便携式SF6气体红外光谱成像检漏仪

曾延安，张 超，元秀华，张南洋生，朱 兵，张 力

(华中科技大学光学与电子信息学院，湖北武汉 430074)



便携式SF6气体红外光谱成像检漏仪

曾延安，张 超，元秀华，张南洋生，朱 兵，张 力

(华中科技大学光学与电子信息学院，湖北武汉 430074)

针对电力行业对SF6气体泄漏检测的需要，研制一款基于非制冷红外焦平面阵列(UFPA)的SF6气体红外光谱成像检漏仪。综合运用了光谱滤波、气流轨迹红外图像提取与增强算法等技术手段来提高检漏仪对泄漏SF6气体的探测能力；并利用OMAP3530高速处理器作为系统核心，配合嵌入式Linux操作系统的多线程设计，保证图像采集、算法处理、LCD显示以及触屏控制等功能的顺利实现。实验测试和现场应用结果表明，该检漏仪性能稳定，携带方便，能够实时准确检测到微量SF6气体泄漏，检测结果直观清晰，与同类国外产品相比价格优势明显，具有很好的推广价值。

非致冷红外焦平面阵列;红外成像；对比度增强；SF6气体

0 引言

SF6气体作为优异的绝缘和灭弧材料，在电气工业领域的高压设备中得到广泛应用[1]。然而由于外力损坏或设备老化等多方面原因造成的SF6气体泄漏时有发生。一旦设备中SF6气体浓度降低，将导致其灭弧和绝缘性能大幅下降，给电力设备的安全运行带来严重隐患，因此必须及时检查SF6气体发生泄漏的情况。目前国内外市场现有SF6气体成像检漏仪产品主要基于两种不同的检测技术，即激光成像检测技术和制冷型红外焦平面成像检测技术[2]。前类产品结构复杂庞大，而且对检测背景要求较高，在激光照射过程中还容易危及人身健康；后类产品虽克服上述问题，但需要附加制冷设备，因此同样存在不便携带、功耗高等缺点。

目前非制冷红外焦平面阵列(UFPA)发展迅速，与制冷型红外焦平面相比，其在体积、质量、功耗、成本等多个方面都具有明显优势，但因为其灵敏度尚不及制冷型红外焦平面[3]，在采用UFPA对SF6气体检漏时，成像画面中泄漏气体和环境背景的红外图像特征对比度偏低，难以有效辨识泄漏气流轨迹，因此UFPA在SF6气体检漏领域的应用尚处于研究阶段。为此，文中综合运用光学与图像处理手段来提高SF6气流轨迹与环境背景在红外图像中的对比度。首先根据SF6气体的光谱吸收特性，采用光谱滤波法有效降低环境背景辐射干扰；同时设计了气流轨迹红外图像提取与增强算法，对UFPA输出红外图像中泄漏SF6气流轨迹区域进行提取和增强，从而实现SF6泄漏气体的现场实时成像检测。在此基础上研制出一款适合现场应用的便携式SF6气体UFPA红外成像检漏仪。

1 仪器工作原理与组成

1.1 仪器工作原理

本文所研制的便携式SF6气体红外成像检漏仪是利用SF6气体的光谱吸收特性和UFPA成像探测原理[4]工作的。SF6气体在红外波段10.55 μm处存在最强吸收峰。当视场中存在SF6泄漏气体时，波长为10.55 μm的红外线将会被SF6强烈吸收，导致SF6流经之处的红外辐射场减弱，根据SF6泄漏气流目标与环境背景所具有的不同红外辐射特性，能够发现气体泄漏情况，进而定位漏点。然而，当UFPA对待测现场进行成像检测时，SF6泄漏气流与环境背景的红外图像差异微弱，需要进行对比度增强处理以提高仪器对泄漏气体的识别能力。本文所设计的SF6气体检漏系统首先依据SF6光谱特性和UFPA探测器光谱响应特性对待测视场红外辐射信号进行光谱滤波处理；然后依据SF6气流运动目标在红外视频图像序列中的所具有的时间无关性，以及环境背景在一定时间范围内所具有的时间相关性，设计了气流红外图像提取算法实现SF6气流轨迹与环境背景图像的区分，最后对SF6气流轨迹区域再进行局部增强，从而提高检漏系统对现场泄漏SF6气体的识别能力。

1.2 仪器组成

本文所设计的SF6气体红外成像检漏仪是一种便携式、低功耗、实时检测性能强的红外成像检测设备。为此，系统采用OMAP3530双核处理器作为控制核心，利用ISC0601型UFPA探测器，配合相应的驱动电路和红外光学系统实现对泄漏SF6气体的红外光谱成像探测，并通过LCD触屏进行操作和观察。所构建的仪器硬件检测平台框图如图1所示。

图1 仪器组成框图

设备核心处理器OMAP3530芯片内部集成了ARM Cortex-A8和TMS320C64x DSP两个内核，其中ARM核负责运行Linux操作系统，方便实现系统初始化、图像采集、多线程任务调度和LCD显示及界面按键处理等工作。DSP核负责运行DSP/BIOS系统，并实现图像处理算法。两个内核协同工作，为仪器进行实时监测提供强大软硬件支持。

在设备UFPA组件部分中，探测器ISC0601是采用氧化钒材料的微测辐射热计原理设计的，其NETD达到35 mK(F1.0,25 ℃)，适用于微弱红外辐射探测。该探测器有效像元为320(H)×240(V)，像元面积为25 μm×25 μm，填充率为52%，帧率为30 Hz，在10.5 μm附近有响应峰值(如图2所示)，符合系统光谱匹配的探测要求。通过合理设计ISC0601探测器的驱动电路、放大电路和A/D转换电路，配合OMAP3530的时序信号控制，可使ISC0601探测器输出相应的同步信号和模拟图像数据，从而实现现场红外图像的采集。

图2 ISC0601的光谱响应曲线

在红外光学系统中，将光学带通滤光片的中心波长设计为10.55 μm，带宽为200 nm，有效抑制环境中其他波段红外辐射干扰，一定程度上提高了泄漏SF6气流轨迹与环境背景在红外图像中的对比度。当视场中红外辐射信号通过光学系统到达UFPA表面后，经光电转换，输出信号的电压值可根据普朗克定律[5]由式(1)求出。该模拟信号经A/D转换后以14 bit像素数据形式并行传输给OMAP3530处理器。

(1)

式中：λ为10.45～10.65 μm范围的波段；R(λ)为探测器光谱相应率；T为目标物体自身温度；ε为相同条件下目标物体与同温黑体的辐射功率比；C1和C2为常数；τ(λ)为滤光片对不同波长的透过率。

2 气流轨迹红外图像提取与增强算法

现场待测环境中SF6气体泄漏量通常较少，尽管采用了滤光片进行光谱滤波处理，但由于UFPA灵敏度有限，所以红外图像中作为识别目标的SF6气流轨迹,在复杂的环境背景中不易发现。对此，设计了基于红外视频的气流轨迹红外图像提取与增强算法，以进一步提高气流轨迹与背景图像的对比度，从而实现SF6气体检漏。该算法包括气流轨迹提取和局部增强处理两个部分。前者主要利用气流扩散运动的特征进行SF6气流轨迹的识别定位，进而利用Hadamard积运算原理[6]实现对红外图像中SF6气流轨迹的提取。后者负责对提取的气流轨迹红外图像进行灰度变换，从而使其在成像画面中更易辨识。

2.1 气流轨迹图像提取

将SF6泄漏气体的气流轨迹从红外图像中提取出来，准确识别出气流轨迹区域是该算法的关键内容。由于泄漏SF6气流具备运动特征，使得其轨迹在红外视频图像序列中具有时变特性，而环境背景相比SF6气流在时间上具有缓变特征，可认为在一次测量中近似具有时不变特性。据此可对红外视频流中的泄漏气体轨迹和缓变背景进行阈值分割，从而实现SF6气流轨迹区域和环境背景区域的区分[7]。考虑到设备工作的高精度和实时性要求，本文所设计的气流轨迹图像提取算法对红外视频图像序列综合运用了帧间局部邻域相关运算法和背景估计偏差运算法来完成红外图像的阈值分割，前者侧重描述帧间短时间内图像中具有时变特性的区域,适合对气流轨迹细节部分检测和识别；后者侧重描述一定时间范围内图像中具有时变特性的区域，适合对气流轨迹整体轮廓检测识别，两种方法相互补充，完成气流轨迹和环境背景间的准确阈值分割，在此基础上将分割所得图像与原图进行Hadamard积运算，从而实现SF6泄漏气流轨迹红外图像的提取。算法流程如图3所示。

图3 气流轨迹图像提取算法流程图

(2)

(3)

式中T1为阈值。

(4)

(5)

(6)

2.2 局部增强

(7)

2.3 算法实现

文中所采用的气流轨迹红外图像提取与增强算法运算量大，为了保证实时性检测，设备在硬件上采用OMAP3530的DSP核实现算法的高速运算，而设备的工作控制部分由运行于OMAP3530 ARM核的Linux系统应用软件实现，通过嵌入式Linux操作系统的多线程任务调度机制保证图像采集、处理和显示顺利进行。设备软件主要有主线程、控制线程、图像采集线程、图像处理线程和显示线程。其中图像处理线程控制OMAP3530的DSP核实现图像处理算法，其流程如图4所示。

图4 图像处理线程流程图

图像处理线程首先完成ARM和DSP核的初始化参数配置，然后根据主线程中传来的参数进行图像处理算法的创建；之后，图像处理线程分别为采集线程、图像处理线程和显示线程申请合理的内存空间，方便三个线程之间图像数据的交互传递。内存申请完毕后进入等待，一旦其他线程都准备就绪,就进入图像处理线程的循环中。该循环首先从采集线程和显示线程中获取图像缓冲地址,然后调用DSP核对视频图像进行基于气流轨迹红外图像提取与增强算法的处理,处理后的结果保存在图像缓冲地址中,最后将缓冲地址返回到显示线程和采集线程中，并由显示线程控制图像显示，由采集线程进行下一帧图像采集，从而实现对待测现场的实时成像检测。

3 实验测试

实验测试中采用微流量控制气阀来模拟SF6气体泄漏，并配合流量计对泄漏速率进行调节，图5为室内测试实物图，其中图5(a)为SF6模拟泄漏装置，图5(b)为本文设计开发的检漏仪。

测试结果表明，仪器可以实现分辨率320×240，25帧/s的实时成像检测，在表1所示环境下，对泄漏量的检测精度能够达到0.000 1 mL/s，检测画面具备灰度和伪彩切换显示功能，方便在不同环境背景下获取最佳显示效果。图6为该测试环境下检测视频画面截图，图中气团即为泄漏的SF6气流轨迹，由气团流动的特征即可准确判定泄漏点位置。

表1 测试条件

图6 模拟泄漏检测视频画面截图

另外，现场实际应用结果表明本文设计开发的检漏仪能够在室外复杂多变的环境中稳定工作，检测结果准确直观。由于仪器具备体积小、质量轻(整机2 kg)、功耗低(≤5 W@25 ℃)等优势，因此携带方便，使用灵活，为电力维修人员的野外检测工作提供了有力支持。图7是在露天环境下对110 kV高压开关A相进行SF6气体的检漏结果，在现场检测视频画面中，发现明显的流动SF6气团，经进一步断电检查，确认是密封圈老化造成高压设备中SF6气体泄漏。

4 结束语

本文介绍一款基于UFPA的便携式SF6气体红外光谱成像检漏仪的设计开发过程。该设备采用光谱滤波以及气流轨迹红外图像提取与增强算法等技术手段，配合OMAP3530硬件平台将原本灵敏度有限的UFPA探测器成功应用到SF6泄漏气体红外光谱成像检测中，从而实现对泄漏SF6气体检测和漏点定位。与市场现有两种类型SF6气体成像检漏仪相比,本检漏仪具备功耗低、体积小、质量轻、实用性强、操作简单、成本低廉等诸多优势，能够为电力行业进行SF6气体检漏和漏点定位提供更加高效便携的检测工具。同时，本文提出的检漏算法也为UFPA在气体泄漏探测领域的进一步扩展提供了参考。目前该仪器已通过了湖北省计量院的技术测试(编号JL2012090836010)，并获国家发明专利授权(专利号：201110367654.4)；在广东省电网公司、湖北省恩施市电力局等单位得到试用，使用效果良好，具有非常广阔的应用前景。

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Portable Infrared Spectral Imaging Leakage Detector For SF6Gas

ZENG Yan-an，ZHANG Chao，YUAN Xiu-hua，ZHANG Nan-yang-sheng，ZHU Bing，ZHANG Li

(College of Optics and Electronic Information,Huazhong University of Science & Technology,Wuhan 430074,China)

To meet the power industry’s demand of SF6gas leakage detection,a kind of SF6 gas infrared spectral imaging leak detector was developed based on UFPA.This detector can improve leaked SF6 gas detecting ability by comprehensive use of technological means like spectral filtering,video image processing algorithm for extracting and enhancing the airflow trajectory of infrared image;To make sure the system function of algorithm processing,LCD display and touch screen control realized smoothly in image collection,it was equipped with OMAP3530 high-speed processor as its system core together with a multi-threaded design of embedded Linux operating system.The results of the experiment test and practical application show that this kind of leak detector is portable,performed stably and able to detect a small amount of gas leakage accurately.Compared with similar products at home and abroad,the new equipment have a great advantages in terms of price and it is of great practical value.

UFPA;spectral imaging;contrast enhancement;SF6gas

曾杨杨(1988—)，硕士研究生，主要研究方向为智能电网、电力系统及其自动化。E-mail:619908860@qq.com 陈宇晨(1957—)，博士，教授，主要研究领域为智能电网、电力系统运行与控制。E-mail:yuchen1957@163.com

国家自然科学基金项目(61278051)；华中科技大学创建基金项目(2014TS047)

2015-01-21 收修改稿日期：2015-07-17

TH89

A

1002-1841(2015)10-0023-04