紅外熱像儀在消防救援中的技戰術應用探討

摘要：隨著室內煙火特性訓練（CFBT）在消防領域的深入推廣，紅外熱像儀的使用頻次和應用場景有了較大提升，特別是在黑暗、濃煙密布的極端環境中，消防員能對火場環境快速做出辨識。通過分析紅外熱像儀的基本技術原理，結合XF/T635—2023《消防用紅外熱像儀》標準及煙火特性訓練課程，對紅外熱像儀技戰術應用進行探討，并提出優化建議。

關鍵詞：紅外熱像儀；技戰術應用；滅火救援；裝備運用

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

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

1 紅外熱像儀

1.1 技術應用原理

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、遠紅外等區間。空氣中不同成分對不同波段紅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NIST Technical Note 1499（2008）紅外線在模擬火場環境中透射率（未被吸收的輻射能量/總能量）測試結果顯示：長波紅外（8～14μm）透射率最高。

1.1.2 黑體輻射

紅外熱像技術主要依據黑體輻射原理（黑體是一種理論上的完美輻射體，表面發射率為1），從定義上講，黑體輻射是光與物質達到平衡所表現出的現象，也是物質達到平衡時用溫度來描述物質的狀態；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，數值為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[1]。自然界任何高于絕對零度（-273.15℃）的物體都會根據其溫度發出紅外輻射，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、建筑構件、被困人員等表面紅外輻射強弱相對明顯，熱像儀利用這一原理通過成像明亮或顏色情況，對物體形狀輪廓進行探測顯示。

1.1.3 核心結構

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（消防領域）和制冷型（軍事領域），由光學系統、光電探測器、信號放大及處理器、顯示輸出等組成。熱像儀核心結構見圖1。

由光學系統匯聚物體目標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變為相應電信號，經過放大器和信號處理電路，按照儀器算法和目標發射率校正后得到溫度值或熱像圖[2]。

1.2 核心參數概念

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）的數值，等同于目標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，成像也越清晰。

1.2.2 距離系數比

距離系數比是衡量熱像儀精準測量目標溫度的重要參數，即測量目標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。假設一部熱像儀距離系數比為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），超過此距離測量數值可能存在偏差。同理，當測量目標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），隨物質介電常數、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 技戰術應用

2.1 場景應用

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，根據提供的溫度、流動速率等數據和成像特點，結合煙氣的量、濃度、顏色、速度等進行煙氣判讀，用以判斷火災發展階段、識別極端火災現象、判斷起火位置等，掌握火場先機。二是輔助進攻路線選擇。通過熱像儀實時成像，輔助消防員觀察煙氣流動方向并判斷火勢蔓延方向、內部壓力分布及煙氣驅動形式，預防內攻人員進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構的安全性。利用熱像儀對建筑承重部位進行實時檢測，判斷建筑是否出現強度下降等情況。特別是在大跨度鋼結構廠房火災中，輔助判斷結構是否安全、是否需要及時冷卻，保證廠房和人員安全。

2.1.2 內攻作戰

一是確定隱蔽火點。建筑吊頂、墻體壁腔、線纜豎井等位置及廠房、堆垛等火災中存在隱蔽燃燒和火場后期陰燃情況，復燃發生概率較大，利用熱像儀相應成像模式快速定位火點位置，實施精準打擊。二是輔助水槍射流。根據火場熱能分布的顯示結果，能有效識別建筑構件、高溫煙氣、火源位置等，高效延伸鋪設水帶，實現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現被困人員。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場人員、車輛位置及數量，搜尋現場可疑危險源，作為劃定現場警戒范圍、做好現場安全管控的依據。二是確定泄漏位置。液體汽化和壓力變化會導致泄漏點位置溫度急劇下降，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生溫度差，在石油化工及危化品事故中，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自身發射的紅外輻射并間接推算出相關物體的表面溫度，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、干擾物質等因素影響，不能作為精準溫度度數，無法作為火場決策的唯一依據。

2.2.2 工作環境溫度

熱像儀工作環境溫度一般在-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，熱像儀將出現卡頓延遲、停機或損壞現象。XF/T635—2023《消防用紅外熱像儀》規定，在260℃條件下持續工作時間不應少于5 min，設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，若火場內過量射水會產生大量水蒸氣，擾亂火場熱力分布狀態，將火場溫差大幅降低達至均衡狀態，熱像儀無法有效利用物體間的溫度差來辨識火場內部環境。

2.2.4 視野角度

受設計結構影響，肉眼與熱像儀間的視野（FOV）范圍有所不同，FOV大小會使消防員產生距離感官錯覺，FOV較小會令顯示畫面變得較近（實際較遠），反之會令顯示畫面變得較遠（實際較近），使用時要將機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部情況時，若將中央測溫點對準火場溫度最高處，低溫區圖像細節層次較少，要視情選取溫度較高處為中央測溫點，確保成像清晰、層次分明。

3 優化建議

盡管絕大多數熱像儀具有更直觀、簡單的操作界面，但高效利用圖像數據，快速準確解讀和判斷需要經過系統培訓和實戰積累。筆者結合基層實際，針對熱像儀使用、訓練等方面提出以下建議：

3.1 普及專業培訓使用

熱像儀作為判斷熱量的工具，在消防員入門培訓中，要加強熱分類、熱釋放、熱防護、熱識別等方面的實用課程，熟悉了解其結構原理、性能參數、科學使用方法均需以此為前提。要將其納入重點裝備器材培訓教育內容，及時對照廠家要求和說明書開展系統培訓，保證人人懂原理、能操作、會保養。

3.2 強化場景模擬訓練

由于當前基層消防站熱像儀配備數量在1～2個，導致不是所有消防員都有機會在火場中使用。要優化當前訓練模式，結合室內煙火特性訓練（CFBT）設施涵蓋不同類型火災場景、不同火勢強度、不同環境條件的課程設計，開展相應個人和團體模擬訓練，制定熱像儀訓練標準大綱及合成操法，提高消防員在面對實際救援的適應性和靈活性。同時對消防員在理論、操作、應用、使用范圍和限制、維護保養等方面進行考核。

3.3 更新傳統救援理念

加大熱像儀在各類火災撲救及救援現場的使用頻率，指揮員要充分發揮其輔助決策作用，從有限的圖像數據中找尋火場評估、火情偵察的判斷依據；戰斗員要學會在火場實施內攻作戰配合使用熱像儀，在確定進攻路線、辨識火場環境、開展氣體冷卻、搜尋被困人員、緊急撤離等方面提升作業效率，要加強熱像儀配備數量，有條件的單位要保證內攻小組、緊急救助小組（RIT）成員人手一部。

3.4 把好采購驗收關口

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，嚴禁盲目跟風。要嚴格按照XF/T635—2023《消防用紅外熱像儀》規定，對質量、空間分辨率、NETD、測溫范圍、測溫精度、特定溫度持續工作時間等重點性能參數進行驗收把關，以防出現用便攜式感知類熱像儀替代手持式輔助決策（救助型）熱像儀的現象。

4 結束語

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

參考文獻

[1]丁經緯.黑體涂層紅外光譜發射率特性研究[D].新鄉：河南師范大學，2023.

[2]朱賀平.高層商業建筑滅火救援技術運用的綜合考量[J].中國新技術新產品，2021（1）：146-148.