基于视频技术的UF6探测模拟系统初步研究

游国强　张文宇　赵怀璞　郑建国　金　潮　路　晶　（中国辐射防护研究院，山西 太原 030006）

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基于视频技术的UF6探测模拟系统初步研究

游国强张文宇赵怀璞郑建国金潮路晶
（中国辐射防护研究院，山西 太原 030006）

UF6意外泄漏事故是国外铀转化厂、铀浓缩厂发生频率最高的事故。基于视频技术的UF6探测系统采用图像处理技术以及探测、识别错误报警的规则系统，准确探测UF6烟羽图谱，及时发出准确的UF6泄漏警报。

UF6；烟羽；事故；探测系统

1 引言

UF6作为核燃料浓缩过程中主要的中间产物，广泛应用于铀纯化厂、铀转化厂、铀浓缩厂和核燃料元件厂。自20世纪40年代以来，UF6意外泄漏事故是国外铀转化厂、铀浓缩厂发生频率最高的事故。在常见的各种铀化合物中，UF6的毒性最高。其导致的人体健康效应主要在于吸入铀和氟化氢所致的化学危害，而不是电离辐射危害。如果3m3（B）容器内全部液化的UF6发生泄漏事故时，最大泄漏速率为6.83kg/s，如果不采取干预措施，容器内的UF6将全部泄漏至工作场所。目前使用的UF6探测系统，不能及时、准确的对UF6泄漏事故进行警报。研究一种及时、有效、准确的UF6探测系统显得尤为重要。

2 研究背景

2.1 UF6的化学性质

在标准大气压下，UF6升华点为56.56℃，固体UF6能直接升华成气体。UF6的化学性质比较活泼，容易与水或水蒸气发生放热反应，生成氟化铀酰和氟化氢。在湿空气中释放1mg的UF6立即呈现可见的一团“白烟”。

UF6（g）+2H2O（g）→UO2F2（s）+4HF（g） （1）

nHF（g）→（HF）n（g） （2）

HF（g）+ H2O（g）→（HF·H2O）（g） （3）

图1 UF6烟羽扩散轨迹图

2.2 UF6的释放途径与扩散过程

从国外UF6泄漏事故的历史记录获知，多数泄漏事故发生在UF6从一个设备到另一台设备的输送过程中。由于设备事故或人因失误造成阀门破坏和贮存容器破裂，UF6以气态、液态或二者混合的形态释放。

3m3（B）容器内，当高压液态UF6向大气释放时，将闪蒸成固体颗粒和气态的混合物，UF6泄漏不是一个简单的被动释放过程，根据主导烟羽热焓量变化的不同，UF6扩散过程被分成如下5个阶段，UF6烟羽扩散轨迹如图1所示。

第Ⅰ阶段：UF6液体闪蒸。UF6液体释放后，立即闪蒸成UO2F2固体和HF气体，扩散烟羽包含了UF6、空气、UO2F2固体和HF气体。

第Ⅱ阶段：UF6的升华。周围水蒸气进入上阶段UF6扩散烟羽，并迅速与烟羽中气态UF6反应，产生气态HF和UO2F2固体颗粒，并释放热量。气态HF发生聚合反应时，吸收周围热量直到混合物达到热平衡状态。此时固态UF6颗粒升华成气体，进而烟羽中气态UF6份额增加，烟羽密度增加，烟羽发生沉降。

第Ⅲ阶段：UF6化学反应。烟羽中气态UF6和水蒸气的化学反应不断释放热量继而提高烟羽的温度，烟羽温度达到最高点。盘旋在地面的烟羽沿着下风向输送，周围的空气以递减的速率被夹带进入烟羽。

第Ⅳ阶段：烟羽与空气混合。周围的空气被逐渐卷入烟羽，烟羽温度、密度逐步与周围空气一致。除HF、水蒸气混合产生一小部分热量外，在此过程中没有热量产生或丧失，烟羽逐渐从地面抬升。

第Ⅴ阶段：UF6水解产物被动扩散。烟羽密度达到周围空气密度，烟羽的稀释过程由大气湍流主导。UF6水解产物由固定高度向下风向扩散，在该阶段扩散过程符合高斯扩散模型。

2.3 UF6探测器的使用现状

目前美国铀浓缩公司采用吸气式探测器和人工观测UF6烟羽的方法进行UF6泄漏报警。国内铀转化厂或铀浓缩厂使用HF探测器和滤膜式探测器进行UF6泄漏报警。

2.3.1 HF探测器

HF探测器基于电化学技术间接探测。当UF6泄漏后，UF6与水蒸气发生化学反应生成HF，传感器产生电信号间接探测。

由于铀转化厂或铀浓缩厂厂房高大，地面障碍物（设备）存在不稳定气流，以及UF6烟羽扩散轨迹的多变性，在使用过程中无法及时、准确、快速地到达探测器，导致上述HF探测器无法有效工作，无法判断UF6泄漏。

图2 基于视频技术的UF6烟羽探测系统原理示意图

2.3.2 过滤膜式UF6探测器

国内使用过滤膜式UF6探测器，一定时间观测滤膜的颜色，称量滤膜增加重量的方法。

国外使用吸气泵式UF6探测器，当滤膜上UF6的达到一定重量，进行报警。

上述两种UF6探测器均能有效的探测UF6泄漏事故，均存在一定的滞后性。

2.3.3 人工观察UF6烟羽

由于释放UF6立即会呈现一团可见的“白烟”的现象。

在美国铀浓缩公司，使用人工观测烟羽方法，与吸气泵式UF6探测器配合使用。但该方法受人工失误影响比较大。

3 研究目的及意义

3.1 研究目的

基于视频技术的UF6烟羽探测系统，是以摄像机采集到的视频图形为设计基础，采用图像处理系统，以及探测并识别错误报警的技术，鉴别UF6烟羽的特殊移动图谱。通过搜寻视频图像中变化的微弱图谱，筛选UF6烟羽状况特性与其他移动图谱之间的差异，准确探测UF6烟羽图谱，及早发出准确的UF6泄漏警报。

通过建立基于视频技术的UF6烟羽探测系统，能够尽量减少人因失误对人工观测UF6泄漏事故的影响，及时、准确的发出泄漏警报。通过对UF6烟羽图像分析，进一步对UF6泄漏事故造成的后果或影响作出进一步分析和评估。

3.2 研究意义

基于视频技术的UF6烟羽探测系统与常规检测器相比有以下优点：

（1）直观的监测能力；

（2）场所的广泛适用性；

（3）能够实现远程监测、实时监控与离线人工分析相结合；

（4）通用性和随意扩展能力；

（5）支持与多种传感器的兼容。

（6）基于视频技术的UF6烟羽探测系统受环境因素的影响较小，特别适应于一些高大空间、存在不稳定气流的场所以及户外空间。

随着图像处理技术、计算机技术以及光电成像技术等相关技术的不断发展，视频探测技术不仅能够实现早期UF6烟羽探测，且能有效避免探测距离、环境干扰、人员误判等因素的影响，具有响应时间短、智能化、可视化、抗干扰、远程控制等优势。

4 基于视频技术的UF6探测系统研究思路

4.1 基于视频技术的UF6探测系统的基本原理

基于视频技术的UF6探测系统采用摄影系统作为图像传感器，利用光电转换，将摄像机感光面上由图像采集卡捕捉到的图像转换为相应的一维时序数字“图像”，再将数字信号传送到信息处理主机系统，信息处理主机系统再结合各种UF6烟羽判据对电信号“图像”进行图像甄别处理，最后判断是否存在UF6烟羽的结果。系统原理如图2所示。

4.2 基于视频技术的UF6探测系统的主要算法研究

基于视频技术的UF6烟羽识别算法，以处理连续视频图像为基础，进而提取图像中的有用特征信息，提取的特征信息主要包括UF6烟羽的静态特征和UF6动态特征。UF6烟羽的静态特征包括RGB空间中的R分量以及HSI空间中的I分量。UF6烟羽的动态特征包括烟羽扩散性的动态特征。

基于视频技术的UF6烟羽像素的算法分为两部分：基于UF6烟羽颜色的静态特征和UF6烟羽扩散性的动态特征，即首先建立一个混合高斯模型来检测UF6烟羽颜色像素，随后再用UF6烟羽的动态特征来甄别真正的烟羽像素，该算法是一种基于累积量、主运动方向的UF6视频烟羽检测方法。提出的累积量表示运动持续程度，主运动方向表示每个视频图像分割块可能的运动方向，进而根据UF6累积量和主运动方向提取出三维的特征矢量，并采用贝叶斯分类器完成UF6烟羽的检测。该方法具有明显的抗干扰性，可显著提高UF6烟羽检测的准确率。

4.2.1 UF6烟羽静态特征的算法研究

烟羽颜色是烟羽图像信息的表征之一，通过颜色检测能够有效的将图像中具有UF6烟羽颜色的区域提取出来。在RGB颜色空间中，创立混合高斯模型来检测UF6烟羽颜色的有效像素，进而适应环境的变化，更加有效的检测出烟羽。

创立混合高斯模型采用一组烟羽样本图像集Uc={c1，c2，…，cn}来预先建立。在运行过程中，可甄别待检测图像中的像素是否属于先前建立的混合高斯模型，进而提取出有效的UF6烟羽颜色特征的图像区域。

4.2.2 UF6烟羽动态特征的算法研究

UF6烟羽的动态性是由于UF6烟羽无规则性扩散形成。首先需要对UF6烟羽的不规则特性和扩散特性结合起来进行检测，对提取出来的UF6烟羽颜色区域进行判断，判断其是否具有不规则性和扩散性，去除虚假的烟羽（具有UF6烟羽颜色，但非UF6烟羽）的区域，从而提高动态特征检测的准确报警率。

4.3 基于视频技术的UF6探测系统简介

基于视频技术的UF6探测系统对摄像机采集到的视频图像为设计基础，首先对收集到的原始图像采用RGB分量运算和位屏蔽颜色压缩等技术处理，根据UF6烟羽颜色特征来提取烟羽相似区域，通过减背景技术来滤除静态的类烟羽区域。再采用小波变换，根据视频序列中分块图像的小波能量变化，来主动滤除动态的UF6烟羽类似区域干扰。最后对UF6泄漏事故报警。最终通过长序列视频的累积证据来标记出真正的核心UF6烟羽区域。

结语

本文提出了一个基于视频技术实时分析的UF6探测新方法，提供了基于视频技术的UF6探测系统的原理，分析了UF6烟羽的静态、动态特征，提供了UF6烟羽的静态、动态特征算法研究，简要介绍了基于视频技术的UF6探测系统。今后，将重点研究多线程UF6烟羽来自动选择相应的RGB分量运算系数组合，缩短准确判别UF6泄漏事故的时间，并研究UF6烟羽与水蒸气、其他化学品雾气的细微差异，以减少类似烟羽的动态干扰。

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