CN113654732B - 一种低成本的六氟化硫气体泄漏红外成像检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低成本的六氟化硫气体泄漏红外成像检测系统，涉及气体检测技术领域，通过宽波段红外光学镜头将气体及背景的红外辐射信号进行采集；窄带滤光片对红外镜头收集到的辐射信号进行滤波处理；宽波段非制冷红外焦平面探测器对背景、透过红外镜头和位于窄带滤光片光路上的红外辐射进行成像，得到原始SF6红外图像；信号处理与输出模块采用基于混合滤波的SF6红外图像增强方法对得到原始SF6红外图像进行细节增强处理，并将处理后的图像以视频信号格式输出，并通过显示屏显示。六氟化硫气体泄漏红外成像检测系统可以在几十米外，不用靠近设备，不必接近泄漏点，就可以发现气体泄漏。
Description
技术领域
本发明属于气体检测技术领域，尤其涉及一种低成本的六氟化硫气体泄漏红外成像检测系统。
背景技术
六氟化硫(Sulfur Hexafluoride，SF6)气体是一种无色、无味、无毒且化学性质极其稳定的惰性气体，具有优异的绝缘性能和灭弧能力。自20世纪80年代后，SF6电气设备(如SF6断路器、SF6互感器、GIS和SF6负荷开关)在电力行业得到了广泛的应用。随着时间的推移，由于制作工艺、材料质量和自然环境等原因，SF6电气设备中的SF6气体泄漏的现象时有发生，泄漏的SF6气体会导致整个电网都无法正常运转，给电力系统造成极大的经济压力。另外，SF6属于6种温室效应气体之一，其对温室效应的影响是同等比重二氧化碳(CO2)的23900倍。目前，SF6电气设备的检修主要采用包扎法、刷肥皂泡法、手持红外成像检测仪等技术。红外成像检测仪(如FLIR GF306)利用SF6气体与空气对特定波段的红外辐射具有不同的吸收能力，将无色的SF6气体变为有色成像来处理，使得通常可见光下看不到的SF6气体泄漏在红外摄像机观察下变得清晰可见。但红外气体泄漏检测仪的各项功能受限于探测器的性能，导致其价格昂贵且携带不便(如GF306，价格均在100万左右)。
在电力巡检过程中，红外成像气体泄漏检测仪得到了广泛的应用。但由于其价格昂贵且携带不便，限制了其应用推广。同时，红外成像检测仪不支持泄漏气体的自动检测，需要根据所记录的视频资料人为判断是否发生SF6气体泄漏及泄漏程度，可能存在误诊、漏诊的现象；无法提供数字接口，在数据挖掘及自动化诊断等高级应用方面有待拓展。同时SF6气体泄漏红外成像智能检测技术也与智能电网的建设息息相关。因此，需要一种低成本的六氟化硫气体泄漏红外成像检测系统。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低成本的六氟化硫气体泄漏红外成像检测系统，从而克服了现有在电力巡检过程中，红外成像气体泄漏检测仪价格昂贵的缺点。
为实现上述目的，本发明提供了一种低成本的六氟化硫气体泄漏红外成像检测系统，包括：
宽波段红外光学镜头，所述宽波段红外光学镜头用于将气体及背景的红外辐射信号进行采集；
窄带滤光片，所述窄带滤光片为具有六氟化硫气体红外谱带的窄带滤光片，所述窄带滤光片对红外镜头收集到的辐射信号进行滤波处理；
宽波段非制冷红外焦平面探测器，所述宽波段非制冷红外焦平面探测器用于对透过宽波段红外光学镜头和位于窄带滤光片光路上的红外辐射进行成像，得到原始SF6红外图像；
信号处理与输出模块，所述信号处理与输出模块采用基于混合滤波的SF6红外图像增强对所述SF6红外图像进行细节增强处理，并将处理后的图像以视频信号格式输出；以及
显示屏，所述显示屏将所述信号处理与输出模块传送的图像进行显示。
进一步的，所述宽波段红外光学镜头的光谱包含10.6μm。
进一步的，所述宽波段红外光学镜头的光谱覆盖范围为10-11μm。
进一步的，所述宽波段红外光学镜头采用锗玻璃、硒化锌或硫化锌制成。
进一步的，所述窄带滤光片的直径大于宽波段非制冷红外焦平面探测器的前端面尺寸，并紧挨着所述宽波段非制冷红外焦平面探测器的保护窗安装。
进一步的，所述基于混合滤波的SF6红外图像增强方法包括以下步骤：
采用引导滤波算法处理原始SF6红外图像，得到基础图像；
通过自适应高斯滤波器对所述基础图像的低频背景进行优化，抑制背景的随机噪声，同时防止不必要的梯度反转效应，得到优化基础图像；
将所述原始图像减去所述基础图像，得到细节图像；
采用平台直方图均衡化对所述细节图像进行增强，以增强泄漏区域的对比度和细节信息，得到增强细节图像；
将所述增强基础图像和优化细节图像进行加权融合，得到增强后的图像。
进一步的，所述宽波段非制冷红外焦平面探测器的成像方式为凝视型。
进一步的，所述宽波段非制冷红外焦平面探测器的响应光谱为8～14m。
进一步的，所述宽波段非制冷红外焦平面探测器的热灵敏度小于30mK。
进一步的，所述宽波段非制冷红外焦平面探测器已具备非均匀性校正功能。
与现有的技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明所提供的低成本的六氟化硫气体泄漏红外成像检测系统，通过波段红外光学镜头将气体及背景的红外辐射信号进行采集；具有六氟化硫气体红外谱带的窄带滤光片对红外镜头收集到的辐射信号进行滤波处理；宽波段非制冷红外焦平面探测器对背景、透过红外镜头和位于窄带滤光片光路上的红外辐射进行成像，得到原始SF6红外图像，并将得到原始SF6红外图像传输给信号处理与输出模块；信号处理与输出模块采用基于混合滤波的SF6红外图像增强方法对得到原始SF6红外图像进行细节增强处理，并将处理后的图像以视频信号格式输出，并通过显示屏显示。低成本的六氟化硫气体泄漏红外成像检测系统可以在几十米外，不用靠近设备，不必接近泄漏点，就可以发现气体泄漏。低成本的六氟化硫气体泄漏红外成像检测系统具有体积小、成本低、灵敏度高等优势，在电力系统具有广泛的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来说，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是SF6气体红外吸收光谱图；
图2是本发明一种低成本的六氟化硫气体泄漏红外成像检测系统的结构示意图；
图3是本发明基于混合滤波的SF6红外图像增强方法的流程图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，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作出创造性劳动的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。
红外成像检测仪主要是利用SF6的红外特性来进行探测。波长在0.75～l000μm之间的电磁波被称为红外光，具有连续波长的红外光通过物质时，某些波长的光被吸收后就会形成特定的红外吸收光谱，SF6气体红外吸收光谱如图1所示。
由图1可知，SF6气体在10～11μm波段有较强的辐射强度，且在10.6μm时辐射强度达到最大，而空气在此波段下辐射较弱。因此，SF6气体和空气在红外光线照射下会显示出不同的颜色。SF6气体在10.6μm处时的辐射强度达到最大。因此，可以利用10.6μm处的特征来实现SF6气体的高灵敏成像和探测。并配合高性能、高灵敏度探测器及图像处理技术，在衍射光学元件完成成像和色散的基础上，通过窄带滤光片(10.6μm±60nm)将工作波段调至可清晰成像的状态，则可使无色、无味的SF6气体异于背景图像，在显示屏上清晰可见。
本发明从六氟化硫(SF6)气体的光学性能出发，基于被动式红外热成像技术的原理和应用、结合各类非制冷焦平面红外探测器和窄带滤光片的性能、研究高增益低噪声的图像增强算法，并辅以显示装置，开发低成本的六氟化硫气体泄漏红外成像检测系统。图2示出了本发明其中一个实施例低成本的六氟化硫气体泄漏红外成像检测系统，包括：宽波段红外光学镜头、窄带滤光片、宽波段非制冷红外焦平面探测器、信号处理与输出模块以及显示屏
宽波段红外光学镜头用于将气体及背景的红外辐射信号进行采集，聚集到成像面即非制冷红外焦平面探测器上；
窄带滤光片为具有六氟化硫气体红外谱带的窄带滤光片，窄带滤光片对红外镜头收集到的辐射信号进行滤波处理；
宽波段非制冷红外焦平面探测器用于对透过宽波段红外光学镜头和位于窄带滤光片光路上的红外辐射进行成像，得到原始SF6红外图像；
信号处理与输出模块采用基于混合滤波的SF6红外图像增强方法对所述SF6红外图像进行细节增强处理，并将处理后的图像以视频信号格式输出；
显示屏将所述信号处理与输出模块传送的图像进行显示。
上述的低成本的六氟化硫气体泄漏红外成像检测系统，通过宽波段红外光学镜头采集待检测气体的红外辐射，经过窄带滤光片对红外镜头收集到的辐射信号进行滤波处理，后聚集到成像面即宽波段非制冷红外焦平面探测器上，通过宽波段非制冷红外焦平面探测器得到原始SF6红外图像，信号处理与输出模块采用基于混合滤波的SF6红外图像增强方法对所述SF6红外图像进行细节增强处理，并将处理后的图像以视频信号格式输出，最终在显示屏上显示。且可通过数据通信接口与信号处理与输出模块连接，将泄漏气体的红外图像传输到装有信号处理与输出模块的上位机端进一步处理，辅以先进的图像增益算法，使得极其微小的气体泄漏也可被观察到，可以在几十米外，不用靠近设备，不必接近泄漏点，就可以发现气体泄漏。低成本的六氟化硫气体泄漏红外成像检测系统具有体积小、成本低、灵敏度高等优势，在电力系统具有广泛的应用前景。
其中一个实施例，SF6气体在10～11μm波段有较强的辐射强度，非制冷红外焦平面探测器的灵敏度比制冷型的低，综合考虑，宽波段红外光学镜头具有以下几个特点：
(1)宽波段红外光学镜头在10～11μm波段具有良好的光学性能(高透过率)，特别是在10.6μm附近波段具有尽可能高的透过率。
(2)由于宽波段非制冷红外焦平面探测器的灵敏度比制冷型的低，宽波段红外光学镜头在尺寸、成像质量、加工工艺许可的范围内，要保证系统有较高的灵敏度。
(3)由于窄带滤光片位于宽波段红外光学镜头和宽波段非制冷红外焦平面探测器之间，根据实际需要充分考虑到焦距、后截距、F数、视场角和畸变量等参数的选取。
(4)宽波段红外光学镜头采用锗玻璃、硒化锌或硫化锌制成
(5)宽波段红外光学镜头尽可能减少红外辐射能量的损失。
(6)环境温度对红外光学材料的影响较大，从而导致光学系统像面、焦距和像差与常温情况下不同，从而降低系统的成像质量。因此，对于宽波段红外光学镜头，不仅要考虑色差校正问题，也要考虑环境温度变化对其光学性能的影响，即低成本的六氟化硫气体泄漏红外成像检测系统应该同时实现消色差，又满足消热差设计要求，实现低成本的六氟化硫气体泄漏红外成像检测系统的无热化设计。
其中一个实施例，光谱特性曲线的透射带两侧为截止区的滤光片称为带通滤光片，根据光谱特性可分为宽带滤光片和窄带滤光片。窄带滤光片可实现对特定光谱波段的选择，虽然窄带滤光片减少了探测器接收的总辐射量，降低了系统信噪比，但却大大提高了气体吸收的辐射量占探测器接收总辐射量的百分比，使系统具有更高的总体灵敏度。具体的，窄带滤光片具有以下几个特点：
(1)窄带滤光片的透射波段为10.6μm±60nm，具体的，可以根据实际应用需要对其峰值透过率、通带半宽度、截止波长和中心波长等参数进行适宜的选择。
(2)窄带滤光片在透射波段内应具有较高的透过率，从而尽量减少对光路中辐射传输的衰减，同时能有效滤除其它波段内的无效辐射。
(3)滤光片直径大于宽波段非制冷红外焦平面探测器发热前端面尺寸，并紧挨着宽波段非制冷红外焦平面探测器的保护窗安装，从而达到有效滤除杂散光的目的。
其中一个实施例，红外探测器是低成本的六氟化硫气体泄漏红外成像检测系统的核心，红外探测器是能对外界红外光辐射产生响应的光传感器。宽波段非制冷红外焦平面探测器逐渐得到了发展，其性能已逐渐接近制冷型探测器的水平，其灵敏度的提高、低廉的价格以及简单的系统结构，正逐渐取代制冷型红外探测器。同时由于宽波段非制冷红外焦平面探测器属于热电探测器，能够以单一探测器实现中红外到远红外的宽波段成像探测，极大地提高了低成本的六氟化硫气体泄漏红外成像检测系统的使用价值。为了满足低成本的六氟化硫气体泄漏红外成像检测系统的要求，宽波段非制冷红外焦平面探测器的关键特征如下要求：
表1宽波段非制冷红外焦平面探测器的关键特征
| 面阵规格 | 640×512 |
| 像元尺寸/μm | 17/20 |
| 帧频/Hz | 50 |
| 热灵敏度(NETD)/mK | ＜30 |
| 热响应时间/ms | ＜16 |
| 响应光谱/μm | 8～14 |
| 成像方式 | 凝视型 |
(1)面阵规格为640×512
(2)帧频为50Hz
(3)热灵敏度(NETD)应小于30mK
(4)热响应时间应小于30ms
(5)响应光谱为(8～14)μm
(6)成像方式为凝视型。
由于红外探测系统中探测器、电路处理系统、光学系统等组成单元都含有噪声源，因此，所获取的红外视频图像中的信噪比和SF6气体的对比度较低。使得极其微小的气体泄漏常常淹没在背景或噪声中，在显示屏上不容易观察得到。因此，所述信号处理与输出模块采用基于混合滤波的SF6红外图像增强方法对所述SF6红外图像进行细节增强处理，并将处理后的图像以视频信号格式输出，将不易见的气体变得清晰可见。
具体的，基于混合滤波的SF6红外图像增强方法包括以下步骤：
采用引导滤波算法处理原始SF6红外图像，得到基础图像；引导滤波算法具有十分优异的边缘保持特性，通过引导滤波算法处理得到的基础层图像不仅很好的保留了SF6红外图像的边缘信息，而且还有效的减少了图像的光晕；
通过自适应高斯滤波器对所述基础图像的低频背景进行优化，抑制背景的随机噪声，同时防止不必要的梯度反转效应，得到优化基础图像；
将所述原始图像减去所述基础图像，得到细节图像；
采用平台直方图均衡化对所述细节图像进行增强，以增强泄漏区域的对比度和细节信息，得到增强细节图像；经过平台直方图均衡化处理后，细节图像的视觉效果良好，SF6气体的泄漏区域清晰可见，其边缘轮廓得到了很好的保留，细节图像无明显的过增强和噪声放大；
将所述优化基础图像和增强细节图像进行加权融合，得到增强后的图像。融合后的图像同时具备所优化基础图像和增强细节图像的优良特性，取得了优良的SF6气体泄漏区域增强效果。
基于混合滤波的SF6红外图像增强方法主要任务包括完成红外图像的背景抑制和SF6气体泄漏区域的增强，提高红外图像信噪比，增大图像动态范围。针对红外图像固定图案噪声，需通过相应的非均匀性校正算法对噪声进行抑制。低成本的六氟化硫气体泄漏红外成像检测系统结构的宽波段非制冷红外焦平面探测器已具备非均匀性校正功能，不需要再进行处理。在实际情况中，无论是天空还是地面，红外图像的背景起伏大，杂波较多且还可能存在着光照变化等干扰。因此，红外图像中的噪声主要来自复杂背景导致的随机噪声，因此通过自适应高斯滤波器对所述基础图像的低频背景进行优化，抑制背景的随机噪声，同时防止不必要的梯度反转效应，得到优化基础图像。
此外，由于SF6气体泄漏区域的对比度较低，采用传统的图像增强方法提高泄漏区域的对比度，虽提高了泄漏区域的对比度。但也增强了背景的对比度。因此，为了提高SF6气体泄漏区域的可视度，可对SF6红外图像进行局部增强处理。将所述原始图像减去所述基础图像，得到细节图像；采用平台直方图均衡化对所述细节图像进行增强，以增强泄漏区域的对比度和细节信息，得到增强细节图像。最后将处理后的基础图像和细节图像进行融合，得到增强后的图像，使得得到的检测到的气体泄漏图像更明显。
其中一个实施例，自适应高斯滤波器采用高斯低通-三边联合滤波器。
综上所述，本发明提出低成本的六氟化硫气体泄漏红外成像检测系统，属于气体检测技术领域。该系统可以在几十米外，不用靠近设备，不必接近泄漏点，就可以发现气体泄漏。该系统具有体积小、成本低、灵敏度高等优势，在电力系统具有广泛的应用前景。
以上所揭露的仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或变型，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种低成本的六氟化硫气体泄漏红外成像检测系统，其特征在于，包括：
宽波段红外光学镜头，所述宽波段红外光学镜头用于将气体及背景的红外辐射信号进行采集；
窄带滤光片，所述窄带滤光片为具有六氟化硫气体红外谱带的窄带滤光片，所述窄带滤光片对红外镜头收集到的辐射信号进行滤波处理；
宽波段非制冷红外焦平面探测器，所述宽波段非制冷红外焦平面探测器用于对透过宽波段红外光学镜头和位于窄带滤光片光路上的红外辐射进行成像，得到原始SF6红外图像；
信号处理与输出模块，所述信号处理与输出模块采用基于混合滤波的SF6红外图像增强方法对所述原始SF6红外图像进行细节增强处理，并将处理后的图像以视频信号格式输出；以及
显示屏，所述显示屏将所述信号处理与输出模块传送的图像进行显示；
所述基于混合滤波的SF6红外图像增强方法包括以下步骤：
采用引导滤波算法处理原始SF6红外图像，得到基础图像；
通过自适应高斯滤波器对所述基础图像的低频背景进行优化，抑制背景的随机噪声，同时防止不必要的梯度反转效应，得到优化基础图像；
将所述原始SF6红外图像减去所述基础图像，得到细节图像；
采用平台直方图均衡化对所述细节图像进行增强，以增强泄漏区域的对比度和细节信息，得到增强细节图像；
将所述优化基础图像和增强细节图像进行加权融合，得到增强后的图像。
2. 根据权利要求1所述的低成本的六氟化硫气体泄漏红外成像检测系统，其特征在于，所述宽波段红外光学镜头的光谱包含10.6 。
3.根据权利要求1或2所述的低成本的六氟化硫气体泄漏红外成像检测系统，其特征在于，所述宽波段红外光学镜头的光谱覆盖范围为10-11。
4.根据权利要求1所述的低成本的六氟化硫气体泄漏红外成像检测系统，其特征在于，所述宽波段红外光学镜头采用锗玻璃、硒化锌或硫化锌制成。
5.根据权利要求1所述的低成本的六氟化硫气体泄漏红外成像检测系统，其特征在于，所述窄带滤光片的直径大于宽波段非制冷红外焦平面探测器的前端面尺寸，并紧挨着宽波段非制冷红外焦平面探测器的保护窗安装。
6.根据权利要求1所述的低成本的六氟化硫气体泄漏红外成像检测系统，其特征在于，所述宽波段非制冷红外焦平面探测器的成像方式为凝视型。
7.根据权利要求1所述的低成本的六氟化硫气体泄漏红外成像检测系统，其特征在于，所述宽波段非制冷红外焦平面探测器的响应光谱为8~14m。
8.根据权利要求1所述的低成本的六氟化硫气体泄漏红外成像检测系统，其特征在于，所述宽波段非制冷红外焦平面探测器的热灵敏度小于30mK。
9.根据权利要求1所述的低成本的六氟化硫气体泄漏红外成像检测系统，其特征在于，所述宽波段非制冷红外焦平面探测器已具备非均匀性校正功能。
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