王海娟，胡振琪，夏 清，許立江，樊廷立，王西營

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距離和濕度對煤矸石山表面溫度探測的影響研究

王海娟，胡振琪，夏 清，許立江，樊廷立，王西營

（中國礦業(yè)大學(xué)（北京）地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院土地復(fù)墾與生態(tài)重建研究所，北京 100083）

利用紅外熱像儀對煤矸石山表面溫度進行探測，通過分析實驗數(shù)據(jù)，研究觀測距離、環(huán)境濕度等因素對熱紅外溫度監(jiān)測的影響。實驗結(jié)果表明：觀測距離和環(huán)境濕度與溫度具有極顯著的負相關(guān)性，并擬合出距離-溫度曲線和濕度-溫度曲線，提取出誤差比例因子，利用誤差比例因子擬合公式對觀測數(shù)據(jù)進行校正，以提高觀測精度，誤差控制在10K左右，可滿足實際溫度監(jiān)測的需求。

煤矸石；紅外熱像儀；觀測距離；環(huán)境濕度；溫度探測

0 引言

煤矸石是在煤炭生產(chǎn)和加工過程中排放出的一種廢石。目前，我國社會經(jīng)濟正處于飛速發(fā)展階段，對于煤炭的需求不斷增加，與此同時，排出的煤矸石量也在逐年增多。據(jù)統(tǒng)計，我國現(xiàn)有幾千座煤矸石山，且煤矸石排放量仍以每年上億噸的速度在增加，這些煤矸石山存在嚴重污染環(huán)境、占用大量土地、易造成滑坡等危害，其中以自燃矸石山的危害尤為嚴重[1-2]。煤矸石山自燃會產(chǎn)生大量的有毒有害物質(zhì)，破壞礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)，使其植被死亡、農(nóng)作物減產(chǎn)等。同時空氣中含有大量有害氣體和懸浮粉塵，嚴重危害人體健康[3]。此外，自燃的煤矸石山容易發(fā)生爆炸，造成人員傷亡。因此，解決自燃煤矸石山問題是改善礦區(qū)生態(tài)生活環(huán)境的重要部分，而自燃煤矸石山表面溫度場的預(yù)警和監(jiān)測是解決問題的關(guān)鍵。

熱紅外監(jiān)測被認為是最便捷的溫度場監(jiān)測技術(shù)之一，而環(huán)境因素對煤矸石山溫度場的熱紅外監(jiān)測的影響是不可忽略的。文章主要是采用實驗的方式，模擬研究觀測距離、環(huán)境濕度等不同的環(huán)境因素對于煤矸石山的熱紅外溫度監(jiān)測精度的影響，通過對實驗數(shù)據(jù)進行相關(guān)性分析，探求監(jiān)測溫度隨距離和濕度的變化規(guī)律，擬合在不同距離以及不同濕度下的溫度變化曲線，并提出數(shù)學(xué)補償模型，對其進行誤差修正以提高精度，進而為自燃煤矸石山滅火和治理提供依據(jù)。

1 紅外熱像儀的測溫原理

紅外熱像儀是利用紅外光學(xué)系統(tǒng)接受被測目標輻射的紅外能量，將其轉(zhuǎn)化成光信號，反映到內(nèi)部探測器的光敏元件上，再將其轉(zhuǎn)化成電信號，在后續(xù)電路中轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，并通過嵌入式圖像處理軟件轉(zhuǎn)化成數(shù)字圖像信號和視頻信號，形成熱紅外影像圖，與被測物體表面的溫度場相對應(yīng)。該熱紅外影像圖顯示為偽彩色，其中每個像元的灰度值與被測物體上發(fā)出并被接收的輻射能量相對應(yīng)，故可以從該圖像上讀出被測物體表面每一個像元點的溫度值，并得到被測物體的溫度場分布情況[4-6]。本文采用的是型號為TH9100MV/WV、非制冷焦平面紅外熱像儀，該儀器是一種日本進口、非接觸、高靈敏的紅外線熱輻射儀器。紅外熱像儀測溫原理如圖1所示。

通常，為了測量的準確性，在進行測溫之前，需對紅外熱像儀進行系統(tǒng)參數(shù)校正。由于周圍環(huán)境和其他物體的反射會對被測物體產(chǎn)生影響，使得其表面輻射率較低，因此需要進行反射校正；同時輸入目標輻射率、大氣溫度、環(huán)境濕度和不同的測量距離，對紅外熱像儀進行系統(tǒng)校正，使儀器內(nèi)部自動修正與測量目標之間由環(huán)境影響而帶來的誤差[7]。

2 觀測距離對熱紅外溫度監(jiān)測精度的影響

在通常情況下，觀測距離對測溫精度的影響主要歸于以下兩方面：1）隨著觀測距離的增大，大氣透過率相應(yīng)減小，且熱輻射消耗增加，從而導(dǎo)致測溫誤差；2）當觀測距離增加時，紅外熱像儀的視場面積隨之增大，目標尺寸相對于視場面積相應(yīng)會減小，紅外熱像儀接收到的目標熱輻射信號相對降低，導(dǎo)致測量誤差。

對于煤矸石山來說，其高溫地區(qū)分布集中，煤矸石山土壤導(dǎo)熱性較低，溫度由最高點隨距離增加而急劇降低，故煤矸石山高溫區(qū)域范圍不大，并且易于區(qū)分，所以可以將其著火點看作點熱源。本文實驗場區(qū)選取位于太行山麓的潞安礦務(wù)局某煤礦的自燃矸石山為實驗對象。通過實驗得出，燃香的燃燒時溫度與自燃矸石山上局部的高溫燃燒區(qū)溫度值較接近，故將燃香布設(shè)在矸石山上作為溫度測量目標點。實驗操作如下：

1）溫度觀測：用紅外熱像儀依次在1～30m，采樣間隔為1m以及35m、40m、45m距離下，對目標點分別進行3次溫度探測，以減小偶然誤差的影響，取平均值作為該距離的監(jiān)測值。同時測量野外溫度為300.15K、環(huán)境濕度為45%，用地溫計探測目標點的真實溫度為750.0K。

2）數(shù)據(jù)提取：使用與該紅外熱像儀配套的軟件Mikro Spec4處理熱紅外影像圖。在系統(tǒng)軟件中重新設(shè)置環(huán)境溫度、相對濕度、大氣輻射率及觀測距離等熱圖像的重要參數(shù)，使其再次對影像進行數(shù)據(jù)補償，以減小環(huán)境影響帶來的測溫誤差。選取每張影像燃香燃燒部位的中間像素讀取溫度值，作為目標實測溫度值，其數(shù)據(jù)處理結(jié)果見表1。其中中誤差表示基于樣本的方差的平方根。其大小反映了該組觀測值精度的高低，公式為：

表1 不同距離的溫度值及其誤差值

在Excel下，對實驗數(shù)據(jù)和誤差值分別多項式擬合，得出距離-溫度曲線，以及距離-誤差曲線，如圖2所示，進而求出不同距離下的誤差補償公式：

＝－0.22072＋17.872－11.839 (1)

再根據(jù)公式對不同距離下實測溫度值加以修正得到校正前、后的距離-溫度擬合曲線如圖2所示，修正模型的誤差如圖3所示。

圖2 各擬合曲線對比圖

圖3 模型修正誤差圖

從表1、圖2、圖3中可以看出：

1）在利用紅外熱像儀對煤矸石山溫度場進行探測時，實測值變化受到觀測距離影響較大，并且與真實值的差值也較大，經(jīng)過溫度補償后，接近真實的溫度值，修正誤差控制在10K左右，最大不會超過20K，可以滿足煤矸石山溫度監(jiān)測的需求。

2）在1～12m范圍內(nèi)，隨距離的變化溫度急劇下降，測溫精度較低且不穩(wěn)定；在13～19m范圍內(nèi)，溫度變化趨于平穩(wěn)，誤差變化較小，且趨于穩(wěn)定；在20～45m范圍內(nèi)，溫度有下降的趨勢且不穩(wěn)定。

3）在1～12m范圍內(nèi)中誤差比較大，不穩(wěn)定且出現(xiàn)跳躍值；在13～19m范圍內(nèi)，中誤差值明顯減小；在2K左右，數(shù)值較穩(wěn)定；在20～45m范圍內(nèi)，測量中誤差值變大，測溫精度變低。

綜上所述，紅外熱像儀對煤矸石山溫度場探測最優(yōu)觀測距離是13～19m，在該距離內(nèi)測量變化穩(wěn)定且測溫精度高，適宜作為最優(yōu)觀測距離。

3 環(huán)境濕度對熱紅外溫度監(jiān)測精度的影響

空氣中對紅外輻射具有吸收作用的氣體主要是水蒸氣、二氧化碳和臭氧，它們均會造成紅外輻射的衰減，其在不同波段形成了紅外線吸收帶，造成的衰減也不同。根據(jù)儀器自身的適應(yīng)性和實際的工作環(huán)境，主要考慮水蒸汽對測溫精度的影響，這是因為水的固態(tài)和液態(tài)對紅外輻射有散射作用，尤其是水蒸氣分子對紅外輻射有強烈的選擇性吸收作用[8-9]。

在環(huán)境濕度影響溫度監(jiān)測的試驗中，由于野外濕度的不可控性，選擇在室內(nèi)以模擬的方式進行實驗。該實驗在密閉的室內(nèi)，利用另外一種燃燒面積較大的燃香模擬煤矸石山的高溫著火點，并利用空氣加濕器控制室內(nèi)濕度分別為20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%、55%8個濕度梯度，然后在不同的濕度梯度下固定距離1m、3m、5m、7m、9m、11m、13m、15m處分別探溫2次，以減小偶然誤差的影響。用地溫計對標定目標點的真實溫度進行探測溫度為404.0K。

在處理熱紅外圖像時，使用Mikro Spec4軟件，重新設(shè)置環(huán)境溫度、濕度、大氣輻射率及距離等熱圖像的重要參數(shù)。選用圓形，選取方式選區(qū)燃香全部燃燒部位，讀取其平均值，作為該幅影像燃燒區(qū)的溫度值。為減少誤差，計算2幅影像的平均值作為燃燒區(qū)觀測值，如表2所示。

從表3可以看出，在不同的距離下，濕度和溫度有顯著的負相關(guān)性，在1～7m、和13～15m距離范圍內(nèi)相關(guān)性較為顯著，在9～11m內(nèi)相關(guān)性較差。其變化規(guī)律如圖4所示。

表2 不同距離不同濕度下的溫度值

圖4 不同距離下的溫度隨濕度變化

從圖4中可以看出：

1）在相同的距離下，溫度隨濕度的增加而減小，在1m、3m、15m處，遞減程度較小，趨勢較平緩，溫差基本在10K之內(nèi)，且幅度較小，表明在該距離上，環(huán)境濕度對溫度的影響不明顯；在5～13m的距離處，遞減程度較大，溫差達到20K之內(nèi)，且幅度波動加大，表明在該距離上，濕度對溫度的影響明顯。

2）相對于濕度對溫度的影響而言，距離對溫度的影響較大。在1～7m范圍內(nèi)，距離對溫度的影響幅度較?。辉?～15m范圍內(nèi)，距離對溫度的影響較大，這與距離實驗所得到的結(jié)果基本相符。

通過分析表3和圖3中的數(shù)據(jù)，可以得到濕度對溫度的影響基本呈線性關(guān)系，通過線性擬合得到溫度隨濕度的變化系數(shù)見表4。

根據(jù)表4計算濕度和溫度的平均系數(shù)為－42.3，故其改正系數(shù)為42.3，得到改正模型為：

＝測＋42.3(2)

4 環(huán)境對熱紅外溫度監(jiān)測的綜合影響

煤矸石山在自然條件下堆積，其放置環(huán)境復(fù)雜多變，并且用熱紅外技術(shù)監(jiān)測其溫度場時，外界環(huán)境對其影響具有疊加性，情況復(fù)雜。本文在實驗的基礎(chǔ)上考慮觀測距離與環(huán)境濕度對溫度檢測的疊加情況，分析監(jiān)測溫度的變化規(guī)律。

在SPSS軟件中進行距離、濕度和溫度數(shù)據(jù)Pearson相關(guān)性分析得到表5。同時在Matlab中將不同距離不同濕度下的溫度繪制成曲面，如圖4所示。

表4 不同距離下擬合線性函數(shù)的系數(shù)

表5 距離、濕度和溫度相關(guān)性

** 表示在0.01水平（雙側(cè)）上顯著相關(guān)。

圖4距離、濕度和溫度曲面關(guān)系圖

由表5和圖4可得，在觀測距離和環(huán)境濕度共同影響的條件下，觀測距離對溫度監(jiān)測的影響起主要作用。當觀測距離較小時，環(huán)境濕度對溫度監(jiān)測的影響相對較明顯，故可以根據(jù)公式(1)和公式(2)對監(jiān)測溫度加以校正；當觀測距離較大時，環(huán)境濕度較小時，其影響可忽略不計，可只根據(jù)公式(1)對其進行校正。

在觀測距離對溫度監(jiān)測影響的實驗中和環(huán)境濕度對溫度監(jiān)測影響的實驗中，由于實驗?zāi)M熱源點材質(zhì)不同和環(huán)境因素的影響，其隨距離變化的溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)有差異，在SPSS軟件中對不同距離下的測量值與真實值的差，進行Pearson相關(guān)性分析得到在0.01水平上雙側(cè)檢驗顯著相關(guān)，其相關(guān)性為0.956。因此，在距離實驗中所得到的距離修正模型在濕度實驗中具有適用性。

由以上分析可以得到，觀測距離和環(huán)境溫度對測溫精度的疊加影響以觀測距離的影響為主。

為了提高紅外熱像儀的測溫精度，在測量過程中，除了對觀測值進行適當?shù)男拚?，還需注意以下幾點：

1）野外測量時，應(yīng)選擇氣象條件較好的天氣，陽光照射不強，干燥，無風(fēng)天氣為佳，并充分考慮太陽輻射、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度和天空長波輻射對紅外熱像儀的影響。

2）盡量增加目標和背景的對比度，并遠離易吸熱物體、高溫物體和熱輻射強的物體，以免造成環(huán)境對于熱紅外測量的干擾。

3）應(yīng)適當?shù)剡x擇在無塵或空氣清新的環(huán)境中進行測量，從而消除散射所導(dǎo)致的測溫誤差。

5 結(jié)論

本文分析了紅外熱像儀的測溫原理，著重探討了觀測距離和環(huán)境濕度對煤矸石山溫度場探測的影響。并通過實驗的方式，獲取不同觀測距離、不同環(huán)境濕度下的溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過整理、分析數(shù)據(jù)得到以下結(jié)論：

1）紅外熱像儀對煤矸石山表面溫度探測偏差隨觀測距離的增加而逐步增大，但最終趨于穩(wěn)定；其最優(yōu)的觀測距離為13～19m。在該距離范圍內(nèi)，監(jiān)測溫度變化隨距離的增加趨于平穩(wěn)，且中誤差和修正誤差較小，波動趨于穩(wěn)定。

2）提出距離修正模型，其誤差基本控制在10K左右，精度較高，且通過與濕度實驗中的溫度差進行相關(guān)性分析，得到該模型具有一定的適用性。

3）在相同的距離下，溫度隨環(huán)境濕度的增加而減小，基本呈線性關(guān)系，提出修正系數(shù)對不同濕度下的溫度監(jiān)測值進行修正。

4）相對于環(huán)境濕度對溫度的影響而言，觀測距離對溫度監(jiān)測的影響較大，其溫度修正模型的選擇可根據(jù)實際情況而定。

本研究為監(jiān)測自燃煤矸石山表面溫度場奠定了一定的基礎(chǔ)，對自燃煤矸石山的滅火和治理工作具有實際的指導(dǎo)意義，對改善礦區(qū)生態(tài)生活環(huán)境具有重要意義。

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Research on Measuring Distance and Humidity effects on Thermal infrared Temperature Measurement Precision of Temperature Field of Waste Piles

WANG Hai-juan，HU Zhen-qi，XIA Qing，XU Li-jiang，F(xiàn)AN Ting-li，WANG Xi-ying

((),,100083,)

In this paper, temperature field of waste piles was detected by infrared thermal imager. Research on measuring distance and environmental humidity effecting on thermal infrared temperature measurement precision has been done through analyzing the data. The experimental results show that: the measuring distance and environmental humidity are related to temperature with negative significant correlation. According to the experimental data, distance-temperature curve and humidity - temperature curve are fitted, error scale factors are extracted, the data are adjusted by error scale factor to improve accuracy, and error is controlled in about 10K. The results can meet the actual demand of temperature measurement. It provides important reference value to using infrared thermal imager to detect surface temperature field of waste piles.

waste piles，infrared thermal imager，measuring distance，environmental humidity，temperature detection

TN219

A

1001-8891(2015)07-0618-06

2015-01-15；

2015-03-16.

王海娟（1989-），女，河北河間市人，碩士研究生，從事煤矸石山溫度場研究。

國家自然科學(xué)基金項目，編號：41371502。