CN105865723A - 气体泄漏检测非均匀校正方法及气体泄漏检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及数据识别技术领域，具体涉及一种气体泄漏检测非均匀校正方法，步骤为：气体泄漏检测装置获取各温度段的增益系数G_ij和偏置系数Q_ij并存储采集的红外图像；利用纹理和边缘特征对红外图像中的气体区域进行识别；对非气体区域的图像各点温度进行检测；并进行分区；对各分区图像通过非均匀校正单元进行非均匀校正；本发明还提供一种气体泄漏检测装置，包括壳体，壳体内设主控芯片，主控芯片连接红外成像模块、显示模块和电源模块，电源模块为其余各模块供电，所述红外成像模块包括顺次排列设置的红外镜头、红外窗口和红外图像传感器。本发明能够提升气体非均匀校正效果，提高气体泄漏检测精度。

Description

气体泄漏检测非均匀校正方法及气体泄漏检测装置

技术领域

本发明涉及数据识别技术领域，具体涉及一种气体泄漏检测非均匀校正方法及气体泄漏检测装置。

背景技术

红外热像仪在军事、工业和民用方面都越来越多地被应用。然而由于各个红外光敏元的响应参数(包括响应率因子和截据因子等)不尽相同，造成即使在红外焦平面阵列的输入为均匀时，各个光敏元之间的输出电压也不相同，从而产生非均匀性问题。另外，读出电路以及读出电路与探测器的耦合也会导致非均匀性问题。因此，非均匀校正是红外热像仪设计中需要解决的关键问题。

常用的非均匀校正方法包括：温度定标校正方法、基于神经网络的校正方法和常数恒定统计校正方法等。上述方法都是针对接收到的一帧红外图像，利用像素间的相互关系，完成非均匀校正。针对气体泄漏检测领域，设备管道和泄漏气体具有较高的温度，而外界环境的温度较低，一副图像往往存在较大的温差，对一帧温差较大的红外图像采用上述方法进行非均匀校正效果较差。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的在于：提供一种气体泄漏检测非均匀校正方法及气体泄漏检测装置，提升气体非均匀校正效果，提高气体泄漏检测精度。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案为：

所述气体泄漏检测非均匀校正方法，包括以下步骤：

步骤一，分别采集红外图像传感器各个光敏元在各温度值下的响应数据，采用两点校正法，利用公式(1)和公式(2)分别计算各温度段的增益系数G_ij和偏置系数Q_ij，

$G_{ij}=\frac{V_H-V_L}{X_{ij}\left(H\right)-X_{ij}\left(L\right)}---\left(1\right)$

$Q_{ij}=\frac{V_H{X}_{ij}\left(L\right)-V_L{X}_{ij}\left(H\right)}{X_{ij}\left(L\right)-X_{ij}\left(H\right)}---\left(2\right)$

其中X_ij(H)和X_ij(L)分别为像元(i,j)在高温和低温均匀辐射背景下的响应，V_H和V_L分别为焦平面阵列中所有像元的平均输出；

步骤二，对各温度段的增益系数G_ij和偏置系数Q_ij分别进行存储；

步骤三，气体泄漏检测装置读取各温度段的增益系数G_ij和偏置系数Q_ij；

步骤四，气体泄漏检测装置存储采集的红外图像；

步骤五，利用纹理和边缘特征对红外图像中的气体区域进行识别；

步骤六，利用红外图像温度检测算法对非气体区域的图像各点温度进行检测；

步骤七，根据图像各点温度，将非气体区域的图像进行分区；

步骤八，对分割后的各分区图像通过非均匀校正单元进行非均匀校正。

优选地，所述非均匀校正单元包括平均温度计算模块、读取校正参数模块、图像校正模块和保存校正结果模块，平均温度计算模块首先计算各分区中各点的平均温度，然后读取校正参数模块根据平均温度值读取相应的校正参数，图像校正模块利用公式(3)完成非均匀校正，最后保存校正结果模块保存校正后的图像数据，

Y_ij＝G_ijX_ij(φ)+Q_ij (3)

其中X_ij(φ)表示均匀辐照度条件下红外探测器输出的图像。

优选地，所述气体泄漏检测装置主控芯片采用FPGA，增益系数G_ij和偏置系数Q_ij读入到FPGA的内部RAM中，步骤八中利用FPGA并行处理的特点，分别对多个区域同时进行分均匀校正，提高数据处理效率。

优选地，步骤五中气体区域识别依据的纹理特征分别为气体自身的细腻性、相关性和自相似性，其中，角二阶矩反映气体的细腻性，相关矩反映气体的相关性，分形维数反映气体的自相似性，角二阶矩、相关矩和分形维数的计算公式分别如公式(4)、(5)和(6)所示：

$ASM=\underset{x=0}{\overset{l-1}{\Σ}}{p}^2(x,y)---\left(4\right)$

$CORRLN=\frac{\underset{x=0}{\overset{l-1}{\Σ}}\underset{y=0}{\overset{l-1}{\Σ}}xyp(x,y)-m_1{m}_2}{s_1^2{s}_2^2}---\left(5\right)$

$D=\frac{log\left(N_r\right)}{log(1/r)}---\left(6\right)$

其中p(x,y)为归一化后的灰度共生矩阵值，(x,y)为像素点的坐标值，m₁、m₂、和分别为(x,y)的均值和方差，N_r表示覆盖整个图像所需的盒子数，r为图像划分的尺度。

优选地，所述步骤五利用纹理特征完成气体区域检测后，利用Sobel算子对气体的边缘进行检测。

上述方法将图像的纹理特征与边缘特征相结合有效提高了气体区域识别的精度。

本发明还提供一种基于上述方法的气体泄漏检测装置，包括壳体，壳体内设主控芯片，主控芯片连接红外成像模块、显示模块和电源模块，电源模块为其余各模块供电，所述红外成像模块包括顺次排列设置的红外镜头、红外窗口和红外图像传感器。

本发明机械结构依照国标GB3836进行生产组装，符合防爆标准。电源模块可采用12V蓄电池，并通过电压转换电路转换成本机各个部件所需要的直流低压电源，电压转换电路采用现有电路即可，对应电源模块设置控制开关，控制电源的开断，红外图像传感器的数字信号处理电路将红外透镜接收的红外图像转换成视频信号传递至主控芯片，主控芯片根据红外图像传感器采集结果判断是否有气体泄漏，并通过显示模块对检测结果进行显示，操作者可直接看到检测结果，检测获得的图像或视频可通过存储模块进行存储，需要时可进行调取查看。

所述显示模块包括普通显示模块和强光显示模块，所述普通显示模块与壳体铰接，普通显示模块背面设置控制按键，强光显示模块包括屏筒和显示屏，显示屏固定于屏筒内，所述普通显示模块、控制按键和显示屏分别与主控芯片相连，在普通光强照射下，可直接采用普通显示模块读取红外成像模块获得的红外图像，在光照较强的环境下，普通显示模块显示效果降低，操作者不能正常读取图像，因此设置强光显示模块，将显示屏置于屏筒内，屏筒可阻挡外部强光直接作用于显示屏，操作者可顺通过屏筒读取显示屏上的红外图像，通过控制按键可对装置进行指令操作，例如装置开关，图像信号的实时记录存储，图像信息的定时录制、分时录制及录像品质选择等；所述普通显示模块采用液晶显示屏。

气体泄漏检测装置还包括可见光摄像头，所述可见光摄像头与主控芯片相连，可见光摄像头用于检测现场图片或视频拍摄。

所述壳体上设置视频信号输出接口和USB接口，所述视频信号输出接口和USB接口均与主控芯片相连，通过接口输出视频信号可外接通用的彩色或黑白的电视监视器；USB接口可以使本装置再连接机外的其它电脑设备，存储录像文件或再进一步整理、编辑。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明能够提升气体非均匀校正效果，提高气体泄漏检测精度。本发明法首先利用图像的纹理特征对气体区域进行识别，然后根据温度对非气体区域进行分割，对分割后的各个区域分别进行非均匀校正，该方法在有效提高非均匀校正效果的同时，为后继的气体检测奠定了基础。

附图说明

图1是本发明实施例1流程图。

图2是基于纹理和边缘特征的气体区域识别流程图。

图3是实施例1非均匀校正单元并行处理流程图。

图4是实施例2正视图。

图5是实施例2使用状态左视图。

图6是实施例2使用状态俯视图。

图中：1、壳体；2、电源模块；3、红外镜头；4、红外窗口；5、普通显示模块；6、强光显示模块；7、控制按键；8、可见光摄像头；9、USB接口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例做进一步描述：

实施例1：

如图1所示，本发明所述气体泄漏检测非均匀校正方法，包括以下步骤：

步骤一，分别采集红外图像传感器各个光敏元在各温度值下的响应数据，采用两点校正法，利用公式(1)和公式(2)分别计算各温度段的增益系数G_ij和偏置系数Q_ij，

$G_{ij}=\frac{V_H-V_L}{X_{ij}\left(H\right)-X_{ij}\left(L\right)}---\left(1\right)$

$Q_{ij}=\frac{V_H{X}_{ij}\left(L\right)-V_L{X}_{ij}\left(H\right)}{X_{ij}\left(L\right)-X_{ij}\left(H\right)}---\left(2\right)$

其中X_ij(H)和X_ij(L)分别为像元(i,j)在高温和低温均匀辐射背景下的响应，V_H和V_L分别为焦平面阵列中所有像元的平均输出；

步骤二，对各温度段的增益系数G_ij和偏置系数Q_ij分别进行存储；

步骤三，气体泄漏检测装置读取各温度段的增益系数G_ij和偏置系数Q_ij；

步骤四，气体泄漏检测装置存储采集的红外图像；

步骤五，利用纹理和边缘特征对红外图像中的气体区域进行识别；

步骤六，利用红外图像温度检测算法对非气体区域的图像各点温度进行检测；

步骤七，根据图像各点温度，将非气体区域的图像进行分区；

步骤八，对分割后的各分区图像通过非均匀校正单元进行非均匀校正。

其中，步骤一采集气体泄漏探测器在0℃、50℃、100℃、150℃、250℃和300℃的响应数据；步骤二中增益系数G_ij和偏置系数Q_ij分别存储至FLASH芯片；气体泄漏检测装置主控芯片采用FPGA，增益系数G_ij、偏置系数Q_ij和红外图像均读入到FPGA的内部RAM中。

如图2所示，步骤五中气体区域识别依据的纹理特征分别为气体自身的细腻性、相关性和自相似性，其中，角二阶矩反映气体的细腻性，相关矩反映气体的相关性，分形维数反映气体的自相似性，角二阶矩、相关矩和分形维数的计算公式分别如公式(4)、(5)和(6)所示：

$ASM=\underset{x=0}{\overset{l-1}{\Σ}}{p}^2(x,y)---\left(4\right)$

$CORRLN=\frac{\underset{x=0}{\overset{l-1}{\Σ}}\underset{y=0}{\overset{l-1}{\Σ}}xyp(x,y)-m_1{m}_2}{s_1^2{s}_2^2}---\left(5\right)$

$D=\frac{log\left(N_r\right)}{log(1/r)}---\left(6\right)$

其中p(x,y)为归一化后的灰度共生矩阵值，(x,y)为像素点的坐标值，m₁、m₂、和分别为(x,y)的均值和方差，N_r表示覆盖整个图像所需的盒子数，r为图像划分的尺度。

用纹理特征完成气体区域检测后，利用Sobel算子对气体的边缘进行检测，将图像的纹理特征与边缘特征相结合有效提高了气体区域识别的精度。

步骤七分区时可根据图像质量要求高低适当调整温差，以50℃为例，检测的温度按照0-49℃、50-99℃等对非气体区域的图像进行分割，将分割后的各区图像分别输入到FPGA的多个处理单元中进行并行非均匀校正，非均匀校正处理单元如图3虚线框所示，非均匀校正单元包括平均温度计算模块、读取校正参数模块、图像校正模块和保存校正结果模块，平均温度计算模块首先计算各分区中各点的平均温度，然后读取校正参数模块根据平均温度值读取RAM内相应的校正参数，图像校正模块利用公式(3)完成非均匀校正，最后保存校正结果模块向RAM内保存校正后的图像数据，

Y_ij＝G_ijX_ij(φ)+Q_ij (3)

其中X_ij(φ)表示均匀辐照度条件下红外探测器输出的图像。

上述过程利用FPGA并行处理的特点，可分别对多个区域同时进行分均匀校正，提高数据处理效率。

实施例2：

如图4-6本实施例在实施例1的基础上提供了一种气体泄漏检测装置，包括壳体1，壳体1内设主控芯片，主控芯片连接红外成像模块、显示模块和电源模块2，电源模块2为其余各模块供电，所述红外成像模块包括顺次排列设置的红外镜头3、红外窗口4和红外图像传感器，红外图像传感器设于壳体1内部，图4-6中均未示出。

所述显示模块包括普通显示模块5和强光显示模块6，所述普通显示模块5与壳体1铰接，普通显示模块5背面设置控制按键7，强光显示模块6包括屏筒和显示屏，显示屏固定于屏筒内，所述普通显示模块5、控制按键7和显示屏分别与主控芯片相连，在普通光强照射下，可直接采用普通显示模块5读取红外成像模块获得的红外图像，在光照较强的环境下，普通显示模块5显示效果降低，操作者不能正常读取图像，因此设置强光显示模块6，将显示屏置于屏筒内，屏筒可阻挡外部强光直接作用于显示屏，操作者可顺通过屏筒读取显示屏上的红外图像，通过控制按键7可对装置进行指令操作，例如装置开关，图像信号的实时记录存储，图像信息的定时录制、分时录制及录像品质选择等；所述普通显示模块5采用液晶显示屏，液晶显示屏可通过转轴绕外壳实现270度旋转，具体机械结构属于本领域技术人员公知技术，此处不赘述；气体泄漏检测装置还包括可见光摄像头8，所述可见光摄像头8与主控芯片相连，可见光摄像头8用于检测现场图片或视频拍摄；壳体1上设置视频信号输出接口和USB接口9，所述视频信号输出接口和USB接口9均与主控芯片相连，通过接口输出视频信号可外接通用的彩色或黑白的电视监视器；USB接口9可以使本装置再连接机外的其它电脑设备，存储录像文件或再进一步整理、编辑。

本发明机械结构依照国标GB3836进行生产组装，符合防爆标准。电源模块2可采用12V蓄电池，并通过电压转换电路转换成本机各个部件所需要的直流低压电源，电压转换电路采用现有电路即可，对应电源模块2设置控制开关，控制电源的开断，红外图像传感器的数字信号处理电路将红外透镜3接收的红外图像转换成视频信号传递至主控芯片，主控芯片根据红外图像传感器采集结果判断是否有气体泄漏，并通过显示模块对检测结果进行显示，操作者可直接看到检测结果，检测获得的图像或视频可通过存储模块进行存储，需要时可进行调取查看。

Claims (10)

1.一种气体泄漏检测非均匀校正方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，分别采集红外图像传感器各个光敏元在各温度值下的响应数据，采用两点校正法，利用公式(1)和公式(2)分别计算各温度段的增益系数G_ij和偏置系数Q_ij，

$G_{ij}=\frac{V_H-V_L}{X_{ij}\left(H\right)-X_{ij}\left(L\right)}---\left(1\right)$

$Q_{ij}=\frac{V_H{X}_{ij}\left(L\right)-V_L{X}_{ij}\left(H\right)}{X_{ij}\left(L\right)-X_{ij}\left(H\right)}---\left(2\right)$

其中X_ij(H)和X_ij(L)分别为像元(i,j)在高温和低温均匀辐射背景下的响应，V_H和V_L分别为焦平面阵列中所有像元的平均输出；

步骤二，对各温度段的增益系数G_ij和偏置系数Q_ij分别进行存储；

步骤三，气体泄漏检测装置读取各温度段的增益系数G_ij和偏置系数Q_ij；

步骤四，气体泄漏检测装置存储采集的红外图像；

步骤五，利用纹理和边缘特征对红外图像中的气体区域进行识别；

步骤六，利用红外图像温度检测算法对非气体区域的图像各点温度进行检测；

步骤七，根据图像各点温度，将非气体区域的图像进行分区；

步骤八，对分割后的各分区图像通过非均匀校正单元进行非均匀校正。

2.根据权利要求1所述的气体泄漏检测非均匀校正方法，其特征在于，所述非均匀校正单元包括平均温度计算模块、读取校正参数模块、图像校正模块和保存校正结果模块，平均温度计算模块首先计算各分区中各点的平均温度，然后读取校正参数模块根据平均温度值读取相应的校正参数，图像校正模块利用公式(3)完成非均匀校正，最后保存校正结果模块保存校正后的图像数据，

Y_ij＝G_ijX_ij(φ)+Q_ij (3)

其中X_ij(φ)表示均匀辐照度条件下红外探测器输出的图像。

3.根据权利要求1所述的气体泄漏检测非均匀校正方法，其特征在于，所述泄漏检测装置主控芯片采用FPGA，增益系数G_ij和偏置系数Q_ij读入到FPGA的内部RAM中，步骤八中利用FPGA并行处理的特点，分别对多个区域同时进行分均匀校正。

4.根据权利要求1所述的气体泄漏检测非均匀校正方法，其特征在于，步骤五中气体区域识别依据的纹理特征分别为气体自身的细腻性、相关性和自相似性，其中，角二阶矩反映气体的细腻性，相关矩反映气体的相关性，分形维数反映气体的自相似性，角二阶矩、相关矩和分形维数的计算公式分别如公式(4)、(5)和(6)所示：

$ASM=\underset{x=0}{\overset{l-1}{\Σ}}{p}^2(x,y)---\left(4\right)$

$CORRLN=\frac{\underset{x=0}{\overset{l-1}{\Σ}}\underset{y=0}{\overset{l-1}{\Σ}}xyp(x,y)-m_1{m}_2}{s_1^2{s}_2^2}---\left(5\right)$

$D=\frac{log\left(N_r\right)}{\log (1/r)}---\left(6\right)$

其中p(x,y)为归一化后的灰度共生矩阵值，(x,y)为像素点的坐标值，m₁、m₂、和分别为(x,y)的均值和方差，N_r表示覆盖整个图像所需的盒子数，r为图像划分的尺度。

5.根据权利要求2所述的气体泄漏检测非均匀校正方法，其特征在于，所述步骤五利用纹理特征完成气体区域检测后，利用Sobel算子对气体的边缘进行检测。

6.一种实现权利要求1-5任一项所述的气体泄漏检测非均匀校正方法的气体泄漏检测装置，其特征在于，包括壳体(1)，壳体(1)内设主控芯片，主控芯片连接红外成像模块、显示模块和电源模块(2)，电源模块(2)为其余各模块供电，所述红外成像模块包括顺次排列设置的红外镜头(3)、红外窗口(4)和红外图像传感器。

7.根据权利要求6所述的气体泄漏检测装置，其特征在于，所述显示模块包括普通显示模块(5)和强光显示模块(6)，所述普通显示模块(5)与壳体(1)铰接，普通显示模块(5)背面设置控制按键(7)，强光显示模块(6)包括屏筒和显示屏，显示屏固定于屏筒内，所述普通显示模块(5)、控制按键(7)和显示屏分别与主控芯片相连。

8.根据权利要求7所述的气体泄漏检测装置，其特征在于，所述普通显示模块(5)采用液晶显示屏。

9.根据权利要求6所述的气体泄漏检测装置，其特征在于，还包括可见光摄像头(8)，所述可见光摄像头(8)与主控芯片相连。

10.根据权利要求6所述的气体泄漏检测装置，其特征在于，所述壳体(1)上设置视频信号输出接口和USB接口(9)，所述视频信号输出接口和USB接口(9)均与主控芯片相连。