（生物医学工程专业论文）红外热成像法探测埋地输油管道的研究.pdf

a b s t r a c t t h eu n d e r g r o u n dp i p e l i n eh a sb e e nc o n s i d e r e da st h em o s tr e l i a b l e ，e c o n o m i c a l a n de f f e c t i v ew a yt oc o n v e ye n e r g yr e s o u r c e i th a sb e e nw i d e l yu s e dt ot r a n s f e r p e t r o l e u ma l lo v e rt h ew o r l d h o w e v e r , w i t h t h ei n c r e a s eo fq u a n t i t ya n du s i n g - t i m e o ft h ep i p e l i n e ，m a n yp r o b l e m se v o k e d f i r s t l y , b e c a u s eo fm o r ea n dm o r ep i p e l i n e s i n t e r s e c tu n d e r g r o u n d ，i tb e c o m e sv e r yd i f f i c u l tt op e r a m b u l a t e s e c o n d l y , t h el e a k a g e o fu n d e r g r o u n dp i p e l i n em a yc a u s eas e r i e so fs e r i o u sp r o b l e m s ，s u c ha sl o s so f e n e r g ya n dm o n e y , p o l l u t i o no ft h ee n v i r o n m e n ta n de v e nd a n g e rt ol i f e t h er e a s o n s o f l e a k a g em a i n l yi n c l u d et w oa s p e c t s o n ei st h ee r o d i n go f t h es o i la n do t h e rn a t u r a l f a c t o r s t h eo t h e ri sp e o p l es t e a l i n ga n dd e s t r o y i n g s oi ti su r g e n tt of i n dam e t h o dt o d e t e c tu n d e r g r o u n dp i p e l i n ea n di t sb r a n c h e sc o n v e n i e n t l y i no r d e rt os o l v et h ea b o v ep r o b l e m ，b a s e do nt h ef a c tt h a tt h eh e a t e dp e t r o l e u m r a d i a t e sh e a tt ot h es o i la n dt h e nt h ee s p e c i a lt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o nw i l lb ef o r m e d o nt h eg r o u n d ，t h i sp a p e rr e a c ho u tam e t h o dc r e a t i v e l yu s i n gt h ei n f r a r e di m a g i n gt o d e t e c tt h eu n d e r g r o u n dp i p e l i n e t h em a i n w o r ki sa sf o l l o w s ： 1 ) e s t a b l i s h e d a nm a t h e m a t i cm o d e lo ft h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no ft h e g r o u n da b o v et h eu n d e r g r o u n dp i p e l i n e ，a n dd e m o n s t r a t e dt h ef e a s i b i l i t yo ft h e i n f r a r e di m a g i n gm e t h o dt od e t e c tu n d e r g r o u n dp i p e l i n e 2 、d e v e l o p e d a ni n s t r u m e n tn a m e d “i n f r a r e dp i p e l i n ed e t e c t o r w h i c hi s s p e c i a l l yd e s i g n e dt od e t e c tt h eu n d e r g r o u n dp e t r o l e u mp i p e l i n e ，i n c l u d i n gh a r d w a r e a n ds o f t w a r ed e s i g n 3 、r e a c ho u tt w on e wd a t ar e v i s i n gm e t h o d sn a m e d “t w op o i n tr e v i s i n gm e t h o d a n d “o n ep o i n tr e v i s i n gm e t h o d ”t or e v i s et h eo r i g i n a li n f r a r e di m a g ed a t a i t i m p r o v e st h eq u a l i t yo f t h ei n f r a r e di m a g eg r e a t l y t h ed e t e c t i o n e x p e r i m e n ti nd a g a n go i l f i e l d h a ss h o w nt h a tt h i s “i n f r a r e d p i p e l i n e d e t e c t o r c a l lb e u s e dt op e r a m b u l a t eu n d e r g r o u n dp i p e l i n ea n df i n d s t e a l i n gb r a n c he a s i l y m o r e o v e r ，t h i si n s t r u m e n tw o r k ss t e a d i l ya n dc a nb ee a s i l y c o n t r o l l e d k e yw o r d s ：i n f r a r e di m a g i n g ，p i p e l i n e d e t e c t i o n ，t e m p e r a t u r e m o d e l a u t o i n c r e a s i n g 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，也不包含为获得苤生盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。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：f 司嗣鸟签字日期：2 护护手年? 月矽日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘生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) 学位论文作者签名 闱目呜 黝签乡积扩 签字日期：一年年f ? 月_ z 7 目 签字日期- 汕埽够年f 2 月歹f 日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 埋地管道被认为是传输能源最为安全、经济、有效的方法，目前已在全世界 石油传输中得到了广泛应用。然而，随着埋地管道数量的不断增加以及使用时 间的不断增长，其中的问题也不断的凸现出来。其一，埋地管道不断增加，纵横 交错，使管道巡线变得越来越困难；其二，管道的偷油漏油问题造成巨大的能源 浪费和经济损失，更可能造成环境污染和严重的安全隐患。 近来，由于管道偷油漏油问题而引起的重大安全事故时有发生。2 0 0 4 年1 1 月1 7 日凌晨两点，陕西延安境内的长庆油田靖咸输油管线南泥湾乡段，发生原 油泄露事故，近千吨原油外泄，附近上百亩农田受到污染，最后查明是人为偷 油所致。同年1 2 月1 5 日1 8 时1 5 分左右，河南省平顶山市程平路西段因石油管 道漏油，引发一起火灾事故，几百户居民紧急疏散，近千人投入抢险灭火。据中 国石化集团管道储运分公司( 简称“管道公司”) 统计，我国目前长线输油管道 已建成1 5 万千米，其中管道公司自己所运营的4 0 0 0 千米输油管道每年的偷油 漏油故2 0 0 0 多起，直接经济损失保守估计也要几亿元。 导致石油管道泄漏的原因很多，包括：一、自然原因所引起的管道泄漏。埋 地管道长期遭受周围土壤环境的腐蚀而穿孔，突发性的自然灾害( 如地震、滑坡、 河流冲击) 等都会造成管道泄漏。二、人为的损坏和偷油。由于利益的驱使，目 前国内“打孔盗油”的违法活动十分猖獗，截至20 03 年12 月31 日，管道 公司所辖管线建成几年来，共计遭受“打孔盗油”4229 次，2o 03 年的直 接损失上亿元。 为了更有效的防止偷油漏油的发生，一方面要加大执法力度，对偷油犯罪分 子进行严惩，更重要的是研制各种对偷油漏油进行检测的埋地管道检测技术，这 样对暂时没有问题的管道进行检测维修，防患于未然；对已存在的偷油漏油问题 的管道及时处理，最大5 艮度的减少损失。 1 2 国内外埋地输油管道检测技术的发展和现状 目前，埋地输油管道泄漏检测方法主要有物质平衡检测法、负压波检测法、 第一章绪论 声波检测法、漏磁通检测法、光纤振动传感器检测法、涡流检测技术和管道机器 人检测技术等。 一、物质平衡检测法o ， 物质平衡检测法是根据管道的输入量之和是否等于管道的输出量之和来判 断管道是否发生了泄漏，该方法原理简单，在管网现有设备基础上不需要增加设 备或增加少量设备即可咀实现管道的泄漏检测，是投资少、见效快的一种方法。 该方法的优点是设备简单、安装方便、造价较低，缺点是要求流量检测仪表有较 高的精度( 流量计精度不高不能发现微小的泄漏) ，且不能确定泄漏点的位置。 二、负压波检测法o ” 负压波检测法是根据泄漏负压波原理实现的。当管道发生泄漏时，在泄漏点 会产生瞬时的低频负压波变，这个波变会在管道介质中向管道两端传播，根据负 压波到达压力探测器的时间差可以计算出泄漏点的位置。该方法虽然在理论上可 行，但有一定的局限性，在压力波动较大或压力较小的管道中( 0 2 o 3m p a ) ， 由于泄漏产生的负压波很小，负压波传递到探测器后能量很低，因此其分辨率很 低。 三、声波检测法。“3 1 声波检测法的出发点是物体间的相互碰撞均会产生振动，发出声音，形成声 波，声波不但能在空气中传播，而且能在液体和固体中传播。声波在空气中传播 时，空气阻力使声波急剧衰减，其传播速度仅为3 4 0m s ，而声波在钢管中传播 时，由于受到极小的阻力，其传播速度可高达5 0 0 0m s 以上。打孔盗油时产生 的声波沿着钢管高速传播，安装在钢管外壁上的高灵敏度声学传感器接受到该声 波后，对信号进行放大、滤波、一线判别，然后传输给总站主机。主机对接收到 的信号进行特殊的数字信号检测和二线判别，获得正确的报警信号。由于各分站 以编码发送信号，主机定位接收信号，定位显示报警位置，同时记录报警时间， 因此，一旦发现盗油打孔，主控计算机立刻自动启动报警系统，发出报警信号。 此方法的优点在于能够在偷油的早期快速检测，缺点是干扰较大，很难区分偷油 打孔信号和其它干扰信号，经常有误报或漏报的情况，定位也不准确。 四、漏磁通检测法“1 漏磁通检测法是将管壁磁化，然后让磁力线通过管壁，由于管壁缺陷处磁通 量发生变化，这样由磁敏探头采集管壁的漏磁信号，根据信号与缺陷之间的对应 关系确定管壁的受损状况。由于漏磁信号和缺陷之间是非线性关系，管壁的受损 情况需通过检测信号间接推断出来，其检测精度较低。同时由于在测量前必须将 管壁磁化，因此漏磁通法仅适合管壁薄，而且埋深较浅的管道 6 3 1 6 o 五、涡流检测技术“1 第一章绪论 涡流检测技术是目前采用较为广泛的管道无损检测技术，分为常规涡流无损 检测、透射式涡流检测和远场涡流检测。常规涡流检测受到集肤效应的影响，只 适合于检测管道表面或者亚表面缺陷，而透射式涡流检测和远场涡流检测则克服 了这一缺陷，其检测信号对管内外壁具有相同的检测灵敏度。其中远场涡流法具 有检测结果便于自动化检测( 电信号输出) 、检测速度快、适合表面检测、适用范 围广、安全方便以及消耗的物品最少等特点，在发达国家得到广泛的重视，有可 能广泛用于在用管道的检测，可以延长管道的使用寿命，具有可观的经济效益。 但是由于远场涡流检测很难由检测信号直接确定缺陷种类，而目前相应的分类研 究还较少，所以远场涡流的使用还有较多的问题有待解决0 3 。 六、光纤振动传感器检测法”3 光纤振动传感器是一种利用光纤自身的传感器。当光纤传感器受到很微小的 外力作用时，就会产生微弯曲，而其传光能力会发生很大的变化。把光纤振动传 感器每隔一千米贴到埋地输油管道外壁，传感器之间用普通光纤相连，并连接到 终端信号分析仪进行分析。打孔盗油时产生的振动会使光纤振动传感器变形，其 中的光信号的振幅、相位、频率、偏振等方面将发生变化，从而分析可知偷油的 位置。此方法可以做到快速准确定位偷油位置，但最大的难点在于如何区分打孔 盗油和其它干扰因素( 如卡车经过管道等) 而引起的管道振动。 七、管道机器人检测技术“1 随着科学技术的发展，机器人也在管道检测中得到较为广泛的运用。管道机 器人是一种可在管道内行走的机械，可以携带一种或多种传感器，在操作人员的 远端控制下进行一系列的管道检测维修作业，是一种理想的管道自动化检测装置 。1 。一个完整的管道检测机器人应当包括移动载体、视觉系统、信号传送系统、 动力系统和控制系统。管道机器人的主要工作方式为：在视觉、位姿等传感器系 统的引导下，对管道环境进行识别，接近检测目标，利用超声波传感器、漏磁通 传感器等多种检测传感器进行信息检测和识别，自动完成检测任务。其核心组成 为管道环境识别系统( 视觉系统) 和移动载体“。此方法是一种很有前景的发展方 向，但其成本高，技术难度大，目前在国内很少使用。 从以上介绍的七种埋地管道检测方法中，我们可以看出，每种方法各有优劣， 只能解决管道泄漏中某一方面的问题。 1 3 大港油田的技术需求 大港油田是年产原油近5 0 0 万吨的大型石油集团，油田内部原油从开采到加 工基本上靠埋地管道进行传输，目前为止已经已经铺设埋地管道的总里程数达5 第一章绪论 万千米。随着管道数量的逐年增加，地下管道错综复杂，管道的位置和走向都不 是十分清楚，给管道的巡线工作造成了前所未有的困难。同时，随着管道使用年 限的增加，一些老管道常年受土壤的腐蚀以及其它自然凼素的破坏，正逐渐出现 穿孔漏油情况，给油田的正常运转造成一定影响。更为严重的是，近年来，在利 益的驱使下，许多不法分子长期从事管道偷油破坏活动，其偷油手法多种多样， 令人防不胜防。大港油田每年仅偷油一项造成的直接和间接损失就高达近亿元。 大港泊卅公司也积极引进了一些管道检测技术，例如压力波法，对于快速的偷油 漏油起到不错的检测效果，曾一度很好的遏制了偷油现象。然而好景不常，不法 分子很快就有了新的列策，现在偷油主要以管道打孔接支管等慢速偷油( 探测器类型：微测热辐射计凝视红外焦平面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 x 2 4 0 ： 像元尺寸：4 5um 4 5pm ： 温度分辨率：o 0 8 ； 光谱响应范围：8 1 4 p m ： 工作环境温度范围：4 0 十8 0 ； 噪声等效温差n e t d ( 对于非制冷焦平面红外探铡器，噪声等效温差是噪声 等效功率的等效标称值) 2 s 18 5 m k ： 热响应时间常数：4 m s ； 外形尺寸6 c m 6 c m 图3 - 1 给出了u l i s 0 1 1 0 1 的外观。 第三章红外管道探测仪的硬件设计 图3 - 1 非制冷焦平面红外探测器u l i s 0 1 1 0 1 3 3 红外镜头的选择 对于一个红外成像系统来说，镜头的选择也极为重要。本节将从实际应用出 发，确定本项目所使用的红外镜头的各项参数指标，并在此基础之上选择了合适 的产品。 1 性能参数的确定 ( 1 ) 材料与波段：由于一般的玻璃镜头是不能够透过红外线的，所以红外 镜头需要用特殊的单晶锗材料制作。根据项目需要，其透射波段选择 在中远红外波段的大气窗口，即8 1 4 u r n 。 ( 2 ) 焦距：采用不同焦距的镜头，对同一目标进行观测显示结果也不相同。 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。 根据n a t o ( = i 1 5 大西洋条约组织) 标准化协定( s t a n a g4 3 4 7 ) 规定 。，热成像系统作用距离分为探测距离、识别距离和看清距离。探测、 识别、看清概率为5 0 的最低分辨率为l ：3 ：6 ( 线对目标尺寸) 。 下面根据镜头的物像关系( 如图3 2 ) 分析确定红外镜头的焦距。 h r l f 图3 - 2 红外物镜的物象关系 h 第三章红外管道探测仪的硬件设计 本项目要求对地面的探测距离大约是r = 3 4 m ，在探测距离， 地表2 c m 的距离经过红外镜头成像后应当至少压1 个像元。考虑填充 因子0 8 ，像元尺寸为4 5 u m ，所以h = 1 4 5 o 8 = 5 6 2 5 u r n ，再考 虑到镜头的衍射效应，加入弥散斑的收集效率因子n = 0 5 ，计算镜头 的焦距为： ，：r 旦一1 。1 7 2 3 m m( 3 - 3 ) 。h r ( 3 ) 镜头的通光口径：物镜的相对孔径d f 越大1 ，其理论分辨率和像面 的照度越高。这意味着在同样焦距的前提下，要使靶面获得更大的能 量，需要镜头有大的通光口径，镜头的径向尺寸变大，镜头的重量也 随之增大。普通的摄像机用镜头的相对孔径在1 3 或1 4 ，已经可 以满足要求，非制冷红外系统由于探测器灵敏度的缘故，通常使用的 红外镜头的相对孔径都在1 以上。综合考虑体积，重量，性能等特征， 本项目应该选用镜头的通光口径在2 0 2 6 m m 之间。 ( 4 ) 视场角：根据本项目实际需要探测的范围，所选镜头的水平视场角应 大于4 0 。，垂直视场角应大于3 0 。 ( 5 ) 镜片数。镜头的镜片数越多，红外能量损失越多，所以尽量选择镜片 数少的镜头。 2 镜头型号的选择 通过对多家生产厂商产品性能的调研比较，决定采用北京蓝思特有限公司生 产的红外镜头，其性能参数如下： 型号：b l s t 3 1 9 材料：单晶锗 透射波段：8 1 4 u r n 焦距：1 9 m m 通光口径：2 5 r a m 视场角：4 5 6 。3 5 0 。 镜片数：3 3 4 硬件整体结构框架 红外管道探测仪的硬件系统是由光学系统，红外探测器，热图采集与预处理 电路，以及用于图像显示和处理的笔记本电脑组成。其整体结构框架如图3 3 所 示。 第三章红外管道探测仪的硬件设计 光学系统：通过焦距为1 9 m m 红外锗镜头将被测对象的热辐射聚焦在红 外焦平面阵列探测器。 红外探测器：采用3 2 0x2 4 0 微测热辐射计凝视红外焦平面阵列构成的 红外探测器。它由非晶硅电阻辐射计通过微桥结构连接到硅读出集成电 路，将光信号转换为表征热辐射的图像电信号。 热图采集和校正、滤波和测温：用1 4 位精度的a d 进行模数转换，然 后由数字信号处理( d s p ) 系统完成非均匀性校正、帧存储、滤波、灰 度统计、直方图、以及测温等功能。 u s b ：使用u s b 2 0 接口将经过前面采集电路预处理过的热图数字信号 传输到计算机。 计算机处理系统：主要负责红外图像的实时显示，伪彩变换，图像存储， 与图像分析等功能。笔记本电脑的选择在充分考虑了整机的尺寸，重量 以及图像处理速度等要求的前提下，选择了华硕$ 2 0 0 。此款笔记本主频 为迅驰1 g h z ，硬盘4 0 g ，显示屏为8 9 英寸，分辨率为1 0 2 4 1 0 2 4 ， 重量8 8 0 克，很好的满足了本项目的需要。 电源：电源主要给红外传感器，采集与预处理电路和u s b 供电。根据 仪器野外操作的时间一般在3 小时左右，选择了( 2 1 c r 3 1 6 5 ) 型锂离子 蓄电池组，额定容量为4 5 a h 。 此硬件结构设计的特点是使用了高性能的笔记本电脑作为人机控制界面和 显示设备，而没有采用一般的视频输出。这样，可以充分利用笔记本电脑强大的 数据处理功能对图像进行各种算法的在线处理，改进图像的质量；而且当发现可 疑区域时可以随时对图像进行存储，便于以后的离线处理。 第三章红外管道探测仪的硬件设计 3 5 红外管道探测仪整机设计 本项目所要完成的红外管道探测仪是一种手持式便携设备，仪器的整机设 计要充分考虑其实用性。 1 整机设计要考虑的几个因素 ( 1 ) 镜头倾斜角度的确定： l 互 h菸y v 一 图3 4 镜头倾斜角度示意图 如图3 - 4 所示：h 为人手持仪器的高度，一般在1 2 1 5 m ； 0 为镜头水平视角的1 1 2 ，o = 2 2 8 。； l 为探测的水平宽度，取值4 m ； s 为仪器到探测点的距离 a 为探测器倾斜角度。 则有：s = l 2 t go ；q - - - - a r c s i n ( h s ) ；计算可得a 1 5 2 1 。 经过实际测量仪器的视场范围之后，镜头的倾斜角度定为2 0 。 ( 2 ) 散热孔和隔热板的设计；红外探测器是热敏感元件，笔记本电脑和图 像采集电路的发热会给红外探测器带来噪声和干扰。因此在笔记本电 脑和机箱之间要加隔热板，在机箱侧壁要打上散热孔。 ( 3 ) 充电接口：由于本仪器是通过电池供电，充电必不可少。如果每次充 电时都要将机箱打开，则会给用户带来极大的不便。所以必须考虑在 机箱侧壁上留有充电器接口。 ( 4 ) 重量要求：本仪器个人携带使用，所以重量是一个很重要的指标。工 程塑料是一种既轻又结实，而且容易加工的材料，很适合作本仪器的 外壳。 第三章红外管道探测仪的硬件设计 2 仪器整机的机械结构 整机机壳的机械结构图如图3 5 所示： 图3 5 c 俯视图 图3 5 b 左视图 3 仪器的外观 仪器整机外观如图3 - 6 所示，尺寸为：2 7 7 1 9 4 1 5 5 r a m ，总重量为3 1 0 0 9 。 图3 6 a 前视图图3 6 b 侧视图 第三章红外管道探测仪的硬件设计 3 6 小结 图3 6 c 俯视图 图3 6 d 后视图 本章主要介绍了红外管道探测仪的硬件设计。包括红外传感器的选型，红外 镜头的选型，硬件系统各模块功能以及整机结构设计。现场实验证明，本仪器重 量轻，便于携带操作，各项性能指标完全能够满足本项目的实际需要。 - 2 6 第四章红外管道探测仪的软件设计 第四章红外管道探测仪的软件设计 4 1 软件的总体框架 本项目所研制的红外管道探测仪的软件部分是运行在笔记本电脑上的基于 w i n d o w s2 0 0 0 操作系统的应用程序。程序设计完全根据面向对象的编程思想， 采用目前流行的v i s u a lc + + 6 0 和微软基础类库m f c 为开发平台。软件总体框 架如图4 1 所示，其中包括“原始图像数据的获取与校正模块”，“图像实时处理 与显示模块”，“伪彩处理模块”，以及“图像保存与离线分析模块”等主要功能。 以下几节将分别介绍这些功能模块的设计。 | 豫始阻| 吲 原始图像数据获取与校正模块 uuu 图像实伪彩图像保 时处理处理存与离 与显示模块线分析 模块模块 图4 - 1 软件总体功能框架 4 2 数据获取与校正模块设计 4 2 1 红外热像仪的软件接口 从上一章硬件介绍可知，笔记本电脑是通过u s b 2 0 和红外图像采集硬件电 路相连的，要使应用程序能够对前端的硬件电路进行各种控制操作进而获取图像 数据，就必须提供相应的软件接口。本项目的软件接口是通过动态链接库( d l l ) 的形式提供给应用程序的，其中主要的接口函数和其功能介绍如下： 第四章红外管道探测仪的软件设计 1 设备打开： p v o i d 参数： 说明 o p e n d e v i c e ( l p v o i dl p w n d ，v o i d * s t a r ta d d r e s s ，w o r d + p b u o ； l p w n d ：传入动态库的窗口指针； s t a r ta d d r e s s ：传入动态库的回调函数地址指针： p b u f ：指向3 2 0 2 4 0 的w o r d 类型的数组指针； 应用程序调用此函数后，便建立了笔记本电脑与红外设备的连接。 原始的热图数据以大约每秒2 5 帧的速度通过u s b 2 0 接口传给笔记 本电脑，并存储在p b u f 所指的w o r d 型数组中，便于后续的处理。 2 设备关闭： v o i d c l o s e d e v i c e 0 ； 说明：调用此函数断开与红外设备的连接，数据也将停止传送。 3 两点校验： v o i d c h a n g e t h e d a t f i l e ( f l o a tf i e m p e r a t u r e ) ； 参数：t t e m p e r a t u r e 为温度数值； 说明：通过设置温度值重新取得两点校验数据。 4 手动校验： v o i d b e g i n h a n d j i a o y a n 0 ； 说明：启动一次手动校验，需要先手动盖上镜头盖，校验类型为一点校验。 b o o l i s h a n d j i a o y a n o k 0 ； 说明：查询手动校验进行的状态。 5 自动校验： v o i d 1 3 e g i n a u t o j i a o y a n 0 ； 说明：触发一次快门校验，校验类型为一点校验。 6 读温度传感器： b o o l g e t e n t i r o n m e n t t e m p e r a t u r e ( f l o a t + p f f e m p ，i n ti l n d e x ) ； 参数：p f r m p 指向得到环境温度值的浮点数指针； i l n d e x 设备中有3 个温度传感器( 基于0 ) ，此整型数用于指明得到 哪一个温度数值； 说明：得到温度传感器的温度数值，用作选取两点校验数据的依据。 4 2 。2 原始图像数据的校正 1 两点校验： 在第三章中曾介绍了非致冷凝视红外焦平面阵列的各种优点，但其缺点也不 容忽视。由于它是大面阵的探测器，其像元数多达几十力j 甚至上百万个，各个像 第四章红外管道探测仪的软件设计 元的响应度不一致，这种非均匀性引入固定模式的乘性和加性噪声导致图像上出 现水平和垂直纹理，使得输出圈像的视觉效果很差，对观察者视觉有强烈干扰。 这是传感器所固有的，要从根本上解决只有通过改进制造技术和工艺。现阶段的 解决办法是通过软件进行校正。“。本节将要讲述的两点校验就是为了解决这种由 于红外探测器像元的非均匀性带来的误差。 参考相关资料和实际试验结果可知，影响红外探测器单一像元输出的主要因 素有两个：一是被测对象的温度；二是像元本身周围的环境温度。下面对这两个 因素分别加以探讨。 ( 1 ) 被测对象温度对单一像元输出的影响 当像元所处的环境温度一定时，单一像元的输出和被测对象的温度成近似的 线性关系，如图4 2 所示。其横轴代表被测对象的温度，即像元的输入；纵轴代表 单一像元的输出电压；a ，b 为两个独立的像元。 v v 2 v i 图4 2 单一像元对被测对象温度的响应曲线 从图4 - 2 中可以明显的看出，对于独立的像元a 和b ，当测量同一温度时， 其输出电压是不同的，如果不加以校正，会导致图像的变形。 根据单一像元的输出电压与被测对象温度的近似线性关系，可以容易的得到 响应曲线的斜率： g = 糌 c 。训 直线方程为： y = 瓦f ：- i v , ( r 一互) + k = g 丁+ ( k - g t o ( 4 2 ) 而校正的目的是从已经得到的像元的输出电压，反算出被测对象的温度t ， 则有： 第四章红外管道探测仪的软件设计 r = 矿一之( k g 正) 。( 4 - - 3 ) gg 1 令v = x ；t = f ( x ) ：g = 一1 ；d = 一( k g z ) ，则单一像元的温度校正 gg 方程如式( 4 - - 4 ) 所示： f ( 彳) = g x + d ( 4 4 ) 其中：x 为像元原始输出值；f ( x ) 为校正后的值：g 和d 是校正直线的斜 率和截距。 通过上述校正方程，可以使非均匀的像元在某一环境温度下，对同一被测温 度的响应基本一致。因为校验方程斜率g 和截距d 的确定需要用两个温度点e ，正 以及两个原始输出电压k ，以来确定，所以我们把这种校验方法称为两点校验。 应用这种单一像元两点校验的思想，我们可以对红外探测器上3 2 0 2 4 0 个 像元都拟合出其对被测物体温度的响应曲线，然后计算出每个像元的校正曲线的 斜率和截距，并将这些数据都存到某个文件中。在成像时，将原始热图数据用已 经保存的两点校验数据进行逐点校验，从而可以改善像元非均匀性对成像的影 响。 图4 3 a 为用红外热像仪对2 3 的黑体进行测量时，各个像元输出的原始数 据的直方图。从图中可以看出，像元的非均匀性非常严重，若用原始数据直接成 像，图像会严重失真。图4 3 b 为经过两点校验后，各个像元输出的直方图。可 以看出，经过两点校验后，各个像元对同一被测温度的输出值基本一致，明显的 改善了像元非均匀性误差。 连定范围峰值：1 2 8 刈标：g 8 5 1 2 5 1 0 0 - 7 5 k 卯 _- 巧 2 1 0i 1 7 7 2 1 4 43 i 1 1 o 相s 相f d 9 1 26 9 t 97 9 4 6 日9 i 39 8 8 3 1 1 3 2 1 矬标- 1 5 2 8 1 1 3 2 口 9 0 5 6 6 7 9 2 4 5 2 6 2 2 6 4 图4 ，3 a 各像元原始输出直方图图4 3 b 两点校验后各像元输出直方图 ( 2 ) 环境温度对单一像元输出的影响 实际测量实验表明，像元周围的环境温度对其输出电压也有较明显的影响。 具体表现在不同的环境温度下，像元对被测物体温度响应直线的斜率和截距不 同。同时实验也表明环境温度对像元输出的影响是连续的，缓慢的。所以在某一 环境温度下所作的两点校验数据，在其周围环境温度有小范围的波动时，也可以 第四章红外管道探测仪的软件设计 用，而且校验结果不会使图像质量有明显下降。 ( 3 ) 两点校验数据的制作实验 不同环境温度下的两点校验数据必须事先做好存在磁盘文件中，当需要成像 时直接选用合适的两点校验数据对原始热图数据进行校验。 某环境温度下两点校验数据的制作步骤如下： 将红外热像仪在某一稳定环境温度下开机预热1 小时； 将一黑体的温度控制在环境温度左右，记录其准确的温度值，并用红外 热像仪对其进行测量，测量得到的原始数据作为低温数据，即第一点数 据； 将另一黑体温度控制在比环境温度高1 5 左右，记录其准确的温度值， 并用红外热像仪对其进行测量，测量得到的原始数据作为高温数据，即 第二点数据； 利用第一点数据和第二点数据算出每个像元的校正曲线的斜率和截距， 并存到磁盘文件。文件名的命名规则为：“m i n i n ”+ “环境温度1 0 ” + “d a t ”。例如，在2 0 34 c 的环境温度下得到的两点校验数据的命名为 “m m m 2 0 3 d a t ”。此文件的命名方法主要是为了将来仪器使用时自动根 据当前的环境温度值选取合适的两点校验数据进行校验。 本项目研制的红外管道探测仪要在大港油田野外使用，因此仪器使用的环境 温度范围很大，大约在一1 5 c 3 5 。c 。要使仪器在各种环境温度条件下都能够成 质量较好的图像，就必须在不同的环境温度下分别做两点校验数据。基于这些考 虑，我们在一1 5 3 5 的环境温度范围内，每隔3 。c 做一个两点校验数据，这 样仪器在使用时，根据当时所处的环境温度来选取离它最近的环境温度下做的两 点校验数据进行校验。 2 一点校验 顾名思义，一点校验是为了区别两点校验提出的，它是指只经过一点测量来 对热图数据进行校验的方法。虽然同是对热图数据进行校验，但它们所解决的问 题是不同的。两点校验是为了弥补红外探测器本身像元的非均匀性引起的图像失 真，而一点校验则是针对消除探测器周围热噪声所提出的一种校验方法。 由于红外探测器接收到的辐射不只是源于成像系统共轭点处的目标辐射，而 是目标辐射和杂散光共同入射到探测器上，这样就使得系统的分辨率降低。”3 。 杂散光主要源于探测器周围物体( 包括镜头，快门，周围支架等) 对其的热辐射。 这些热辐射形成一个背景热噪声，如果不消除会使成像质量严重下降。 一点校验就是为了消除这种背景热噪声，从而提高成像质量的方法。其具体 实现方法有两种，一种是手动校验，一种是自动校验。手动校验时需要用户手动 第四章红外管道探测仪的软件设计 盖上镜头盖，而自动校验则是采用快门校验。 一点校验的原理很简单，就是当盖上镜头盖或者快门关闭时，连续采l o 帧 图像，并对其进行叠加平均作为背景噪声，以后所采的图像都减去这个背景噪声， 便可在一定程度上消除热噪声的干扰。其计算公式如式( 4 5 ) 所示： 踯= 丽1 善 g 删；“e ，且0 _ i 3 1 9 , 0 计算a = m i n q ( i ，j ) ，b = m a x q ( i ，) ，则有温窗的起点为一，温窗范围为 曰一4 。 对于图像显示来说，温窗起点和温窗范围分别对应的是图像的亮度和对比度， 所以温窗起点和温窗范围的选择不同，图像的视觉效果也不同。经过实验证明。 以上图像矩阵的划分方法，可以自动获得最佳的亮度和对比度。 2 灰度映射 灰度映射是在选定的温窗起点和温窗范围的基础上，将原图像数据映射到2 5 6 级灰度上，以便于灰度图像的显示。 设m ( i ，) 是灰度映射前第f 行第列的图像数据，n ( i ) 是灰度映射后i 行 第_ ，列的灰度图像数据，则有： ( 1 ) 若m ( i ，j ) s a ，贝0 n ( i ，) = 0 ； ( 2 ) 若m ( i ，j ) b ，贝n ( i ，_ ，) = 2 5 5 ： ( 3 ) 若一 调用调色板类c p a l e t t e 的s e t p a l e t t e e n t r i e s 0 函数来替换当前文档的调色 板，并刷新当前视图实现变换。 本节将红外管道探测仪所拍摄的埋地输油管道的灰度图像用8 种不同的伪 彩编码分别进行了处理，并对其处理效果做了对比，如图4 7 所示。每张伪彩图 片右边都带一个色标，用来表示温度与颜色的对应关系，色标从下到上的颜色渐 变表示温度由低到高。 经过对比分析，彩虹编码l 最为符合人对颜色与温度的认知习惯。高温区域 用暖色调显示，低温区域用冷色调显示。随着温度由高变低，其颜色的渐变过程 为：白，红，黄，绿，蓝，黑。所以，本项目红外管道探测仪的应用软件最终选 择彩虹编码1 对埋地输油管道的灰度图像进行伪彩处理。 图4 7 a 埋地输油管道的红外灰度图像 第四章红外管道探测仪的软件设计 图4 7 b 红色饱和度编码图4 7 c 绿色饱和度编码 图4 - 7 d 蓝色饱和度编码 图4 7 e 黄色饱和度编码 图4 7 f 彩虹编码1 图4 7 9 彩虹编码2 图4 7 h 热金属编码1 图4 7 i 热金属编码2 第四章红外管道探测仪的软件设计 4 5 图像保存与离线分析模块设计 1 图像保存 用红外管道探测仪进行石油管道巡线时，需要对可疑偷油漏油区域的红外热 图及时保存以便进行后续的离线处理。根据本项目的实际需要，图像保存可通过 “自动保存”和“手动保存”两个途径来完成。 “自动保存”功能无需用户进行任何输入操作。当巡线员发现可疑区域时， 只需按一个自动保存的快捷功能键( 数字键3 ) ，当前图像便以系统当前时刻的 时间为文件名保存到磁盘上。文件路径的具体格式为“d ：d i s c o v e r y 年月日时 一分秒d i s ”，当离线再次打开由“自动保存”所存储的图片时，图片采集的时间自 动显示在该图片的左上角。 “手动保存”则需要操作人员手动输入所存图像的一些信息，如文件名，时 间，备注等，存储路径也需要用户来选择。“手动保存”比“自动保存”的一个 优点在于用户可以自行加入图片的描述信息，方便以后的查询分析，但同时缺点 是操作比较繁琐。当离线再次打开“手动保存”所存储的图片时，此图片的所 有相关描述信息也一起显示。 2 图像的离线分析 对于一些可疑区，单从红外图像上看很难确定埋地管道的走向和分支情况， 这时需要用模式识别等数字图像处理算法对埋地管道情况进行机器识别，用以辅 助人工判断。本文应用图像分割，数学形态学处理，以及骨架跟踪等算法对埋地 管道的红外图像进行处理，可以较好的判别管道的走向和分支情况。由于上述算 法的运算都需要较长的时间( 一般为几秒) ，所以只适合对已存储的图像进行离 线处理。 对图像的离线处理结果可以做成分析报告的形式进行存储或打印输出。 4 6 软件人机界面设计与特点 1 人机界面设计 软件的人机界面是与用户接触最为直接和紧密的部分，它是巡线员操作使用 红外管道探测仪的唯一接口。因此，人机界面的设计要本着实用的原则，一要功 能突出，二要简单易用，三要美观大方。 根据以上要求，本红外管道探测仪的应用软件的界面设计如图4 8 所示。主 界面主要包括标题栏，菜单栏，工具栏，客户区和状态栏五个部分。其中菜单栏 和工具栏集中了所有的操作命令。客户区主要用来显示红外图像，左半部分为灰 第四章红外管道探测仪的软件设计 度图像显示，右半部分为彩虹编码1 的伪彩图像显示。 图4 8 红外管道探测仪应用软件界面 2 本应用软件的特点 智能化程度高。考虑到油田的管道巡线人员使用电脑的水平普遍不高， 应用软件的设计必须降低其操作难度，尽量做到软件操作傻瓜化。例如， 当设备连接后，用户不需要任何人为干预，软件自动监视温度传感器的 变化，调用合适的两点校验数据进行校验。同时软件每隔4 分钟做一次 自动快门校验，改善图像质量。 功能实用。本软件是专门为探测埋地输油管道优化的，像诸如日期显示， 自动增益，亮度对比度可调，自动保存，快速查看，数据库检索等功能 都非常实用。 操作简单，易学。所有的操作均设置了快捷键，做到“一键操作”。 界面美观大方。 第五章现场实验与整机测试 第五章现场实验和整机测试 5 1 大港油田现场埋地输油管道探测实验 完成了红外管道探测仪的硬件、软件及整机设计之后，我们用此仪器在大港 油田现场针对管径、油温、埋深、测量环境等情况不同的管道分别做了大量的测 量实验，检测结果如下。 5 1 1 单管线检测 1 1 0 寸主管道，埋地7 5 c m ，管壁温度4 0 4 5 ，测量地点港东5 站和2 3 站交 叉口，测量时间1 1 月初中午1 1 ：2 0 ，阳光直射，风力2 3 级，气温1 5 。检 测结果如图5 - 1 所示： 图5 1 b 灰度图像 图5 1 a 可见光图像 图5 1 c 伪彩图像 第五章现场实验与整机测试 2 2 寸半管道，埋地深度4 0 c m ，温度4 5 。c 。测量地点马西2 0 站出油井口管线。 测量时间6 月初凌晨7 ：0 0 ，微风，气温1 8 。c 。检测结果如图5 - 2 所示： 图5 2 a 可见光图像 图5 2 b 灰度图像 5 1 2 交叉管道检测 图5 2 c 伪彩图像 1 2 根6 寸管道相交汇，埋地6 0 c m ，温度4 0 4 5 。c 。测量地点港东5 站和2 3 站交叉口，测量时间为1 1 月初中午1 1 ：0 0 ，晴天阳光直射，风力2 3 级，气温 1 5 。检测结果如图5 3 所示： 吲5 3 a 可见光图像 第五章现场实验与整机测试 图5 3 b 灰度图像 2 埋地6 0c m 的6 寸管线，温度4 0 4 5 口，测量时间1 1 月初晨7 ：3 0 ，气温7 。c ， 行。检测结果如图5 - 4 所示： 图5 3 c 伪彩图像 ，测量地点港东5 站和2 3 站交叉 风力3 4 级。该管道在地下向右折 图5 4 a 可