Page 61 - 2022年第53卷第1期

在热辐射理论中，黑体被认为是一个假设的理想体，其既是完全的吸收体，亦是完全的辐射
体，按照 Planck 定律 ［34］ 辐射出一个连续的光谱：
)
E (λ，T = 2πhc 2 （1）
5 hc/kTλ -
λ ( exp ) 1
式中：E (λ，T )为辐射出射度，即单位时间内从单位面积上辐射出的能量，W/m ； λ为辐射波长，
2
-34
μm；T 为 热 力 学 温 度 ， K； h为 普 朗 克 常 数 ， 取 值 为6.66 × 10 J × s ； k 为 玻 尔 兹 曼 常 数 ， 取 值 为
-23 J/K ；c = 2.998 × 10 m/s为光速。
8
1.3806 × 10
在所有光谱频率上对 Planck 定律积分便得 Stefan-Boltzmann 定律 ［35］ ：
E ( ) = σT 4 （2）
T
T
2
4
2
式中：E ( )为总辐射出射度，W/m ；σ = 5.6697 × 10 -8 W/(m K )为 Stefan-Boltzmann 常数。
对于真实物体（非黑体），辐射定律则为：
T
E ( ) = εσT 4 （3）
式中ε为物体的比辐射率。黑体的比辐射率为 1，真实物体的比辐射率往往小于 1。

图 1 红外电磁波在电磁频谱中的位置
辐射定律建立了电磁辐射与热力学温度之间的转换关系，它指出物体每单位面积发射的电磁能
（辐射功率） 与绝对温度及其发射率呈正相关关系。由于特定对象的发射率通常变化甚微，故当被测
对象的辐射能越大时，其绝对温度也相应越高。利用红外传感器感测被测物的辐射场，通过换算可
得其对应的温度场，最后将温度场按一一对应的关系映射到特定的颜色空间便可获得形象直观的红
外热图像。通过识别热像图上的图像信息，理论上可达到间接识别土石堤坝渗漏的目的。

3 土石堤坝渗漏红外热成像探测试验设计

3.1 土坝模型设计与制作 现役土石堤防截面常为梯形，高度高出堤内 3～10 m，迎水面和背水面
坡比通常在 1∶1～1∶4 之间。由于本试验的主要目的是借助图像技术解决土石堤坝渗漏出口的快速识
别问题，重点关注渗漏出口的红外图像特征及规律，而暂不对坝体内部渗流场性态进行定量分析，
因此试验主要满足几何相识条件，模型几何相似比约在 1∶10～1∶25 之间。
试验在如图 2 所示的人工混凝土 U 型河道模型上开展，河道顺河向长 2000 mm，净宽 1700 mm，
最大深度 500 mm，河床底部距地面高 500 mm，河道上游建蓄水池。考虑到水温对试验影响较大，过
大或过小的水体均难以模拟实际江河水温的时变规律，本试验露天蓄水池平均净长为 7000 mm，净
宽 1700 mm，池内水深控制在 700 mm。坝后库水从蓄水池距水面 500 mm 处取水。用普通烧结砖筑成
最大高度为 390 mm 的溢流墙将河道从上游末端截断。溢流墙上离河床底部 230 mm 高度处设置溢流
孔。

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