矿用本质安全型黑光摄像仪的研究与应用

王怀琴，张德胜

(1.煤炭科学技术研究院有限公司，北京 100013；2.煤矿应急避险技术装备工程研究中心，北京 100013；3.北京市煤矿安全工程技术研究中心，北京 100013)

煤矿井下作业条件艰苦，事故隐患点多，极易发生爆炸、冒顶、火灾等事故，危险系数极高，故对井下人员、车辆、设备等目标信息的采集和监控非常有必要。目前传统摄像仪极易出现色彩缺失，拍摄细节不清晰、拍摄范围小、亮度不足等弊端，尤其在夜间井下光线不足，照度低的环境条件下完全无法清晰稳定呈现物体细节特征和真实环境状况[1-4]。

针对以上问题，通过研究黑光夜视成像技术，光电转换技术，本安技术，高清摄像镜头测试方法，研发出了矿用本质安全型黑光摄像仪。根据人眼仿生学原理，优化对画面色彩和亮度的处理能力，颠覆传统的成像理念全面提升了夜间视频监控效果，在夜间井下照度极低的环境下可以清晰稳定呈现真实环境状况和物体的大小、形状等细微特征。

1 矿用本质安全型黑光摄像仪系统设计

矿用本质安全型黑光摄像仪系统主要由摄像仪、电源模块和光电转换模块三大部分组成。摄像仪镜头采用自主专用自动聚焦芯片，对焦快且准确，支持多种功能，可以适应不同监控环境，内置全解码功能，支持线扫，面扫，可进行大范围扫描监控和多点监控。鉴于井下大型采煤设备运行期间，噪声多，环境嘈杂煤粉尘大的特点，摄像仪采用音频降噪技术，可以自动过滤干扰噪声，从而实现高品质语音传输，采用取景器自清洁技术，内设纳米隐形雨刷，不沾水、不沾油，在井下煤尘密集，油污多的地带仍可以清晰还原现场作业情况。

电源模块采用本质安全型电路设计，光电转换模块则开发设计了适用于矿用本质安全型黑光摄像仪的小型光电转换模块。整个系统由电源模块将127V交流电转换为24V直流电分别为摄像仪和光电转换模块供电，摄像仪利用摄像头采集视频、音频模拟信号，然后将视频、音频模拟信号转换成数字电信号送至光电转换模块，之后光电转换模块将数字电信号转换为光信号通过光纤传送[5，6]。系统设计如图1所示。

图1 矿用本质安全型黑光摄像仪系统设计图

2 黑光夜视成像技术

热红外成像技术和微光夜视技术是目前普通摄像仪最常用的两种夜视技术，热红外成像技术只能大致看到人或物体的热轮廓，无法看清景物的细节特征，微光夜视技术则需要借助外部光源红外灯才能在夜间低照度环境下看到物体，然而，利用红外灯辅助照明则不可避免的会使图像受到光波干扰，可视效果和清晰度均会大幅降低。而黑光夜视成像技术不受光照及环境的影响，能够在微光、强光甚至零照度等不同光照条件下拍摄清晰稳定的实时视频图像。

2.1 双sensor构架设计

黑光夜视成像技术运用了视网膜成像技术的双sensor构架和彩色夜视图像融合技术，图像传感器(sensor)是图像采集的核心单元，主要分为CCD和CMOS两大类，此次设计采用的是CMOS传感器，CMOS传感器有灵敏度高，曝光时间短和像素尺寸小等优点，在核心结构上，由感光电极、电信号转换模块，信号传输晶体管，以及信号放大器组成，传感器感知到光信号后经光电转换模块产生电信号，之后经A/D转换器变为数字图像信号，最后经处理芯片处理成影像[7，8]。双sensor成像原理示意图如图2所示。

图2 sensor成像原理示意图

双sensor构架模仿人眼视网膜成像原理，解决了色彩和亮度间的相互干扰，一路sensor模仿视网膜中的锥状细胞感知色彩信息，另一路sensor模仿视网膜中的杆状细胞感知亮度细节，色彩信息和亮度细节互不干扰，使成像效果大幅提升。

2.2 彩色夜视图像融合技术

热红外成像技术和微光夜视技术采集到的微光图像和热图像信噪比低且图像缺乏深度感，不利于图像的探测与识别。而彩色夜视融合技术采集到的图像包含了景物更多的光谱信息和色彩信息，利用人眼对彩色图像有更高分辨力和灵敏度度的特性，提高对景物的探测和识别。

图像融合过程是通过最大化相关信息量的同时最小化不相关的细节、不稳定信息和输出中的冗余，从而最大限度的提高识别速度。

假设q1和q2是两幅具有相同分辨率、灰度及空间动态范围的输入图像，两个图像的共同组成部分计算为形态交叉点。

q1∩q2=min{q1，q2}

(1)

每幅图像的特征量q*是每幅图像减去共同分量后剩下的部分则有：

以上算法即通过从相反的图像信息中减去融合图像信息来强调特征分量。彩色图像的融合就是利用相同的原理将图像分别映射到RGB伪彩色图像的红色和绿色通道中获得的。通过将两幅图像的差别映射到合成彩色图像的蓝色成分，两幅图像特征中的典型组成部分就会得到更好的强调，最后的映射公式为：

这个简单的计算方法，不仅能够在硬件上实施，而且可以通过使用标准处理设备而被用于实时应用。通过彩色夜视融合技术将景物的某些细微特征进行强调，从而增强了人眼对景物的可见度和敏感度[9-12]。

通过双sensor构架和彩色夜视图像融合技术，将采集到的视频图像信息进行独特的光学和数字处理，滤除了杂波和干扰，从而保证在井下接近0.001Lux的低照度环境下拍摄的影像都清晰稳定。

3 光电转换及本安电路硬件设计

3.1 光电转换电路硬件设计

结合煤矿井下工作环境特殊，煤粉尘大，噪音多，环境潮湿，以太网电缆无法全部覆盖，信号干扰因素多，信息传输困难等特点，开发设计了适用于矿用本质安全型黑光摄像仪的小型光电转换模块，通过AC/DC电源模块供电，可以实现电信号与光信号的双向转换。从而利用光纤传输频带宽、通信容量大，传输损耗低、中继距离长，绝缘、抗电磁干扰性能强的特性，确保数据包在不同网络间顺畅无误传输，将信号从井下精确传输至地面客户端。光电转换模块设计如图3所示。

图3 光电转换模块电口输出示意图

光电转换模块电口采用RJ45接口，速率10/100/100M自适应，光口采用FC型，支持热插拔，速率可达到1000Mbps。输入的电信号经驱动芯片H1601CE处理后发射出相应速率的调制光信号，芯片内部带有光功率自动控制电路，使输出的光信号功率保持稳定。

3.2 本安电路硬件设计

井下电流密度大，爆炸性混合物多，因此，用于井下的电气设备一般分为隔爆型和本安型两种，但隔爆型电气设备往往壳体笨重，占地空间大，不易操作和挪动，而矿用本安型黑光摄像仪不仅体积小，重量轻，操作便捷，且本质安全型电路的设计，可以保证设备在正常工作和故障状态下产生的火花或热效应均不会点燃周围的爆炸性混合物，安全可靠[9]。矿用本质安全型保护电路如图4所示。

图4 矿用本质安全型保护电路示意图

为了满足井下设备的本安参数要求，达到本安设计的要求，额定工作电流小于等于1.5A。锂离子电池保护电路采用双重稳压过流保护。芯片选用两级锂电池保护芯片S-8261。一旦后级负载过流，电压便会拉低，输出低电平，当过流被保护后，短路电流立即消失，电容停止充电，从而实现稳压过流保护。该矿用本质安全型电路的设计能实现过充电、过放电保护、过充自恢复、过放自恢复、放电过流保护、过充保护延时、过放保护延时等功能[13-15]，可防止因输出电压意外增大或涌流而产生的火灾或爆炸危险。

4 测试实验

4.1 实验室测试设计

由于测试环境及光源的选择对摄像仪的测试效果影响较大，为了贴近煤矿井下的实际情况，我们到井下实地调研，以井下光照环境参数作为测试光源的选择依据，对矿用本质安全型黑光摄像仪和普通摄像仪的几个主要性能指标：最低照度、清晰度及灰度进行了测试。

在视频实验室，标准的光学测试环境下结合井下光照环境参数，利用色温照度计、分辨率测试卡、色彩测试标板、灰阶卡校色板等标准测试设备，对摄像仪的灰度、清晰度进行测试。在无任何光源的暗室对摄像仪的最低照度进行测试。测试实验设计如图5所示。

图5 实验室测试实验设计图

测试实验结果表明，矿用本质安全型黑光摄像仪的各项性能指标都远远高于普通摄像仪，其彩色最低照度可达0.0005Lux，黑白最低照度可达0.0001Lux，水平清晰度可达到1100TVL，灰阶等级高达11级。

矿用本质安全型黑光摄像仪与普通摄像仪主要性能指标测试结果对比见表1。

表1 性能指标测试数据

4.2 井下现场测试设计

在煤矿井下综采面、大巷、入口处共安装了36台矿用本质安全型黑光摄像仪，实时采集井下环境及人员视频图像信息，通过光纤连通井下环网交换机，将实时采集的视频图像信息传输到后台服务器，服务器平台进行数据的综合分析，进而传输到地面客户端，供地面上的指挥调度人员进行视频分析并实时掌握井下现场情况并进行管理和调度。井下测试系统组成如图6所示。

图6 井下测试系统组成图

通过井下现场测试，矿用本质安全型黑光摄像仪与普通矿用摄像仪在井下不同照度环境下传输至地面客户端的视频监控画面效果对比如图7—图10所示，不同照度环境测试结果见表2。

图7 照度0.1Lux拍摄画面对比图

图8 照度0.01Lux拍摄画面对比图

图9 照度0.001Lux拍摄画面对比图

图10 照度0.001Lux人像拍摄画面对比图

表2 不同照度环境测试结果

通过以上不同照度环境下视频监控画面及测试数据对比可以看出，矿用本质安全型黑光摄像仪在入井口或井下大巷照度大于等于0.01Lux的环境下均能清晰稳定呈现现场实时作业情况，在井下综采面照度为0.001Lux的环境条件下呈现的实时作业画面略微模糊，但对人像的捕捉画面相对比较清晰。相比普通矿用摄像仪可以更加清晰稳定地反映井下实时作业状况及车辆、人员、设备等目标信息情况。

5 结 语

本文结合煤矿井下的特殊环境情况，通过对黑光夜视成像技术，光电转换技术、本安技术、矿用本质安全型黑光摄像仪精确测试技术的研究，研发出了矿用本质安全型黑光摄像仪。经煤矿现场及实验室的精确测试，其各项性能指标均优于普通矿用摄像仪，在任何特殊环境条件下均可以清晰稳定全方位地反映井下实时作业情况，安全可靠的本安电路设计及体积小操作便捷等特性均可以更好地满足煤矿井下视频监控需求。