（生物医学工程专业论文）地下输油管道红外图像的分析研究.pdf

a b s t r a c t b e c a u s eo fm a ni n d u c e do rn a t u r a lf a c t o r s , t h el e a k a g eo fp e t r o l e u mp i p e l i n ec a u s e s m o r et h a n10 0m i l l i o ny u a nl o s se v e r yy e a r m a n ym e t h o d sh a v eb e e ne x p l o r e df o r t h ed e t e c t i o no ft h ep i p e l i n el e a k a g e h o w e v e r , e a c hm e t h o dh a ss o m ed i s a d v a n t a g e s a n dn e i t h e ro ft h e mc a nd e t e c tt h el e a k a g eo fn o n m e t a l l i cp i p e l i n e t h e r e f o r e ，t a k i n g a d v a n t a g eo ft h ei n f r a r e dt h e r m a lr a d i a t i o no ft h ep e t r o l e u mp i p e l i n e ，w eu s e dt h e i n f r a r e dt h e r m a li m a g em e t h o dt od e t e c tt h ep e t r o l e u mp i p e l i n eu n d e r g r o u n da n dt o l o c a t ea n dd i r e c tt h ep i p e l i n ea n di t sb r a n c hs oa st op r o v i d eah e l p f u la s s i s t a n tt o d e t e c tt h el e a k a g eo ft h ep i p e l i n e a c c o r d i n gt o t h ec h a r a c t e r so ft h ep i p e l i n ei n f r a r e di m a g e ，t h i sp a p e rs t u d i e dt h e p r e p r o c e s s ，e n h a n c e m e n t ，s e g m e n t a t i o n ，m a t h e m a t i c a lm o r p h o l o g ya n ds k e l e t o n 打a c ki ni m a g ep r o c e s s 。f i r s t l y , w ea n a l y z e dt h es o u r c ea n dc h a r a c t e ro ft h ei n f r a r e d i m a g en o i s ea n dd e s i g n e dm e t h o d st or e m o v ei t b e s i d e sa n a l y z i n ga n dc o m p a r i n gt h e c h a r a c t e r so fd i f f e r e n ti m a g ee n h a n c e m e n tm e t h o d s ，w ea l s oc o n t r a s t e ds e v e r a l a d a p t i v es e g m e n t a t i o nm e t h o d sa n dp r o v e db yt h et h e o r e t i ca n a l y s i sa n de x p e r i m e n t r e s u l t st h a ti t e r a t i v es e g m e n t a t i o nb a s e do nt h er u l eo f m a x i m a ld i s t a n c ei nc l a s sc o u l d s e g m e n tt h ep i p e l i n ei n f r a r e di m a g ee f f e c t i v e l y b a s e do nb i n a r yi m a g e ，as e t o f m a t h e m a t i c a lm o r p h o l o g ym e t h o d sw e r eu s e dt og e tt h em a i nb o d yo ft h ep i p e l i n e t h e nw eu s e df r e e m a nc h a i n - c o d et ot r a c kt h es k e l e t o no ft h ep i p e l i n es oa st om a r k t h ep i p e l i n ea n di t sb r a n c h w ec o l l e c t e dal o to ft h ep i p e l i n ei n f r a r e di m a g e su n d e rd i f f e r e n te n v i r o n m e n ta n d c o n d i t i o n b ya n a l y z i n go ft h e s ei m a g e s ，i tw a sp r o v e dt h a tt h ei m a g ee n c h a n c e m e n t ， m a t h e m a t i c a lm o r p h o l o g ya n ds k e l e t o nt r a c kc o u l di m p r o v et h ei m a g eq u a l i f y e f f e c t i v e l ya n dl o c a t et h ep i p e l i n ea n di t sb r a n c he x a c t ly t k e yw o r d s ：i n f r a r e di m a g e , i m a g ee n h a n c e m e n ti m a g es e g m e n t a t i o n , m a t h e m a t i c a lm o r p h o l o g y , s k e l e t o nt r a c k 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘注盘茔或其他教育机构的学位或证 书丽使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：- 、o 也字蹴埘年忙月印日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘洼盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 糊一繇州，莨 翩签多h 撕r 签字日期：砷年他月，口目签字日期：d 掣本厂硝纠了 第一章绪论 1 1 本课题的研究意义 第一章绪论 由于输油管道的泄漏，以及不法分子的各种方式的非法盗油活动，油田因非 人为以及人为因素而损失的资金每年高达数亿元。而且，这种石油管道的泄漏和 非法盗油活动还会造成严重的环境污染。因此，输油管道的泄漏及漏油支管的检 测问题是一个亟待解决的技术难题。目前，输油管道泄漏检测的技术主要有：压 力波阵面检测法、放射物检测法、管道内检测法以及电磁波管道检测法。其中压 力波阵面检测法只适用快速泄漏的情况( 8 立方米小时) ；而放射物检测法会给 环境带来一定程度的污染；管道内检测法又不便于实时检测；电磁波管道检测法 则无法探测非金属管道。总之，在输油管道泄漏及漏油支管的检测的应用中，这 些已有的方法只能满足某方面的需求，不适于对慢速、长期的非金属支管漏油 进行检测及定位。 而由于地下管道中运行的石油是从地层深部通过高温高压后自流或人工提 取出的具有较高温度的液体。原油在地下输油管道中传输之前，需要进行加热到 4 0 - 8 5 。同时，在石油输送过程中为了补偿沿途损失的温度，一般设有加温站 对油流加温，从而使输油管道具有比较恒定的温度。地下输油管主管道为钢管 而漏油支管的材料可能是金属的，也可能是非金属的。但二者均能较好的传导热 量。埋在地下0 5 l m 土壤中的输油管道会向四周进行红外热辐射，其红外热辐 射能量不完全被土壤层吸收，会在相应的地表上反映出与其他区域的温度差异。 本课题依据目标和背景之间的温度差异来探测识别目标，采用红外热成像法检测 这些温度异常，推测地下输油管道的分布状态，对地下输油管道进行检测，探知 管道走向以及是否有漏油支管，并能够准确定位管道的分支点，为长期、慢速的 泄漏情况的检钡4 及准确定位提供了一种方便快捷的检测手段。 1 2 国内外研究现状 当今，红外热成像技术的发展已经有了革命性的变化，塌重要的进步表现在 探测器的光谱响应从短波扩展到长波： 探测器从单元发展到多元，从多元发展到焦平面； 第一章绪论 发展了种类繁多的探测器和系统； 从单波段探测向多波段探测发展： 从室温探测器发展到制冷型探测器，再从制冷型探测器发展到室温探测嚣。 从简单的信息处理技术发展到功能复杂而强大的信息处理技术。 这使红外技术从过去局部的、少数的应用发展到今天全面的、大规模的应用。 红外探测器是热成像技术的核心，探测器的技术水乎决定了热成像的技术水 平。使用h g c d t e 体材料，多元线列或小面阵探测器，复杂的光机扫描机构，中、 小规模集成电路构成的电子学，简单的信号处理，热图像的像素最多与黑白电视 图像相当。使用此类探测器的热像仪统称为第一代热像仪。典型例子：美国以光 导h g c d t e 6 0 元、1 2 0 元和1 8 0 元探测器为核心的通用组件热像仅，英国以s p r i t e 探测器为核心的通用组件热像仪。 第二代热像仪使用h g c d t e 体材料和薄膜材料，长线列或可以达到与黑白电 视图像像素相当的凝视型红外焦平面阵列( f o c a p l a n ea s s e m b l y f p a ) ，有 一定信号处理功能的大规模集成的读出电路，简单的光机扫描机构或无扫描机 构，大规模集成电路构成的电子学，复杂的信号处理，热图像的像素与与黑白电 视图像相当。在与第一代热像仪大致相同的条件下，作用距离和空间分辨率有明 显的提高。典型例子：法国s o f r a d i r 的长波h g c d t e2 8 8 4 扫描型f p a 的热像 仪，美国r a y t h e o n 公司的i n s b5 1 2 x5 1 2 凝视f p a 的热像仪。 第三代的特征是：使用h g c d t e 薄膜材料，长线列或可达到与高清晰度电视 图像像素相当的凝视型f p a ，有复杂信号处理功能的超大规模集成的读出电路， 简单的光机扫描机构或无扫描机构，大规模或超大规模集成电路构成的电子学， 很复杂的信号处理，热图像的画质达到高清晰度电视图像的水平。在与第二代热 像仪大致相同的条件下，作用距离和空间分辨率比第二代有明显的提高。典型例 子：美国s a n t ab a r b a r a 研究中心i n s b1 0 2 4 x i 0 2 4 凝视型f p a 。 第四代则开始使用h g c d t e 多层薄膜材料，超长线列或可以达到与高清晰度 电视图像像素相当的多光谱面阵f p a ，亚微米工艺集成的、信号处理功能强大的 读出电路，简单的光机扫描机构或无扫描机构，超大规模集成电路构成的电子学， 采用很复杂的信号处理和图像融合技术，可以得到多光谱、甚至全光谱的高清晰 度的“彩色”热图像。在与第三代热像仪大致相同的条件下，作用距离、空间分 辨率、信息量和数据处理能力比第三代有明显的提高。通过光学机械扫描，用单 元红外探测器就能获得目标的热图像，用多元红外探测器可以提高系统的性能 l 【】 红外焦平面阵列探测器f p a 有二大特征：一是探测元数量很大，到1 0 3 1 0 5 个探测元，以至于可以直接放在红外镜头的焦面上而无需光机扫描机构；二是探 第一章绪论 测器信号的读出、处理工作由与探测器芯片互连在一起的集成电路完成。f p a 又 分为制冷型和非制冷型两种。其中制冷型红外焦平面阵列具有较高的温度灵敏 度，但非制冷型红外焦平面阵列与致冷型低温工作光子型焦平面阵列相比，却具 有以下优点”1 ： 微测热辐射计阵列易于制成平面形状，可达到理想的热绝缘效果； 可与s i 集成电路工艺技术兼容，可以实现大批量生产； 无需致冷，从而使成本和组件的复杂性大大降低，可靠性提高。 到目前为止，国内外均开展了一些采用红外热成像法对输油管道进行普查检 测的研究，都采用飞机载运方式进行遥感测量，对地下输油管道进行测绘普查。 但对于跟踪探测细小的漏油管道分支方面的红外热成像研究尚无人涉足。 在图像处理领域，国内外的研究可谓百家争鸣，从图像预处理到图像增强， 从图像分割到数学形态学处理，包括图像的模式识别，均有较深入的研究。但是 针对红外图像的专用图像处理方法却比较少，尤其是针对输油管道的红外图像特 征分析的研究尚属空白领域。 1 , 3 本课题的主要研究内容 本课题采用国际领先的非制冷型红外焦平面阵列( i n f r a r e df p a ) 成像技术。 非制冷型红外焦平面阵列主要有电阻微测辐射热计阵列和热释电探测器阵列两 种，本课题采用前者。它将二维的光机扫描转化成二维阵列光电扫描，从而提高 了成像速度，可以达到2 5 帧每秒的视频速率，实现了实时成像。 这种非制冷红外焦平面阵列探测器配以相应快速的数字处理电路，将原始图 像数据通过u s b 口输出给笔记本电脑，就可以基于功能强大的p c 机实现图像的 实时显示和相应的处理以准确定位管道。并且，简单的结构使整机无论是体积还 是重量都很小，适合做成便携式，方便油田巡线人员单独作业。 本文在介绍红外热成像法探测地下输油管道的理论基础以及红外热成像系 统整体设计的基础上，研究了针对管道特征的红外图像处理算法，重点论述了在 输油管道的红外热图像的分析过程中，图像预处理、图像增强、图像分割和图像 数学形态学处理的应用特点。 本文的主要研究内容包括： 1 红外热成像法探测地下输油管道的理论基础； 2 输油管道的红外热成像系统简介； 3 红外图像的预处理及增强； 4 红外图像的分割； 第一章绪论 红外图像的数学形态学处理及骨架跟踪辅助识别 测量与实验结果的比较分析； 总结及展望。 第二章红外热成像法探测地下石油管道的理论基础 第二章红外热成像法探测地下石油管道的理论基础 2 1 红外热成像技术的理论基础 2 1 1 红外热辐射的理论基础 红外线通常指波长从07 s 至1 0 0 0um 的电磁波，红外波段的短波端与可见 光红光相邻，长波端与微波相接。红外与电磁频谱的其他波段一样以光速传播， 遵守同样的反射、折射、衍射和偏振辞定律。彼此差别只是波长、频率不同而已。 红外波谱段可进一步划分为： 表2 - 1 红外波谱段的划分 名称 又名波长范围( um ) 近红外短波红外 0 7 5 3 中红外 中波红外3 6 中远红外 长波红外 6 1 5 远红外 远红外 1 5 1 0 0 0 所有的物质，只要气温度超过绝对零度，就会不断辐射红外能量。1 9 0 0 年， 普朗克用量子弹论概念推导黑体辐射通量密度和其温度的关系以及按坡长 分布的辐射定律“： = 丁2 z d a c 2 南 ( 2 - 1 ) 式中：分谱辐射通量密度忙m 2 ，m ) ： 五 波长，彬； a 普朗克常数( 6 6 2 5 6 x 1 0 1 4 j j ) ： c 光速( 3 x 1 0 ”c m s ) ； 波耳兹曼常数( 1 3 8 1 0 。3 j k ) ； r 绝对温度，芷。 黑体辐射具有两个特性“1 斯忒藩一波耳兹曼公式： 斯忒藩一波耳兹曼公式： ：o r 4 ( 2 2 ) 第二章红外热成像法探测地下石油管道的理论基础 第二章红外热成像法探测地下石油管道的理论基础 2 1 红外热成像技术的理论基础 2 1 1 红外热辐射的理论基础 红外线通常指波长从0 7 5 至1 0 0 0 um 的电磁波，红外波段的短波端与可见 光红光相邻，长波端与微波相接。红外与电磁频谱的其他波段一样以光速传播， 遵守同样的反射、折射、衍射和偏振等定律。彼此差别只是波长、频率不同而已。 红外波谱段可进一步划分为： 表2 - i 红外波谱段的划分 名称又名波长范围( u i l l ) 近红外 短波红外 o 7 5 3 中红外 中波红外 3 6 中远红外长波红外 6 1 5 远红外 远红外 1 5 1 0 0 0 所有的物质，只要气温度超过绝对零度，就会不断辐射红外能量。1 9 0 0 年， 普朗克用量子理论概念推导黑体辐射通量密度畋和其温度的关系以及按波长兄 分布的辐射定律“： = 芋南( 2 - 1 ， 式中：分谱辐射通量密度矿( c 川2 。，册) ； 五波长，胛； 矗普朗克常数( 6 6 2 5 6 x 1 0 。4 j s ) ； c 光速( 3 1 0 ”c m s ) ； 女波耳兹曼常数( 1 3 8 x l o 。3 j k ) ； r 绝对温度，芷。 黑体辐射具有两个特性“1 ： 斯忒藩一波耳兹曼公式： 彤= o - t 4 ( 2 2 ) 第二章红外热成像法探测地下石油管道的理论基础 式中：盯斯忒藩一波耳兹曼常数： 7 绝对黑体的绝对温度，k 。 从式( 2 2 ) 可以看出：绝对黑体表面上，单位面积发出的总辐射能与绝对 温度的四次方成正比。对于一般物体来讲，传感器检测到它的辐射能量后就可以 用此公式概略推算出物体的总辐射能量或绝对温度t 。红外热成像就是利用这一 原理探测和识别目标物体的。 维恩位移定律： z 。t = 2 8 9 7 8r2 - 2 、 式中：“一黑体红外辐射的最大波长； 丁绝对黑体的绝对温度，足。 式( 2 3 ) 表明：黑体的绝对温度增高时，它的最大辐射本领向短波方向移 动。若知道了某物体温度，就可以推算出它所辐射的波段。在红外热成像技术上， 常用这种方法选择红外探测器和确定对目标物体进行红外热成像的最佳波段。 由普朗克定律可知，黑体热辐射仅依赖于波长和温度。然而，自然界中实际 物体的发射和吸收的辐射量都比相同条件下绝对黑体的低。而且，实际物体的辐 射不仅依赖于波长和温度，还与构成物体的材料、表面状况等因素有关。 2 1 2 红外热成像波段的选择 所有物体进行红外热成像，若要取得有效信息，必须满足两个条件： 被探测的目标与其背景在某红外波段的发射或反射的红外波段能量上要有 差异： 用于探测该目标与其背景的传感器必须对该红外波段敏感，并且可以记录显 现该差异。 地表的温度一般在3 0 0 k 左右，地表辐射能量基本上为红外辐射，都在3 l am 以上的长波段，又称之为“长波辐射”或热红外辐射。地表的热红外辐射能量由 地表温度和地表比辐射率两个因素决定。地表温度是地球、太阳大气相互作用的 结果。地表接收太阳辐射，部分太阳辐射被吸收变为热能，部分被反射；地表还 与大气和深层土壤进行热交换。因此地表温度与地表反射率、地表热学性质和地 表的红外比辐射率等因素密切相关。 在红外区，引起红外能量衰减的主要原因是大气吸收。有些大气中红外线透 过率很小，甚至完全无法透过红外线，称为“大气屏障”；反之，有些波段的红 外辐射通过大气后衰减较小，透过率较高，对红外探测十分有利，这些波段通常 称为“大气窗口”。目前所知，可以用作红外热成像的大气窗口大体有如下几个“1 ： 笫二章红外热成像法探测地下石油管道的理论基础 1 4 0 - - 1 9 0ui l l 大气窗口属于近红外波段，能量主要来自太阳辐射，而地物 辐射在近红外波段能量很小。太阳辐射通量密度与地物的辐射通量之比约为 1 0 0 0 ：1 。因此，在此波段只反映地物对太阳辐射的反射，而基本上不反映 地物本身热辐射的高低。 3 。5 5 o pm 大气窗口属于中红外波段。这个波段既有太阳辐射，又有地物 辐射。3 5 um 恰好在太阳辐射峰值( o 5 u m ) 与常温地物发射峰值( 1 0 pm ) 之间。在此波段范围内太阳的辐射能量很小，而地物发射更小，二者之比为 1 0 ：1 ，所以地物对太阳辐射能量的反射是主要的红外热辐射能量信息。 8 1 4 um 热红外窗口，属于地物的发射波谱。在此波段内太阳辐射能量很小， 而地物辐射的能量随温度不同而变化。因此在此波段内红外热图像响应的主 要是地物本身的热辐射，地物反射来的太阳辐射能量可以忽略不计。常温下 地物光谱辐射出射度最大值对应的波长是9 7 hr f l 。所以此窗口是常温下地物 热辐射能量最集中的波段，所探测的信息主要反映地物的发射率及其温度。 根据上述分析可知，若想更好的获取地下输油管道的红外热图像，要选取对 8 1 4um 热红外窗口的红外波段敏感的探测器。 2 2 地物远红外的热成像机理 运用热红外波段对地表物体进行探测是我们获取地下热输油管道信息的重 要手段，而地物热性能以及热传导理论是研究红外热成像的重要理论基础。物体 中有自发热的，可称主动辐射体：有被其它物体经过辐射、传导、对流补给热的， 可称被动辐射体。这些辐射体的辐射量一方面取决于辐射体本身的性质，主要是 由其热惯量决定，另一方面取决于热量补给情况和环境条件。 热惯量是物质阻止其温度变化程度的一种量度，是量度物质热惰性大小的物 理量，以p 表示。 p = 、面 ( 2 4 ) 式中：p 热惯量( j ( m 8 s “2 k ) ) ； k 热传率( j ( m j k ) ) ； p 密度( 堙m3 ) ； c 热容量( j l ( k g k ) ) 。 热惯量大的物质，接受热辐射升温慢，辐射热量降温也慢；热惯量小的物质， 接受热辐射升温快，辐射热量降温也快。 各种地物，热惯量尸多有不同，比如：干燥灰色土壤p = 2 8 0 ，2 5 的潮湿 灰色土壤p = 1 6 0 0 ，石灰岩p = 1 1 0 0 3 3 0 0 ，铁p = 1 7 1 0 0 ，钢p = 1 2 9 0 0 ，松树 第二章红外热成像法探测地下石油管道的理论基础 p = 5 6 0 ，橡树和川毛榉p = 7 5 0 。有些地物，随自己的状态，其热惯量也有变化。 比如，热惯量极大的水，平静的水p = 1 3 4 0 0 ，慢流水p = 3 3 0 0 0 0 ，而快流水p = 7 1 0 0 0 0 。由于众多地物的热惯量不同，在同一目光辐射下，有的热得快( 如土壤、 植物等) ，有的热得慢( 如水面) ，它们的温度就各不相同。一旦目光消失，原来 热得快的凉得也快，原来热得慢的凉得也慢，它们的温度仍然各不相同，只是地 物间的温差倒转了。此现象可称为地物温差变化中的反转现象6 1 。 热场图像能否形成，与地物热辐射红外波段和红外热像仪的波谱敏感波段匹 配程度有关，也与红外热像仪的噪声等效温差n e t d ( 最小可测温差) 有关。 2 3 地物热场的变化规律 绝大多数非流动性地物的热惯量是不变的。地物周围的环境在周期性地或非 周期性地变化着，地物的温度也随之有快有慢地变化着，其热辐射也在变化着。 这些变化受昼夜、地域所处纬度、地表反照率、风、云、地热流、地面湿度、地 形、雨、雪等等因素的影响。 1 昼夜变化：图2 - 1 是有不同热惯量尸的地物昼夜温度变化的理论曲线。曲线 是七月，北纬4 2 ，反照度3 0 ，无云无风的条件下绘成( 以下图2 1 、图2 2 、 图2 3 之曲线均摘自参考资料“1 ) ：图中横坐标为地方太阳时。常用中午1 2 时 为地方太阳时0 时。纵坐标为摄氏温度：曲线1 表示热惯量为5 0 0 ( j ( m 8 s “2 目) 的地物温度变化，2 - 1 0 0 0 ，3 - 1 5 0 0 ，4 - 2 0 0 0 ，5 - 3 0 0 0 。曲 线t 。表示空气温度。 a4 日1 21 6 2 n2 仙 地方太阳时 图2 1 不同热惯量地物昼夜温度变化曲线 第二章红外热成像法探测地下石油管道的理论基础 由图2 1 可以看出，曲线在地方太阳时1 2 时和1 4 1 6 时时形成最高峰和 最低谷，这时具有不同的热惯量p 的各种地物温差最大，在其热场图像上差异最 大、最易辨认识别。在5 时和1 8 时，曲线形成两卜结点，各种地物温差最小， 在其热场图像上，地物难以分辨。这两个结点可称为反转结点。两个反转结点将 全天昼夜温度变化分成两个阶级，第一个是5 时至1 8 时，第二个是1 8 时至5 时： 表现在热场图像上，5 时至1 8 时，水域的影像是亮的，土壤是暗的；1 8 时至5 时，水域是暗的，土壤是亮的。靠近反转结点时，水域与土壤将难以分辨。 2 风的影响：地物总是与其附近空气进行着热交换。图2 2 表示的情况与图2 1 表示的相同，只是测量时有4 ，l m s 的风( 四级风) 。 埴方太田时 图2 - 2 风的影响( 情况同图1 ，风速4 1 m s ) 将图2 2 与图2 1 比较可以看出，具有各种p 值的地物在有微风的情况下， 其温度都有明显下降。白天，低热惯量的地物，无风时最高温度7 8 c ，有风时 最高温度4 7 。c ，高p 值地物，由5 2 。c 降至3 9 5 。c ；夜间，低p 值地物，由2 2 5 降至1 6 5 c ，高p 值物体，由2 9 c 降至2 2 c 。由此看出，风对地物热场状况 影响很大。第一，风整体性降低地物温度；第二，风大大缩小了各种地物之间的 温度差异。这种由风产生的效应称“风异常”“1 。 3 云的影响：白天有云时，p = 1 0 0 0 的地物由原来无云时的温度6 8 。c 下降至 5 0 ，p = 3 0 0 0 的地物由5 2 下降至3 9 。云的影响仍然是降温和减小热场温 差。 4 雨和雪的影响：雨水可使地面物体湿度加大，也会迅速降低地物温度。短时 间的小雨，可以使容易吸水的地物与其它地物之间温度差异加大。长时间的大雨 则会使地物之间温差减小，甚至造成热场图像上地物之间差异的完全消失。 雪覆盖地面后，使地物温度差异大幅度减小，使地面温度单一化。薄层小雪 后，较热的地物上面覆盖的雪先融化，在热场图像上，其轮廓明显。 第二章红外热成像法探测地下石油管道的理论基础 2 4 地下热管道在地面热场异常的形成 输油管道输送的是原油。为使原油流畅，沿途需陆续加温。刚加了温的原油 温度可达7 0 左右，经管道输送到下一个加温站，油温还可保持4 0 c 左右。热 管道本身是地袁附近的一个异常热源。由平面来看，热管道呈线状；由断面来看， 热管道呈点状。热管道埋于地下1 m 左右，它的热扩散方式主要是传导。埋管的 土质如果较均匀一致，管道断面辐射方向的温度递减也比较规律，如图2 3 所示。 热扩散到地面，等温线被地表截切，形成了热管垂直上方温度最高，而距离管道 左右越远温度越低的现象。在离开管道左右一定距离后，地表温度与未埋热管的 地表温度就没有差异了。这就形成了一个管上地表与背景地表的温差带。带的中 央，即热管道垂直上方温度最高。温差带的温差低者0 5 至1 ，高者1 至 1 5 c ，带宽有1 至3 m 左右，随管径大小和埋深不同而变化。长距离输油管道有 数百公里甚至千余公里长，所经地表土质不同。随土质变化，热管道在地表形成 的热异常带的温差亦在变化。 地面 图2 - 3 地下热管道散热示意图 2 5 地下热管道探测环境的选择 要想得到满意的红外热图像，必须仔细选择成像的种种条件，如探测器性能、 环境条件等。 所谓环境条件，是指热管温度、管间距离、管道埋深、覆盖土质、背景地物、 测量季节、测量时刻、风云雨雪情况等。这些条件都影响着成像质量。 i 热管温度：刚由加热站输出的原油，其温度可达7 0 。c 。当油流经约5 0 k m 管 道输送到达下一个加热站时，油温可降至4 0 。c 左右。管内原油最低温度要根据 所输送之原油的凝点而定。进行测量时所关心的是，由于油温下降，探测器是否 还能探测显示管道上方地表与背景地表的温度差异。因此，探测器的温差灵敏度 要与加热站入口的管温匹配。 第二章红外热成像法探测地下石油管道的理论基础 2 管间距离：在长距离输油时，热管道在大部份地段是单根的。但在油田或油 库附近，热管道经常是双根或多根的：由于远红外传感器空间分辨较低，如需分 辨出每一根管，就必须考虑到采用合适的测量高度或测量角度，以便提高实际分 辨率。 3 管道埋深：热管一般埋在地下0 5 至1 皿深，也有的埋在隆起的土岗里。埋得 越深，表现在边表的温度越低。故选择红外探测器的温差灵敏度时与埋深有关。 4 覆盖质：理管的土一般是容易开挖的松。但因长距离辅油管所经地区多， 可能遇到的土质的热传导、热容比、热惯量等方面有所不同，因而在远红外图像 上热管显示会略有不同。故在选择红外探测器的温差灵敏度时，一定要有富裕余 量，以免遇到热传导较差的土质时明显降低图像质量。 5 背景地物：长距离输油管道所经地面十分复杂，有田地、草地、村庄、平原、 植被覆盖或赤裸地表，可遇到干沟、水沟、河流、公路、铁路等。对这些众多地 物无法选择，在获取热管道红外图像时，都应把它们一并摄取下来，用作背景， 以刹管道定位。所要注意的是，在这些地物中热辐射较强的地物，尤其是其中的 线状地物，它们的热图像在热管道判读中容易干扰判读结果，降低判读精度。 6 测量季节：管上地表和背景地表的温度差越大，热管道在远红外图像上的痕 迹就越明显。无雪覆盖的冬季地面对测量较为有利，春秋两季视地表温度而定， 也是测量的好季节。而夏季地表温度较高，管上地表与背景地表的温差较小，不 利于测量。但在温差较大的凌晨4 5 时，亦能得到较好的效果。 7 测量时刻：进行热管道远红外热成像时，既要显示管道，又要显示背景地物， 这就必须选择管上地表与背景地表温差最大的时刻测量，又要考虑到背景地物本 身细部的反差表现。一昼夜中，管上地表温度虽有升降，但总在背景地表温度曲 线之上。背景地表温度由于各细部热惯量不同，而在昼夜进程中各种盐线两次交 叉，形成反转点。在反转点上，背景地物温差极小，甚至是零，热图像上将没有 差异。因此，测量时刻要选择远离反转点又要保持管上地表与背景地表温差较大 的时刻。另外还要注意避开日光普照的时刻。因为日光中的远红外线在众多地物 上也会有部分反射，这将增加热管道远红外图像的噪声。测量在地方太阳时1 9 时至2 1 时和凌晨3 时至5 时左右进行为宜。 8 风云雨雪： ( 1 ) 风：实践证明，管上地表与背景地表温差较大的情况下，如地表附近有5 级风，也可能造成热管道在红外热图像上信号丢失。因此，在选择红外探测器和 测定温差时，要计入风缩小温差的程度，在5 级风以上的风力时应停止测量。 ( 2 ) 云：有大面积覆盖云时，可减少日照造成的噪声，但同时也会减小管道与 背景地物之间的温差。 第二章红外热成像法探测地下石油管道的理论基础 ( 3 ) 雨：雨天不可进行远红外探测，在雨后地表很湿的情况下，也不宜测量。 原因是水将极大程度地降低远红外辐射，同时也降低地表各地物的温度。 ( 4 ) 雪：薄雪和雪后融化到一定程度时，热管道在地表面投影痕迹很清晰。用 肉眼识别管道走向及定位。但当积雪很厚时，这种远红探测是不能进行的。 上述8 点是影响地下热管道远红外成像的主要条件，使用时应综合考虑。扬 其利，避其弊，以获满意图像。 2 6 ，j 、缩 本章在介绍红外热成像原理的基础上，详细介绍了地下热管道成像原理及其 影响因素。并论述了影响红外探测器选择的各种因素，为红外探测器的选择提供 了一定的理论依据。本章还逐一分析了自然环境的各种因素对地下热管道的红外 熟图像的影响程度，为实地测量提供了可靠的依据。 第三章输油管道红外热成像系统简介 第三章输油管道红外热成像系统简介 3 1 红外探测器的选择 3 1 1 红外探测器的类型 在热成像系统中，红外探测器作为辐射能接收器，通过其光电变换作用，将 接收的辐射能变为电信号。再将电信号放大、处理，形成图像。红外探测器是构 成热成像系统的核心器件。 红外探测器按照探测原理分为热探测器和光子探测器两大类：光子探测器是 通过光于与物质内部电子相互作用，产生电子能态变化而完成光电转换的探测 器。热探测器，如热敏电阻、热电偶、热释电探测器等，靠吸收红外辐射后，使 敏感元件温度上升，引起与温度有关的物理参数改变。 3 1 2 红外探测器的特性参数 表征红外探测器性能的基本参数有：响应度、噪声等效功率、探测率、比探 测率、时间常数及光谱响应等。这些参数是预估系统性能的重要依据。在不同的 系统中，选择不同的探测器，也必须依照这些参数来选择。下面对这些参数作一 简单介绍。 1 响应度：探测器的响应度是表征探测器对辐射敏感程度的参数。它表征探测 器将入射的红外辐射转变为电信号的能力。响应度的定义是，探测器输出电压， 或电流与入射到探测器光敏面积上的辐射通量之比。 2 噪声等效功率：在实际应用中，红外探测不仅接收到入射的辐射信号，而且 在探测器中总会有噪声存在。很明显，噪声的存在限制了探测器对微弱辐射信号 的探测能力，即探测器能探测到的最小辐射功率受到限制。噪声等效功率的定义 是，探测器输出信号功率与噪声功率相等时，入射到探测器上的辐射功率。这一 参数表征了探测器所能探测到的最小辐射功率的能力，该值越小，表示探测器的 性能越好。 3 探测率与比探测率：噪声等效功率的倒数称为探测率。显然，探测率越大， 探测器性能越好。这一参数描述的是，探测器在它的噪声电平之上产生一个可测 量的电信号的能力，即探测器能响应的入射功率越小，则探测率越高。但是，作 为表征探测器性能的综合参数仍不完善，因为还没有考虑器件的光敏面积和测量 第三章输油管道红外热成像系统简介 电路的频带宽度。因为两只探测器光敏面积不同，测量电路带宽不同，则探测率 值也不同。为了能方便地对不同的探测器进行比较，需要把探测率归一化到测量 电路带宽1 h z ，探测器光敏面积为1 c m 2 。这样就能方便的比较不同测量带宽， 不同光敏面积的探测器的探测率值。 实际测量和理论分析表明，对于许多类型的探测器来说，其噪声电压与光敏 面积的平方根成正比，与测量带宽的平方根成正比。因此噪声电压除以光敏面积 和测量带宽的平方根，也就实现了归一化。这种归一化的探测率又称为比探测率。 4 时间常数：当一定功率的辐射突然入射到探测器的敏感面上时，探测器的输 出电压要经过一定的时间才能上升到与这辐射功率相对应的定值。当辐射突然 消除时，输出电压也要经过一定对问才能下降到辐射照射前的值。以一个矩形的 辐射脉冲照射到探测器上，观察其输出信号波形，会发现输出信号上升或下降都 在矩形脉冲之后。探测器的时间常数就是输出信号电压从零值上升到最大值的 6 3 所需的时间。 5 光谱响应：相同功率的各单色辐射入射到探测器上，所产生的信号电压与辐 射波长的关系，叫探测器的光谱响应。通常用单色辐射的响应度或光谱比辐射对 波长做图来描述探测器的光谱响应，是光子探测器和热探测器的理想光谱响应曲 线。两类探测器的光谱响应曲线是很不一样的。对于光子探测器，只有入射光子 能量大于”时，才能产生光电效应使探测器有输出。也就是说，仅仅对波长小 于五的光于才有响应。在波长小于五的范围内，光子探测器的响应度随波长线性 增加，到截止波长 处突然下降为零。对于热探测器，其响应度只与吸收的辐射 功率有关，而与波长无关。 上述指的是理想曲线，实际曲线可能有偏离。例如，光子探测器的实际响应 并不在兄处突然截止，而在 附近逐渐下降。一般规定响应度下降到峰值的5 0 处的波长为截止波长。 3 1 3 红外探测器的选型 根据第二章对地下输油管道红外热辐射特性的分析及环境对检测结果的影 响，我们提出了本课题对红外探测器的基本要求： 1 要有尽可能高的探测率，以提高系统的热灵敏度，根据热管道地表温差带分 布可知，红外探测器的温度分辨率应高于0 3 ； 2 工作波段应与被测目标的辐射光谱相适应，以便接收尽可能多的红外辐射， 根据地物红外热辐射特性及大气窗口的限制，选择光谱响应范围处于8 1 4 m n 的红外探测器； 3 由于该仪器要在野外工作，因此要求红外探测器的工作温度范围较大，应满 第三章输油管道红外热成像系统简介 足一2 0 ( 2 + 4 0 。c 的工作环境要求； 4 尽量选择并扫的多元阵列探测器，各单元探测器的特性要均匀； 5 探测器的响应速度快，即时间常数小，以适应实时显示的要求； 6 为使热成像系统小型轻便，探测器致冷要求不宜太高，最好能有非致冷的探 测器。 由上述要求，我们决定选用法国u l i s 公司生产的非制冷焦平面阵列红外探 测器u l i s 0 1 1 0 1 ，其性能参数如下： 探测器类型：微测热辐射计阵列构成的热探测器； 材料：多晶硅材料的u f p a ； 像元数：3 2 0 2 4 0 ； 像元尺寸：4 5l a m 4 5l an l ； 温度分辨率：0 0 8 ； 光谱响应范围：8 1 4 t o n ； 工作环境温度范围：4 0 + 8 0 ： 噪声等效温差n e t d ( 对于非制冷焦平面红外探测器，噪声等效温差是噪声 等效功率的等效标称值) t 8 38 5 i n k ； 热响应时间常数：4 m s ； 图3 1 给出了u l i s 0 1 1 0 l 的外观。 图3 - 1非制冷焦平面红外探测器u l i s 0 1 1 0 1 3 2 红外镜头的选择 红外镜头的材料为单晶锗，适用透过红外线的范围可选。通过对多家生产厂 商产品性能的调研比较，采用北京蓝思特有限公司生产的红外镜头，其红外透过 范围为8 1 4um 。红外镜头参数见表3 1 ： 第三章输油管道红外热成像系统简介 表3 - 1 红外镜头参数 镜头焦距( m m )最大光圈数( f 数)光圈可调范围视场角 b l s t 3 4 04 00 6 80 6 8 5 ，62 3 2 。1 5 1 。 b l s t 3 1 9 1 9o 8 固定 4 5 6o 3 5 0 0 b l s t 4 1 5 1 51 0 固定 5 6 1 o x 4 3 6 。 镜头的名称是镜头参数的标称值。例如b l s t 3 4 0 表示该镜头由3 片镜片构 成，焦距为4 0 n u n 。构成光学系统的镜片越多，损失的红外能量就越多，因此， 在条件允许的情况下，应尽量选择光学镜片组少的镜头。 采用不同焦距的镜头，对同一目标进行观测，由于其视场角不同，显示结果 也不相同。焦距大的视场角小，但是图像细节丰富；焦距小的视场角大，适合全 景拍摄，但是空间分辨率较低。目前尚无可以调焦的红外镜头。根据第二章对地 下热管道在地表温差带分布的分析可知，输油管道温差带跨度在1 3 m 左右， 如果垂直测量，则用b l s t 3 4 0 测量要有7 3 m 的垂直高度；用b l s t 3 1 9 测量要 有3 6 m 的垂直高度；用b l s t 4 1 5 测量要有28 m 的垂直高度。对于便携式测量 无法满足上述高度要求，因此，我们决定采用倾斜镜头一定角度测量的方法，尽 管这样测量会损失一定的红外能量，但仍能够满足成像要求。由于b l s t 3 4 0 视 场角太小，无法满足测量要求，而b l s t 4 1 5 和b l s t 3 1 9 的视场角相差不多，但 多一片镜片会损失较多的红外能量，因此，选用b l s t 3 1 9 作为系统的红外镜头。 3 3 系统硬件的基本构成简介 红外热成像系统主要由红外镜头、红外探测器、图像采集处理电路、图像显 示器、高性能的图像处理计算机组成。高温输油管道在地表形成的温场分布经过 红外锗镜头聚焦后传给红外探测器，红外探测器再将不同点的不同温度值转化成 不同的电压值输出给数据读出电路，这些表征温度分布的电压值经过1 4 位精度 的a d 转换后量化为数字信号输出给信号处理电路，读入的图像信号经d s p 处 理系统做简单数据处理后形成3 2 0 2 4 0 的灰度图像通过u s b 口输出给计算机， 再经自行开发的地下石油管道红外热图像处理系统辅助管道识别显示。图3 2 给 出了系统硬件的结构框图。 第三章输油管道红外热成像系统简介 红 红图像计算 图 外 、 外 采集h 机图像 r v 镜探处理像处显 头测电路理 不 图3 - 2 红外热成像系统结构框图 3 4 系统软件的基本构成简介 数字图像是用数字来表征图像上各点的灰度信息的。数字图像在计算机上是 以位图的形式存在的，位图是一个矩形点阵，上面的每一个点称之为像素。在数 字图像中各个像素所具有的明暗程度是由灰度值的数字所标识的。 本文中要把经由红外热成像系统采集到的地下输油管道的红外数字图像进 行处理。地下输油管道的红外图像分析软件是由图像获取、图像预处理、图像增 强、图像分割、数学形态学处理和骨架跟踪辅助识别组成，如图3 3 所示。 图3 - 3图像分析系统整体设计框图 首先，系统通过与图像采集系统的u s b1 2 1 的接口函数，对探测的地下热管 道图像进行采集并存储；第二，根据预先存储的图像预处理流程，对图像进行预 第三章输油管道红外热成像系统简介 处理；第三，采用直方图修正以及伪彩色变换等方法进行图像增强处理，改善供 人观看的图像的