CN103674453A

CN103674453A - 热波成像气体泄漏检测装置及方法

Info

Publication number: CN103674453A
Application number: CN201310730588.1A
Authority: CN
Inventors: 陈力
Original assignee: NANJING NUOWEIER PHOTOELECTRIC SYSTEM CO Ltd
Current assignee: NANJING NUOWEIER PHOTOELECTRIC SYSTEM CO Ltd
Priority date: 2013-12-26
Filing date: 2013-12-26
Publication date: 2014-03-26

Abstract

本发明涉及一种高灵敏度的气体泄漏检测技术。该技术采用能被泄漏气体强烈吸收的激光束进行扫描，被测气体吸收能量后温度升高，辐射出热波信号，再采用红外热像仪对该热波信号进行图像采集与分析。同时该技术还采用了线状激光束进行扫描并采用逐行扫描型热像仪，激光帧扫描频率和热像仪的帧扫描频率同步，并使得激光束所加热的区域成像在热像仪探测芯片正处于积分状态的像素行上，这样可以进一步提高信噪比。

Description

热波成像气体泄漏检测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种微量气体泄漏成像检测技术，采用泄漏气体吸收谱附近的激光束对被测区域进行扫描，并采用热像仪进行成像。本发明可用于对气体泄漏进行快速定位，属于热波无损检测的技术领域。

背景技术

激光成像气体泄漏检测技术为许多工业领域在线检测提供了有利的工具，例如在电力系统采用的六氟化硫激光成像是一种非接触式的检漏技术，可在无需停电的情况下，以成像的方式有效发现冲有六氟化硫的电气设备泄露点，并能精确直观地定位。该技术能有效减少设备停电时间，降低维护成本，提高变电设备可靠性，保护人员安全及减少大气污染，具有明显的经济和社会效益。同样在其它行业，如石油化工、电子产品制造等领域对有毒有害气体泄漏的检测也得到广泛的应用。

目前市场上已有多种款式的激光成像气体泄漏检测设备，大部分的系统工作原理如图2所示。激光束26经过光束整形装置21后后投射到检测区域31上，一部分被背景散射的光被激光摄像仪29接收，激光摄像仪29对激光束26的波长敏感。在没有泄漏气体的情况下，所产生的背景面图像与使用普通可见光摄像机36所拍摄的由环境光产生的图像基本相同。当有泄漏气体27出现在激光摄像仪的检测区域31中时，返回到激光摄像仪29的激光强度由于气体烟雾的吸收将会局部减弱，并在背景32上形成阴影28，从视频上可以直接看到泄漏气体出现的区域产生忽明忽暗的烟雾缭绕状态。被测气体浓度越浓，吸收就越强，对比度也会越大。在这种方式下，非可视气体将可在视频中呈现，气体漂移方向和泄漏点都可以根据激光摄像仪29的图像确定。检测时泄漏气体27并不需要与背景接触，只要处在背景和激光摄像仪之间即可。

然而目前市场上基于上述已有技术的产品有很多缺陷，最主要是检测灵敏度不够高，虽然可以通过提高激光器的功率来适当地提高信噪比，但改进的效果有限，这是因为虽然信号大小是和激光强度成正比的，但背景光的强度也是和激光强度成正比的，因此激光强度增加到一定程度后就不能再有效地提高信噪比。另外激光经过扩束，由于光束质量及光学器件的误差、加上激光的相干性等问题，造成扩束后的光斑不均匀，影响到图像的质量和稳定性，往往造成局部图像无法进行精确观测，极大地影响了检测灵敏度。

发明内容

本发明的目的就是针对上述现有激光成像气体泄漏检测设备的不足，提供一种高灵敏度的气体泄漏检测技术。该技术采用能被泄漏气体强烈吸收的激光束进行扫描，泄漏气体吸收能量后温度升高，会辐射出热波信号，采用红外热像仪进行图像采集，并在该热像仪前置放滤波片，滤除用来激励热波的激光波长，或者采用对激光波长不敏感的热像仪，这样热像仪的图像主要反映待测气体的热信号变化，而此时增强激光功率可以有效地提高信噪比。

该技术还采用线状激光束进行扫描并采用逐行扫描型热像仪，激光帧扫描频率和热像仪的帧扫描频率同步，并使得激光束所加热的区域成像在热像仪探测芯片正处于积分状态的像素行上，这样可以进一步提高信噪比。

附图说明

图1为本发明系统示意图。

图2为一种现有技术系统示意图。

图3为本发明系统的技术原理图。

图4为另一种本发明系统实施示意图。

图5为另一种本发明系统实施示意图。

图6为本发明系统一种扫描方式示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1所示的是本发明一种实施例，系统包括：激光器20、光束整形装置21、光束偏转装置22、热像仪24、信号采集处理单元25、扫描控制单元23等。激光器20输出的激光束26的波长处于泄漏气体27的吸收峰附近，例如对六氟化硫气体，吸收峰值在10.6微米附近，可以采用二氧化碳气体激光器；在扫描控制单元23的驱动下，光束偏转装置22偏转激光束26进行扫描，当扫描光束遇到泄漏气体27时会被部分吸收，使得泄漏气体27的温度升高，并向外辐射热量。热像仪24对一部分红外波段敏感，但对激光束26的波长不敏感，例如对于六氟化硫气体的检测，通常使用的激光波长在10.6 um，故可采用对2-5 um或8-9 um波段敏感的热像仪，如MCT红外焦平面探测器的热像仪，这样采集的图像将主要反映泄漏气体27辐射的热波信号，而不是直接由背景及泄漏气体反射回来的激光束26的能量。由热像仪24所采集的图像送到信号采集处理单元25，经过信号处理后并显示，进一步增强了泄漏气体的检测能力。

热像仪通常有两种运行模式，即凝视型和逐行扫描型。凝视型所有单元同时对信号积分，在采用线型扫描激光束的情况下，每个时刻整个图像中只有对应于激光束26的影像位置42的少数像素可以接收到有效信号，其它部位接收的都是背景信号。因此为了提高信噪比，可以采用逐行扫描型的热像仪结合同步扫描的方法。

图3所示的是激光光斑30在可逐行扫描的热像仪24的探测芯片40上光学成像的示意图。在扫描控制单元23的精确控制下，光束偏转装置22的扫描与热像仪24的探测芯片40的帧扫描同步。扫描控制单元23通常由专门的硬件组成，如采用锁相环电路，以达到较高精度。泄漏气体27吸收激光光斑30的能量后辐射热能，经透镜43成像，在探测芯片40上的影像42重合在当前正处于积分状态的像素行上，处于积分状态的像素行是不断扫描的，而该影像42则随其同步移动。这时其它行的像素不接收信号，因此大幅减少了背景信号的影响。

当采用的热像仪24对激光器20的波长敏感时，可以在热像仪24前安放窄带滤波片35，如图4所示，阻挡掉反射回来的激光束26的反射光，使其不会影响图像的信噪比。在这种情况下，增加激光器20的输出功率可以增加来自泄漏气体27的信号强度，但不会增加由背景反射回来的激光束26所造成的噪声。

图5 所示的是上述实施例的改进，增加了可见光摄像机36，用于采集环境光产生的图像，用来对热像仪24采集的图像。因为通常被检测气体的吸收峰多在红外区域，而红外图像和可见光图像差别很大，增加可见光图像有利于判别泄漏点的位置。

以上实施例的激光束26为一字形宽光斑30，光束偏转装置22实行一维扫描。这种方法在结构和扫描控制方面最简单。但系统也可以采用点状光斑42，光束偏转装置22实行二维扫描，图6所示的是探测芯片40上的影像关系。这样扫描的优点是图像中激光强度分布均匀，但同时机械结构变得较复杂，体积大一些。另外为了保持与热像仪24同步，需要解决激光束高速扫描的问题，例如可采用多反射面转镜进行行扫描。

为了提高泄漏气体27的检测灵敏度，可以将从热像仪24所采集的图像序列中处于不同时刻的两幅图像进行相减，得到一个差分图像序列，这样背景中大部分的区域在此期间由于没有发生变化，信号相减后基本为零。例如从热像仪24采集的图像序列为：I_i，I_i+1，I_i+2，…，差分图像序列则是：（I_i - I_i+n），（I_i+1 - I_i+1+n），（I_i+2 - I_i+2+n），…。其中n >= 1，其大小的选择是要求在这个时间间隔里，泄漏气体可以发生较显著的变化。当有发生气体泄漏时，由于气体不停地飘动，浓度也不停地变化，因此不同时刻的热波信号是不同的，差分图像序列中该泄漏区域的信号将不断有变化，这种变化在基本为零的背景下可以更容易区分出来。

Claims

1.一种热波成像气体泄漏检测系统，其特征为，所述系统包括：

激光器（20），所述激光器（20）输出的激光束（26）的波长处于泄漏气体（27）的吸收峰附近；

光束偏转装置（22），所述光束偏转装置（22）用于偏转所述激光束（26）；

热像仪（24），所述热像仪（24）用于检测泄漏气体（27）在吸收所述激光束（26）的能量后所辐射的热能；

信号采集处理单元（25），所述信号采集处理单元（25）用于对所述热像仪（24）采集的图像进行处理；

扫描控制单元（23），所述扫描控制单元（23）用于控制所述光束偏转装置（22），所述光束偏转装置（22）与所述热像仪（24）的帧频同步。

2.根据权利要求1所述的热波成像气体泄漏检测系统，其特征为，所述热像仪（24）为逐行扫描型。

3.根据权利要求1所述的热波成像气体泄漏检测系统，其特征为，所述热像仪（24）对所述激光器（20）的输出波长不敏感。

4.根据权利要求2所述的热波成像气体泄漏检测系统，其特征为，由所述泄漏气体（27）所辐射的热波信号在所述热像仪（24）的探测芯片（40）上形成的影像（42）始终重合在当前正处于积分状态的像素行上。

5.根据权利要求1所述的热波成像气体泄漏检测系统，其特征为，所述系统进一步包括光束整形装置（21），所述光束整形装置（21）用于调整激光束（26）的形状。

6.根据权利要求5所述的热波成像气体泄漏检测系统，其特征为，所述光束整形装置（21）调节激光束（26）形成一字形线光束，所述光束偏转装置（22）实行一维扫描。

7.根据权利要求5所述的热波成像气体泄漏检测系统，其特征为，所述光束整形装置（21）调节激光束（26）形成点状光束，所述光束偏转装置（22）实行二维扫描。

8.根据权利要求1所述的热波成像气体泄漏检测系统，其特征为，所述系统进一步包括可见光摄像机（36），所述可见光摄像机（36）用于采集可见光图像并用来和所述热像仪（24）的图像进行对比。

9.根据权利要求1所述的热波成像气体泄漏检测系统，其特征为，所述系统进一步包括滤光片（35），用于阻挡所述激光器（20）的反射光及散射光进入所述热像仪（24）。

10.一种热波成像气体泄漏检测方法，其特征为，所述方法包括以下步骤：

设置激光器（20）的扫描频率，使其与热像仪（24）的帧频同步；

设置激光器（20）的扫描相位，使得由泄漏气体（27）所辐射的热波信号在所述热像仪（24）的探测芯片（40）上形成的影像（42）始终重合在当前正处于积分状态的像素行上；

连续采集热像仪（24）的图像，得到一个图像序列；

在所述图像序列中，顺序将每帧图像与相隔至少一帧的图像相减，得到差分图像序列；

从所述差分图像序列中检测出气体泄漏点。