红外成像技术在设备监测诊断中的应用概述*

潘古炎 王烨

摘 要：红外成像技术具有非接触、实时监测、不破坏温度场等优势，在我国各领域得到了广泛的应用。文章简要介绍了红外热成像系统的工作原理和我国红外成像技术发展历程，指出了目前红外成像技术发展存在的主要问题，对红外热像技术在电力、石化领域设备检测诊断中的应用进行了简要的概述，并提出了未来的发展方向。

关键词：红外成像技术；研究现状；应用及发展

引言

自20世纪60年代第一台制冷型热像仪问世以来，随着微电子技术和传感器技术的发展，热像仪历经四代的革新，体积越来越小，温度分辨率和空间分辨率越来越高[1]。如今，红外成像系统是由红外热像技术、计算机图像处理技术、微电子电路技术等多种高新技术的综合体，涉及物理、光学、材料、电子学、计算机、图像处理等多个领域[2]。

我国对红外技术的研究起步相对较晚，经过几十年的发展，也取得了一定的成果。不过，由于国外对关键技术的封锁，仍与其他先进水平国家存在一定的差距。

近年来，红外成像技术由于其非接触、无损伤、可靠性高、测量快速，测温面积大等优势在电气、建筑、石化、医学等行业中得到了广泛的应用。文章主要总结了近年来我国红外成像技术的研究成果，对其在设备监测诊断中的应用进行了系统性的概述，并提出了未来可能的应用领域及发展方向。

1 红外成像技术原理及问题

自1800年，英国物理学家F.W.赫胥尔发现了红外线，红外热成像技术经历了漫长、复杂的发展过程。任何高于绝对0度的物体都会不断的向外辐射能量，其中波长范围在0.76-1000μm之间的称为红外光谱。虽然其波长范围很广，但是研究发现，大气对红外线的吸收和波长有很大关系，只有几个特定波段的红外辐射能够较好的穿透大气，将这几个特定的波段称为大气窗口。目前在红外成像领域研究较多的是采用中波红外（3μm～5μm）和长波红外（8μm～14μm）两个大气窗口，将这些波段的辐射转换为人眼可观测并可供测量分析的图像数据。

红外波段具有很强的温度效应，对外不同的辐射强度，反映了物体的温度高低，正是利用这一原理，能够通过测量物体表面的辐射能量确定温度场分布。红外辐射的四个基本定律：普朗克公式、维恩位移定律、朗伯余弦定律和斯蒂芬-波尔兹曼定律，描述了物体辐射能量与表面温度、发射率、介质透射率、环境等影响参数的关系。

红外热像仪利用红外探测器和光学成像物镜接受被测目标的红外辐射能量分布图形反映到红外探测器的光敏元件上，从而获得与温度场对应的红外热像图。但是红外热像仪所获得的辐射能量受多种因素的影响并不能完全真实的反映出被测物体表面的实际温度。目前采用的凝视焦平面探测器由于加工工艺不足导致半导体材料不均匀、缺陷、掩模误差等因素使得探测器在接收均匀入射辐射时其输出幅值并不相同。并且在将输出幅值转为图像信号时，也会受到读出电路、放大器、暗电流等多种因素的影响，导致探测器中各像元的响应不一致。红外探测器将探测信号转为灰度图像输出，由于红外信号的动态范围大，而人眼对灰度级的敏感程度不高，如何将原始灰度信号调整为使人眼能够具有良好分辨且信息丰富的图像是红外探测系统的另一难题。

可见，想要提升红外成像系统的整体效果，提高测量精度，需要对红外成像原理、探测器加工工艺、图像信息处理等多方面进行深入、细致的研究。

2 红外成像技术研究现状

针对影响红外成像系统的各种因素，国内多位研究学者进行了深入的研究。海军工程大学杨立等人对红外热像仪测温原理及影响因素进行了深入的研究，主要讨论了被测物体表面发射率、反射率、环境温度、湿度、距离等多种因素对测量误差的影响，给出了由热像仪辐射温度准确算出被测表面的真实温度的通用公式[3-6]。刘慧开对太阳辐射对热像仪测温误差的影响进行了分析[7]，张健对高温环境对热像仪误差的影响进行了研究[8]。

西安电子科技大学刘上乾等人对焦平面探测器的非均匀度带来的图像噪声影响进行了研究，提出了自适应校正算法，低次插值算法、时空域非线性滤波等多种校正算法，取得了比较好的效果[9-12]。然而，不同的校正算法都有其自身的局限性，如利用时空域非线性滤波算法，可利用连续几帧的图像对非均匀性进行效果比较好的校正，对于静止场景的细节处理效果却一般。

南京理工大学陈钱等人对红外图像增强技术做了全面细致的研究[13]。对红外图像直方图双向均衡技术，红外与微光图像融合技术，形态学图像边缘增强技术都有着较为深入的研究[14-16]。传统的红外图像增强主要以直方图均衡和反锐化掩模为主，简单而有效，得到了广泛的应用，但是普遍都存在过度增强，平坦区域噪声过度放大等问题，而通过微光融合及形态学边缘增强，可以较好的解决这些问题。

随着热像仪在我国各行业的普及，对热像仪应用性方面的研究也呈现逐年上升的趋势，同时也有很多高校的团队对热像系统的基础理论研究、产品研发和应用研究方面做出了比较突出的贡献，如南京理工大学、华南理工大学、哈尔滨工业大学等。

3 红外成像技术应用及发展方向

早期红外热像仪主要是为了军方提供夜视能力，第一代热像仪除了光学扫描系统外还需要配备液氮制冷系统，这使得热像仪不仅体积庞大，而且价格昂贵，最初也只能应用于军事及尖端的科研领域。然而随着凝视型焦平面探测器的出现和非制冷热像仪的研制成功，红外热像仪向着轻小型化、非制冷、集成、大阵面方向发展。这很大程度的降低了热像仪的使用成本并使得热像仪在多个领域得到了广泛的应用。

瑞典国家电力局于20世纪60年代最早使用热像仪对电力设备进行故障诊断检测，我国对电力设备红外检测诊断技术始于70年代，主要对运行中的电气设备裸露过热接头进行检查。在1990年国际大电网会议中，指出该技术对电力设备的预知性状态维修中发挥了重要作用，充分肯定了红外成像技术在电力设备故障诊断中的地位。1985年广东电力实验所引入对广州供电局、佛山供电局及其所属电站对变电站电气设备、线路接头、发电机及使用直升机装在红外热像仪巡检高压输电线路进行了普检[17]，并指出红外热像仪进行电力设备诊断是切实可行切卓有成效的。1994年邯郸电业局使用红外热像仪在9个月时间中队108个变电所、发电站和配电室进行了检测，初步提出了设备故障的热像图谱和判断方法[18]，并于1998年提出了电气设备红外诊断的相对温差法及判断标准[19]。我国于1999年颁布了《带电设备红外诊断技术应用导则》（DL/T664-1999）标准，并于2008年对该标准进行了修订，颁布《带电设备红外诊断应用规范》（DL/T 664-2008）用于替代DL/T664-1999，对电气设备中对设备的校验、操作、检测及各部件的诊断标准都做出了明确规范，更进一步地促进了红外热像技术在电力系统中的应用。目前，红外成像技术以能够不改变设备运行状态进行在线检测，操作简单方便、使用面广，绩效比高等优势在国内已经得到了广泛的应用[20，21]。

红外热像技术在石化领域也发挥着同样重要的作用。由于在现代石油化工中，装置设备大型化、复杂化，要求能够连续长期、安全、稳定运行，所以对设备在线监测诊断十分重要。1981年上海石油化工总厂引进红外热像仪主要对裂解炉炉管弯头、列管式换热器内漏、保温层、衬里材料和球形储罐液位高进行了检测，红外热像仪以效率高，直观性强的特点，并结合其他无损检测方法展现了相当的优越性[22]。抚顺石化公司对催化再生器在检修前进行了红外热像检测，在检修时，对衬里损伤部位进行仔细的检查，在装置内部均发现了相应的缺陷，并且与之前红外检测时的分析结果一致[23]。但是红外热像仪检测时，受现场各种因素较大，如风力、日光、周围辐射源等对测试结果都有一定的影响，在实际操作时应充分考虑。

由于红外成像技术只能获得设备表面温度分布，对内部缺陷并不能直接体现，制约了其使用范围。近年来，随着导热反问题的发展，更多的学者通过设备表面温度分布对内部缺陷尺寸、方位、及不规则边界的识别算法进行了研究[24，25]，取得了一定的成果。考虑到实际情况较为复杂、建模难度大、算法速度较慢等问题，目前还没有得到广泛的应用。

红外成像技术以非接触，响应快，分辨率高，不破坏原有温度场的优势，理论上可以适用于所有需要进行温度检测的情况，但是由于红外热成像技术受到物体表面发射率、周围环境、辐射波段等因素的影响，及针对不同应用场合需要进行不同热特性捕捉等问题。今后红外热成像技术的发展方向主要有如下几个方面：对红外成像原理的继续发展，不同波段红外特性的分析与对比；新型红外探测器的研制，降低探测器本身的不均匀度带来的噪声影响；结合微光及图形学技术，增强红外图像细节表现能力的同时结合场景非均匀性校正技术减少不良效果；针对不能够直接观测设备内部情况红外探测器应该微型化，提高抗干扰能力，如将红外成像技术集成在工业内窥镜前端，实现可见光与红外双成像内窥镜。未来红外热像仪将会继续朝着微型化、高性能、高可靠性、智能化的方向继续发展。而随着导热反问题等其他学科的发展，也将使得红外成像技术的应用领域越来越广泛。

4 结束语

虽然相比于可见光成像而言，红外成像在分辨率、清晰度、成像效果上仍然有较大的提升空间，但是红外成像技术发展至今，已经从原本的军用大型化设备转变成为了便携式商用设备，红外热像仪的成本大大降低，红外成像技术已经应用到各个领域，并且以其独特的技术优势发挥着重要作用。

参考文献

[1]莫朝霞，陈沅江.我国红外热像检测技术的研究及发展展望[J].激光与红外，2014（12）：1300-1305.

[2]杨鹤猛.远红外实时成像样机系统关键技术研究[D].天津大学，2012.

[3]杨立.红外热像仪测温计算与误差分析[J].红外技术，1999（4）：20-24.

[4]杨立，寇蔚，刘慧开，等.热像仪测量物体表面辐射率及误差分析[J].激光与红外，2002（1）：43-45.

[5]杨桢，杨立.反射温度补偿法对红外测温的补偿计算与误差分析[J].光学技术，2008（S1）：154-156.

[6]寇蔚，杨立.热测量中误差的影响因素分析[J].红外技术，2001（3）：32-34.

[7]刘慧开，杨立.太阳辐射对红外热像仪测温误差的影响[J].红外技术，2002（1）：34-37.

[8]张健，杨立，刘慧开.环境高温物体对红外热像仪测温误差的影响[J].红外技术，2005（5）：419-422.

[9]姜光，刘上乾.红外焦平面阵列非均匀性自适应校正算法研究[J].红外与毫米波学报，2001（2）：93-96.

[10]殷世民，刘上乾.基于低次插值的红外焦平面器件非均匀性多点校正算法[J].光子学报，2002（6）：715-718.

[11]李佳，秦翰林，延翔，等.时空域非线性滤波红外序列图像非均匀性校正[J].光子学报，2015（4）：93-97.

[12]王炳健，拜丽萍，刘上乾.红外焦平面非均匀性自适应校正算法实时实现[J].中国电子科学研究院学报，2008（2）：174-176.

[13]陈钱.红外图像处理技术现状及发展趋势[J].红外技术，2013（6）：311-318.

[14]陈钱，柏连发，张保民.红外图像直方图双向均衡技术研究[J].红外与毫米波学报，2003（6）：428-430.

[15]冯国进，顾国华，陈钱.基于形态学的红外图像边缘增强[J].激光与红外，2003（6）：453-454.

[16]柏连发，陈钱，孔捷，等.红外与微光图像融合技术研究[J].红外与毫米波学报，1999（1）：49-54.

[17]黄东东.红外热象仪在电力设备诊断中的应用[J].华北电力技术，1989（1）：10-17.

[18]张建坤.电力设备在线红外热像诊断[J].中国电力，1994（5）：55-57.

[19]胡世征.电气设备红外诊断的相对温差判断法及判断标准[J].电网技术，1998（10）：49-52.

[20]张振杰，任世科.红外热像检测技术在电气设备故障诊断中的应用研究[J].甘肃科技，2015（10）：29-30.

[21]刘冰，郭杰.红外检测技术在变电站电气设备故障诊断中的应用研究[J].电子技术与软件工程，2015（3）：128.

[22]丁浩武，董兰生.红外热象技术在石油化工设备检测中的应用[J].炼油设备设计，1984（5）：57-61.

[23]姜凯，仲齐生.红外热像在石化设备检测中的应用[J].激光与红外，1994（3）：17-19.

[24]范春利，孙丰瑞，杨立，等.基于红外测温的内部缺陷尺寸、方位的计算方法研究[J].热科学与技术，2005（1）：82-86.

[25]范春利，孙丰瑞，杨立.基于红外测温的圆管内壁不规则边界的识别算法研究[J].热科学与技术，2006（2）：112-117.

作者简介：潘古炎（1972-），男，硕士。