摘要 滲漏是水下隧道常見病害之一，但因隧道安裝防火板而導(dǎo)致滲漏隱蔽不易檢測(cè)。紅外熱成像技術(shù)是一種非接觸無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，可快速測(cè)量表面溫度場(chǎng)。該文采用紅外熱成像技術(shù)，擬建立隧道隱性滲漏車載非接觸式快速檢測(cè)方法。為此，該文搭建室內(nèi)滲漏模擬試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行可行性研究，其中平臺(tái)包含雙層防火板、紅外熱成像相機(jī)和移動(dòng)支架。在試驗(yàn)中，重點(diǎn)比較了滲漏位置（板中和板縫）、滲漏時(shí)間等參數(shù)對(duì)檢測(cè)效果的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：在熱成像圖上可以顯著識(shí)別防火板背后的滲漏區(qū)域，其溫差僅為1～2°C。同時(shí)，通過(guò)移動(dòng)支架模擬車載速度20～30 km/h的情況，動(dòng)態(tài)熱成像圖可以滿足隧道隱性滲漏檢測(cè)的要求。該試驗(yàn)研究表明基于紅外熱成像技術(shù)可建立隧道隱性滲漏車載非接觸式快速檢測(cè)系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞 隧道滲漏；非接觸式快速檢測(cè)方法；紅外熱成像；防火板

中圖分類號(hào) TU375.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）21-0103-03

0 引言

隧道滲漏問(wèn)題[1-2]是水下隧道工程中常見的一種病害，但因隧道常裝有防火板，導(dǎo)致滲漏常隱藏在板背后，難以直接快速檢測(cè)。因此，提出隧道隱性滲漏快速檢測(cè)技術(shù)，具有重要工程價(jià)值。

常用隧道滲漏檢測(cè)方法有人工目測(cè)法[3]、隧道滲流壓力計(jì)在線監(jiān)測(cè)法[4]、可見光圖像識(shí)別法[5]等。人工目測(cè)法簡(jiǎn)單，但效率低且干擾交通，無(wú)法檢測(cè)微小或隱性滲漏；滲流壓力計(jì)可實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)，但受測(cè)點(diǎn)區(qū)域限制；可見光圖像識(shí)別法設(shè)備簡(jiǎn)單，算法成熟且成本低，但受隧道光線環(huán)境影響導(dǎo)致效果差。

紅外熱像技術(shù)是一種非接觸式測(cè)量技術(shù)，具有響應(yīng)時(shí)間短、分辨率高等優(yōu)勢(shì)，在隧道滲漏檢測(cè)方面引起了研究人員的關(guān)注。Asakura等[6]通過(guò)對(duì)隧道滲漏的紅外車載檢測(cè)試驗(yàn)，證實(shí)了利用紅外檢測(cè)滲漏水的可行性。豆海濤等[7]研究了多因素對(duì)襯砌表面紅外輻射特征的影響，建立了隧道襯砌表面輻射率修正指標(biāo)，提取了滲漏紅外熱圖像特征。鄭艾辰等[8]系統(tǒng)地研究了隧道環(huán)境下滲漏水的紅外特征，為滲漏水識(shí)別提供了依據(jù)。

該文采用紅外熱成像技術(shù)，擬建立隧道隱性滲漏車載非接觸式快速檢測(cè)方法。為此，該文搭建室內(nèi)滲漏模擬試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了可行性研究，重點(diǎn)考察滲漏位置、滲漏時(shí)間、車載速度等參數(shù)對(duì)檢測(cè)效果的影響。

1 紅外熱成像工作原理

當(dāng)物體處于絕對(duì)零度以上時(shí)，其內(nèi)部的帶電粒子運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致其以不同波長(zhǎng)的電磁波形式向外輻射能量。這些電磁波的波長(zhǎng)范圍從紫外光區(qū)到紅外光區(qū)，但主要集中在800～1 500 nm的紅外光區(qū)。物體的自發(fā)輻射能量在各個(gè)方向上都存在，其大小取決于波長(zhǎng)分布以及表面溫度情況。因此，通過(guò)對(duì)物體自身輻射的紅外能量的測(cè)量，便能準(zhǔn)確獲得物體表面溫度。物體表面單位面積輻射出的總功率（W/m2）與溫度的關(guān)系為[9]：

J=σ×T4 （1）

式中：σ——斯蒂芬—波耳茲曼常數(shù)，其值為5.67*10?8 W/m2K4；T——溫度（K）。

依據(jù)上述原理設(shè)計(jì)紅外熱成像系統(tǒng)，主要包括紅外光學(xué)系統(tǒng)、紅外探測(cè)器、電子信息處理系統(tǒng)和圖像顯示系統(tǒng)。首先，紅外光學(xué)系統(tǒng)將物體表面發(fā)出的紅外輻射匯聚在紅外探測(cè)器的焦平面上；其次，紅外探測(cè)器將紅外熱輻射轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；然后，電子信息處理系統(tǒng)將電信號(hào)進(jìn)行放大與處理；最后，處理后的電信號(hào)被轉(zhuǎn)譯為圖像呈現(xiàn)在顯示器中。

2 隧道隱性滲漏檢測(cè)可行性試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 紅外熱成像設(shè)備

檢測(cè)時(shí)設(shè)備距離隧道頂面約有3～5 m，為保證覆蓋范圍以提高檢測(cè)效率，應(yīng)選擇合適的視場(chǎng)角。相機(jī)覆蓋范圍與視場(chǎng)角的計(jì)算關(guān)系為[10]：

W=2Dtan（θH 2 ） （2）

H=2Dtan（θV 2 ） （3）

式中：W——水平覆蓋范圍（m）；H——垂直覆蓋范圍（m）；D——鏡頭距離（m）；θH——水平視場(chǎng)角（?）；θV——垂直視場(chǎng)角（?）。

空間分辨率是光學(xué)系統(tǒng)能夠分辨的最小物理尺寸，即單位長(zhǎng)度下的像素?cái)?shù)表示。通過(guò)計(jì)算得到水平視場(chǎng)角須大于30°，垂直視場(chǎng)角須大于20°，空間分辨率不小于0.8 mrad。此外，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)滲漏區(qū)和非滲漏區(qū)的溫差僅為幾攝氏度，因此，設(shè)備溫差分辨率一般需達(dá)到0.1℃?？紤]檢測(cè)車輛一般速度可控制在20～30 km/h，設(shè)備的幀率應(yīng)大于20 Hz。

綜上考慮，該文采用武漢某公司的紅外熱成像測(cè)溫設(shè)備，參數(shù)如下：?jiǎn)午R頭視場(chǎng)角31.95°×24.25°，空間分辨率0.895 mrad，3 m最小測(cè)量尺寸2.68 mm，溫度測(cè)量精度±2°C或±2%，熱靈敏度為0.1℃，視頻幀率25 Hz。

為便于對(duì)比，在試驗(yàn)中采用紅外測(cè)溫槍（熱靈敏度±2°C）測(cè)量防護(hù)板表面指定位置的溫度。

2.2 隧道隱性滲漏模擬試驗(yàn)

在該試驗(yàn)中，防火板為硅酸鈣防火板，單塊尺寸為40 cm×40 cm，采用雙層錯(cuò)縫拼裝方式模擬實(shí)際隧道防火板，即里層2塊、外層3塊，板間用結(jié)構(gòu)膠黏接。為了模擬滲漏，采用在里層防火板的背面敷多層無(wú)紡濕布的方式，布條寬約5 cm，長(zhǎng)約18 cm。無(wú)紡濕布分別布置于里層防火板的板中與板縫位置，分別模擬板中與板縫位置發(fā)生滲漏但水未滲出防火板的情況。

在試驗(yàn)中，紅外熱成像相機(jī)固定在可移動(dòng)支架上，防火板直立在地面上，與相機(jī)鏡頭垂直，間距為3 m。試驗(yàn)分為靜態(tài)試驗(yàn)與動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，其中動(dòng)態(tài)試驗(yàn)中支架移動(dòng)速度約為20～30 km/h。靜態(tài)試驗(yàn)時(shí)，按照無(wú)紡濕布敷設(shè)時(shí)間（0 min、10 min、20 min、30 min）分別考察滲漏時(shí)間對(duì)檢測(cè)效果的影響。動(dòng)態(tài)試驗(yàn)在滲漏發(fā)生30 min后實(shí)施。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 靜態(tài)滲漏水熱力圖特征分析

熱成像檢測(cè)結(jié)果如圖3所示，在滲漏發(fā)生20 min后，可以從熱力圖上顯著識(shí)別滲漏區(qū)域，且滲漏區(qū)域的溫度低于非滲漏區(qū)域的溫度。

提取熱力圖上的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行溫差計(jì)算，其結(jié)果如表1所示。結(jié)果表明，隨著滲漏時(shí)間增加，滲漏區(qū)與非滲漏區(qū)的溫度差異逐漸穩(wěn)定，不同滲漏位置的溫差接近（約1～2℃）。與熱溫槍測(cè)量結(jié)果相比，紅外熱成像測(cè)量的溫差略大，主要原因可能是熱溫槍測(cè)量精度不足。

3.2 動(dòng)態(tài)滲漏水熱力圖特征分析

設(shè)備移動(dòng)速度20～30 km/h，利用紅外熱成像儀錄制熱成像視頻，從視頻中提取有滲漏的某幀圖片如圖4所示。從圖中結(jié)果可知，從動(dòng)態(tài)熱力圖上的溫度場(chǎng)分布特征，可以顯著識(shí)別滲漏區(qū)域。與靜態(tài)成像結(jié)果相比，圖像清晰度和形狀準(zhǔn)確度上都有一定的下降。

4 結(jié)論與展望

該文通過(guò)模擬隧道隱性滲漏試驗(yàn)，研究熱成像技術(shù)用于該類病害快速檢測(cè)的可行性，得到以下主要結(jié)論：

（1）紅外熱成像技術(shù)可以準(zhǔn)確識(shí)別防火板背后的隱性滲漏，溫差分辨率可達(dá)0.1℃；

（2）紅外熱成像技術(shù)可以達(dá)到厘米級(jí)的空間分辨率，可識(shí)別早期的微小滲漏；

（3）在車載速度20～30 km/h的情況下，動(dòng)態(tài)熱成像熱力圖中滲漏水區(qū)域圖像特征明顯，可以用于隧道滲漏車載式快速檢測(cè)。

該文通過(guò)室內(nèi)模擬試驗(yàn)初步證明了紅外熱成像技術(shù)用于隧道隱性滲漏車載非接觸式快速檢測(cè)的可行性。但考慮實(shí)際隧道環(huán)境復(fù)雜，還需要進(jìn)一步進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，開發(fā)滲漏智能識(shí)別方法，以實(shí)現(xiàn)隧道滲漏非接觸式快速檢測(cè)與應(yīng)用。

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