林強(qiáng) 杜松健 孫東 劉聰（勝利油田分公司技術(shù)檢測(cè)中心）

紅外線是一種具有與無線電波和可見光相同本質(zhì)的電磁波，紅外線的發(fā)現(xiàn)是人類對(duì)自然認(rèn)識(shí)的一次飛躍。利用某種特殊的電子裝置將物體表面的溫度分布轉(zhuǎn)換成人眼可見的圖像，并以不同顏色顯示物體表面溫度分布的技術(shù)稱之為紅外熱成像技術(shù)，這種電子裝置稱為紅外熱像儀。自十九世紀(jì)初期F.W.Husserl 發(fā)明紅外線后，人類便開始探索紅外技術(shù)的征程，從上世紀(jì)六十年代至今，國(guó)外的紅外熱像技術(shù)已經(jīng)經(jīng)歷了三代的發(fā)展，而國(guó)內(nèi)對(duì)紅外熱像技術(shù)的研發(fā)起步較晚，由于技術(shù)落后，與國(guó)外形成了加大的差距。但隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展及科研實(shí)力的不斷增強(qiáng)，經(jīng)過國(guó)內(nèi)科研人員的不斷努力使得國(guó)內(nèi)紅外熱像技術(shù)得到了很大程度的發(fā)展。近年來，在國(guó)家的大力支持下，紅外熱像技術(shù)日漸成熟，不斷縮小著與發(fā)達(dá)國(guó)家之間的差距，實(shí)現(xiàn)了紅外熱像技術(shù)在軍用和民用領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。文中著重分析總結(jié)了近年來國(guó)內(nèi)紅外熱像技術(shù)的研究現(xiàn)狀在測(cè)溫和節(jié)能方面的應(yīng)用現(xiàn)狀，為日后紅外熱像技術(shù)的發(fā)展和在企業(yè)中的應(yīng)用提供一些借鑒。

1 紅外熱像的原理

紅外熱像儀利用紅外探測(cè)器、紅外光學(xué)系統(tǒng)和光機(jī)掃描系統(tǒng)（目前先進(jìn)的凝視型焦平面技術(shù)就省去了光機(jī)掃描系統(tǒng)）接收被測(cè)目標(biāo)的紅外輻射能量分布圖形，并將其反射到探測(cè)器的光敏元件上，利用光機(jī)掃描機(jī)構(gòu)對(duì)紅外熱像進(jìn)行掃描，并聚焦在單元或分光探測(cè)器上，當(dāng)掃描系統(tǒng)工作時(shí)，從景物到達(dá)探測(cè)器的光束隨之移動(dòng)，從而出現(xiàn)電視一樣的光柵，掃描系統(tǒng)以電視光柵形式使探測(cè)器掃描景物時(shí)，探測(cè)器將逐點(diǎn)接收的景物輻射轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)序列，經(jīng)圖像電路處理、轉(zhuǎn)換成黑白標(biāo)準(zhǔn)視頻信號(hào)，通過監(jiān)測(cè)器顯示紅外熱像圖，熱像儀工作原理見圖1。

圖1 熱像儀工作原理

這種熱像圖與物體表面的熱分布場(chǎng)相對(duì)應(yīng)，而由于被測(cè)物體紅外輻射的熱像分布圖信號(hào)非常弱，比可見光圖像明顯缺少層次感和立體感，因此，在實(shí)際工作過程中為更有效地判斷被測(cè)物體的紅外熱分布場(chǎng)，常采用一些輔助措施來增加其實(shí)用功能，如圖像亮度、實(shí)際校正、偽色彩描繪等高線和直方進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算等。

2 國(guó)內(nèi)紅外熱像的研究現(xiàn)狀

紅外圖像顯示的是溫度信息，相比于其它數(shù)字圖像，具有對(duì)比度低、模糊等缺點(diǎn)，這些因素是后期紅外圖像處理中需要解決的重大問題。目前對(duì)紅外圖像的后期處理主要包括紅外圖像增強(qiáng)和紅外圖像分割兩個(gè)部分，處理后有利于進(jìn)行目標(biāo)分辨、特征提取和細(xì)節(jié)像素提取。

仲偉國(guó)[1]在非制冷紅外熱像原理的基礎(chǔ)上以及結(jié)合紅外圖像處理的算法等理論，研究了包括非均勻校正和圖像增強(qiáng)等算法在內(nèi)的非制冷紅外熱圖像增強(qiáng)技術(shù)，并實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)后的紅外熱圖像噪聲較低、對(duì)比度較高；于天河[2]等提出了基于多重形的紅外圖像增強(qiáng)算法，解決了邊緣模糊和圖像對(duì)比度低等問題，增強(qiáng)人們視覺敏感的紅外圖像區(qū)域，增強(qiáng)了細(xì)節(jié)像素信息，使紅外圖像對(duì)人眼的視覺效果更好；彭洲[3]等提出了一種基于Contourlet變換和模糊理論的紅外圖像增強(qiáng)新算法，分別對(duì)低通子帶和帶通子帶進(jìn)行線性變換和降噪處理，然后再引入模糊增強(qiáng)算法，從而有效地抑制了圖像的噪聲，并且提高了對(duì)比度；賈宏光[4]將廣義運(yùn)算（GL-Φ）和雙邊濾波（BF）相結(jié)合應(yīng)用到紅外圖像增強(qiáng)中，實(shí)現(xiàn)了紅外圖像光暈現(xiàn)象的有效抑制和紅外圖像細(xì)節(jié)信息的放大；云海姣[5]等將直方圖均衡和模糊集理論相結(jié)合以提高紅外圖像增強(qiáng)處理效果，有效的解決了邊緣模糊和對(duì)比度低等問題，提高了人眼的視覺效果，圖像的亮度、清晰度等都有所提高；柳翠寅[6]等提出了NSCT變換與空間約束模糊核聚類相結(jié)合的紅外圖像分割算法，對(duì)紅外圖像采用非子采樣的輪廓波換域（NSCT）以實(shí)現(xiàn)去噪，再用空間約束的模糊核聚類算來分割圖像并進(jìn)行修正，以顯著提高圖像分割的精度；周東國(guó)[7]等提出了自適應(yīng)分層閾值的SPCNN 圖像分割算法，使得在人體紅外圖像的分割過程中錯(cuò)誤率較??；曲仕茹[8]等將PCNN和遺傳算法相結(jié)合，提出了基于遺傳算法參數(shù)優(yōu)化的PCNN 紅外圖像分割算法，并對(duì)圖像交叉、區(qū)域?qū)Ρ榷鹊葏?shù)進(jìn)行分析，以證明出該算法優(yōu)于OTSU等傳統(tǒng)分割算法；史小丹[9]等提出了基于模糊閾值和水平集的紅外圖像分割算法，首先計(jì)算閾值并進(jìn)行模糊閾值與分割，然后利用在改進(jìn)的水平集進(jìn)行分割，以得到分割精度和準(zhǔn)確性較高的紅外圖像。賈雯曉[10]等提出一種基于SIFT 與改進(jìn)的RANSAC圖像配準(zhǔn)算法以提高圖像配準(zhǔn)精確率，首先采用NSCT 對(duì)參考與要配準(zhǔn)的圖像進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并分解成高、低頻子帶，然后用矢量夾角算法和SSIM 提取高頻子帶圖像邊緣的特征點(diǎn)，用SIFT 算法提取低頻子帶的特征點(diǎn)，最后使用改進(jìn)的RANSAC算法提高匹配的準(zhǔn)確度，并選擇精確的匹配點(diǎn)以實(shí)現(xiàn)圖像配準(zhǔn)。

3 紅外熱像技術(shù)在測(cè)溫方面的應(yīng)用

王俊影[11]等使用基于邊緣特征的圖像配準(zhǔn)方法，將相同場(chǎng)景的兩個(gè)圖像（可見光圖像和紅外熱圖像）轉(zhuǎn)換為相同分辨率的圖像，并調(diào)用輪廓搜索和遮罩方法，使用邊緣檢測(cè)、角點(diǎn)檢測(cè)和其他函數(shù)來查找關(guān)鍵點(diǎn)，完成兩個(gè)已處理圖像的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)配準(zhǔn)，并刪除不匹配的點(diǎn)。在源圖像對(duì)中顯示匹配的結(jié)果，并且進(jìn)行透視變換，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)配準(zhǔn)可見圖像和紅外圖像，從而建成自動(dòng)匹配測(cè)溫系統(tǒng)并對(duì)流動(dòng)人群進(jìn)行體溫篩查。

余耀[12]等利用紅外熱像儀測(cè)量小麥葉片的溫度，去葉片上30 個(gè)點(diǎn)的溫度求平均值，并以此作為其的溫度特征，來研究低空氣濕度對(duì)葉片氣孔的影響；李真[19]研究農(nóng)作物病毒的早期檢測(cè)中用紅外熱像儀對(duì)水稻患有稻瘟病的葉片進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的采集，并進(jìn)行溫度分析從而得到葉片溫度特征分布圖。

劉飛等[13]利用紅外圖像作為監(jiān)控圖像以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)車廂內(nèi)的狀況，并減少了光源輻射的干擾，通過對(duì)紅外圖像的溫度判定及基于高斯分布和采用離散余弦來建立火警概率模型，以達(dá)到高效的火災(zāi)預(yù)警。

于占忠[14]為解決高爐熱風(fēng)爐危險(xiǎn)區(qū)域無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)而需派遣巡檢人員以排除隱患確保安全的人力問題及安全問題，故基于紅外熱像技術(shù)不同溫度不同紅外強(qiáng)度的理論設(shè)計(jì)了一套紅外熱像監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)考察而設(shè)置的數(shù)個(gè)測(cè)溫點(diǎn)將監(jiān)測(cè)到的紅外熱像圖及數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)，并用軟件進(jìn)行分析處理，從而實(shí)現(xiàn)了熱風(fēng)爐及熱風(fēng)管等危險(xiǎn)區(qū)域的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，確保了人員及生產(chǎn)安全。

曾凱[15]為解決高壓配電設(shè)備的實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)難的問題，基于紅外熱像技術(shù)設(shè)計(jì)了一套紅外在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以紅外熱像儀為核心，運(yùn)用LabVIEW 編寫了控制系統(tǒng)和交互界面，利用掃描云臺(tái)實(shí)現(xiàn)測(cè)溫儀對(duì)高壓配電設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，測(cè)量溫度精度高，很好的實(shí)現(xiàn)了包括數(shù)據(jù)采集、顯示、儲(chǔ)存、處理在內(nèi)的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

4 紅外熱像技術(shù)在節(jié)能方面的應(yīng)用

紅外熱像技術(shù)在節(jié)能方面的作用主要應(yīng)用于石化行業(yè)，輸油管線、原油儲(chǔ)罐、注汽開發(fā)等多個(gè)領(lǐng)域?qū)δ芎膿p失的檢測(cè)具有大量的需求。在石化企業(yè)生產(chǎn)的過程中，有大量管道和熱力設(shè)備需要保溫處理，而保溫效果的好壞將直接關(guān)系到企業(yè)的產(chǎn)能建設(shè)和生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)成本。隨著設(shè)備使用年限的增長(zhǎng)，設(shè)備外保溫層將出現(xiàn)嚴(yán)重的熱老化現(xiàn)象，導(dǎo)熱系數(shù)將增高，保溫效果降低，但憑肉眼是難以發(fā)現(xiàn)的。但通過紅外熱像進(jìn)行檢測(cè)，工作人員將準(zhǔn)確掌握完整的視場(chǎng)范圍內(nèi)的溫度分布，保溫管線熱像圖如圖2，紅外熱像會(huì)將溫度不同的區(qū)域以不同顏色進(jìn)行區(qū)分，并顯示溫度數(shù)值，保溫層的保溫效果一目了然，方便快速進(jìn)行更換處理。

圖2 保溫管線熱像圖

一家石化企業(yè)基于紅外熱像設(shè)計(jì)了一種在線熱損失測(cè)量技術(shù)，不僅彌補(bǔ)了傳統(tǒng)測(cè)溫方式取點(diǎn)多、工作量大、測(cè)試誤差大、耗時(shí)耗力等不足，還能準(zhǔn)確的及時(shí)得到熱損失數(shù)據(jù)，該技術(shù)采用紅外熱像掃描導(dǎo)出像素微元的溫度分布，計(jì)算微元面積的散熱損失再通過面積積分的方法能夠?qū)崿F(xiàn)待測(cè)物體表面散熱損失的準(zhǔn)確測(cè)量，工作人員根據(jù)實(shí)際情況提出整改措施從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。

另一家石化公司運(yùn)用上述基于紅外熱像的在線熱損失測(cè)量技術(shù)對(duì)廠區(qū)內(nèi)5.19 km 的中壓蒸汽管線和12.85 km長(zhǎng)的低壓蒸汽管線共22條管線進(jìn)行了保溫結(jié)構(gòu)的能耗檢測(cè)，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 8174—2008《設(shè)備及管道絕熱效果的測(cè)試與評(píng)價(jià)》 和GB/T 17357—2008《設(shè)備及管道絕熱層表面熱損失現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定熱流計(jì)法和表面溫度法》對(duì)蒸汽管線整體散熱損失進(jìn)行評(píng)價(jià)見表1。

表1 蒸汽管線散熱損失評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

利用紅外熱像在線熱損失測(cè)量技術(shù)計(jì)算各管線的整體散熱損失量，與按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定計(jì)算的允許最大散熱損失量進(jìn)行比較，結(jié)果顯示有16 條管線保溫效果良好，6 條蒸汽管線存在散熱損失超標(biāo)的現(xiàn)象，各管線整體散熱損失評(píng)價(jià)結(jié)果見表2，其中P15-15、P15-121、P15-124 的年散熱損失量嚴(yán)重超標(biāo)。

表2 管線整體散熱損失評(píng)價(jià)結(jié)果

表3 整改前后散熱量對(duì)比及節(jié)能量數(shù)據(jù)

同時(shí)利用紅外熱像技術(shù)可以及時(shí)查找到不合格蒸汽管線保溫薄弱的點(diǎn)和段（圖3），可以發(fā)現(xiàn)保溫層脫落、破損或管段裸露等情況。

圖3 蒸汽管線保溫薄弱的點(diǎn)和段

6 條不合格管線均有幾十米的管段需要整改，尤其是P15-15和P15-121，由于整體管線較長(zhǎng)且使用年限較長(zhǎng)，需要整改的管段長(zhǎng)達(dá)130 m和370 m，整改前后散熱量對(duì)比及節(jié)能量數(shù)據(jù)見表3，工作人員根據(jù)紅外熱像圖、散熱損失計(jì)算及現(xiàn)場(chǎng)情況提出防腐、更換保溫材料、彎頭處加密固定、防風(fēng)防塌陷等相對(duì)應(yīng)的整改措施，經(jīng)整改后，這6條蒸汽管線一年節(jié)約179.62 kW 的能量，換算成標(biāo)準(zhǔn)煤，年可節(jié)約192.59 t標(biāo)準(zhǔn)煤。

5 總結(jié)與展望

紅外熱像技術(shù)作為先進(jìn)的測(cè)溫方式及機(jī)器視覺技術(shù)，被廣泛應(yīng)用在石油化工行業(yè)，除了設(shè)備結(jié)焦及設(shè)備保溫檢測(cè)等，紅外熱像也被應(yīng)用于用電設(shè)備運(yùn)行溫度控制、儲(chǔ)液罐內(nèi)液面高度等，不僅增強(qiáng)了石化廠區(qū)設(shè)備的自動(dòng)化控制，減小了生產(chǎn)時(shí)的安全隱患，同時(shí)也為企業(yè)生產(chǎn)節(jié)能提供了一定的技術(shù)手段，為設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行和企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益增加了一道重要保障。

目前針對(duì)紅外熱像技術(shù)進(jìn)行研究和開發(fā)的單位具有相當(dāng)?shù)目蒲袑?shí)力和研發(fā)基礎(chǔ)，雖然技術(shù)水平略落后于發(fā)達(dá)國(guó)家，但是相信在國(guó)家的大力支持下，科研學(xué)會(huì)積極組織和引導(dǎo)，依托技術(shù)交流平臺(tái)，國(guó)內(nèi)的紅外熱像技術(shù)會(huì)得到更快更好的發(fā)展。