紅外熱像儀在消防救援中的技戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用探討

摘要：隨著室內(nèi)煙火特性訓(xùn)練（CFBT）在消防領(lǐng)域的深入推廣，紅外熱像儀的使用頻次和應(yīng)用場景有了較大提升，特別是在黑暗、濃煙密布的極端環(huán)境中，消防員能對火場環(huán)境快速做出辨識。通過分析紅外熱像儀的基本技術(shù)原理，結(jié)合XF/T635—2023《消防用紅外熱像儀》標(biāo)準(zhǔn)及煙火特性訓(xùn)練課程，對紅外熱像儀技戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用進(jìn)行探討，并提出優(yōu)化建議。

關(guān)鍵詞：紅外熱像儀；技戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用；滅火救援；裝備運(yùn)用

中圖分類號：D631.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-1227（2024）08-0029-03

紅外熱像儀（簡稱“熱像儀”）在消防隊(duì)伍開展救援中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，為消防員在災(zāi)害事故現(xiàn)場進(jìn)行可視化偵查、搜救、滅火等提供了清晰的視野，被廣泛應(yīng)用于各類救援場景，可協(xié)助消防人員快速提升滅火救援效率、預(yù)知潛在風(fēng)險隱患。它主要通過紅外探測器測量物體表面輻射熱能大小，利用電子處理系統(tǒng)提供并顯示可分辨的熱輻射圖像。

1 紅外熱像儀

1.1 技術(shù)應(yīng)用原理

1.1.1 波長與透射率

紅外線波長在0.75～1000μm之間，分為近紅外、短波紅外、中波紅外、長波紅外、遠(yuǎn)紅外等區(qū)間?？諝庵胁煌煞謱Σ煌ǘ渭t外輻射吸收率是不同的，其中水蒸氣、二氧化碳、煙氣顆粒等對紅外輻射的吸收率較大。根據(jù)NIST Technical Note 1499（2008）紅外線在模擬火場環(huán)境中透射率（未被吸收的輻射能量/總能量）測試結(jié)果顯示：長波紅外（8～14μm）透射率最高。

1.1.2 黑體輻射

紅外熱像技術(shù)主要依據(jù)黑體輻射原理（黑體是一種理論上的完美輻射體，表面發(fā)射率為1），從定義上講，黑體輻射是光與物質(zhì)達(dá)到平衡所表現(xiàn)出的現(xiàn)象，也是物質(zhì)達(dá)到平衡時用溫度來描述物質(zhì)的狀態(tài)；從公式上講，黑體單位表面積輻射通量P與溫度的四次方成正比：

P=σ*T4 （1）

其中，σ為玻爾茲曼常數(shù)，數(shù)值為5.67×10-8；T為輻射單元表面溫度，單位為℃；公式表示黑體輻射能量按波長分布僅與溫度T有關(guān)[1]。自然界任何高于絕對零度（-273.15℃）的物體都會根據(jù)其溫度發(fā)出紅外輻射，物體表面都存在熱輻射能量場或溫度分布場，火場中燃燒物、建筑構(gòu)件、被困人員等表面紅外輻射強(qiáng)弱相對明顯，熱像儀利用這一原理通過成像明亮或顏色情況，對物體形狀輪廓進(jìn)行探測顯示。

1.1.3 核心結(jié)構(gòu)

紅外探測器作為熱像儀核心的前端模組器件，分為非制冷型（消防領(lǐng)域）和制冷型（軍事領(lǐng)域），由光學(xué)系統(tǒng)、光電探測器、信號放大及處理器、顯示輸出等組成。熱像儀核心結(jié)構(gòu)見圖1。

由光學(xué)系統(tǒng)匯聚物體目標(biāo)紅外輻射能量并決定取景范圍，紅外能量聚焦在光電探測器上并轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)電信號，經(jīng)過放大器和信號處理電路，按照儀器算法和目標(biāo)發(fā)射率校正后得到溫度值或熱像圖[2]。

1.2 核心參數(shù)概念

1.2.1 熱靈敏度

熱靈敏度也被稱為噪聲等效溫差（NETD），代表溫差信噪比（S/N）的數(shù)值，等同于目標(biāo)與背景之間的等效溫差。簡單講是感知溫度差異的能力，熱靈敏度越高，能感知到的溫度變化就越精準(zhǔn)，成像也越清晰。

1.2.2 距離系數(shù)比

距離系數(shù)比是衡量熱像儀精準(zhǔn)測量目標(biāo)溫度的重要參數(shù)，即測量目標(biāo)尺寸及量度距離的比例（D/S），根本上取決于探測器分辨率（圖像像素）和鏡頭視場角（FOV），描述了熱像儀可識別的物體尺寸、可拍攝的距離和范圍。假設(shè)一部熱像儀距離系數(shù)比為10：1，若只考慮距離而測量一個直徑0.5m物體表面溫度，其最大測量距離為5m（10/1×0.5m），超過此距離測量數(shù)值可能存在偏差。同理，當(dāng)測量目標(biāo)與熱像儀未處于同一水平，測量距離與溫度將存在誤差。

1.2.3 比輻射率

比輻射率也被稱為物體放射率（Emissivity），是衡量不同物體將吸收的能量以熱輻射形式釋放的能力，即在相同溫度下被測物體與完美黑體熱輻射能量之比（ε=E1/E2），隨物質(zhì)介電常數(shù)、粗糙度、溫度、波長、觀測方向等條件的不同而變化，介于0～1之間。常見物體放射率見表1。

2 技戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用

2.1 場景應(yīng)用

2.1.1 火情偵察

一是輔助煙氣判讀。煙氣在熱像儀成像模式中顯示明顯，根據(jù)提供的溫度、流動速率等數(shù)據(jù)和成像特點(diǎn)，結(jié)合煙氣的量、濃度、顏色、速度等進(jìn)行煙氣判讀，用以判斷火災(zāi)發(fā)展階段、識別極端火災(zāi)現(xiàn)象、判斷起火位置等，掌握火場先機(jī)。二是輔助進(jìn)攻路線選擇。通過熱像儀實(shí)時成像，輔助消防員觀察煙氣流動方向并判斷火勢蔓延方向、內(nèi)部壓力分布及煙氣驅(qū)動形式，預(yù)防內(nèi)攻人員進(jìn)攻路線處于高溫高熱的煙氣流動路徑中。三是輔助檢測建筑結(jié)構(gòu)的安全性。利用熱像儀對建筑承重部位進(jìn)行實(shí)時檢測，判斷建筑是否出現(xiàn)強(qiáng)度下降等情況。特別是在大跨度鋼結(jié)構(gòu)廠房火災(zāi)中，輔助判斷結(jié)構(gòu)是否安全、是否需要及時冷卻，保證廠房和人員安全。

2.1.2 內(nèi)攻作戰(zhàn)

一是確定隱蔽火點(diǎn)。建筑吊頂、墻體壁腔、線纜豎井等位置及廠房、堆垛等火災(zāi)中存在隱蔽燃燒和火場后期陰燃情況，復(fù)燃發(fā)生概率較大，利用熱像儀相應(yīng)成像模式快速定位火點(diǎn)位置，實(shí)施精準(zhǔn)打擊。二是輔助水槍射流。根據(jù)火場熱能分布的顯示結(jié)果，能有效識別建筑構(gòu)件、高溫?zé)煔狻⒒鹪次恢玫?，高效延伸鋪設(shè)水帶，實(shí)現(xiàn)有限滅火劑冷卻降溫效果的最大化，從而降低水漬損失、提高滅火效率。三是搜救被困人員。人體與火場環(huán)境存在溫度差，熱像儀可顯示不同物體熱輻射的分布圖成像，在濃煙情況下可快速發(fā)現(xiàn)被困人員。在同等煙熱條件下，使用熱像儀開展搜救的速度可提高60%以上。四是緊急撤離。由于水帶中充滿流動的冷水，在熱像儀圖像中可以很容易被觀察到，可幫助消防員在特殊情況下快速撤離，防止在火場中迷失方向。

2.1.3 搶險救援

一是道路交通救援。在夜間、雪霧等能見度低的天氣條件下利用熱像儀確定車輛事故現(xiàn)場人員、車輛位置及數(shù)量，搜尋現(xiàn)場可疑危險源，作為劃定現(xiàn)場警戒范圍、做好現(xiàn)場安全管控的依據(jù)。二是確定泄漏位置。液體汽化和壓力變化會導(dǎo)致泄漏點(diǎn)位置溫度急劇下降，熱像儀可透過氣霧觀察熱量異常變化，從而快速確定閥門損壞、管道破裂或其他設(shè)備破損造成的隱蔽泄漏部位。三是罐體容量檢測。無保溫層油罐罐體、槽罐車、液化氣鋼瓶等受到熱輻射時會產(chǎn)生溫度差，在石油化工及?；肥鹿手?，借助熱像儀可快速測定燃燒罐體、臨近罐體液位情況，以便采取相應(yīng)措施。

2.2 使用限制

2.2.1 溫度測量

紅外熱像儀是借助目標(biāo)自身發(fā)射的紅外輻射并間接推算出相關(guān)物體的表面溫度，這種“非接觸式”檢測方法容易受到物料放射率、測量角度距離、干擾物質(zhì)等因素影響，不能作為精準(zhǔn)溫度度數(shù)，無法作為火場決策的唯一依據(jù)。

2.2.2 工作環(huán)境溫度

熱像儀工作環(huán)境溫度一般在-10～50℃，救助型熱像儀在特定條件下（50～260℃）隨著溫度升高，持續(xù)工作時間將大幅縮短，這是電池本身所決定的，超過一定溫度時，熱像儀將出現(xiàn)卡頓延遲、停機(jī)或損壞現(xiàn)象。XF/T635—2023《消防用紅外熱像儀》規(guī)定，在260℃條件下持續(xù)工作時間不應(yīng)少于5 min，設(shè)置在面罩的救助型熱像儀顯示部分不做要求。

2.2.3 水蒸氣影響

熱像儀無法穿透水、玻璃等透明物體，若火場內(nèi)過量射水會產(chǎn)生大量水蒸氣，擾亂火場熱力分布狀態(tài)，將火場溫差大幅降低達(dá)至均衡狀態(tài)，熱像儀無法有效利用物體間的溫度差來辨識火場內(nèi)部環(huán)境。

2.2.4 視野角度

受設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)影響，肉眼與熱像儀間的視野（FOV）范圍有所不同，F(xiàn)OV大小會使消防員產(chǎn)生距離感官錯覺，F(xiàn)OV較小會令顯示畫面變得較近（實(shí)際較遠(yuǎn)），反之會令顯示畫面變得較遠(yuǎn)（實(shí)際較近），使用時要將機(jī)器鏡頭移動指向觀察，才能確保搜索范圍。

2.2.5 “對比”成像

物體間溫度差越大，熱像儀成像效果越明顯，否則效果將大打折扣。特別是在觀察火場內(nèi)部情況時，若將中央測溫點(diǎn)對準(zhǔn)火場溫度最高處，低溫區(qū)圖像細(xì)節(jié)層次較少，要視情選取溫度較高處為中央測溫點(diǎn)，確保成像清晰、層次分明。

3 優(yōu)化建議

盡管絕大多數(shù)熱像儀具有更直觀、簡單的操作界面，但高效利用圖像數(shù)據(jù)，快速準(zhǔn)確解讀和判斷需要經(jīng)過系統(tǒng)培訓(xùn)和實(shí)戰(zhàn)積累。筆者結(jié)合基層實(shí)際，針對熱像儀使用、訓(xùn)練等方面提出以下建議：

3.1 普及專業(yè)培訓(xùn)使用

熱像儀作為判斷熱量的工具，在消防員入門培訓(xùn)中，要加強(qiáng)熱分類、熱釋放、熱防護(hù)、熱識別等方面的實(shí)用課程，熟悉了解其結(jié)構(gòu)原理、性能參數(shù)、科學(xué)使用方法均需以此為前提。要將其納入重點(diǎn)裝備器材培訓(xùn)教育內(nèi)容，及時對照廠家要求和說明書開展系統(tǒng)培訓(xùn)，保證人人懂原理、能操作、會保養(yǎng)。

3.2 強(qiáng)化場景模擬訓(xùn)練

由于當(dāng)前基層消防站熱像儀配備數(shù)量在1～2個，導(dǎo)致不是所有消防員都有機(jī)會在火場中使用。要優(yōu)化當(dāng)前訓(xùn)練模式，結(jié)合室內(nèi)煙火特性訓(xùn)練（CFBT）設(shè)施涵蓋不同類型火災(zāi)場景、不同火勢強(qiáng)度、不同環(huán)境條件的課程設(shè)計(jì)，開展相應(yīng)個人和團(tuán)體模擬訓(xùn)練，制定熱像儀訓(xùn)練標(biāo)準(zhǔn)大綱及合成操法，提高消防員在面對實(shí)際救援的適應(yīng)性和靈活性。同時對消防員在理論、操作、應(yīng)用、使用范圍和限制、維護(hù)保養(yǎng)等方面進(jìn)行考核。

3.3 更新傳統(tǒng)救援理念

加大熱像儀在各類火災(zāi)撲救及救援現(xiàn)場的使用頻率，指揮員要充分發(fā)揮其輔助決策作用，從有限的圖像數(shù)據(jù)中找尋火場評估、火情偵察的判斷依據(jù)；戰(zhàn)斗員要學(xué)會在火場實(shí)施內(nèi)攻作戰(zhàn)配合使用熱像儀，在確定進(jìn)攻路線、辨識火場環(huán)境、開展氣體冷卻、搜尋被困人員、緊急撤離等方面提升作業(yè)效率，要加強(qiáng)熱像儀配備數(shù)量，有條件的單位要保證內(nèi)攻小組、緊急救助小組（RIT）成員人手一部。

3.4 把好采購驗(yàn)收關(guān)口

要理性看待市場上同面罩、智能頭盔、空氣呼吸器配合使用的集成式熱像儀，嚴(yán)禁盲目跟風(fēng)。要嚴(yán)格按照XF/T635—2023《消防用紅外熱像儀》規(guī)定，對質(zhì)量、空間分辨率、NETD、測溫范圍、測溫精度、特定溫度持續(xù)工作時間等重點(diǎn)性能參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)收把關(guān)，以防出現(xiàn)用便攜式感知類熱像儀替代手持式輔助決策（救助型）熱像儀的現(xiàn)象。

4 結(jié)束語

盡管紅外熱像儀具有不可替代的優(yōu)勢，但其在分辨率、響應(yīng)處理速度和環(huán)境適應(yīng)性等方面還有諸多技術(shù)壁壘和應(yīng)用局限，也面臨著技術(shù)和操作上的多重挑戰(zhàn)。隨著科學(xué)技術(shù)和消防隊(duì)伍的不斷進(jìn)步，相信紅外熱像儀及衍生品也將更科學(xué)、更廣泛地在基層得以應(yīng)用，從而提高各類救援行動效率和效果。

參考文獻(xiàn)

[1]丁經(jīng)緯.黑體涂層紅外光譜發(fā)射率特性研究[D].新鄉(xiāng)：河南師范大學(xué)，2023.

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