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红外成像的关键技术
发布时间:2022年05月25日

建筑材料燃烧产生的热烟气是一个复杂的体 系,包含数十种成分。主要分为无机类有毒气体、 有机类有毒气体、细微固体颗粒物、凝缩液滴以及 剩余空气。其中,细微固体颗粒物是可燃物不完全 燃烧的产物,其粒径在 0.01 ~ 10 μm,是遮蔽可见光、 影响火场能见度的最主要因素。

经过近十年的发展,相关红外成像技术已经取 得了以下几个方向性的突破,为解决地下空间爆炸 火灾中的场景探测提供行之有效的技术支撑。

(一)短波红外成像技术

短波红外成像在雾霾、灰尘、浓烟和低能见度 环境下,具有非常好的目标成像探测能力。短波红 外(0.9 ~ 1.7 μm)是重要的大气透射窗口,可以提 供可见光,中波、长波红外不能提供的信息,有利 于实现 1 ~ 2.5 μm、3 ~ 5 μm 和 8 ~ 14 μm 三个大气红 外透射窗口的“无缝隙探测”,对在红外波段全面 获取目标信息具有重要意义,在交通安全、气候观 测、农林普查、国土资源探测、环境监测、深空探 测和天文观测等领域具有重大作用。

短波红外成像能探测目标红外反射信息,形成 可见视频,图像在分辨率和细节方面可以和可见光 图像相媲美,物体更容易被识别,与中长波红外一 样能昼夜成像,且具有较强的透雾、霾、烟成像探 测能力,还可以透过玻璃成像探测。借助于该波段 辅助照射,特别适用于重要区域地下空间安全监控、 便携式火灾应急搜救设备。

短波红外成像设备是集光学、半导体材料、微 电子学、精密机械、显示器等技术为一体的高新技 术产品,研制难度较大,技术复杂;国外对我国此 类高端产品封锁严重;经过近年的跟踪研究,具有 自主知识产权的国产化产品已经有所突破 [4],其 主要组成包括焦平面探测器、信息读出及成像处理 电路、显控等部分。机芯产品具有数字图像细节增强,数字图像放大,黑热 / 白热图像极性,对比度、 亮度可调,自适应非均匀性校正,数字图像采集等 功能。

在建筑物火灾浓烟环境下,细微固体颗粒物悬 浮于空气中,遮蔽了可见光。而在光学成像原理中, 光的波长越长,其穿过浓烟的能力越强。短波红外 成像恰恰是利用了 0.9 ~ 1.7 μm 这段波长大于可见 光的波段,一方面人肉眼对其无法识别,另一方面, 它具有较好的透烟能力。在建筑物火灾中,遮蔽可 见光的细微固体颗粒物是可燃物不完全燃烧的产 物。当氧气浓度低于燃烧材料的氧指数范围时,氧 气浓度越小,燃烧就越不充分,越容易产生细微固 体颗粒物。

利用灭火救援公安部重点实验室实验平台 [5], 分别在木材阴燃火、棉绳阴燃火、柴油明火与聚氨 酯明火四种烟气环境下,对短波红外摄像机观测发 光与不发光疏散指示标志的成像效果进行研究。为 了模拟地下空间能够在短时间内得到足够浓度的烟 气,产烟系统不宜设计成外部燃烧式,本实验燃烧 产烟作业全部在集烟箱内部中心处完成。烟气浓 度 - 图像清晰度关系曲线的实验结果如图 1 所示, 其中,图像清晰度用 中心距(ACM)表示。实 验证明短波红外成像仪在烟雾浓度较大时表现出良 好的探测稳定性。

图 1  烟气浓度 - 图像清晰度关系曲线

 

(二)多尺度红外成像预处理技术

多尺度红外成像的预处理主要解决两个问题: 一是提高图像的温度分辨率和空间分辨率;二是 调整不同通道获取图像的动态范围。采用多尺度 Retinex(MSR)算法和双边滤波器(BF)相结合的技术 [6],实现火灾发生时穿透火场热障,能对 火场重点目标清晰成像。

在 MSR 算法中,小尺度 Retinex(SSR)分量 的主要作用就是图像细节增强以及动态范围压缩, 这与双边滤波器的图像细节增强的特性是十分相 似的。可以使用 BF 输出替代 MSR 算法中的 SSR, 以避免由于细节信息缺乏带来的对光照的错误估 计,从而引发“光晕”现象。本质上 BF 是一个带 有边缘保护功能的高通滤波器,通过 BF 获得的细 节分量的主要作用是有选择的提取图像中的细节信 息,以实现图像细节增强;同时消除具有局部高对 比度的空间高频分量,以优化 MSR 算法动态范围 压缩的效果。特别是在高温高热的火灾爆炸现场, 具有透过火场对目标清晰成像的突出效果。

利用灭火救援公安部重点实验室实验平台 [5] 对 0.4~0.76 μm、0.4~1 μm、7~14 μm 三种谱段成 像仪进行模拟火灾现场探测图像成像清晰度比较实 验,结果如图 2 所示,其中,图像清晰度用 ACM 表示。实验结果表明,被观测物是否发光、烟气颗 粒大小与烟气浓度对红外成像的观测效果均无明显 影响,仅影响成像效果的因素是被观测物与周围 环境的温度对比度。在实际火场高温浓烟环境中, 观测环境比较复杂,不同物体均由多种材料组成, 不同材料的比热容也不尽相同,再加上燃烧物质的 热释放速率不同、消防力量到场时火焰与烟气对周 围环境的热作用时间不同等多方面因素,导致红外 成像没有一个固定的、标准的失效温度。在实际火 场环境中,当高浓度阴燃火烟气导致短波与普通可 见光成像均失效时,只有红外成像有较好的观测效 果,如图 2 所示。当火灾发展到一定阶段,被观测物体及周围环境经过火焰或高温烟气一定时间的热 作用后,温度对比度极低,红外成像与普通可见光 成像均失效,只有短波红外成像有较好的观测效 果。因此,将短波红外成像与长波红外成像设备 融合使用能够互相取长补短,并适用于更多、更 复杂的消防实际火场环境,有效辅助消防部队到 场后迅速完成火情探察任务。

图 2  三种谱段成像仪探测不同浓度烟气中目标图像 清晰度对比

 

(三)先进红外图像自适应增强技术

为了有效地改善和提高红外图像的质量,提高 对比度、清晰物体边缘、获得更好的图像信息,红 外图像增强算法是一种重要的方法。而增强算法的 处理结果直接影响增强后红外图像的质量,尤其在 实时性要求较高的情况下,既要保证算法对图像的 增高效果,又要保证算法的实时性要求。

通常采用直方图均衡化的图像增强算法。红外 图像的特点是接收目标和背景的热辐射,由于背景 与目标之间的温度差很低,使他们之间的灰度差较 小,而有的高温目标与背景之间的温度差又很高, 所以又会出现灰度差很大的情况;因此,采用直方 图均衡化方法增强的红外图像,要么背景图像的增 高效果不好,要么高温目标又被饱和,并不适合红 外图像的特点。为了克服传统直方图均衡化算法的 这些不足,后期又出现了平台直方图算法,其算法 的关键是平台值的选择,可以有效增强背景的对比 度,但是其运算复杂,影响实时性,而且图像边缘 依然模糊,没有增强边缘的效果。采用结合自适应 平台直方图与边缘增强叠加融合的红外图像增强算 法,达到平台直方图阈值的自适应选取、边缘增强、 实时性好,能满足复杂的地下空间环境自适应成像 探测要求 [7]

(四)环境自适应红外成像技术

地下空间相对封闭,当火灾或核生化爆炸发生 时,其浓烟很难扩散,特别是再生爆炸引发的破坏 性加剧,同时现场局部高温灼烧使得环境温度变化 剧烈。红外成像在环境温度变化剧烈时,焦平面像 素感应温度的非均匀性变化较大,严重影响成像质 量;另外,环境温度过高,影响红外成像的灵敏度, 导致红外成像探测设备无法探测场景,这对红外成 像探测设备的环境适应性提出较高的要求。红外成 像探测设备的核心部件是红外焦平面成像机芯(也称组件),根据环境温度实时监测结果改变红外焦 平面非均匀校正模型从而达到背景自适应校正,并 通过设计红外成像组件的硬件可重构方法来具体实 现。设置红外成像组件的环境精密温度传感器,组 件处理器实时读取温度值,并根据温度值选择不同 的焦平面非均匀校正系数以适应环境温度变化;红 外成像焦平面可以通过改变其偏置电压来调整其输 出信号的动态范围,由此进一步改变灵敏度。在设 计红外成像组件的硬件电路时,对焦平面的偏置电 压采用高精度可程控模式即可以达到目的,实验证 明上述方法行之有效 [8]

(五)基于红外成像的灾情定位及报警技术

地下空间火灾现场面临的难题之一是火源的定 位,由于地下建筑物及路径复杂和空间有限,加 上火灾发生时在浓烟条件下无法辨别火源位置, 出现贻误搜救时机的问题。利用预先构建的地下 空间地理信息系统,在地下空间布控带有电子定 位标签的红外成像终端,分布式组网红外成像终 端能够覆盖所有空间区域。由于红外终端是固定 安装,将其作为基站(预先知道位置坐标),其所 观察区域中的所有目标位置都可以在地理信息系 统上得到确认。

为了实时获得现场的异常情况,采用在前端红 外成像终端中嵌入目标识别及热源追踪等图像处理 技术,以有效获得红外成像场景中的热点目标,并 利用红外成像的测温功能对热点目标进行实时温度 测量,判断热点目标的 温度值是否大于所设定 的门限值,或者热点目标的温度上升速率是否高于 所设定的阈值。如果出现异常情况,红外成像终端 利用内嵌低功耗无线网格(Mesh)网络模块,能够 有效地进行自组织通信,经过多跳传输在非均匀电 离的媒质空间找到与外界通信的通道。由于 Mesh 网络模块与火灾报警系统同步安装,其密度足够在 火灾区域构建起可靠的通信系统,自动通过无线自 主网络或者有线网络向监控指挥中心传送目标的视 频、位置坐标、目标的温度及温升速率等信息,并 同时发出声光报警信息。



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