（模式识别与智能系统专业论文）基于图像处理的嵌入式火焰检测系统.pdf

b vz o nh u a q i a oi t h e s i ss u p e r v i s o r ：p r o f e s s o r z h a n gy u ii e m a y ，2 0 1 0 ；耘 女， 基于图像处理的嵌入式火焰检测系统 摘要 电站锅炉火焰燃烧的稳定性直接影响到电站的安全和经济运行，为了能 及时准确地检测到炉内燃烧工况，防止由于负荷等条件变化引起的不稳定燃 烧工况而发生炉膛爆炸等恶性事故，电站锅炉必须配备可靠的锅炉燃烧安全 监测系统。针对目前国内电站锅炉火焰监视和燃烧状态检测系统存在的火焰 图像处理能力不足、实时性差等问题，本文提出了一种嵌入式火焰检测系统 方案，实现了炉膛火焰燃烧状态的实时、可靠检测。本文主要完成以下几个 方面的工作： ( 1 ) 针对炉膛火焰在不同工况下的燃烧特点，提取了反映火焰燃烧状态 的特征量：图像平均灰度、图像平均灰度方差、有效火焰面积、有效火焰面 积方差、火焰中心偏移距离和火焰中心偏移距离方差。通过计算机仿真，获 得了火焰燃烧稳定性、火焰中心偏斜、配风是否合理的定量描述，据此提出 了火焰燃烧稳定性判据。 ( 2 ) 采用模块化的设计方法，将系统划分为图像采集模块、图像处理模 块和系统主控模块三部分。 图像采集模块以视频解码芯片s a a 7 1 l l a 为核心，采用c p l d 可编程逻 辑控制火焰图像的采集，将图像数据缓存在f i f o 中。图像采集模块通过 c p l d 简化了电路设计，实现了图像采样密度的灵活控制。 图像处理模块以t i 公司的1 6 位d s p 芯片t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 为核心，从 图像采集模块的帧缓存f i f o 中读取图像数据进行处理，根据火焰燃烧稳定 性判据判断火焰的燃烧状态。 系统主控模块以a r m 公司c o r t e x m 3 内核的3 2 位嵌入式微控制器 l m 3 s 8 9 6 2 为核心，实现系统管理、人机接口和网络通信。 现场运行结果表明，该系统能够快速准确的检测出不同工况下火焰的燃 烧状态，提供可靠的燃烧预警和灭火保护信号输出，保障了锅炉安全运行。 关键词：火焰检测，图像处理，实时性，d s p e m b e d d e df l a m e d e t e c t i o ns y s t e m b a s e do n 眦g ep r o c e s s i n g a b s t r a c t t h es t a b i l i t yo ff l a m ei np o w e rs t a t i o nd i r e c t l ya f f e c t st h es e c u r i t ya n d e c o n o m i co p e r a t i o n i no r d e rt od e t e c tt h ec o m b u s t i o nc o n d i t i o n st i m e l ya n d a c c u r a t e l y , a n d t o p r e v e n t t h e e x p l o s i o n s a c c i d e n t sc a u s e db yi n s t a b l e c o m b u s t i o nc o n d i t i o n i n sd u et o1 0 a dc h a n g e ，t h eb o i l e rm u s tb ee q u i p p e dw i t ha r e l i a b l es a f e t ym o n i t o r i n gs y s t e m i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e m so fc u r r e n t b o i l e rf l a m em o n i t o r i n ga n df l a m ed e t e c t i o ns y s t e mw i t hp o o ri m a g ep r o c e s s i n g a b i l i t ya n dp o o rr e a l t i m ep r o c e s s i n gc a p a b i l i t y , t h i sp a p e rp r e s e n t sas c h e m e o f e m b e d d e df l a m ed e t e c t i o ns y s t e m 。砀er e a l t i m e a n dr e l i a b l ed e t e c t i o no f f u r n a c ef l a m ei sa l s or e a l i z e d t h i sp a p e rc o m p l e t e st h ef o l l o w i n gt a s ka s p e c t s ： ( 1 ) a i m i n ga t t h ef u r n a c ef l a m eb u r n i n gc h a r a c t e r i s t i c so fd i f f e r e n t c o n d i t i o n s ，t h ef e a t u r e st h a tr e f l e c tt h ef l a m ec o m b u s t i o ns t a t ea r ee x t r a c t e d ， w h i c hi n c l u d et h ei m a g ea v e r a g eg r a yl e v e l ，i m a g ea v e r a g eg r a yl e v e lv a r i a n c e ， e f f e c t i v ef l a m ea r e a , e f f e c t i v ef l a m ea r e av a r i a n c e ，f l a m ec e n t e ro f f s e ta n df l a m e c e n t e ro f f s e tv a r i a n c e b ys i m u l a t i o n ，aq u a n t i t a t i v ed e s c r i p t ：i o no ft h ef l a m e s t a b i l i t y , f l a m ec e n t e rd e f l e c t i o na n da i rd i s t r i b u t i o nr a t i o n a l i t y i so b t a i n e d a c c o r d i n g l y , t h ef l a m es t a b i l i t yc r i t e r i o ni sp r o p o s e d ( 2 ) u s i n gm o d u l a rd e s i g nm e t h o d ，t h es y s t e mi sd i v i d e di n t ot h r e ep a r t s ， w h i c hi n c l u d e si m a g ea c q u i s i t i o nm o d u l e ，i m a g ep r o c e s s i n gm o d u l ea n ds y s t e m c o n t r o lm o d u l e i m a g ea c q u i s i t i o nm o d u l eu s e st h es a a 7 l llav i d e od e c o d e ra st h ec o r ec h i p a n dp r o g r a m m a b l el o g i cc p l dt oc o n t r o lt h ef l a m ei m a g ec o l l e c t i o n t h ei m a g e d a t aa r es a v e dt ot h ef i f o t h em o d u l es i m p l i f i e st h ec i r c u i td e s i g nt h r o u g ht h e c p l d t h ef l e x i b l ec o n t r o lo fi m a g es a m p l i n gd e n s i t yi sr e a l i z e d i m a g ep r o c e s s i n gm o d u l ea d o p t s16 - b i td s p t m s 32 0 v c 5 416a st h ec e n t e r p r o c e s s o r t h ei m a g ed a t ai nf i f of r a m eb u f f e ri sr e a da n dp r o c e s s e d a n d t h e c o m b u s t i o ns t a t eo ff l a m ei sd e t e c t e di na c c o r d a n c ew i t hf l a m es t a b i l i t yc r i t e r i o n t h es y s t e mc o n t r o lm o d u l eu s e s3 2 - b i te m b e d d e dm c u l m 3 s 8 9 6 2i n 删 c o p o r a t i o nc o r t e x m 3c o r ef o rs y s t e mm a n a g e m e n t ，h u m a n m a c h i n ei n t e r f a c e a n dn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n f i e l do p e r a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h es y s t e mc a nd e t e c tt h es t a t eu n d e r d i f f e r e n tc o n d i t i o n so fc o m b u s t i o nf l a m eq u i c k l ya n d a c c u r a t e l y t h es y s t e ma l s o p r o v i d e sar e l i a b l ee a r l yw a r n i n ga n df i r ep r o t e c t i o no u t p u tt oe n s u r et h es a f e o p e r a t i o no f t h eb o i l e r k e yw o r d s ：f l a m ed e t e c t i o n ，i m a g ep r o c e s s i n g ，r e a l t i m e ，d s p i i i 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i l 绪论l 1 1 课题研究背景l 1 2 课题研究的意义一- 1 1 3 目前国内外研究现状2 1 3 1 国外研究现状一2 1 3 2 国内研究现状3 1 4 论文的主要研究内容4 1 5 小结5 2 嵌入式火焰检测系统构成6 2 1 系统总体结构6 2 2 火焰图像传感器7 2 2 1 传像光纤7 2 2 2 风冷系统7 2 2 3c c d 摄像机一7 2 3 图像采集与处理系统8 2 4 计算机监控中心8 2 5 火焰图像录放系统8 2 6 小结9 3 火焰检测算法1 0 3 1 火焰燃烧特性1 0 3 2 火焰图像特征量提取1 l 3 3 火焰图像处理1 3 3 3 1 火焰图像的平滑1 3 3 3 2 直方图统计1 4 3 3 3 火焰图像增强显示1 4 3 3 4 图像二值化处理1 6 3 3 5 火焰偏心诊断1 6 3 4 火焰燃烧判据1 7 3 5 小结2 0 4 图像采集与处理系统的硬件设计2 1 4 1 图像采集模块的硬件设计2 2 4 1 1 图像采集模块硬件总体设计2 2 4 1 2 电源电路2 3 4 1 3 视频解码电路2 3 4 1 4s a a 7 1 1 1 a 初始化电路2 4 4 1 5 视频信号的存储2 5 4 1 6c p l d 采集控制逻辑2 5 4 2 图像处理模块的硬件设计2 9 4 2 1 图像处理模块硬件总体设计2 9 4 2 2 图像处理模块核心器件( t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 ) 3 0 4 2 3 电源电路i 31 4 2 4 看门狗复位电路3 l 4 2 5j t a g 调试接口电路3 3 4 2 6 图像处理模块的接口电路设计3 3 4 2 6 1 数据存储器的扩展一3 3 4 2 6 2 程序存储器的扩展一3 4 4 2 6 3d s p 与图像采集模块的接口3 5 4 2 6 4d s p 与系统主控模块的接口3 5 4 3 系统主控模块的硬件设计3 6 4 3 1 系统主控模块硬件总体设计3 6 4 3 2 控制器外围电路3 7 4 3 3 电源电路3 8 4 3 4s d 卡接口电路一3 9 4 3 5 人机接口电路4 0 4 3 6 实时时钟4 2 4 3 7 以太网接口电路4 2 4 3 8 开关量输入输出接口电路4 3 4 4 小结4 4 5 图像采集与处理系统的软件设计4 5 5 1 图像采集模块的软件设计4 5 5 2 图像处理模块的软件设计4 6 5 2 1 图像 5 2 2d s p 5 2 3 图像 5 3 系统主控模块的软件设计5 5 5 3 1 系统主控模块软件总体架构5 6 5 3 2 底层驱动程序设计：5 7 5 3 2 1s t e l l a r i s 外设驱动库5 7 5 3 2 1 2 系统时钟节拍驱动5 7 5 3 3 3g p i o 驱动程序5 9 5 3 2 4 人机接口驱动程序：6 l 5 3 2 5 实时时钟驱动6 2 5 3 2 6s d 卡驱动程序6 4 5 3 2 7 以太网驱动程序6 6 5 3 3 系统主控模块应用程序设计6 7 5 4 小结：7 0 一 6 总结与展望7 1 。 6 1 工作总结7 l 6 2 改进建议- 7 1 致谢7 3 参考文献7 4 。一 附录a ：图像采集模块电路图7 7 附录b ：图像处理模块电路图1 7 8 附录c ：图像处理模块电路图27 7 9 附录d ：系统主控模块电路图1 j 8 0 附录e ：系统主控模块电路图2 8 1 攻读学位期间发表的论文目录8 2 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明：8 3 i i i 基于图像处理的嵌入式火焰检测系统 1 绪论 我国火力发电厂锅炉以燃煤为主，煤粉锅炉要求在炉膛内组织稳定、均匀的火焰， 保证强烈、充分的燃烧。而在实际生产过程中负荷变化、煤种变化等因素都会影响煤粉 的着火和燃烧，引起燃烧器甚至整个炉膛熄火。如果在燃烧器或炉膛熄火后，继续向炉 膛喷入煤粉，大量未燃烧煤粉在炉膛内积聚，当浓度达到一定程度，并有足够的点火能 量时，就会产生爆燃，严重危害锅炉的安全运行- 】。火力发电厂大型锅炉都应该配备锅 炉炉膛安全监控系统，即f s s s ( f u r n a c es a f e g u a r ds u p e r v i s o r ys y s t e m ) ，而锅炉火焰检 测系统是其核心部件。锅炉火焰检测系统能连续地监视锅炉燃烧器的火焰或炉膛火球， 一旦火焰燃烧恶化或发生熄火，该系统及时发出报警信号，通过f s s s 或燃烧管理系统 ( b m s ) 切断燃料供应，避免发生炉膛熄火或爆炸事故，确保机组的安全运行。 目前，我国电站锅炉广泛采用可见光型、红外线型、紫外线型或上述组合型火焰检 测器。火焰检测原理均采用双信号判别法，根据火焰闪烁频率和火焰亮度的相对关系判 断火焰是否存在，通常采用选频、鉴频的方法把单燃烧器火焰从炉膛背景火焰中区别出 来。然而此类火焰检测器功能单一，仅对火焰强度和频率的简单门限判断来检测“有火 或“无火 ，不能对火焰的燃烧状态和稳定性进行诊断，运行人员无法有针对性的进行燃 烧调整。在锅炉实际运行中，此类火焰检测器对不同的煤种、负荷变化引起的火区位置 的漂移难以做到自适应，尤其是在动态工况下时有误报、漏报情况发生。 随着计算机软、硬件技术的迅速发展，特别是多媒体技术的广泛应用，基于火焰图 像信号检测的火焰检测技术，吸引了国内外众多研究者的目光。在这样的前提下，数字 图像处理技术开始应用于火焰图像处理中。对于火焰图像的采集及处理，目前一般采用 图像采集卡加计算机的结构，而火焰图像检测系统中有庞大的数据量和复杂的图像处理 算法，用通用计算机实现图像处理的运算能力远远不足，系统在运行复杂算法时负担较 重，不能满足实时性的要求。必须建立更为先进的系统的软硬件结构，以满足实时性要 求。 1 2 课题研究的意义 基于图像处理的嵌入式火焰检测系统的研究，实现了炉膛火焰燃烧状态的实时、可 靠检测，对提高我国电站锅炉的安全经济运行、降低有害烟气排放量、提高热效率，有 着极其重要的意义。体现在以下三个方面： 陕西科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 提高锅炉运行的安全性 电站锅炉在启动点火、正常燃烧运行、熄火停炉的每一个阶段，炉膛内部聚集了部 分爆炸性燃料，存在着炉膛灭火和爆炸的可能性事故，对运行人员和设备造成威胁。通 过对电站锅炉运行各阶段火焰燃烧状态的实时检测，可以及时发现燃烧过程的不稳定因 素，在火焰燃烧恶化或熄火时采取保护措施，防止锅炉内任何部位积聚燃料及空气的混 合物，保证锅炉的安全运行。 ( 2 ) 提高煤资源利用率 2 0 0 9 年全国发电标准煤耗3 3 9 克千瓦时，与发达国家标准煤耗平均水平3 3 0 克千 瓦时相比仍有很大的差距，这说明了我国电站锅炉存在燃烧效率不高的问题。通过对锅 炉火焰燃烧状态的识别，并以此为依据，改变各个燃烧器的风煤比或单只燃烧器各个喷 口的送风量来有针对性的进行燃烧调整，最后达到优化炉内燃烧、提高锅炉燃烧效率的 目的。 ( 3 ) 降低有害气体排放 我国是世界上最大的煤炭生产和消费国，煤炭在一次能源消费中的比重高达6 9 4 ， 其中4 9 6 的煤炭用于燃烧发电。燃煤电站排放的n o x 和s 0 2 是中国最大的大气污染 源。此外，燃煤超细颗粒物也是诱发全球气候变化、烟雾事件和臭氧层破坏等重大环境 事件的重要因素。通过锅炉火焰燃烧状态的监控，在指导锅炉经济性运行、提高热效率 的同时，最大限度的降低n o x 等污染气体的排放。 通过本课题的研究，能够实时、准确的检测出炉膛火焰的燃烧状态和炉膛中心火球 偏斜情况。现场运行人员以此为依据，有针对性的进行燃烧调整，指导锅炉的安全、高 效、环保运行。 1 3 目前国内外研究现状 1 3 1 国外研究现状 在火焰图像处理领域，国外开展此项研究较早，其中具有代表性的成果有： 芬兰的i v o 公司研制出一套燃烧检测与数字分析系统d i m a c t l 7 1 8 】( d i g i t a lm o n i t o r i n g a n da n a l y s i so fc o m b u s t i o n ) ，该系统能对单燃烧器或整个炉膛卸负荷时的测量结果自动 保存，有助于运行人员发现事故的原因，及时的进行燃烧调整。同时运行人员也可以把 当前的工况和燃烧数据数值保存存入到数据库中，通过这些数据可以比较不同煤种间的 燃烧质量。 日本三菱公司经过多年的试验，研制出的光学影像火焰监测器o p t i s t - 钉( o p t i c a l i m a g ef l a m es c a n n e r ) 具有很强的火焰检测灵敏度和鉴别能力，能较好的克服炉膛背景 2 基于图像处理的嵌入式火焰检测系统 热辐射和相邻燃烧器的火焰信号的干扰。光学影像火焰监测器在日本广岛电厂进行工业 实验及在香港拉码电厂首次运行以来，以其先进的技术和优越的性能向人们展示了良好 的应用前景。 日立公司在h i a c s 3 0 0 0 系统中采用了炉膛火焰图像识别技术，通过该系统可以计 算出火焰温度场的分布，并对锅炉燃烧的经济性进行评估以及估算有害气体排放量，这 对于指导锅炉安全经济运行、控制有害气体排放具有重要意义。 1 3 2 国内研究现状 国内这方面的研究起步较晚，清华大学吴占松t 坨1 等对炉膛火焰温度分布测量做了大 量的研究工作，得出了火焰图像灰度信号和火焰温度之间的关系，通过在黑体炉内进行 标定实验，建立了多项式回归模型，得出了氮氧化合物生成量与高温区温度、面积、边 界和喷嘴之间的距离及温度分布的方差之间的关系，开创了国内火焰图像处理研究的先 河。 东南大学邹煜等人进行了锅炉全炉膛火焰图像处理与检测系统开发与研究d o , n ，针对 我国电厂锅炉现有f s s s 主要以开关量逻辑判断火焰有无，不能达到锅炉安全保护系统 中设计要求的问题，在此基础上提出了将模拟量引入f s s s 进行炉膛火焰燃烧状态诊断 的检测方法。 弋 华中理工大学的周怀春【1 3 。1 5 】等致力于火焰二维温度场计算方法的研究，根据温度场 的信息诊断燃烧工况。通过在c c d 摄像机前面安装单色滤光片获取单色火焰图像，并 将所获取的单色火焰图像与某一参考点的辐射强度的比较来计算火焰温度场，其中参考 点辐射强度用热电偶或者双色高温计测温获得。周怀春等人的研究给出了一种能在工业 现场实施的二维温度场测量方法。为了解决使用热电偶测量参考点辐射强度所带来的误 差，目前周怀春等正在从事如何将火焰燃烧图像与燃烧过程数值模拟相结合的方法来重 建三维温度场分布的研究。 南京自动化研究所许柯夫 1 6 1 致力于基于火焰辐射图像的燃烧诊断的初步研究，并推 导了火焰辐射测温公式。东南大学王式民等从事炉膛火焰图像处理的研究，并进行了基 于图像处理的温度场测量方法和燃烧诊断技术的开发工作。 上海交通大学徐伟勇1 9 1 等人采用计算机图像处理技术开展了对电站锅炉火焰检测的 研究，设计出的一套火焰检测装置能实时的记录火焰的亮度分布信息，进行火焰燃烧状 态判断，但仍处在探索阶段，现场应用还在改进。 从国内外炉膛图像火焰检测系统的发展来看，国外对数字图像处理技术在炉膛火焰 检测中的应用研究起步较早，研制开发的火焰检测设备有很好的火焰状态识别、燃烧诊 断和有害气体排放预估能力。国内这方面的研究则起步较晚，近年来国内许多大专院校 3 陕西科技大学硕士学位论文 和研究机构开展了对锅炉火焰检测的研究工作，普遍采用计算机加装图像采集卡的模式 同时完成图像的采集和处理任务，在运行复杂的图像处理算法时实时性较差。针对目前 国内锅炉火焰检测系统存在的问题，建立处理能力强大的嵌入式图像处理硬件平台和开 发出高效火焰检测算法软件是图像火焰检测系统研究的发展方向。 1 4 论文的主要研究内容 基于图像处理的嵌入式火焰检测系统的研究是在嵌入式数字图像处理系统与全炉膛 火焰检测算法相结合成为图像火检系统发展方向的趋势下提出的。本研究课题运用计算 机技术、数字图像处理方法在嵌入式硬件平台上实现全炉膛火焰图像信号的处理，能快 速准确地检测出全炉膛火焰燃烧状态。此外，利用数字图像处理技术还可以从炉膛火焰 图像中提取丰富的燃烧状态信息，本文通过计算机仿真得出了火焰特征量与燃烧状态之 间的关系，提出了火焰燃烧稳定性判据，从而能够相对定量地掌握全炉膛火焰的燃烧状 况，为运行人员提供指导燃烧的依据。 系统软硬件平台的构建结合实时处理的需要，将图像的采集与处理工作交给图像采 集与处理系统来实现。图像采集与处理系统的软硬件设计是本文研究的重点内容，着重 对该系统的硬件构成、各功能模块电路的设计、模块间的接口电路和软件设计进行了介 绍。论文分为6 个章节来详细论述这几部分工作。这6 章分别为： 第一章：绪论。介绍基于图像处理的嵌入式火焰检测系统的研究背景、意义及研究 的主要内容。 第二章：系统总体设计。本章详细介绍了嵌入式火焰检测系统的组成部分，包括火 焰图像传感器系统、图像采集与处理系统、计算机监控中心及火焰图像录放系统。 第三章：火焰检测算法研究。详论了火焰图像处理的方法，根据火焰燃烧特性，提 取了反映火焰燃烧状态的特征量。通过m a t l a b 软件仿真，得出了这些特征量与火焰 燃烧状态之间的关系。 第四章：系统硬件设计。系统采用模块化的电路设计方法，把系统划分为图像采集 模块、图像处理模块和系统主控模块三部分，文中对各个模块的电路设计进行了详细介 绍。 第五章：系统软件设计。详细介绍系统各功能模块的软件设计流程，重点介绍了火 焰图像处理算法的d s p 程序设计和主控模块层次化的软件设计方法。 第六章：总结与改进。 4 1 5 小结 本章介绍了目前国内外火焰检测系统的研究现状，提出了目前国内火焰检测系统存 在的问题。论述了基于图像处理的嵌入式火焰检测系统课题研究的目的和意义，介 绍了课题的主要研究内容。 陕西科技大学硕士学位论文 2 嵌入式火焰检测系统构成 目前，锅炉火焰监测系统中一般采用图像采集卡加计算机的结构，而火焰监测系统 中有庞大的数据量和复杂的图像处理算法，用通用计算机实现图像处理的运算能力远远 不足，系统在运行复杂算法时负担较重，不能满足实时性的要求。本系统在硬件结构上 做了优化设计，图像采集与处理部分交给下位机图像采集与处理系统来完成，减轻了监 控中心计算机的负担，提高了图像处理的实时性。 2 1 系统总体结构 本文所设计的全炉膛火焰检测系统主要由火焰图像传感器、图像采集与处理系统、 火焰图像录放系统和计算机监控中心4 部分组成。整个系统的结构框图如图2 1 所示。 图2 一l 系统总体结构图 f i 9 2 - 1s y s t e mc o m p o s i n gf r a m e w o r k 全炉膛火焰检测系统的光学部分安装于锅炉上部，其视野能有效的覆盖整个炉膛断 面，获得全炉膛完整的火焰燃烧图像。由传像光纤、风冷系统和c c d 摄像机组成的图 像传感器摄取炉膛内火焰图像，火焰图像信号由同轴电缆送入视频信号分配器，不衰减 的将信号输出到火焰图像录放系统和图像采集与处理系统。图像采集与处理系统对全炉 膛火焰燃烧状态进行检测。计算机监控中心主要完成对图像采集与处理系检测结果的分 析和存储、实时显示、报表打印等功能。 图像采集与处理系统是本文研究的核心内容，它主要完成图像采集、图像处理、故 障报警、人机接口、网路通信等功能。火焰燃烧状态检测结果以开关量信号的形式送至 f s s s 系统，进行灭火保护，并通过以太网将火焰燃烧状态数据送至监控中心计算机。监 控中心软件根据这些燃烧状态参数对锅炉火焰燃烧的状态进行评价和记录，为燃烧控制 提供依据。 6 基于图像处理的嵌入式火焰检测系统 2 2 火焰图像传感器 火焰图像传感器由传像光纤、风冷系统、c c d 摄像机组成。考虑到电站锅炉现场的 环境非常恶劣，在物镜前面装有不磨损的石英玻璃，用于隔热防尘，以保护物镜的镜片， 同时也减少了许多现场维护工作。火焰图像传感器结构示意图如图2 2 所示。 2 2 1 传像光纤 图2 - 2 火焰图像传感器结构 f i 9 2 2i m a g e $ e l l $ o rc o n f i g u r a t i o n 摄像机 传像光纤实质为一内窥式光学潜望镜，核心部件为石英玻璃透镜光学传像装置。它 利用小孔成像的原理获取火焰图像并经棱镜转向后直接投射在c c d 摄像机靶面上。光 纤的主体是玻璃纤维，由透光率极高的石英、玻璃、稀土石英玻璃等媒质制成。把光纤 制做成与导线或电缆相似的光导线材，能把光的信息( 光强、光脉冲、光的相位变化等) 从一端传送另一端【5 】。传像光纤有导光性能好、传输频带宽、不受电磁场的干扰、耐腐 蚀、体积小、重量轻等诸多优点，能够准确而清晰的传送图像，并且它检测区域非常大， 基本不受煤种和负载变化的影响。 2 2 2 风冷系统 光学系统和c c d 摄像机在锅炉高温环境下工作，存在着输出图像信号质量不稳定 的问题，严重时出现由于过热而损坏图像传感装置的危险。因此在实际工程应用中，必 须配备风冷系统对光学系统进行冷却和吹扫。 2 2 3c c d 摄像机 c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ，电荷耦合器件) 摄像机是7 0 年代初发展起来的一种 新型半导体器件。3 0 多年来，c c d 的开发研究取得了惊人的进展，特别是在图像传感 器应用方面发展非常迅速，已成为现代光电子学和现代测试技术中最活跃、最富有成果 的新兴领域之一。 c c d 由大量独立光敏元件组成，能够将光线变为电荷并将电荷存储及转移。通常这 7 陕西科技大学硕士学位论文 些光敏元件是按矩阵排列，光线透过镜头照射到光电二极管上转换成电荷，每个元件上 的光照强度与产生的电荷量成比例 7 1 。彩色c c d 摄像机的色度学基础是三基色学说。即 任何一种颜色c 都可以用颜色方程来表示：c 叫r ) + g ( g ) + b ( b ) 。彩色c c d 经过光学成像 系统把来自景物的入射光分解为r 、g 、b 三基色，经过摄像机器件转换成相应的r 、g 、 b 三个亮度值的数字信号，该数字信号以少数载流子密度信号的形式存储于敏感单元 ( m o s 电容) 中，然后，再转移到c c d 的移位寄存器( 转移电极下的势阱) 中，在驱 动脉冲的作用下移出器件，成为视频信号。所得视频信号中的每一个离散的电压信号的 大小对应于该光敏像元上图像的光强，信号输出的时序对应于该光敏像元在c c d 上的 空间位置，从而c c d 用自身电子扫描方式完成信息从空间域到时间域的变换。 c c d 摄像机可经受强烈振动和冲击，且工作电压低、体积小、重量轻。这些突出的 优点使c c d 摄像机广泛应用于锅炉炉膛火焰检测系统。 2 3 图像采集与处理系统 火焰图像采集与处理系统是整个嵌入式火焰检测系统的核心部分，完成火焰图像的 前端采集与图像处理算法的实现。 火焰图像采集与处理系统的设计方案根据系统的功能，对硬件结构作了优化设计， 划分为3 个独立的功能模块，分别是图像采集模块、图像处理模块和系统主控模块。采 用c p l d 内部可编程逻辑来控制s a a 7 1 1 1 a 实现图像的采集，而d s p 的任务则集中于 火焰图像处理算法的实现，另外通过a r m 处理器为系统扩展了良好的人机界面和网络 通信接口，监控中心计算机可以通过以太网实时监控火焰燃烧状态。图像采集与处理系 统的软硬件设计将在第4 章和第5 章中详述。 2 4 计算机监控中心 监控中心计算机为运行人员提供了可视化界面，实现对火焰燃烧状态的实时监控、 系统参数设置、历史故障查询、数据库管理等功能。 2 5 火焰图像录放系统 火焰录像机2 4 小时不间断录制火焰燃烧情况，将火焰燃烧录像数字化并经过压缩处 理后存入硬盘中，运行人员根据需要查看相关时间段的火焰图像，实现事故追查。 8 9 陕西科技大学硕士学位论文 3 火焰检测算法 炉膛火焰检测系统是否能够快速、准确的检测出火焰的燃烧状态，并且在正常然烧 和非正常燃烧的时候准确地给出有火、无火的信号，很大程度上取决于火焰检测算法是 否有效可靠。一个准确有效的检测算法是影响整个火检系统的重要因素，它对整个电站 锅炉的安全生产起着重要作用。 3 1 火焰燃烧特性 炉膛内煤粉燃烧火焰的图像直观、迅速的反映了火焰的燃烧状况，如果能通过火焰 燃烧特性的分析，找出火焰图像信息与燃烧状态之间的关系，就可用其进行火焰燃烧状 态检测。火焰燃烧特性的分析是确定图像火检算法的关键。典型的四角喷燃锅炉炉膛火 焰燃烧状况如图3 1 所示。 图3 - 1 炉膛火焰燃烧状况示意图 f i 够- 1f l a m ei m a g ei nf u r n a c e 对于四角喷燃锅炉，正常燃烧时，锅炉中心形成大火球，其火焰将辐射出大量的能 量。火焰图像灰度是火焰能量高低的直接反映，是判断锅炉燃烧状况的重要依据；此外 火焰有效面积表示了火焰实际延伸区的面积，也是表征燃烧状况的重要依据；由于炉膛 内空气动力场及对流，将引起的火焰形状的波动，脉动特性在图像上表现为灰度的变化 和火焰有效面积的波动；如果炉膛内各燃烧器配风不当或个别燃烧器工作不正常，会造 成火焰中心的偏斜。所有这些火焰燃烧特征构成了检测炉膛火焰是否存在和燃烧是否稳 定的依据。 1 0 基于图像处理的嵌入式火焰检测系统 3 2 火焰图像特征量提取 为了建立有效的火焰检测判据，必须先提取出能准确反映炉膛火焰燃烧状况的火焰 特征量。本系统根据炉膛煤粉燃烧时，有一定的着火面积，着火区亮度明显高于炉膛背 景亮度的特征，从火焰图像中提取出了反映炉膛火焰燃烧状态的以下几个火焰特征量： ( 1 ) 图像平均灰度 由煤粉在炉膛中的火焰燃烧特性可以看出，火焰图像的平均灰度可以表征火焰的燃 烧状态，在实际应用中根据燃烧火焰和背景火焰的差异设定一个阈值，当平局灰度大于 此阈值时认为着火，否则视为灭火。对于一幅火焰图像，其灰度的平均值可以表示为： 1 m 门x n 2 mx n 备毋 ( 3 - 1 ) 其中，舀表示图像中第f 个像素点的灰度， m 、n 分别是像素行和列数目。 由于现场存在各种噪声干扰和火焰波动的影响，为了滤除这些干扰，在实际应用中 可以采集多幅火焰图像，取其灰度的平均值： 云= 去缸 2 ， 其e p k 为在连续时间t 内采集的图像数。g 押表示在时间t 内采集的k 幅图像的平均灰 度。 ( 2 ) 平均灰度方差 根据炉膛火焰的燃烧特性，在火焰的初始燃烧区，表现出非常明显的脉动特性，而 火焰脉动在图像上反映为灰度的变化。因此，在火焰的特征量提取中引入了能反映出火 焰真实燃烧的图像平均灰度的方差。在t 时间内k 幅图像平均灰度的方差为： 咿k 万石 ( 3 - 3 ) ( 3 ) 火焰有效面积 炉膛火焰燃烧时有一定的着火面积，火焰有效面积是反映火焰燃烧状况的几何特征 量。火焰的有效面积指在火焰图像中，某灰度级以上的所有象素的总和。火焰有效面积 的计算公式为： 繇= 三( 一) 扛i ( 3 - 4 ) 式中g m 为预先设定的阈值，l ( x ) 为阶跃函数，其定义为： 2 ( 扯jh加(3-5) 三( x ) 2 1 0 x g o 。并且火焰 的有效面积大于有效面积阈值s o ，t i p s 删 s o 。同时火焰平均灰度方差和有效面积方差小 于设定阈值。 ( 2 ) 火焰燃烧预警判据 当火焰燃烧恶化趋于熄火时，火焰的平均灰度值g a v 大于灰度阈值铷，并且踟在一定 时间内持续下降；同时火焰的有效面积s 鲋 s o ，且在一定时间内持续下降，两个条件同 1 9 陕西科技大学硕士学位论文 时满足时给出火焰燃烧预警信号。 当火焰平均灰度方差或有效面积方差在一定时间内超出给定的阈值，说明炉膛火焰 辐射强度变化剧烈，燃烧极不稳定，很有可能导致灭火故障。其中任意一个条件满足时 给出燃烧预警信号。 ( 3 ) 炉膛灭火判据 当炉膛火焰的平均灰度值g 钾小于灰度阈值g o ，并持续数秒，并且此时的火焰有效面 积s 村0 ，发出熄火报警信号。 ( 4 ) 火焰偏移报警判据 当炉膛中心火球偏移炉膛中心的距离大于设定阈值，g o d d o ，在一定时间内连续检 测该条件成立，则认为燃烧器故障或炉膛配风出现问题，发出报警信号。火焰偏移距离 方差也是反映中心火球摆动的剧烈程度的特征量，该值超出阈值一定的时间，则认为炉 膛火球中心位置波动剧烈，给出告警信号。 3 5 小结 本章对火焰图像预处理的方法进行了介绍，根据全炉膛火焰的燃烧燃烧特征，提取 了反映火焰燃烧状态的特征量。通过m a t l a b 软件仿真，验证了这些特征量对火焰燃烧 状态检测的可行性，并提出了全炉膛火焰燃烧稳定性判据。 基于图像处理的嵌入式火焰检测系统 4 图像采集与处理系统的硬件设计 系统的硬件电路设计部分主要是图像采集与处理系统的硬件设计。为了保证整个硬 件系统配置灵活、易于调试、升级和维护，系统的电路采用模块化的设计方法，即依据 系统功能把硬件分成了三个模块，分别是图像采集模块、图像处理模块和系统主控模块。 图像采集与处理系统的硬件模块划分如图4 1 所示。 早醐她槲 t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 r 一一一 i 系统主控模块 ： 嚣i _ 监控中心计算机 图4 - 1 图像采集与处理系统硬件模块图 f i 9 4 1i m a g ea c q u i s i t i o n & p r o c e s ss y s t e mh a r d w a r es t 兀l c t i i r ed i a g r a m 图像采集模块实现高速的图像采集，主要包括视频解码芯片s a a 7 1 1 l a 、图像缓存 f