矿用红外热像仪性能指标与测试方法研究

王 东

（1.煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122；2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122）

0 引言

红外线属于电磁波的一种，自然界中温度超过绝对零度的物体无时无刻不向周围外界空间辐射红外能量。根据维恩位移定律和斯蒂芬——玻尔兹曼定律可知不同温度的辐射曲线永不会相交，随温度增加辐射能量增大而峰值波长减小，能量对温度的变化非常灵敏[1]。正是基于物体辐射的红外光的这种温度效应，相应的红外热成像技术不断发展起来。

红外热像仪是一种被动式的红外线接收装置，探测目标物体发射的红外辐射，通过光电转换、电信号处理等手段最终将物体的温度分布信息转换成物体表面相应热分布的热像图，具有非接触、快速、实时性等特点，被广泛应用于军事、工业、煤矿等众多领域。

1 矿用红外热像仪应用

目前，红外热像仪在煤矿井下主要应用在以下方面：1）监控矿用设备状态。对于I 类煤矿设备最高表面温度，当设备表面可能堆积煤尘时不允许超过150℃[2]，固定式红外热像仪可实时监测电气设备、电缆、皮带运输机等的表面温度变化，根据温升情况预防出现电气、运输皮带故障后产生的高温，及时消除隐患；2）探测井下隐性危险源。通过固定式红外热像仪可连续监测堆积的煤炭、开采的煤层，避免热量逐渐累积甚至自燃的发生；3）应急救援生命探测。矿难时，救援人员可以利用便携式红外热像仪能在黑暗、浓烟浓雾的恶劣环境下进行搜寻工作的优势，进行快速搜救，确定幸存者的确切位置，大大提高救援效率增加矿工存活几率。

2 矿用红外热像仪主要性能指标

矿山井下环境复杂，井下灾变环境应急救援时被测矿工与背景温度相差不大，红外辐射较弱，因此评价热成像系统性能时，NETD（噪声等效温差）和MRTD（最小可分辨温差）指标对红外热像仪正确判断影响巨大[3]；井下含有大量煤尘，煤层中还会释放甲烷、一氧化碳等气体，影响红外辐射吸收，因此必须考核灰尘环境下的热像仪成像性能；为尽可能大概率并且准确捕捉到热像仪所需的热图像，需要测温一致性、温度漂移、允许误差等指标。

2.1 矿用红外热像仪分类

为适应不同要求可分为便携式和固定式分别考虑性能指标，便携式一般用来对被测物大体识别后的判断，可以在浓烟下工作，具备红外图像显示和温度指示功能，可用于生命探测和火源探测。固定式一般用来对目标长期监测，具备图像显示，温度分析和图像存储功能。要求测温准确度相对高，可实时给出被测目标的温度图像信息。

2.2 主要技术指标

1）噪声等效温差（NETD）：即热灵敏度，是热像仪可分辨出的最小温差，是描述温度分辨率的一种参数，主要通过仪器而非人的测量来定量获得热像仪的温度分辨率，是评价热像仪探测目标灵敏度和噪声大小的客观参数。

采用热像仪对目标进行观察时，当目标的信号电压的峰峰值Vs 与背景的噪声电压均方根VN 之比即信噪比（SNR）为1 时，目标与背景之间的温差△T 为噪声等效温差，简称NETD。可用公式（1）或公式（2）表示：

环境温度在23℃±5℃，50mm 焦距，相对孔径为1时，NETD 宜小于0.15K。

2）最小可分辨温差（MRTD）：可以反映热像仪的热灵敏度和空间分辨率，是评价红外成像性能的最重要参数。与NETD 不同的是它与人的主观性有很大关系，其核心思想是当人眼感觉到图像信噪比大于等于视觉阈值信噪比时，目标与背景之间的温差就是MRTD。对特定空间频率下的四杆靶（高宽比7:1）标准黑体图案，观察者在显示端不限时观察，调节目标与背景之间的温差，由零逐渐增大到观察者刚好能分辨出靶标的图案为止。此时背景与目标之间的温差即为该空间频率下的最小可分辨温差MRTD。技术指标宜规定MRTD 小于1.0K （四杆靶图案观察法）。

3）允许误差：环境温度23℃±5℃时，固定式热像仪的测温准确度应不超过±2℃或测量值的±2%（℃）（取绝对值大者）。便携式热像仪应不超过±10℃或测量值的±10%（℃）（取绝对值大者）。

4）连续稳定工作时间：在允许误差满足的条件下，热像仪连续稳定工作的时间不小于2h。

5）测温一致性：热像仪视场范围内，不同区域的测量温度的偏差值应不超过±2℃或视场中心区域测量值的±2%（℃）（取绝对值大者）。

6）温度漂移：热像仪在不同环境温度下，其测量值之间的差别应小于±2℃或者小于黑体设定温度值的±2%（取绝对值小的）。

7）模拟环境成像性能：便携式热像仪应在煤尘类的场所仍能清晰观察到目标轮廓。

3 红外热像仪技术指标测试方法

3.1 NETD测试

方法一：在一定的靶标或黑体的选择区域内，对N 个测试点测量信号电压，计算求出噪声电压均方根VN，调节标准温差黑体的温差ΔT（通常2℃），使得目标图像占全视场1/10 以上，测出其对应的信号电压变化值 ，通过公式（1）计算得到NETD。

图1 热像仪成像画面分布图Fig.1 Image distribution of thermal imager

方法二：选取黑体辐射面的区域为信号区，选取靶标表面区域为背景区，设置温差步进变化，每增加一次步进值，采集一次图像，采集完成后，将不同温差值的热像仪对应的图像灰度值记录并绘制成曲线；取线性响应区的直线部分，计算其斜率，即为信号传递函数SiTF。然后，再测试热像仪的噪声即信号区的统计涨落值，通过公式（2）获得NETD。

3.2 MRTD测试

1）热像仪探测平稳放置光学平台上，镜头视轴与面源黑体、四杆靶、准直仪的主光轴同轴。

2）调节热像仪焦距，使得靶标成像清晰，四杆靶为垂直方向。

3）调节黑体温度，使得初始黑体温度高于靶标温度Tc，此时靶标为白杆图像；接着调低黑体温度，直到观察者刚好不能分辨四杆靶图像时（试验通常需要至少两人认为恰好能分辨出四杆靶），此时的黑体温度为T1，ΔT1=T1-Tc。

4）继续缓慢调低黑体温度，黑体温度低于靶标温度会出现黑杆图像，继续调低黑体温度，当观察者刚好不能分辨四杆靶图像时（试验通常需要至少两人认为恰好能分辨出四杆靶），此时的黑体温度为T2，ΔT2=Tc-T2。

5）则该空间频率下的MRTD 为：MRTD=（ΔT1+ΔT2）/2。

3.3 允许误差测试

将黑体置于热像仪规定的工作位置，调节热像仪使其能清晰成像，测温准确。设置黑体温度分别为每个量程的最高、最低和中点温度。读出热像仪所测数据，依据下式计算允许误差。

当to＜100℃时，θ=t1-t0；当to ≥100℃时，θ=(t1-t0)/t0×100%。式中，θ 为测量误差，t0 为标准黑体温度，单位：℃；t1 热像仪测温读数，单位：℃。

当所有测试点均满足规定的技术要求时，合格。

3.4 连续稳定工作时间测试

把黑体设置为50℃左右，将热像仪置于规定位置，使其清晰成像准确测温。在非人工干预的情况下，每隔10min 测量一次测温点，测试时间为2h。热像仪应仍能清晰成像且连续读出的数据满足允许误差的要求。

3.5 测温一致性测试

根据热像仪实际使用情况或根据用户要求设定黑体辐射源的温度，该值应在热像仪测温范围内（通常10℃～100℃）。将被检红外热像仪的成像画面等分为以下9 个区域，各区域的中心点均如图1 作标记。

将面源黑体置于规定位置，调节热像仪清晰成像，选取图1 中区域1 ～9 的中心位置分别作为测温点，调整热像仪或黑体面源，使黑体的正中心成像于标记点，使用热像仪测量黑体面源中心温度，记录所测量标记点n 的温度tn 和热像仪中心温度t5。按公式（3）计算各点的测温一致性：

公式（3）中：

n——第1 ～9 区域。

Φn——测温一致性，℃。

tn——区域n 的测温读数，℃。

t5——区域5 的测温读数，℃。

Φn 均应满足的相应技术要求。

3.6 温度漂移测试

设置温度试验箱温度为20℃时，将热像仪放置试验箱内，待温度稳定后保温2h 后开启热像仪，预热15min 后测量已设置好的黑体温度（测温范围内任一温度），记录测量值t0；设置温度试验箱温度分别为0℃，40℃，温度稳定后保温2h 后开启热像仪，预热15min 后测量同一黑体温度，分别记录测量值t1，t2。

当黑体设置温度值＜100℃时，温度漂移值¢=max（|t1-t0|，|t2-t0|）；当黑体设置温度值≥100℃时，温度漂移值¢=max（|t1-t0|/to×100%，|t2-t0|/to×100%）

3.7 模拟环境成像性能测试

试验可以在一定密闭空间，使用食品级发烟器营造探测恶劣环境，烟气应使肉眼无法识别1m 内的人为准，然后使用热像仪观察目标应能清晰地观察到目标的轮廓为合格，期间室内照明不应对热像仪的成像产生明显影响。

4 结语

为提高红外热像仪质量，规范红外热像仪的研制、生产和验收，国家于2006 年颁布了GB/T19870《工业检测型红外热像仪》[4]，公安部2007 年颁布了GA/T 635《消防用红外热像仪》[5]，针对消防用热像仪的特点，标准对黑暗、浓烟环境中人员搜救或火源寻找相关的技术指标均进行了规定。而红外热像仪虽已广泛应用于煤矿井下，但尚没有相关行业标准规范，针对矿用热像仪的特点，分析矿用红外热像仪的主要性能指标，结合实际检验经验提出的检验方法，为规范矿用红外热像仪的生产、检验及行业标准制定提供了可靠的技术参考。