CN110186865B - 一种智能网络型红外气体识别设备及工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及气体分析检测技术领域，特别涉及一种红外气体识别设备。一种智能网络型红外气体识别设备，包括：红外镜头、红外探测器、探测器接口模块、成像电路模块、ARM控制及传输模块、远程中心工作站；成像电路模块包括：AD采集子模块、FLASH存储子模块、FPGA子模块及通讯接口子模块；红外镜头与红外探测器用于提供原始图像，AD采集子模块将原始图像转换后传输到FPGA子模块，FPGA子模块对原始数据进行校正，并对校正数据进行处理，得出包含气体特征信息的红外图像，同时定性判断气体是否泄漏以及泄漏区域；发生泄漏后，FPGA子模块将红外图像、泄漏位置信息以及报警信号通过ARM控制及传输模块发送至远程中心工作站。本发明提供了远程监控特定气体的解决方案。
Description
技术领域
本发明涉及气体分析检测技术领域，特别涉及一种红外气体识别设备。
背景技术
随着经济全球化的发展，空气污染、雾霾等环境问题日益严重，有毒有害危险气体对人类的危害也越来越引起人们的关注。工业中的矿井瓦斯，CO，日常生活中的煤气很容易发生爆炸，危害人类身体健康，因此对有害气体的检测十分必要。
红外吸收光谱法是现在常用的气体识别检测技术，当场景中出现气体泄漏时，由于气体对特定波长的红外线的吸收作用，最终成像时气体泄漏区域会明显变暗，从而表征气体泄漏图像。由于检测的气体具有易燃易爆等特点，因此要考虑检测设备的远程控制功能以保证人员安全。
发明内容
本发明的目的是：为便于操作人员远程监控气体泄漏现场，提供一种对特定气体红外成像，并具有远程实时检测功能的红外气体识别设备。
本发明的一个技术方案是：一种智能网络型红外气体识别设备，它包括：红外镜头、红外探测器、探测器接口模块、成像电路模块、ARM控制及传输模块以及远程中心工作站；
红外镜头采用锗材料，表面镀增透膜，覆盖波段3.2μm~3.4μm的中波红外波；
红外探测器采用窄波段碲镉汞中波斯特林制冷红外探测器，其探测器窗口与焦平面感光波段覆盖3.2μm~3.4μm波段；
成像电路模块用于完成红外探测器的时序配置，AD采集，对原始图像的预处理、气体特征图像细节增强处理、气体图像检测和报警处理，图像数据格式转换及传输，控制指令的发送及解析，气体图像检测参数配置；成像电路模块包括：AD采集子模块、FLASH存储子模块、FPGA子模块以及通讯接口子模块；其中，FPGA子模块分别与AD采集子模块、FLASH存储子模块以及通讯接口子模块建立信号连接；
红外镜头与红外探测器建立信号连接，用于提供原始图像；红外探测器通过探测器接口模块与AD采集子模块建立信号连接，通讯接口子模块与ARM控制及传输模块建立信号连接，ARM控制及传输模块通过网络与远程中心工作站建立通讯连接。
识别设备上电后，AD采集子模块接收探测器接口模块所传递的原始图像模拟数据，并将模拟数据转换成数字数据传输到FPGA子模块，FPGA子模块完成原始数据的接收，并对原始数据进行校正，然后将校正数据存储于FLASH存储子模块；FPGA子模块进一步对校正数据进行处理，得出包含气体特征信息的红外图像，同时定性判断气体是否泄漏以及泄漏区域；发生泄漏后，FPGA子模块将红外图像、泄漏位置信息以及报警信号通过通讯接口子模块发送至ARM控制及传输模块；ARM控制及传输模块通过网络将红外图像、泄漏位置信息发送至远程中心工作站，同时对外输出本地报警信息；远程中心工作站对接收到的红外图像、泄漏位置信息进行实时显示。
上述方案中，具体的，红外探测器的分辨率不低于320×256，像元尺寸为30μm，F数为1.5；
进一步的，在上述方案的基础上，识别设备还包括：云台；红外镜头、红外探测器、探测器接口模块、成像电路模块以及ARM控制及传输模块均安装在云台上；远程中心工作站通过ARM控制及传输模块下发控制云台的转向指令，ARM控制及传输模块解析转向指令并开口控制云台的转动，以达到远程控制成像角度的目的。
进一步的，在上述方案的基础上，利用远程中心工作站能够配置红外探测器的工作曝光、图像分辨率等参数，该配置指令依次通过ARM控制及传输模块、成像电路模块、探测器接口模块送达至红外探测器。
本发明的另一个技术方案是：一种智能网络型红外气体识别设备的工作方法，它使用如上所述的一种智能网络型红外气体识别设备，并包括以下步骤：
A. 识别设备上电，红外探测器启动内部制冷机，当制冷机达到设定温度后，FPGA子模块启动时序控制，为红外探测器提供时钟，积分时间及工作参数；
B. 红外探测器通过探测器接口模块向成像电路模块传输原始图像，AD采集子模块对原始图像进行模数转换后送至FPGA子模块，FPGA子模块对原始图像进行预处理得到校正图像后，将校正图像存储至FLASH存储子模块；
C. FPGA子模块调用FLASH存储子模块中的校正图像，并对校正图像进行后期处理得到气体区域为伪彩并且对比度增强的红外图像；
D. FPGA子模块根据图像差分增强算法，判断红外图像中是否有存在气体泄漏，若存在泄漏，则FPGA子模块进一步辨别泄漏位置；存在泄露时，FPGA子模块将红外图像、泄漏位置信息以及报警信号通过通讯接口子模块发送至ARM控制及传输模块；
E. ARM控制及传输模块通过网络将红外图像、泄漏位置信息发送至远程中心工作站，同时对外输出本地报警信息；
F. 远程中心工作站对接收到的红外图像、泄漏位置信息进行实时显示。
具体的，步骤B中，FPGA子模块对原始图像进行预处理的方法为非均匀校正与盲元补偿。
具体的，步骤C中，对校正图像进行后期处理的方法为：FPGA子模块调用FLASH存储子模块内的校正数据，对校正图像分为两路进行后期处理；一路进行气体图像细节增强，采用双边滤波算法得到气体图像的高频分量和低频分量，高频分量对应细节信息，低频分量对应背景信息，对高频分量进行细节保留运算，对低频分量进行直方图均衡，并将结果进行加权，由此得到既保留细节信息又增强对比度的图像P1；另一路计算局部方差和全局方差，并将局部方差与全局方差比较以得到气体泄漏区域，同时利用帧间差分算法增强气体泄漏区域，然后对气体泄漏区域加入伪彩，其它区域不加伪彩，以此得到只有气体区域为伪彩的图像P2；将图像P1、图像P2进行加权，伪彩部分用图像P2像素值，其它部分用图像P1像素值，由此得到红外图像。
有益效果：本发明采用高灵敏度的窄波段碲镉汞斯特林制冷型探测器，波段覆盖3.2μm~3.4μm，可检测烷烃类气体与其它特征吸收峰在此波段中的气体，发生泄漏后，设备采用网络传输方式，将红外图像传输到网络上，使操作人员可以远程监控气体泄漏现场；本发明提供了高可靠、高灵敏度、远程监控特定气体的解决方案，可应用于全天候自动监控气体泄漏隐患的领域。
附图说明
图1为本发明实施例1的结构框图；
图2为本发明实施例2的结构框图；
图中：1-红外镜头、2-红外探测器、3-探测器接口模块、4-成像电路模块、4.1- AD采集子模块、4.2-FLASH存储子模块、4.3-FPGA子模块、4.4-通讯接口子模块、5- ARM控制及传输模块、6-云台、7-远程中心工作站。
具体实施方式
实施例1，参见附图1，一种智能网络型红外气体识别设备，它包括：红外镜头1、红外探测器2、探测器接口模块3、成像电路模块4、ARM控制及传输模块5以及远程中心工作站7；
红外镜头1采用锗材料，表面镀增透膜，覆盖波段3.2μm~3.4μm的中波红外波；
红外探测器2采用窄波段碲镉汞中波斯特林制冷红外探测器，其探测器窗口与焦平面感光波段覆盖3.2μm~3.4μm波段；本例中，红外探测器2的分辨率不低于320×256，像元尺寸为30μm，F数为1.5；
成像电路模块4用于完成红外探测器2的时序配置，AD采集，对原始图像的预处理、气体特征图像细节增强处理、气体图像检测和报警处理，图像数据格式转换及传输，控制指令的发送及解析，气体图像检测参数配置；成像电路模块4包括：AD采集子模块4.1、FLASH存储子模块4.2、FPGA子模块4.3以及通讯接口子模块4.4；其中，FPGA子模块4.3分别与AD采集子模块4.1、FLASH存储子模块4.2以及通讯接口子模块4.4建立信号连接；
红外镜头1与红外探测器2建立信号连接，用于提供原始图像；红外探测器2通过探测器接口模块3与AD采集子模块4.1建立信号连接，通讯接口子模块4.4与ARM控制及传输模块5建立信号连接，ARM控制及传输模块5通过网络与远程中心工作站7建立通讯连接。
识别设备上电后，AD采集子模块4.1接收探测器接口模块3所传递的4路模拟输出原始图据，并将模拟数据转换成16位数字数据传输到FPGA子模块4.3，FPGA子模块4.3完成原始数据的接收，并对原始数据进行校正，然后将校正数据存储于FLASH存储子模块4.2；FPGA子模块4.3进一步对校正数据进行处理，得出包含气体特征信息的红外图像，同时定性判断气体是否泄漏以及泄漏区域；发生泄漏后，FPGA子模块4.3将红外图像、泄漏位置信息以及报警信号通过通讯接口子模块4.4发送至ARM控制及传输模块5；ARM控制及传输模块5通过网络将红外图像、泄漏位置信息发送至远程中心工作站7，同时对外输出本地报警信息；远程中心工作站7对接收到的红外图像、泄漏位置信息进行实时显示。
本例中，还可利用远程中心工作站7对红外探测器2的工作曝光、图像分辨率等参数进行配置，该配置指令依次通过ARM控制及传输模块5、成像电路模块4、探测器接口模块3送达至红外探测器2。
实施例2，参见附图2，在实施例1的基础上，为便于远程控制成像角度，上述识别设备还包括：云台6；红外镜头1、红外探测器2、探测器接口模块3、成像电路模块4以及ARM控制及传输模块5均安装在云台6上；远程中心工作站7通过ARM控制及传输模块5下发控制云台6的转向指令，ARM控制及传输模块5解析转向指令并开口控制云台6的转动。
实施例3，一种智能网络型红外气体识别设备的工作方法，它基于如实施例1或2所述的一种智能网络型红外气体识别设备，并包括以下步骤：
A. 识别设备上电，红外探测器2启动内部制冷机，当制冷机达到设定温度后，FPGA子模块4.3启动时序控制，为红外探测器2提供时钟，积分时间及工作参数；
B. 红外探测器2通过探测器接口模块3向成像电路模块4传输原始图像，AD采集子模块4.1对原始图像进行模数转换后送至FPGA子模块4.3，FPGA子模块4.3对原始图像进行预处理得到校正图像后，将校正图像存储至FLASH存储子模块4.2；
C. FPGA子模块4.3调用FLASH存储子模块4.2中的校正图像，并对校正图像进行后期处理得到气体区域为伪彩并且对比度增强的红外图像；
D. FPGA子模块4.3根据图像差分增强算法，判断红外图像中是否有存在气体泄漏，若存在泄漏，则FPGA子模块4.3进一步辨别泄漏位置；存在泄露时，FPGA子模块4.3将红外图像、泄漏位置信息以及报警信号通过通讯接口子模块4.4发送至ARM控制及传输模块5；
E. ARM控制及传输模块5通过网络将红外图像、泄漏位置信息发送至远程中心工作站7，同时对外输出本地报警信息；
F. 远程中心工作站7对接收到的红外图像、泄漏位置信息进行实时显示。
实施例4，在实施例3的基础上，对图像处理方法做进一步的限定：
上述步骤B中，FPGA子模块4.3对原始图像进行预处理的方法为非均匀校正与盲元补偿。
上述步骤C中，对校正图像进行后期处理的方法为：FPGA子模块4.3调用FLASH存储子模块4.2内的校正数据，对校正图像分为两路进行后期处理；一路进行气体图像细节增强，采用双边滤波算法得到气体图像的高频分量和低频分量，高频分量对应细节信息，低频分量对应背景信息，对高频分量进行细节保留运算，对低频分量进行直方图均衡，并将结果进行加权，由此得到既保留细节信息又增强对比度的图像P1；另一路计算局部方差和全局方差，并将局部方差与全局方差比较以得到气体泄漏区域，同时利用帧间差分算法增强气体泄漏区域，然后对气体泄漏区域加入伪彩，其它区域不加伪彩，以此得到只有气体区域为伪彩的图像P2；将图像P1、图像P2进行加权，伪彩部分用图像P2像素值，其它部分用图像P1像素值，由此得到红外图像。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (2)
1.一种智能网络型红外气体识别设备的工作方法，它使用一种智能网络型红外气体识别设备，该设备包括：红外镜头(1)、红外探测器(2)、探测器接口模块(3)、成像电路模块(4)、ARM控制及传输模块(5)以及远程中心工作站(7)；
所述红外镜头(1)采用锗材料，表面镀增透膜，覆盖波段3.2μm～3.4μm的中波红外波；
所述红外探测器(2)采用窄波段碲镉汞中波斯特林制冷红外探测器，其探测器窗口与焦平面感光波段覆盖3.2μm～3.4μm波段；
所述成像电路模块(4)包括：AD采集子模块(4.1)、FLASH存储子模块(4.2)、FPGA子模块(4.3)以及通讯接口子模块(4.4)；其中，所述FPGA子模块(4.3)分别与所述AD采集子模块(4.1)、所述FLASH存储子模块(4.2)以及所述通讯接口子模块(4.4)建立信号连接；
所述红外镜头(1)与所述红外探测器(2)建立信号连接，所述红外探测器(2)通过所述探测器接口模块(3)与所述AD采集子模块(4.1)建立信号连接，所述通讯接口子模块(4.4)与所述ARM控制及传输模块(5)建立信号连接，所述ARM控制及传输模块(5)通过网络与所述远程中心工作站(7)建立通讯连接；
其特征在于：所述方法包括以下步骤：
A.所述识别设备上电，所述红外探测器(2)启动内部制冷机，当所述制冷机达到设定温度后，所述FPGA子模块(4.3)启动时序控制，为所述红外探测器(2)提供时钟，积分时间及工作参数；
B.所述红外探测器(2)通过所述探测器接口模块(3)向所述成像电路模块(4)传输原始图像，所述AD采集子模块(4.1)对原始图像进行模数转换后送至所述FPGA子模块(4.3)，所述FPGA子模块(4.3)对原始图像进行预处理得到校正图像后，将校正图像存储至所述FLASH存储子模块(4.2)；
C.所述FPGA子模块(4.3)调用所述FLASH存储子模块(4.2)中的校正图像，并对校正图像进行后期处理得到气体区域为伪彩并且对比度增强的红外图像；
其中：对校正图像进行后期处理的方法为：所述FPGA子模块(4.3)调用所述FLASH存储子模块(4.2)内的校正数据，对所述校正图像分为两路进行后期处理；一路进行气体图像细节增强，采用双边滤波算法得到气体图像的高频分量和低频分量，高频分量对应细节信息，低频分量对应背景信息，对高频分量进行细节保留运算，对低频分量进行直方图均衡，并将结果进行加权，由此得到既保留细节信息又增强对比度的图像P1；另一路计算局部方差和全局方差，并将局部方差与全局方差比较以得到气体泄漏区域，同时利用帧间差分算法增强气体泄漏区域，然后对气体泄漏区域加入伪彩，其它区域不加伪彩，以此得到只有气体区域为伪彩的图像P2；将图像P1、图像P2进行加权，伪彩部分用图像P2像素值，其它部分用图像P1像素值，由此得到所述红外图像；
D.所述FPGA子模块(4.3)根据图像差分增强算法，判断红外图像中是否有存在气体泄漏，若存在泄漏，则所述FPGA子模块(4.3)进一步辨别泄漏位置；存在泄露时，所述FPGA子模块(4.3)将红外图像、泄漏位置信息以及报警信号通过所述通讯接口子模块(4.4)发送至所述ARM控制及传输模块(5)；
E.所述ARM控制及传输模块(5)通过网络将红外图像、泄漏位置信息发送至所述远程中心工作站(7)，同时对外输出本地报警信息；
F.所述远程中心工作站(7)对接收到的红外图像、泄漏位置信息进行实时显示。
2.如权利要求1所述的一种智能网络型红外气体识别设备的工作方法，其特征在于：所述步骤B中，所述FPGA子模块(4.3)对原始图像进行预处理的方法为非均匀校正与盲元补偿。
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