律,其数学表达式为：Ebλ=c1λ-5/(ec2/xt-1)。

红外热像仪是目前世界上先进的非接触式温度测量仪器之一,具有测温精度高、范围大、响应速度快、无损测量、显示直观、数据后期分析等特点，可用于稳态和非稳态的温度场测量（见图1）。通过红外探测器将物体辐射的功率信号转换成电信号后，成像装置的输出信号就可以完全一一对应地模拟扫描物体表面温度的空间分布。

2 红外热成像技术在火灾调查中的应用

红外热成像检测设备是近几年兴起的一种高技术检测仪器。这项技术最早是由美国科研人员在20世纪60年代初研制成功的。红外热成像提供了一种分析事故原因的在线测试手段，可以通过实验性的火灾和设备故障的红外视频摄像，对其灾害成因进行更深入地研究。

近几年，国内一线火调人员开始在火场勘验中引入这种先进的技术手段来探索火灾原因，提高工作效率。例如2009年，一辆运输车在高速公路行驶中突发火灾，当地火调人员通过使用红外热像仪对汽车运输车全车进行扫描（见图2），发现该车左侧后轮轮毂处温度分布异常（见图3），轮毂中心处温度高，周围温度低，且该轮毂处的温度明显高于附近其它部位，这种温度分布绝不是火灾能够造成的。通过对该轮毂进行拆解，发现该车轮的轴承破损严重，最后认定此起火灾原因是该车左后轮轴承损坏，在高速行驶中，半轴与轴承碎片强烈摩擦产生高温而引发火灾[1]。

该起火灾如果没有红外热像仪的帮助，在现场燃烧比较充分，故障处又有遮挡的情况下，是很难查出火灾原因的。红外热像技术的应用不仅提供了科学可靠的数据，同时也对火灾当事人产生了强大的说服力。

3 红外热成像技术在模拟试验中的应用

2010年3月，云南某市发生森林火灾，失火面积达1800多亩。经调查，发生火灾前有人在高速公路高架桥施工工地进行焊接作业，并从桥下失火现场提取到金属颗粒若干（见图4）。为了验证焊接火花可以将桥下的干草灌木引燃而引发林火，我们利用同样型号的电焊设备和焊材在相同高度下做了模拟实验，结果焊接作业不到1分钟堆垛的干草就被掉落的电焊火花引燃（见图5、图6）。利用高速红外热象技术，观测到了焊接火花掉落到地面干草丛过程中的温度（见图7），取得了宝贵的数据，印证了高空作业焊接火花可以引燃干草的事实。

4 红外热成像技术在灾害成因研究中的应用

2009年，福建省一酒吧因客人在桌上燃放“冷光烟花”引发火灾，造成15人死亡、24人受伤。同年12月，俄罗斯一家夜总会因在室内燃放“冷光烟花”引燃天花板建筑材料而引发特大火灾，造成至少142人遇难、数十人受伤[2]。冷光烟花本身的“火焰温度”应为60℃~89℃，“外焰温度”为30℃~50℃，不会引燃大多数可燃物，而一些烟花制造企业为了节省成本，将冷光烟花中的一些金属替换为火药。为了研究冷光烟花的燃放特性，我们利用高速红外热像仪和热电偶对火花温度进行了测量（见图8、图9）。

将红外拍摄频率设置为50Hz，选择火焰滤镜，可以观察到市场上一些号称冷光烟花的产品在燃放时喷口处火焰温度最高达到1000℃以上（见图10）。通过红外软件分析，我们将拍摄时间段内的热图最大值进行累积，可以得到燃放过程中大多数火花的飞行轨迹和瞬间温度（见图11），火花温度平均可达100℃～200℃，个别较大火花颗粒可达400℃以上，这些灼热的火花携带很高的能量，具有引发火灾的危险性。

5 红外热成像技术在微小火源研究中的应用

在棉包阴燃实验中，我们利用内部放置的烟头作为阴燃火源来引燃棉包，8分钟后棉包表面开始有局部炭化，虽然没有火焰，但通过红外热像仪可以观察到炭化部位的温度分布（见图12），呈现内高外低的环状等温带，炭化中心温度随着阴燃面积的扩大逐渐升高，并在棉包整体轰燃前达到最高。这种温度分布的变化过程的呈现是热电偶等温度测量方法所无法达到的。

同样，在烟头点燃温度实验中，我们利用铁架台将香烟放置在三个不同方向，观察其点燃温度（见图13）。从红外热像仪所测量的数据可以发现烟头冲下放置时温度最高，燃烧速度也最快，其次为水平位置，而烟头冲上放置时温度最低，燃烧速度最慢。

另外，通过红外软件的发射率修正功能可以对金属表面发射率进行修正，从而得到更真实准确的温度。在铜导线短路实验中，经查资料得知，铜导线在1100℃到1300℃熔化状态下，其红外发射率远低于其他物体，仅为0.13到0.15。因此，在利用每秒拍摄50张热图的高速红外频率拍摄后，我们获得的导线短路温度是不准确的。这就需要我们对铜导线区域的温度进行发射率的修正，得到近900℃的瞬间短路温度，从而使得实验数据更有实际意义。

6 总结与展望

红外热成像仪可以测量物体面的温度分布情况，而传统红外测温仪仅测得一个点的温度，在消防领域，除了查找火源，搜寻烟雾中的受伤者外，电气故障的检测和火灾的探测也都有应用。而在消防科研领域通过测量发热体的温度，我们可以积累大量的基础数据。今后我们还要在消防科研领域开拓这项技术的应用空间，充分发挥这项技术的优越性，从而为判定灾害成因和火灾防控提供更多的科学依据和技术支持。