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紅外熱成像技術(shù)能夠直觀并快速地檢測(cè)物體內(nèi)部的缺陷，利用整體溫度差異來(lái)反映局部缺陷。使用紅外熱成像儀可以直觀快速地檢測(cè)出道路存在部分隱性病害的問(wèn)題，幫助人們及早做出預(yù)防性養(yǎng)護(hù)。
目前，紅外熱成像技術(shù)在其他領(lǐng)域的無(wú)損檢測(cè)中，應(yīng)用已經(jīng)比較成熟，但在道路工程中的應(yīng)用并不完善。相較于以往在道路工程中的其他檢測(cè)方法，紅外熱成像技術(shù)有著直觀、非接觸、輕便、快捷等優(yōu)勢(shì)，目前在道路工程中主要應(yīng)用于溫度離析檢測(cè)、路面脫空檢測(cè)、透水率檢測(cè)以及公路監(jiān)控等方面。
紅外熱成像技術(shù)的基本原理
檢測(cè)時(shí)，紅外熱像儀的物鏡收集被測(cè)物體向外輻射的紅外線能量，掃描器將能量匯集至紅外探測(cè)器上，將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)放大器和信號(hào)處理器輸出反應(yīng)物體表面溫度場(chǎng)分布熱像圖的電子信號(hào)，最后在終端顯示器上顯示紅外熱像圖。為了便于計(jì)算機(jī)的運(yùn)算及存儲(chǔ)，首先需要將圖像數(shù)字化，其基本單位為像素，像素亮度以灰度表示，分為256階。圖像處理就是將圖像的灰度分布視為一連串整數(shù)的集合，經(jīng)過(guò)一系列運(yùn)算之后進(jìn)行特定的分析加工處理，與此相關(guān)的研究?jī)?nèi)容甚多，包括圖像的模數(shù)轉(zhuǎn)化、圖像的表示與描述、圖像特征比對(duì)等。圖像特征比對(duì)的目的是使具有相同或相似特征的物體產(chǎn)生關(guān)聯(lián)，以便于圖像的辨認(rèn)和分類，比對(duì)時(shí)，將物體的特征與計(jì)算機(jī)中預(yù)存的原型對(duì)比，若相似度或者非相似度小于或大于預(yù)設(shè)閾值，則二者比對(duì)成功。黃新等通過(guò)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，物體正面輻射的能量最大，但隨著觀測(cè)角度從0°～90°的變化，紅外熱像儀與建筑的距離逐漸增大，大氣透過(guò)率隨之減小，紅外熱像儀接收到的能量也逐漸減少，這樣便會(huì)導(dǎo)致測(cè)溫結(jié)果產(chǎn)生誤差，從而降低圖像的利用價(jià)值。經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)仰角在45°之內(nèi)，且水平傾角在30°內(nèi)時(shí)，拍攝觀測(cè)到的圖像最清晰，利用價(jià)值最高。雖然現(xiàn)在已知的紅外熱成像儀的檢測(cè)方法已經(jīng)有了很大的進(jìn)步，但就目前技術(shù)手段來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)處理仍然不是很精確，MASER等通過(guò)建立簡(jiǎn)單的物理模型，以及對(duì)這些模型進(jìn)行參數(shù)化研究來(lái)校驗(yàn)紅外熱像儀的數(shù)據(jù)，并將其作為解釋各種條件下的信號(hào)響應(yīng)的有效手段。
紅外熱成像儀在道路工程中的研究目前，我國(guó)針對(duì)各類路面病害的檢測(cè)方法有很多種，且各有優(yōu)劣。紅外熱像儀以其便捷、較快速、無(wú)損的檢測(cè)特性，能夠高效準(zhǔn)確地檢測(cè)、監(jiān)測(cè)路面病害情況，提高道路工程的施工質(zhì)量。檢測(cè)溫度離析溫度離析是指由于瀝青混合料攤鋪溫度不均引起的路面質(zhì)量差異，嚴(yán)重離析的路面壽命甚至能減少50%。一些常見(jiàn)的路面早期病害，如局部嚴(yán)重轍槽、裂縫、局部泛油、坑槽、唧漿、表面破損、松散、新鋪瀝青混凝土路面的構(gòu)造深度不均等，這些病害均與溫度離析有關(guān)。瀝青混凝土在攤鋪過(guò)程中有一定的溫度限制，溫度偏低，會(huì)導(dǎo)致瀝青不易壓實(shí)；溫度過(guò)高，則瀝青容易老化。為了改善路面施工質(zhì)量，減少早期病害的出現(xiàn)，必須減少溫度離析的發(fā)生。因此，在施工過(guò)程中對(duì)混合料的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)是很有必要的。
用紅外熱成像儀檢測(cè)溫度離析具有天然的優(yōu)勢(shì)，紅外熱像儀通過(guò)確定最佳拍攝距離，對(duì)瀝青混合料施工出站和進(jìn)場(chǎng)、攤鋪?zhàn)鳂I(yè)等各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行溫度檢測(cè)，判斷瀝青混合料在施工作業(yè)過(guò)程中的溫度離析情況。
胡力群等在研究中提出了溫度離析度的概念，溫度離析度是評(píng)價(jià)瀝青混合料溫度離析的重要指標(biāo)，涵蓋了溫差和低溫區(qū)域的面積，并考慮了瀝青混合料的最低碾壓溫度。
李美華通過(guò)研究得出: 瀝青混合料碾壓溫度越高，密度越大，空隙率越小; 瀝青混合料溫度變化越大，溫度離析越嚴(yán)重，其密度、空隙率指標(biāo)就越低。另外值得一提的是，紅外熱成像儀只局限于檢測(cè)路面表面溫度，路面內(nèi)部溫度需要現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)。
劉書(shū)堂通過(guò)運(yùn)料、攤鋪、碾壓3個(gè)過(guò)程中瀝青混合料溫度紅外檢測(cè)的試驗(yàn)研究，得出溫度離析在不同過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)的位置，并針對(duì)不同類型的溫度離析提出改善溫度離析的方案。
李強(qiáng)等的研究表明，用紅外熱像儀可以準(zhǔn)確測(cè)量出發(fā)生在卸料車(chē)上、攤鋪機(jī)進(jìn)料口處、攤鋪機(jī)螺旋布料器大軸后的溫度離析，并且準(zhǔn)確找出路面溫度離析的區(qū)域，從而采取相應(yīng)的措施加以改善。
李秀鳳利用有限元研究方法對(duì)路表溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，確定了路表溫度場(chǎng)的變化規(guī)律，以及缺陷形狀與表面溫度場(chǎng)分布的初步定性關(guān)系，并用紅外熱像儀探測(cè)路表溫度場(chǎng)，證明了紅外檢測(cè)的可行性。
CHEN等采用紅外熱成像技術(shù)和方差分析統(tǒng)計(jì)方法研究了瀝青路面檢修孔處溫度變化的差異，結(jié)果顯示，在檢修孔和非檢修孔處的瀝青混凝土溫差為24～58℃，表明紅外熱成像技術(shù)可以根據(jù)瀝青混凝土的溫度均勻性來(lái)衡量路面施工質(zhì)量，為路面施工與檢測(cè)、監(jiān)測(cè)提供了一種快速、經(jīng)濟(jì)的解決方案。
JONSSON等研究發(fā)現(xiàn)，在潮濕、下雪或結(jié)冰的路面條件下，紅外熱像儀的地表溫度讀數(shù)比傳統(tǒng)的地面?zhèn)鞲衅鳙@取的數(shù)據(jù)更可靠，并通過(guò)檢查車(chē)輪軌道間的溫度如何不同于參考的干燥路面條件來(lái)檢測(cè)道路狀況的變化。
目前，瀝青混合料溫度離析的檢測(cè)方案仍有很多種，但采用紅外熱成像儀對(duì)瀝青混合料生產(chǎn)及瀝青路面施工過(guò)程中的溫度進(jìn)行追蹤檢測(cè)，可以直觀反映出瀝青混合料在生產(chǎn)、施工過(guò)程中的溫度變化以及溫度離析情況，并能快速、無(wú)損地檢測(cè)出溫度離析發(fā)生的位置，對(duì)路面質(zhì)量的控制有較大的研究意義。
檢測(cè)脫空病害瀝青混凝土路面的脫空現(xiàn)象是常見(jiàn)危害，其指的是路面結(jié)構(gòu)層的不連續(xù)接觸現(xiàn)象，通常表現(xiàn)為因混凝土面層與路基或?yàn)r青層之間的分離而產(chǎn)生的空隙。同時(shí)，脫空的存在也是瀝青混凝土路面產(chǎn)生其他病害的誘因之一。
大量的理論和試驗(yàn)證明，運(yùn)營(yíng)中的瀝青混凝土路面，其基礎(chǔ)的局部脫空現(xiàn)象是客觀存在的，特別是瀝青混合料修筑的水泥混凝土路面。且根據(jù)道路試驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果證明：在水泥混凝土路面縫邊、板腳處，由于唧泥所引起的水泥混凝土板下脫空現(xiàn)象大量存在。由此可以推斷在瀝青混凝土路面同樣會(huì)出現(xiàn)類似情況。
瀝青混凝土路面板底脫空帶來(lái)的影響十分嚴(yán)重，瀝青混凝土路面板脫空時(shí)的受力狀態(tài)與懸臂板結(jié)構(gòu)類似，在運(yùn)動(dòng)荷載作用下會(huì)產(chǎn)生過(guò)量的撓曲變形和拉應(yīng)力，而降低路面的疲勞壽命，使路面被迫過(guò)早地進(jìn)行維修或重建；其次，瀝青混凝土路面板底脫空后，路面板錯(cuò)臺(tái)和斷裂等病害會(huì)相繼出現(xiàn)，從而造成病害路面車(chē)輛行駛質(zhì)量不佳，嚴(yán)重?fù)p耗車(chē)輛，并使運(yùn)輸成本增加，有時(shí)甚至?xí)T發(fā)嚴(yán)重的交通事故。
目前，使用紅外熱成像技術(shù)在瀝青混凝土路面檢測(cè)的實(shí)例并不多見(jiàn)，但紅外熱成像技術(shù)在檢測(cè)其他方面的脫空病害時(shí)已經(jīng)進(jìn)行了許多試驗(yàn)，圖2為紅外熱成像脫空檢測(cè)的結(jié)果，說(shuō)明其可以應(yīng)用在瀝青路面的檢測(cè)中。
高才坤等用紅外熱成像法檢測(cè)脫空，檢測(cè)時(shí)，鋼筋混凝土面板和墊料層的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)比空氣介質(zhì)的高，根據(jù)熱傳導(dǎo)性能的差異，可以根據(jù)升溫、降溫的快慢來(lái)判斷是否脫空，所以用紅外熱成像技術(shù)檢測(cè)脫空病害存在著良好的物理?xiàng)l件；并且還提到該方法同樣可以應(yīng)用于公路、鐵路、水電等混凝土施工項(xiàng)目的質(zhì)量檢查中,推廣應(yīng)用前景廣闊。
張永健等采用紅外熱成像檢測(cè)法檢測(cè)路面脫空，并通過(guò)鉆孔校驗(yàn)試驗(yàn)證實(shí)了紅外熱像與混凝土路面結(jié)構(gòu)底部結(jié)構(gòu)狀況之間具有一定的相關(guān)性，體現(xiàn)了紅外熱成像儀檢測(cè)脫空病害的可行性。當(dāng)該技術(shù)成功應(yīng)用于高速公路舊路面改造工程中時(shí)，可準(zhǔn)確地對(duì)混凝土路面脫空進(jìn)行探測(cè)，提高工作效率。
在最佳試驗(yàn)條件和環(huán)境條件下，使用被動(dòng)熱激勵(lì)的紅外熱成像儀能夠有效地檢測(cè)出所有淺層脫層缺陷，并可以確定淺分層缺陷的區(qū)域范圍，KEE等研究發(fā)現(xiàn)，夜間冷卻效應(yīng)可用于檢測(cè)淺層和深層分層，比白天加熱效應(yīng)的圖像更為清晰，并且紅外數(shù)據(jù)沒(méi)有具體的標(biāo)準(zhǔn)限制，因?yàn)閿?shù)據(jù)在一定溫度范圍內(nèi)是可變的。
NEHDI等通過(guò)研究得出：與以視覺(jué)直觀檢查(VI)為主的傳統(tǒng)無(wú)損檢測(cè)方法相比，紅外熱像儀利用遙感和數(shù)據(jù)處理技術(shù)，以混凝土表面溫度對(duì)比的形式得到橋面分層圖；探地雷達(dá)以短暫脈沖電磁能量為媒介探測(cè)混凝土橋面腐蝕位置和程度，得出狀態(tài)圖。兩者結(jié)果具有較好的一致性，從而證明了紅外熱像儀的有效性及良好的發(fā)展前景。
HIASA等通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)處理和迭代試驗(yàn)，并結(jié)合有限元模型模擬計(jì)算，得出一種較為符合當(dāng)前紅外熱成像測(cè)量數(shù)據(jù)閾值分析處理的方法。這種方法可以較為直觀地檢測(cè)出1.27～2.54
cm深度的混凝土板的分層區(qū)域。值得一提的是，分層區(qū)域的邊界條件會(huì)影響分析數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，但在真實(shí)環(huán)境中可以忽略，盡管該方法具有一定的局限性，但是對(duì)于實(shí)現(xiàn)紅外熱成像數(shù)據(jù)的自動(dòng)分析以及監(jiān)測(cè)檢測(cè)分層區(qū)域的效率提升上有很大幫助。
SUN等利用紅外熱像儀對(duì)深埋隧道的低鼓缺陷展開(kāi)分析，并通過(guò)對(duì)隧道斷面變形的監(jiān)測(cè)提出微斜巷道低鼓的破壞機(jī)理。
用紅外熱成像法檢測(cè)路面脫空病害的基本原理為：在陽(yáng)光照射下，面板吸收來(lái)自陽(yáng)光的輻射熱量，存在脫空的面板區(qū)域的空氣熱傳導(dǎo)性能差，溫度升高較快，非脫空區(qū)的面板的熱量易向壩體深部傳導(dǎo)，溫度升高較慢；在夜間，不論是脫空區(qū)還是非脫空區(qū)，其白天吸收的熱量通過(guò)面板向空氣輻射，面板溫度下降；脫空區(qū)面板下層空氣熱傳導(dǎo)率低，不易得到壩體熱量補(bǔ)充而使該部位溫度相對(duì)較低；非脫空區(qū)的面板由于其下的墊層料熱傳導(dǎo)率比空氣的高，更易得到壩體熱量補(bǔ)充而使該部位溫度相對(duì)較高。
紅外熱成像技術(shù)在檢測(cè)路面脫空上，有著熱導(dǎo)介質(zhì)等天然的物理?xiàng)l件，目前有研究者正在利用一些有損檢測(cè)方法來(lái)驗(yàn)證無(wú)損檢測(cè)方法的準(zhǔn)確性，種種現(xiàn)象證明紅外熱成像技術(shù)在道路工程上有著廣闊的應(yīng)用前景。
檢測(cè)瀝青透水性瀝青路面在使用過(guò)程中，地表水由裂縫或空隙自然滲入，又或是因某些其他因素被動(dòng)進(jìn)入路面結(jié)構(gòu)。由于這些滲入水的存在，集料表面瀝青會(huì)發(fā)生乳化或剝離現(xiàn)象，會(huì)使瀝青混合料結(jié)構(gòu)松散，甚至形成更為嚴(yán)重的唧漿和坑槽病害。路面滲水若不被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，則會(huì)加快功能性病害向結(jié)構(gòu)性病害的發(fā)展，因此，在早期快速準(zhǔn)確地檢測(cè)和評(píng)價(jià)瀝青路面的透水性也就至關(guān)重要。
目前，一些學(xué)者通過(guò)研究空隙率、滲水系數(shù)與表面溫度差的關(guān)系，得出瀝青路面的透水性與表面溫差具有較好的相關(guān)性，這為用紅外測(cè)溫技術(shù)評(píng)價(jià)路面的透水性提供了理論依據(jù)。
李志棟等通過(guò)分析路表溫度場(chǎng)與透水性的相關(guān)性，開(kāi)發(fā)了一種瀝青路面透水性紅外差熱檢測(cè)儀，得出通過(guò)用紅外測(cè)溫技術(shù)檢測(cè)路面溫度差異，進(jìn)而評(píng)價(jià)瀝青路面透水性是可行的。
用紅外熱成像技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)，可以對(duì)路面的透水性進(jìn)行識(shí)別和評(píng)價(jià)，對(duì)阻止路面的進(jìn)一步惡化具有重要意義。
高速公路監(jiān)控中的應(yīng)用紅外熱成像技術(shù)在道路工程中應(yīng)用廣泛，除對(duì)道路的施工、養(yǎng)護(hù)等有檢測(cè)作用外，在道路日常監(jiān)控中也有巨大的用處。在晴朗的白天，普通監(jiān)控系統(tǒng)足以應(yīng)對(duì)道路中的監(jiān)控，但在有雨、雪、霾等天氣及光線較弱的夜間就無(wú)能為力。紅外熱成像技術(shù)可排除外界自然環(huán)境的影響，其利用紅外探測(cè)器，將道路上行駛的目標(biāo)與背景轉(zhuǎn)化成灰度圖像坐標(biāo)系，通過(guò)灰度值的大小反應(yīng)視覺(jué)場(chǎng)中的信息。場(chǎng)景中行人、動(dòng)物等生物的輻射溫度要比物體的輻射溫度高，成像的灰度也相對(duì)較高，圖像中呈現(xiàn)的背景較亮；輻射的溫度越低，成像的灰度越小，圖像中呈現(xiàn)的背景越暗。
康雪雪等根據(jù)此原理設(shè)計(jì)了基于車(chē)載紅外夜視儀的道路行人檢測(cè)與識(shí)別方法，能得到同一時(shí)空的目標(biāo)與背景在灰度圖像坐標(biāo)系的相對(duì)位置，再利用灰度差異進(jìn)行一些前期處理，就可對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別，并可在危險(xiǎn)距離內(nèi)對(duì)司機(jī)發(fā)出警報(bào)。該研究擴(kuò)大了司機(jī)的行駛視野、能對(duì)潛在危險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)警，在提高汽車(chē)輔助安全駕駛性能方面有著一定的實(shí)用價(jià)值和重要理論意義。
劉衛(wèi)平等在車(chē)輛輔助駕駛中提到，將紅外熱成像技術(shù)和微光技術(shù)相結(jié)合，利用機(jī)械設(shè)計(jì)和光學(xué)設(shè)計(jì)，將紅外熱成像儀固定在車(chē)輛表面，經(jīng)過(guò)電路處理將視頻輸出到液晶顯示屏上，司機(jī)可通過(guò)液晶顯示屏的道路圖像輔助駕駛，并且使用時(shí)避免了頭盔式微光夜視儀需戴在頭上的缺點(diǎn)，克服了長(zhǎng)期使用產(chǎn)生疲勞的問(wèn)題。
紅外熱成像技術(shù)應(yīng)用于高速公路的監(jiān)控，具有監(jiān)控質(zhì)量不受自然環(huán)境影響的優(yōu)勢(shì)，能更好地對(duì)高速公路進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，提高駕駛安全系數(shù)，對(duì)保障駕駛員、乘客以及行人的生命財(cái)產(chǎn)安全具有非常重要的意義。
結(jié)語(yǔ)與展望
1紅外熱成像儀可以精確直觀地檢測(cè)出瀝青路面施工攤鋪過(guò)程或者轉(zhuǎn)運(yùn)混合料過(guò)程中發(fā)生溫度離析的地方，從而幫助人們采取措施預(yù)防早期危害的發(fā)生。
2紅外熱成像同樣能直觀地檢測(cè)出路面發(fā)生脫空危害的部位，能很好地遏制因脫空帶來(lái)的次生危害。
3基于紅外熱成像技術(shù)的紅外透水性檢測(cè)儀能通過(guò)檢測(cè)瀝青路面溫度差異來(lái)評(píng)價(jià)路面的透水性，較傳統(tǒng)的定點(diǎn)式滲水儀有更為絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。
4紅外熱成像技術(shù)在監(jiān)控中的應(yīng)用也取得了顯著的成果，相較以往的傳統(tǒng)攝像頭，所能帶來(lái)的效益有了很大的提升。
5未來(lái)，現(xiàn)代紅外熱成像儀在道路工程中的研究應(yīng)朝著以下幾方面發(fā)展：將檢測(cè)效果由定性轉(zhuǎn)變?yōu)槎浚慌c其他無(wú)損檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合，優(yōu)化檢測(cè)方案；采用適合不同環(huán)境變量下的多樣化激勵(lì)方式，以實(shí)現(xiàn)更快速、精確的檢測(cè)；信息處理方式上要更加精確，并且處理模式上應(yīng)由人工向智能方向發(fā)展。
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