曾延安，張 超，元秀華，張南洋生，朱 兵，張 力

(華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院，湖北武漢 430074)

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便攜式SF6氣體紅外光譜成像檢漏儀

曾延安，張 超，元秀華，張南洋生，朱 兵，張 力

(華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院，湖北武漢 430074)

針對電力行業(yè)對SF6氣體泄漏檢測的需要，研制一款基于非制冷紅外焦平面陣列(UFPA)的SF6氣體紅外光譜成像檢漏儀。綜合運(yùn)用了光譜濾波、氣流軌跡紅外圖像提取與增強(qiáng)算法等技術(shù)手段來提高檢漏儀對泄漏SF6氣體的探測能力；并利用OMAP3530高速處理器作為系統(tǒng)核心，配合嵌入式Linux操作系統(tǒng)的多線程設(shè)計(jì)，保證圖像采集、算法處理、LCD顯示以及觸屏控制等功能的順利實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)測試和現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，該檢漏儀性能穩(wěn)定，攜帶方便，能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確檢測到微量SF6氣體泄漏，檢測結(jié)果直觀清晰，與同類國外產(chǎn)品相比價(jià)格優(yōu)勢明顯，具有很好的推廣價(jià)值。

非致冷紅外焦平面陣列;紅外成像；對比度增強(qiáng)；SF6氣體

0 引言

SF6氣體作為優(yōu)異的絕緣和滅弧材料，在電氣工業(yè)領(lǐng)域的高壓設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用[1]。然而由于外力損壞或設(shè)備老化等多方面原因造成的SF6氣體泄漏時(shí)有發(fā)生。一旦設(shè)備中SF6氣體濃度降低，將導(dǎo)致其滅弧和絕緣性能大幅下降，給電力設(shè)備的安全運(yùn)行帶來嚴(yán)重隱患，因此必須及時(shí)檢查SF6氣體發(fā)生泄漏的情況。目前國內(nèi)外市場現(xiàn)有SF6氣體成像檢漏儀產(chǎn)品主要基于兩種不同的檢測技術(shù)，即激光成像檢測技術(shù)和制冷型紅外焦平面成像檢測技術(shù)[2]。前類產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜龐大，而且對檢測背景要求較高，在激光照射過程中還容易危及人身健康；后類產(chǎn)品雖克服上述問題，但需要附加制冷設(shè)備，因此同樣存在不便攜帶、功耗高等缺點(diǎn)。

目前非制冷紅外焦平面陣列(UFPA)發(fā)展迅速，與制冷型紅外焦平面相比，其在體積、質(zhì)量、功耗、成本等多個(gè)方面都具有明顯優(yōu)勢，但因?yàn)槠潇`敏度尚不及制冷型紅外焦平面[3]，在采用UFPA對SF6氣體檢漏時(shí)，成像畫面中泄漏氣體和環(huán)境背景的紅外圖像特征對比度偏低，難以有效辨識泄漏氣流軌跡，因此UFPA在SF6氣體檢漏領(lǐng)域的應(yīng)用尚處于研究階段。為此，文中綜合運(yùn)用光學(xué)與圖像處理手段來提高SF6氣流軌跡與環(huán)境背景在紅外圖像中的對比度。首先根據(jù)SF6氣體的光譜吸收特性，采用光譜濾波法有效降低環(huán)境背景輻射干擾；同時(shí)設(shè)計(jì)了氣流軌跡紅外圖像提取與增強(qiáng)算法，對UFPA輸出紅外圖像中泄漏SF6氣流軌跡區(qū)域進(jìn)行提取和增強(qiáng)，從而實(shí)現(xiàn)SF6泄漏氣體的現(xiàn)場實(shí)時(shí)成像檢測。在此基礎(chǔ)上研制出一款適合現(xiàn)場應(yīng)用的便攜式SF6氣體UFPA紅外成像檢漏儀。

1 儀器工作原理與組成

1.1 儀器工作原理

本文所研制的便攜式SF6氣體紅外成像檢漏儀是利用SF6氣體的光譜吸收特性和UFPA成像探測原理[4]工作的。SF6氣體在紅外波段10.55 μm處存在最強(qiáng)吸收峰。當(dāng)視場中存在SF6泄漏氣體時(shí)，波長為10.55 μm的紅外線將會(huì)被SF6強(qiáng)烈吸收，導(dǎo)致SF6流經(jīng)之處的紅外輻射場減弱，根據(jù)SF6泄漏氣流目標(biāo)與環(huán)境背景所具有的不同紅外輻射特性，能夠發(fā)現(xiàn)氣體泄漏情況，進(jìn)而定位漏點(diǎn)。然而，當(dāng)UFPA對待測現(xiàn)場進(jìn)行成像檢測時(shí)，SF6泄漏氣流與環(huán)境背景的紅外圖像差異微弱，需要進(jìn)行對比度增強(qiáng)處理以提高儀器對泄漏氣體的識別能力。本文所設(shè)計(jì)的SF6氣體檢漏系統(tǒng)首先依據(jù)SF6光譜特性和UFPA探測器光譜響應(yīng)特性對待測視場紅外輻射信號進(jìn)行光譜濾波處理；然后依據(jù)SF6氣流運(yùn)動(dòng)目標(biāo)在紅外視頻圖像序列中的所具有的時(shí)間無關(guān)性，以及環(huán)境背景在一定時(shí)間范圍內(nèi)所具有的時(shí)間相關(guān)性，設(shè)計(jì)了氣流紅外圖像提取算法實(shí)現(xiàn)SF6氣流軌跡與環(huán)境背景圖像的區(qū)分，最后對SF6氣流軌跡區(qū)域再進(jìn)行局部增強(qiáng)，從而提高檢漏系統(tǒng)對現(xiàn)場泄漏SF6氣體的識別能力。

1.2 儀器組成

本文所設(shè)計(jì)的SF6氣體紅外成像檢漏儀是一種便攜式、低功耗、實(shí)時(shí)檢測性能強(qiáng)的紅外成像檢測設(shè)備。為此，系統(tǒng)采用OMAP3530雙核處理器作為控制核心，利用ISC0601型UFPA探測器，配合相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路和紅外光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對泄漏SF6氣體的紅外光譜成像探測，并通過LCD觸屏進(jìn)行操作和觀察。所構(gòu)建的儀器硬件檢測平臺框圖如圖1所示。

圖1 儀器組成框圖

設(shè)備核心處理器OMAP3530芯片內(nèi)部集成了ARM Cortex-A8和TMS320C64x DSP兩個(gè)內(nèi)核，其中ARM核負(fù)責(zé)運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)，方便實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)初始化、圖像采集、多線程任務(wù)調(diào)度和LCD顯示及界面按鍵處理等工作。DSP核負(fù)責(zé)運(yùn)行DSP/BIOS系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)圖像處理算法。兩個(gè)內(nèi)核協(xié)同工作，為儀器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測提供強(qiáng)大軟硬件支持。

在設(shè)備UFPA組件部分中，探測器ISC0601是采用氧化釩材料的微測輻射熱計(jì)原理設(shè)計(jì)的，其NETD達(dá)到35 mK(F1.0,25 ℃)，適用于微弱紅外輻射探測。該探測器有效像元為320(H)×240(V)，像元面積為25 μm×25 μm，填充率為52%，幀率為30 Hz，在10.5 μm附近有響應(yīng)峰值(如圖2所示)，符合系統(tǒng)光譜匹配的探測要求。通過合理設(shè)計(jì)ISC0601探測器的驅(qū)動(dòng)電路、放大電路和A/D轉(zhuǎn)換電路，配合OMAP3530的時(shí)序信號控制，可使ISC0601探測器輸出相應(yīng)的同步信號和模擬圖像數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場紅外圖像的采集。

圖2 ISC0601的光譜響應(yīng)曲線

在紅外光學(xué)系統(tǒng)中，將光學(xué)帶通濾光片的中心波長設(shè)計(jì)為10.55 μm，帶寬為200 nm，有效抑制環(huán)境中其他波段紅外輻射干擾，一定程度上提高了泄漏SF6氣流軌跡與環(huán)境背景在紅外圖像中的對比度。當(dāng)視場中紅外輻射信號通過光學(xué)系統(tǒng)到達(dá)UFPA表面后，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換，輸出信號的電壓值可根據(jù)普朗克定律[5]由式(1)求出。該模擬信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后以14 bit像素?cái)?shù)據(jù)形式并行傳輸給OMAP3530處理器。

(1)

式中：λ為10.45～10.65 μm范圍的波段；R(λ)為探測器光譜相應(yīng)率；T為目標(biāo)物體自身溫度；ε為相同條件下目標(biāo)物體與同溫黑體的輻射功率比；C1和C2為常數(shù)；τ(λ)為濾光片對不同波長的透過率。

2 氣流軌跡紅外圖像提取與增強(qiáng)算法

現(xiàn)場待測環(huán)境中SF6氣體泄漏量通常較少，盡管采用了濾光片進(jìn)行光譜濾波處理，但由于UFPA靈敏度有限，所以紅外圖像中作為識別目標(biāo)的SF6氣流軌跡,在復(fù)雜的環(huán)境背景中不易發(fā)現(xiàn)。對此，設(shè)計(jì)了基于紅外視頻的氣流軌跡紅外圖像提取與增強(qiáng)算法，以進(jìn)一步提高氣流軌跡與背景圖像的對比度，從而實(shí)現(xiàn)SF6氣體檢漏。該算法包括氣流軌跡提取和局部增強(qiáng)處理兩個(gè)部分。前者主要利用氣流擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的特征進(jìn)行SF6氣流軌跡的識別定位，進(jìn)而利用Hadamard積運(yùn)算原理[6]實(shí)現(xiàn)對紅外圖像中SF6氣流軌跡的提取。后者負(fù)責(zé)對提取的氣流軌跡紅外圖像進(jìn)行灰度變換，從而使其在成像畫面中更易辨識。

2.1 氣流軌跡圖像提取

將SF6泄漏氣體的氣流軌跡從紅外圖像中提取出來，準(zhǔn)確識別出氣流軌跡區(qū)域是該算法的關(guān)鍵內(nèi)容。由于泄漏SF6氣流具備運(yùn)動(dòng)特征，使得其軌跡在紅外視頻圖像序列中具有時(shí)變特性，而環(huán)境背景相比SF6氣流在時(shí)間上具有緩變特征，可認(rèn)為在一次測量中近似具有時(shí)不變特性。據(jù)此可對紅外視頻流中的泄漏氣體軌跡和緩變背景進(jìn)行閾值分割，從而實(shí)現(xiàn)SF6氣流軌跡區(qū)域和環(huán)境背景區(qū)域的區(qū)分[7]?？紤]到設(shè)備工作的高精度和實(shí)時(shí)性要求，本文所設(shè)計(jì)的氣流軌跡圖像提取算法對紅外視頻圖像序列綜合運(yùn)用了幀間局部鄰域相關(guān)運(yùn)算法和背景估計(jì)偏差運(yùn)算法來完成紅外圖像的閾值分割，前者側(cè)重描述幀間短時(shí)間內(nèi)圖像中具有時(shí)變特性的區(qū)域,適合對氣流軌跡細(xì)節(jié)部分檢測和識別；后者側(cè)重描述一定時(shí)間范圍內(nèi)圖像中具有時(shí)變特性的區(qū)域，適合對氣流軌跡整體輪廓檢測識別，兩種方法相互補(bǔ)充，完成氣流軌跡和環(huán)境背景間的準(zhǔn)確閾值分割，在此基礎(chǔ)上將分割所得圖像與原圖進(jìn)行Hadamard積運(yùn)算，從而實(shí)現(xiàn)SF6泄漏氣流軌跡紅外圖像的提取。算法流程如圖3所示。

圖3 氣流軌跡圖像提取算法流程圖

(2)

(3)

式中T1為閾值。

(4)

(5)

(6)

2.2 局部增強(qiáng)

(7)

2.3 算法實(shí)現(xiàn)

文中所采用的氣流軌跡紅外圖像提取與增強(qiáng)算法運(yùn)算量大，為了保證實(shí)時(shí)性檢測，設(shè)備在硬件上采用OMAP3530的DSP核實(shí)現(xiàn)算法的高速運(yùn)算，而設(shè)備的工作控制部分由運(yùn)行于OMAP3530 ARM核的Linux系統(tǒng)應(yīng)用軟件實(shí)現(xiàn)，通過嵌入式Linux操作系統(tǒng)的多線程任務(wù)調(diào)度機(jī)制保證圖像采集、處理和顯示順利進(jìn)行。設(shè)備軟件主要有主線程、控制線程、圖像采集線程、圖像處理線程和顯示線程。其中圖像處理線程控制OMAP3530的DSP核實(shí)現(xiàn)圖像處理算法，其流程如圖4所示。

圖4 圖像處理線程流程圖

圖像處理線程首先完成ARM和DSP核的初始化參數(shù)配置，然后根據(jù)主線程中傳來的參數(shù)進(jìn)行圖像處理算法的創(chuàng)建；之后，圖像處理線程分別為采集線程、圖像處理線程和顯示線程申請合理的內(nèi)存空間，方便三個(gè)線程之間圖像數(shù)據(jù)的交互傳遞。內(nèi)存申請完畢后進(jìn)入等待，一旦其他線程都準(zhǔn)備就緒,就進(jìn)入圖像處理線程的循環(huán)中。該循環(huán)首先從采集線程和顯示線程中獲取圖像緩沖地址,然后調(diào)用DSP核對視頻圖像進(jìn)行基于氣流軌跡紅外圖像提取與增強(qiáng)算法的處理,處理后的結(jié)果保存在圖像緩沖地址中,最后將緩沖地址返回到顯示線程和采集線程中，并由顯示線程控制圖像顯示，由采集線程進(jìn)行下一幀圖像采集，從而實(shí)現(xiàn)對待測現(xiàn)場的實(shí)時(shí)成像檢測。

3 實(shí)驗(yàn)測試

實(shí)驗(yàn)測試中采用微流量控制氣閥來模擬SF6氣體泄漏，并配合流量計(jì)對泄漏速率進(jìn)行調(diào)節(jié)，圖5為室內(nèi)測試實(shí)物圖，其中圖5(a)為SF6模擬泄漏裝置，圖5(b)為本文設(shè)計(jì)開發(fā)的檢漏儀。

測試結(jié)果表明，儀器可以實(shí)現(xiàn)分辨率320×240，25幀/s的實(shí)時(shí)成像檢測，在表1所示環(huán)境下，對泄漏量的檢測精度能夠達(dá)到0.000 1 mL/s，檢測畫面具備灰度和偽彩切換顯示功能，方便在不同環(huán)境背景下獲取最佳顯示效果。圖6為該測試環(huán)境下檢測視頻畫面截圖，圖中氣團(tuán)即為泄漏的SF6氣流軌跡，由氣團(tuán)流動(dòng)的特征即可準(zhǔn)確判定泄漏點(diǎn)位置。

表1 測試條件

圖6 模擬泄漏檢測視頻畫面截圖

另外，現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明本文設(shè)計(jì)開發(fā)的檢漏儀能夠在室外復(fù)雜多變的環(huán)境中穩(wěn)定工作，檢測結(jié)果準(zhǔn)確直觀。由于儀器具備體積小、質(zhì)量輕(整機(jī)2 kg)、功耗低(≤5 W@25 ℃)等優(yōu)勢，因此攜帶方便，使用靈活，為電力維修人員的野外檢測工作提供了有力支持。圖7是在露天環(huán)境下對110 kV高壓開關(guān)A相進(jìn)行SF6氣體的檢漏結(jié)果，在現(xiàn)場檢測視頻畫面中，發(fā)現(xiàn)明顯的流動(dòng)SF6氣團(tuán)，經(jīng)進(jìn)一步斷電檢查，確認(rèn)是密封圈老化造成高壓設(shè)備中SF6氣體泄漏。

4 結(jié)束語

本文介紹一款基于UFPA的便攜式SF6氣體紅外光譜成像檢漏儀的設(shè)計(jì)開發(fā)過程。該設(shè)備采用光譜濾波以及氣流軌跡紅外圖像提取與增強(qiáng)算法等技術(shù)手段，配合OMAP3530硬件平臺將原本靈敏度有限的UFPA探測器成功應(yīng)用到SF6泄漏氣體紅外光譜成像檢測中，從而實(shí)現(xiàn)對泄漏SF6氣體檢測和漏點(diǎn)定位。與市場現(xiàn)有兩種類型SF6氣體成像檢漏儀相比,本檢漏儀具備功耗低、體積小、質(zhì)量輕、實(shí)用性強(qiáng)、操作簡單、成本低廉等諸多優(yōu)勢，能夠?yàn)殡娏π袠I(yè)進(jìn)行SF6氣體檢漏和漏點(diǎn)定位提供更加高效便攜的檢測工具。同時(shí)，本文提出的檢漏算法也為UFPA在氣體泄漏探測領(lǐng)域的進(jìn)一步擴(kuò)展提供了參考。目前該儀器已通過了湖北省計(jì)量院的技術(shù)測試(編號JL2012090836010)，并獲國家發(fā)明專利授權(quán)(專利號：201110367654.4)；在廣東省電網(wǎng)公司、湖北省恩施市電力局等單位得到試用，使用效果良好，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

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Portable Infrared Spectral Imaging Leakage Detector For SF6Gas

ZENG Yan-an，ZHANG Chao，YUAN Xiu-hua，ZHANG Nan-yang-sheng，ZHU Bing，ZHANG Li

(College of Optics and Electronic Information,Huazhong University of Science & Technology,Wuhan 430074,China)

To meet the power industry’s demand of SF6gas leakage detection,a kind of SF6 gas infrared spectral imaging leak detector was developed based on UFPA.This detector can improve leaked SF6 gas detecting ability by comprehensive use of technological means like spectral filtering,video image processing algorithm for extracting and enhancing the airflow trajectory of infrared image;To make sure the system function of algorithm processing,LCD display and touch screen control realized smoothly in image collection,it was equipped with OMAP3530 high-speed processor as its system core together with a multi-threaded design of embedded Linux operating system.The results of the experiment test and practical application show that this kind of leak detector is portable,performed stably and able to detect a small amount of gas leakage accurately.Compared with similar products at home and abroad,the new equipment have a great advantages in terms of price and it is of great practical value.

UFPA;spectral imaging;contrast enhancement;SF6gas

曾楊楊(1988—)，碩士研究生，主要研究方向?yàn)橹悄茈娋W(wǎng)、電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化。E-mail:619908860@qq.com 陳宇晨(1957—)，博士，教授，主要研究領(lǐng)域?yàn)橹悄茈娋W(wǎng)、電力系統(tǒng)運(yùn)行與控制。E-mail:yuchen1957@163.com

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61278051)；華中科技大學(xué)創(chuàng)建基金項(xiàng)目(2014TS047)

2015-01-21 收修改稿日期：2015-07-17

TH89

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1002-1841(2015)10-0023-04