CN111308494B - 一种物体表面结冰检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种物体表面结冰检测系统，包括：偏振相机用于采集待测物体在预设偏振方向下的强度图像；数据处理器用于根据强度图像获取斯托克斯矢量表征下的线偏振分量，根据线偏振分量获取目标强度图、线偏振度图与偏振相角图；根据目标强度图与线偏振度图获取伪彩图；获取目标强度图与线偏振度图的差分图中目标区域的均匀性数值；根据目标强度图、线偏振度图、偏振相角图、伪彩图与均匀性数值得到目标结冰检测结果；存储器及显示器分别用于存储及展示目标强度图、线偏振度图、偏振相角图、伪彩图、均匀性数值与目标结冰检测结果；供电装置用于为偏振相机、数据处理器、存储器与显示器供电。本发明所提供的系统，提高了结冰检测的准确率。

Description

一种物体表面结冰检测系统

技术领域

本发明涉及物体检测技术领域，特别是涉及一种物体表面结冰检测系统。

背景技术

现有技术中存在多种物体结冰检测系统，例如：基于反射光经过冰层以后偏振态的改变，通过检测通过检偏器的光亮度来判断表面是否存在冰层。通过主动向道路表面发射1000～2000nm的无偏振近红外光，反射光被位于同一高度，具有相同间距和对地倾角的三个探测器接收，其中两个探测器前面放置不同方向的偏振片，一个探测器前不放置任何器材，通过检测反射光强来判断道路是否结冰。但上述结冰检测系统虽然可以全天候工作，但是判断手段过于单一，检冰精度难以保证。

现有的结冰检测系统还可以采取主动照明的方式完成结冰检测：通过辐射发射器朝被测表面发射波长处于水吸收率高的红外波长范围的光，包含两个波段，分别为930～970nm和1430～1470nm。该发明采用在探测器前面放置偏振片的方式测量输出强度，基于漫反射辐射和镜面反射辐射的量对探测器的输出强度进行评估，评估依据预定阈值来实现。该预定阈值通过翼形件的干净表面反射的辐射特性来确定。该方案通过阈值对是否结冰进行判断，阈值的设定对判断结果具有决定性的影响，因此检冰精度不确定性较大。

综上所述可以看出，如何提高物体表面结冰检测系统的检测精度是目前有待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种物体表面结冰检测系统，以解决现有物体表面结冰检测系统的判断手段过于单一，检测精度不确定性大的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种物体表面结冰检测系统，包括：

偏振相机，用于采集待测物体在预设偏振方向下的强度图像；

数据处理器，用于根据所述强度图像获取斯托克斯矢量表征下的线偏振分量，根据所述线偏振分量获取所述待测物体的目标强度图、线偏振度图与偏振相角图；对所述目标强度图和所述线偏振度图进行差分处理，并对差分处理结果加伪彩显示得到伪彩图；获取所述目标强度图与所述线偏振度图的差分图中目标区域的均匀性数值；根据所述目标强度图、所述线偏振度图、所述偏振相角图、所述伪彩图与所述均匀性数值确定所述待测物体表面的目标结冰检测结果；

存储器，用于存储所述目标强度图、所述线偏振度图、所述偏振相角图、所述伪彩图、所述均匀性数值与所述结冰检测结果；

显示器，用于展示所述目标强度图、所述线偏振度图、所述偏振相角图、所述伪彩图、所述均匀性数值与所述结冰检测结果；

供电装置，用于为所述偏振相机、所述数据处理器、所述存储器与所述显示器供电。

优选地，所述偏振相机为基于线栅刻划的分焦面可见光偏振相机。

优选地，所述偏振相机包括：光电探测器，在所述光电探测器前微米量级按周期排列的四个方向的金属线栅；

其中，所述金属线栅的方向分别为0°、45°、90°、135°。

优选地，所述偏振相机的光轴与所述待测物体所在平面成45°，所述偏振相机沿光轴方向设置于距所述待测物体距离2500mm的位置。

优选地，还包括：照明装置，用于在所述待测物体所处环境亮度条件低于阈值时，对所述待测物体进行照明；

其中，所述照明装置的光轴与所述偏振相机的光轴平行。

优选地，所述照明装置包括：

光敏传感器，用于检测所述待测物体所处环境的亮度变化，当所述待测物体所处环境亮度条件低于阈值时，触发开启人造光源装置开关；

所述人造光源装置，用于照明所述待测物体。

优选地，所述照明装置的照明光束为无偏可见光，且所述照明光束向所述待测物体表面发射光斑的波长包含460nm～500nm波段。

优选地，所述数据处理器包括：

第一处理单元，用于根据所述目标强度图获取所述待测物体表面的第一结冰检测结果，并将所述第一结冰检测结果输入至综合分析单元；

第二处理单元，用于根据所述线偏振度图获取所述待测物体表面的第二结冰检测结果，并将所述第二结冰检测结果输入至所述综合分析单元；

第三处理单元，根据所述偏振相角图获取所述待测物体表面的第三结冰检测结果，并将所述第三结冰检测结果输入至所述综合分析单元；

第四处理单元，根据所述伪彩图获取所述待测物体表面的第四结冰检测结果，并将所述第四结冰检测结果输入至所述综合分析单元；

第五处理单元，根据所述均匀性数值获取所述待测物体表面的第五结冰检测结果，并将所述第五结冰检测结果输入至所述综合分析单元；

所述综合分析单元，用于根据所述第一结冰检测结果、所述第二结冰检测结果、所述第三结冰检测结果、所述第四结冰检测结果与所述第五结冰检测结果，确定所述待测物体表面的目标结冰检测结果。

优选地，还包括：预警装置，用于根据所述目标结冰检测结果发出警报。

优选地，所述预警装置为蜂鸣器。

本发明所提供的物体表面结冰检测系统，包括偏振相机，数据处理器，存储器，显示器以及供电装置。其中，所述偏振相机用于采集待测物体在预设偏振方向下的强度图像。所述数据处理器用于根据所述强度图像，获取斯托克斯矢量表征下的线偏振分量；根据所述线偏振分量获取所述待测物体的目标强度图、线偏振度图与偏振相角图。分别将所述目标强度图、所述线偏振度图以及偏振相角图作为判据去判断所述待测物体表面是否结冰。通过对所述目标强度图与所述线偏振度图进行差分加伪彩显示，得到伪彩图，将所述伪彩图也作为一个检测所述待测物体表面是否结冰的判据。获取所述目标强度图与所述线偏振度图的差分图中目标区域的均匀性数值，通过所述均匀性数据判断所述待测物体表面是否结冰。最终通过多个判据确定所述待测物体表面的目标结冰检测结果。所述存储器与所述显示器分别用于存储及展示所述目标强度图、所述线偏振度图、所述偏振相角图、所述伪彩图、所述均匀性数值与所述目标结冰检测结果。利用所述供电装置为所述偏振相机、所述数据处理器、所述存储器以及所述显示器供电。本发明所述提供的物体表面结冰检测系统，装置结构简单，系统器件少，无机械运动，可操作性高；通过所述偏振相机及所述数据处理器获取了多个用于检测物体表面是否结冰的判据，根据多个判据的检测结果得到最终的目标结冰检测结果，解决了现有技术由于结冰检测判据单一导致结冰检测精确度低的问题；且检测结果不受物体自身辐射特征的影响，有效地提高了结冰检测结果准确率。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种物体表面结冰检测系统的结构框图；

图2为本发明实施例提供的另一种物体表面结冰检测系统的结构框图；

图3为本发明实施例所提供的物体表面结冰检测系统的实物简图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种物体表面结冰检测系统，装置结构简单，系统器件少，无机械运动，可全天时实时对物体表面冰层进行检测，提高了物体表面结冰检测的准确率。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参考图1，图1为本发明实施例提供的一种物体表面结冰检测系统的结构框图。本实施例所提供的物体表面结冰检测系统具体可以包括：偏振相机10，数据处理器11，存储器12，显示器13以及供电装置14；其中，所述偏振相机10用于采集待测物体在预设偏振方向下的强度图像；所述数据处理器11用于根据所述强度图像获取斯托克斯矢量表征下的线偏振分量，根据所述线偏振分量获取所述待测物体的目标强度图、线偏振度图与偏振相角图；对所述目标强度图和所述线偏振度图进行差分处理，并对差分处理结果加伪彩显示得到伪彩图；获取所述目标强度图与所述线偏振度图的差分图中目标区域的均匀性数值；根据所述目标强度图、所述线偏振度图、所述偏振相角图、所述伪彩图与所述均匀性数值确定所述待测物体表面的目标结冰检测结果；所述存储器12用于存储所述目标强度图、所述线偏振度图、所述偏振相角图、所述伪彩图、所述均匀性数值与所述目标结冰检测结果；所述显示器13用于展示所述目标强度图、所述线偏振度图、所述偏振相角图、所述伪彩图、所述均匀性数值与所述目标结冰检测结果；所述供电装置14用于为所述偏振相机、所述数据处理器、所述存储器与所述显示器供电。

在本实施例中，所述待测物体指待进行冰层检测的目标物体，本实施例中对所述待测物体的类型不做限定，可以为路面、翼形件等，可以根据实际检测的需要进行设定，在此不再赘述。

在本实施例中，所述偏振相机10可以为基于线栅刻划的分焦面可见光偏振相机，所述基于线栅刻划的分焦面可见光偏振相机由光电探测器与在所述探测器前微米量级距离安装周期排列的4个方向的金属线栅构成，分别为0°、45°、90°和135°，仅需要一次曝光就能得到包含4个方向的强度图像，用于后续的偏振信息解算。

需要说明的是，在本发明所提供的实施例中，也可以用其他各种偏振相机代替所述基于线栅刻划的分焦面可见光偏振相机，只有可以获得斯托克斯矢量的前三个元素或全4个元素即可。

在对所述待测物体的表面结冰进行检测前，需要选取适当的位置放置所述偏振相机10，将所述偏振相机10与所述待测物体所在平面成45°角，保证视场的边缘成30°角和60°角，设置所述偏振相机10沿光轴方向距离所述待测物体在1000mm～3000mm左右，合理设置光圈与积分时间，保证背景处于明亮但是尚未过曝状态，通过所述偏振相机10对场景进行拍摄。本实施例中可将所述偏振相机10沿光轴方向设置于所述待测物体距离2500mm的位置。

所述偏振相机10将所述待测物体的原始图像按照0°、45°、90°、135°四个偏振方向进行欠采样，得到四幅低分辨率的强度图像，对四幅强度图像进行线性插值，选择3*3大小的卷积核，得到四幅与所述原始图像等大的强度图像。

所述数据处理器11利用所强度图像获取斯托克斯矢量表征下的线偏振分量。用斯托克斯矢量来描述光波的偏振态和强度，其包含的四个元素都是光强的时间平均值，利用s＝[I,Q,U,V]^T表征偏振光的斯托克斯矢量；其中，I表示光波的总强度，Q与U分别表示线偏振的方向与强度，V表示圆偏振分量方向与强度。在光学偏振成像的过程中，通常用斯托克斯矢量法表示光的偏振态，如下式：

其中，I_0°,I_45°,I_90°,I_135°,I_r,I_l分别表示放置在光传播路径上一理想偏振片在0°，45°，90°，135°方向上的线偏振光以及左旋(Left)和右旋(Right)圆偏振光强。用基于线栅刻划的分焦面可见光偏振相机进行测量时，无法对圆偏振分量进行测量，用斯托克斯矢量的前三个元素计算，其线偏振度可以表示为：

相应的偏振方位角可表示为：

将所述四幅强度图像数据代入上述公式进行计算，可以得到所述待测物体的目标强度图、线偏振度图与偏振相角图。

在本实施例中，所述数据处理器11包括第一处理单元、第二处理单元、第三处理单元、第四处理单元、第五处理单元以及综合分析单元；

其中，所述第一处理单元用于根据所述目标强度图获取所述待测物体表面的第一结冰检测结果，并将所述第一结冰检测结果输入至综合分析单元。基于所述目标强度图判断所述待测物体表面是否结冰时，根据表面的亮度条件，即是否出现光线在表面反射的情况；根据冰层凝结时是否均匀一致，即表面是否出现冰霜等不规则的形状以及结冰时冰层内部是否出现气泡或者其他明显的层次，在反射光线时被区分出来。

所述第二处理单元用于根据所述线偏振度图获取所述待测物体表面的第二结冰检测结果，并将所述第二结冰检测结果输入至所述综合分析单元。所述线偏振度图对突出物体边缘轮廓具有良好的效果，尤其是人造物体。在所述线偏振度图中，物体的轮廓被高亮显示，而平整表面在图像中灰度值水平较低，尤其是针对人造物体的显示。而本发明所对应的应用场景，例如翼形件，通常都有锐利的边缘，当翼形件表面结冰时，明亮、连续的边缘会因为冰层的覆盖而出现间断的现象，此时可以判断翼形件表面出现结冰情况。

所述第三处理单元根据所述偏振相角图获取所述待测物体表面的第三结冰检测结果，并将所述第三结冰检测结果输入至所述综合分析单元。所述偏振相角图会体现目标图像的粗糙程度，不同的物体在图像中会表现出不同的粗糙程度，而同一物体或者同种材料粗糙程度相近。所以可以根据不同区域的粗糙程度来描绘轮廓，进而判断出整幅图像中所含的物体。而自然状态下所述待测物体表面所凝结的冰层通常表面粗糙，而人造的翼形件表面通常光滑，光滑表面上凝结粗糙冰层前后，在所述偏振相角图上变化明显。

所述第四处理单元根据所述伪彩图获取所述待测物体表面的第四结冰检测结果，并将所述第四结冰检测结果输入至所述综合分析单元。当冰层较薄并且冰层较少覆盖翼形件边缘时，因为薄冰厚度太薄呈现透明状态，难以通过表面的亮度判断是否结冰，当冰层尚未覆盖翼形件的边缘，也无法通过边缘效应判断是否结冰，此时可以通过对所述目标强度图与所述线偏振度图做差分处理，对差分结果做伪彩显示，此时可以观察到平整的表面上原本两幅图像都无法观察到的细节信息，对是否结冰做出判断。

所述第五处理单元根据所述均匀性数值获取所述待测物体表面的第五结冰检测结果，并将所述第五结冰检测结果输入至所述综合分析单元。第五个判据用观测值与预先测量的存储阈值作比较，当所述均匀性数值大于阈值时，认为出现结冰现象。所述均匀性数值代表了所述目标区域内的平均粗糙度，光滑的人造表面和自然状态下凝结的粗糙冰层在数值上会有差别。阈值的设定需要包含各种典型的状况，例如不同的天气条件对翼形件表面造成的污染程度不同，夜间的照明状态对所述均匀性数值的影响等等。综合以上情形，合理设置阈值区间，对所述待测物体表面结冰状况做出准确的判断。

所述综合分析单元，用于根据所述第一结冰检测结果、所述第二结冰检测结果、所述第三结冰检测结果、所述第四结冰检测结果与所述第五结冰检测结果，确定所述待测物体表面的目标结冰检测结果。

本实施例所提供的物体表面结冰检测系统，装置结构简单，系统器件少，无机械运动，为判断物体表面是否结冰提供了非单一性判据，使得判断结果精确度对比单一判据可信度更高；实时性高，便于实际应用，可以有效保证生命财产安全。

基于上述实施例，在本实施例中，所述物体表面结冰检测系统还可以包括照明装置15与预警装置16。请参考图2和图3，图2为本发明实施例提供的另一种物体表面结冰检测系统的实物简图；图3为本发明实施例所提供的物体表面结冰检测系统的具体装置图。

在本实施例中，所述照明装置15用于在所述待测物体所处环境亮度条件低于阈值时，对所述待测物体进行照明。所述照明装置15包括光敏传感器与人造光源装置，所述光敏传感器用于检测所述待测物体所处环境的亮度变化，当所述待测物体所处环境亮度条件低于阈值时，触发开启人造光源装置开关；所述人造光源装置，用于照明所述待测物体。

所述照明装置15应与所述偏振相机10统一固定，保证二者的光轴在同一方向；所述照明装置15的光源向所述待测物体表面发射光斑的波长应包含460nm～500nm波段，该波段可以根据实际选用探测器的量子效率动态变化。根据偏振信息的获取手段，所述照明装置15的照明光束应为无偏可见光。

所述预警装置16用于根据所述目标结冰检测结果发出警报。所述预警装置的报警方式可以为一种固定方式或多种方式的组合，可以通过蜂鸣器等装置向工作人员发送预警。

所述供电装置14为所述照明装置15以及所述预警装置16供电。

依据图3所示实物简图，在本实施例所提供的系统，所述数据处理器11、所述存储器12与所述预警装置16可以集成在计算机中。所述计算机可控制偏振相机10成像系统的数据采集与所述照明装置的开关需要，并且可以根据所述数据处理器11的处理结果决定所述预警装置16是否发出警报。当所述显示器14上显示出所述目标结冰检测结果后，可由工作人员进行二次判定，当人为判定与算法输出判定结果出现偏差时，可以继续采集多幅图像进行处理与判读，保证预警的准确率。

利用本实施例所提供的物体表面界面检测系统对所述待测物体进行检测时，当所述待测物体所处环境亮度条件高于阈值时，自然光源照射所述待测物体，夜间通过所述照明装置15提供的人造光源照射所述待测物体，由所述偏振相机10的光敏面接收来自所述待测物体的反射光；生成的四幅强度图经由网线传输至所述数据处理器进行数据处理，所述数据处理器通过对偏振图像的解算以及伪彩显示等，依据所得图像判断所述待测物体表面的结冰状况，得到所述目标结冰检测结果。利用所述存储器12与所述显示器13存储与显示所述目标结冰检测结果。当有人值守时，可以直接将所述目标结冰检测结果显示在所述显示器13的屏幕上，提示判读人员做出相应的预警决断；当无人值守时，整合多次测量的所有判断结果再决定是否通过所述预警装置16发出预警。

本实施例所提供的物体表面结冰检测系统，装置结构简单，无机械运动结构，一次曝光即可获取所需的偏振判据信息，因此抗干扰能力强。辅助照明装置，可实现昼夜监测，全天时实对物体表面冰层进行检测；且判断依据基于图像信息实现，判据可读性强，信息更加丰富，提高了物体表面结冰检测的准确性。由于本系统以图像信息作为判定依据，因此可以在预警环节之前引入人为判断，由此产生2种工作模式。一种仅依靠所述数据处理器11输出的判定结果做出预警，一种可以将所述数据处理器11输出的结冰检测结果作为辅助，人为把关。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

以上对本发明所提供的物体表面结冰检测系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种物体表面结冰检测系统，其特征在于，包括：

偏振相机，用于采集待测物体在预设偏振方向下的强度图像；

数据处理器，用于根据所述强度图像获取斯托克斯矢量表征下的线偏振分量，根据所述线偏振分量获取所述待测物体的目标强度图、线偏振度图与偏振相角图；对所述目标强度图和所述线偏振度图进行差分处理，并对差分处理结果加伪彩显示得到伪彩图；获取所述目标强度图与所述线偏振度图的差分图中目标区域的均匀性数值；根据所述目标强度图、所述线偏振度图、所述偏振相角图、所述伪彩图与所述均匀性数值确定所述待测物体表面的目标结冰检测结果；

存储器，用于存储所述目标强度图、所述线偏振度图、所述偏振相角图、所述伪彩图、所述均匀性数值与所述目标结冰检测结果；

显示器，用于展示所述目标强度图、所述线偏振度图、所述偏振相角图、所述伪彩图、所述均匀性数值与所述目标结冰检测结果；

供电装置，用于为所述偏振相机、所述数据处理器、所述存储器与所述显示器供电；

所述数据处理器包括：

第一处理单元，用于根据所述目标强度图获取所述待测物体表面的第一结冰检测结果，将所述第一结冰检测结果输入至综合分析单元；

第二处理单元，用于根据所述线偏振度图获取所述待测物体表面的第二结冰检测结果，将所述第二结冰检测结果输入至所述综合分析单元；

第三处理单元，根据所述偏振相角图获取所述待测物体表面的第三结冰检测结果，将所述第三结冰检测结果输入至所述综合分析单元；

第四处理单元，根据所述伪彩图获取所述待测物体表面的第四结冰检测结果，将所述第四结冰检测结果输入至所述综合分析单元；

第五处理单元，根据所述均匀性数值获取所述待测物体表面的第五结冰检测结果，将所述第五结冰检测结果输入至所述综合分析单元；

所述综合分析单元，用于根据所述第一结冰检测结果、所述第二结冰检测结果、所述第三结冰检测结果、所述第四结冰检测结果与所述第五结冰检测结果，确定所述待测物体表面的目标结冰检测结果。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述偏振相机为基于线栅刻划的分焦面可见光偏振相机。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述偏振相机包括：

光电探测器，在所述光电探测器前微米量级按周期排列的四个方向的金属线栅；

其中，所述金属线栅的方向分别为0°、45°、90°、135°。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述偏振相机的光轴与所述待测物体所在平面成45°，所述偏振相机沿光轴方向设置于距所述待测物体距离2500mm的位置。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：

照明装置，用于在所述待测物体所处环境亮度条件低于阈值时，对所述待测物体进行照明；

其中，所述照明装置的光轴与所述偏振相机的光轴平行。

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述照明装置包括：

光敏传感器，用于检测所述待测物体所处环境的亮度变化，当所述待测物体所处环境亮度条件低于阈值时，触发开启人造光源装置开关；

所述人造光源装置，用于照明所述待测物体。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述照明装置的照明光束为无偏可见光，且所述照明光束向所述待测物体表面发射光斑的波长包含460nm～500nm波段。

8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：

预警装置，用于根据所述目标结冰检测结果发出警报。

9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述预警装置为蜂鸣器。

Images