CN203443741U - 一种激光同步扫描成像检测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种激光成像微量气体检测装置，该技术采用一字形线状激光束进行扫描，帧扫描频率和激光摄像仪的帧扫描频率相同步，并且由背景反射的激光束在激光摄像仪的探测芯片上的投影正好落在处于积分状态的像素行上。由于激光束的投影一直跟随着处于积分状的像素行移动，激光能量得到充分的利用，因此对激光器功率的需求大幅降低。

Description

一种激光同步扫描成像检测系统

技术领域

本发明涉及一种微量气体泄漏成像检测技术，采用微量气体吸收谱附近的激光束对被测区域进行扫描，并采用摄像仪进行成像，激光的扫描频率与摄像仪同步。本发明可用于对气体泄漏进行快速定位，属于激光成像检测的技术领域。 

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六氟化硫电气设备泄露点，并能精确定位。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，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经过扩束装置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24接收。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35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24的激光强度由于气体烟雾的吸收将会减弱，并在背景32上形成阴影28，从视频上看泄漏气体出现的区域将产生或明或暗的烟雾缭绕状变化。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见，气体漂移方向和泄漏点都可以根据激光摄像仪24的图像确定。检测时气体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已有技术的产品有很多缺陷，最主要是检测灵敏度不够高，这主要是受限于激光器的功率，考虑到便携和设备成本，激光器通常不能选用体积和重量太大的，因此输出功率有限，经过扩束后光功率密度降到很低。同时激光经过扩束，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检测，也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。该技术采用一字形线状激光束进行扫描，帧扫描频率和激光摄像仪的帧扫描频率相同步，并且由背景反射的激光束在激光摄像仪的探测芯片上的投影正好落在处于积分状态的像素行上。由于激光束的投影一直跟随着处于积分状态的像素行移动，激光能量得到充分的利用。因此对激光器功率的需求大幅降低。 

本发明系统包括：

激光器：其输出的波长处于被探测气体的吸收峰附近，例如六氟化硫气体的吸收峰值在10.6微米附近，因此可以采用波长为10.6微米的二氧化碳气体激光器；

光束偏转装置：用于激光束的扫描，当扫描的激光束遇到被探测气体时会被吸收，使得局部的光强发生变化，因此会在背景物体上将产生阴影；

激光摄像仪：对于激光波长敏感，用于检测从被探测气体及背景物体反射回来的部分激光束的能量，例如为了检测二氧化碳气体激光器的波长，需要采用长波红外探测器；

信号采集处理单元：用于采集激光摄像仪的图像并进行处理，以增强检测气体泄漏的能力，此单元通常包括计算机系统；

扫描控制单元：用于控制光束偏转装置，使得激光束的扫描与激光摄像仪的帧扫描同步，这点非常关键，只有这样，由被探测气体及背景物体反射回来的部分激光束一直投影在正处于积分状态的像素行，使得激光能量得到充分利用。

上述系统中还可以包括一个用于调整激光束在投射到远场时的光斑形状的光束整形装置，使得光斑呈一字形或点状，以利于扫描。最简单的光束整形装置可以是一个球面透镜或是柱面透镜。

通常可以为系统配置一个可见光摄像机，用于采集可见光图像并用来和激光摄像仪的图像进行对比，特别是当激光器为非可见光时。

另外系统可以加入一个滤光片，用于阻挡激光器波长以外的杂散光进入激光摄像仪，以减少干扰。

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、激光摄像仪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的波长处于被探测气体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，当扫描光束遇到被探测气体27时会被部分吸收，使得局部的光强发生变化，当投影在背景物体32上时将产生阴影28。激光摄像仪24对激光束26的波长敏感，因此可以看到背景物体32上的激光束26扫描的探测区域31及被探测气体27吸收所产生的阴影28。激光摄像仪24所采集的图像送到信号采集处理单元25，经过处理后显示，以增强检测气体泄漏的能力。 

图3所示的是背景物体32上的激光光斑30在激光摄像仪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的扫描与激光摄像仪24的探测芯片40的帧扫描同步。由被探测气体27及背景物体反射回来的部分激光束26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，并随着该像素行一起移动。 

在现有技术中，激光束经扩束布满整个探测区域31。但大部分常用热像仪的探测芯片在每个时刻只有一行像素元处于探测信号的积分状态，即在探测区域31上，只有一条相应于该积分状态像素行的细线区域的激光能量可以对信号产生贡献，其余大部分的能量被浪费掉。而本发明技术通过同步扫描，始终保持激光束26在探测芯片40上的投影42重合在处于积分状态的像素行上，激光能量得到充分的利用。在提高设备检测灵敏度的同时，大幅降低了对激光器功率的需求，有利于降低设备成本、减轻重量、并消除因强激光反射造成探测芯片损伤的情况。 

图4 所示的是上述实施例的改进，增加了可见光摄像机，用于采集环境光产生的图像，用来对比激光摄像仪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。 

图4所示系统还加入了一个滤光片35，使得激光束26的波长可以通过，但阻隔掉其它波长，以减少环境中过强的背景光信号对图像的影响。 

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。如图5所示，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。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。另外为了保持与摄像仪24同步，需要解决高速扫描的问题，例如采用多反射面转镜进行行扫描。 

Claims (7)

1.一种激光同步扫描成像检测系统，包括：

激光器（20），所述激光器（20）输出的激光束（26）的波长处于被探测气体（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）；

激光摄像仪（24），所述激光摄像仪（24）用于检测从被探测气体（27）及背景物体反射回来的部分所述激光束（26）的能量；

信号采集处理单元（25），所述信号采集处理单元（25）用于对所述激光摄像仪（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），其特征为，所述光束偏转装置（22）与所述激光摄像仪（24）的帧扫描同步。

2.根据权利要求1所述的激光同步扫描成像检测系统，其特征为，由被探测气体（27）及背景物体反射回来的部分所述激光束（26）的能量在所述激光摄像仪（24）的探测芯片（40）上形成的影像（42）始终重合在当前正处于信号检测状态的像素行上。

3.根据权利要求1所述的激光同步扫描成像检测系统，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。

4.根据权利要求3所述的激光同步扫描成像检测系统，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。

5.根据权利要求3所述的激光同步扫描成像检测系统，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。

6.根据权利要求1所述的激光同步扫描成像检测系统，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激光摄像仪（24）的图像进行对比。

7.根据权利要求1所述的激光同步扫描成像检测系统，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）以外的波长进入激光摄像仪（24）。

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