基於紅外圖像處理的sf6氣體檢測方法
2023-10-05 09:43:09 3
專利名稱：基於紅外圖像處理的sf6氣體檢測方法
技術領域：
本發明涉及氣體檢測技術領域，特別涉及一種基於紅外圖像處理的SF6氣體洩露檢測方法。
背景技術：
高壓斷路器、GIS (氣體絕緣金屬封閉開關設備)是電力系統中最重要的控制和保護設備。由於SF6 (Sulfur Hexafluoride,六氟化硫)氣體優良的絕緣性能和滅弧性能,當前國內大多數的電力公司都採用了 SF6斷流器、SF6 GIS0伴隨著SF6的大量使用，SF6洩漏問題也逐漸顯露。現代紅外檢測方法因其非接觸式檢測、快速準確等優點，逐漸取代傳統的檢測方法，成為SF6洩露檢測的發展趨勢。
SF6洩露的紅外檢測方法又分為主動式和被動式紅外檢測兩種。主動式紅外檢測SF6的方法根據不同的激勵源又分為不同的檢測方法。目前，主動式紅外SF6檢測多以雷射激勵為主，它通過主動發射SF6吸收波長(即10.55um)的雷射，並通過紅外傳感面陣獲取紅外圖像。該方法能夠實現在線SF6洩露檢測以及紅外圖像顯示，但需要額外增加雷射裝置。
被動式紅外SF6檢測與主動式紅外SF6檢測不同，它不需要額外增加激勵源裝置，檢測裝置的操作、攜帶及安裝都更為方便。目前，國內對被動式紅外SF6檢測監控裝置的研究還較為缺乏。
以雷射式紅外SF6檢測為例，採用主動式紅外檢測SF6時，紅外傳感面陣獲取到的紅外圖像由於主動投射10.55um波長的雷射，其圖像的信噪比明顯大於被動式方法。由於紅外傳感面陣獲取到的圖像信息是全場景的熱輻射數據，加上紅外傳感面陣的極高熱輻射靈敏度，被動式方法中的紅外圖像較主動式方法會含有更多噪聲，圖像也更為模糊。因此，被動式紅外SF6檢測對於紅外傳感器陣列和紅外圖像處理方法都提出了新的需求。
基於上述需求，有必要研究出一種新的被動式SF6氣體檢測紅外圖像處理方法。同時，相比於用ARM、DSP等嵌入式處理器進行紅外圖像處理，使用計算機進行紅外圖像處理具有更強大的處理能力、更豐富的信息顯示和更通用性操作環境。發明內容
(一)所要解決的技術問題
本發明的目的在於提供一種基於紅外圖像處理的SF6氣體檢測方法，以解決現有被動式紅外SF6氣體洩露檢測方法存在的紅外圖像噪聲大、不利於實時顯示的問題。
(二)技術方案
為了解決上述技術問題，本發明提出了一種基於紅外圖像處理的SF6氣體檢測方法。所述方法包括以下步驟:
S1、採用被動式紅外檢測的方式獲取SF6氣體的原始紅外圖像，並對所述原始紅外圖像進行非均勻性校正，得到校正後的紅外圖像；
S2、對所述校正後的紅外圖像進行歸一化處理，並將處理後的圖像轉化為灰度圖像；S3、對所述灰度圖像進行圖像濾波以及灰度線性變換，得到目標圖像；S4、將所述目標圖像進行實時顯示。可選的，步驟S4之前還包括步驟:S0、對SF6氣體濃度進行標定，得到標定曲線，所述標定曲線用於表示SF6氣體濃度值與圖像灰度值的對應關係；步驟S4進一步包括:利用所述標定曲線計算出所述目標圖像中的SF6氣體濃度值，並將計算得到的濃度值與所述目標圖像一起進行實時顯示。可選的，步驟SI中，採用被動式紅外檢測的方式獲取SF6氣體的原始紅外圖像具體包括:利用被動式SF6紅外探測傳感器，獲取紅外傳感面陣採集到的數據，從而得到所述原始紅外圖像，其中，所述被動式SF6紅外探測傳感器的探測波長為10.55μπι。可選的，步驟SI具體包括:S1-1、選定兩個不同的溫度，其中較高的溫度記為Thigh，較低的溫度記為T1ot ；S1-2、 在溫度Thigh下，在同一背景中獲取N張SF6氣體的原始紅外圖像，N為正整數，將像素i在N張圖像中的時域中值作為像素i的像素值，從而得到溫度Thigh下的紅外圖像 Sm gh，在溫度T1ot下，在所述同一背景中獲取N張SF6氣體的原始紅外圖像，將像素j在N張圖像中的時域中值作為像素j的像素值，從而得到溫度Tlw下的紅外圖像S1ot ；S1-3、利用圖像Shigh和S1ot計算出信號增益G和偏移量O ;S1-4、利用信號增益G和偏移量O計算得到所述校正後的紅外圖像。可選的，溫度Thigh的值為40°C，溫度Tlw的取值範圍為18°C 25°C。可選的，步驟S1-2中，N=16。可選的，步驟S1-3中，信號增益G的計算公式為: G=[中值(Shigh)-中值(Slow) ] / [Shigh-S1J，其中，中值(Shigh)和中值(S1ot)分別表示圖像Shigh和Slw中所有像素的中值；偏移量O的計算公式為:0=中值(S1ot)_G*S1ot。可選的，所述校正後的紅外圖像的計算公式為:F ' =G*F+0,其中，F7為所述校正後的紅外圖像，F為所述原始紅外圖像。可選的，步驟S2中，所述灰度圖像為8位灰度圖像。可選的，步驟S3中，所述圖像濾波包括空域濾波和小波去噪。(三)有益效果與現有技術相比，本發明提出的技術方案具有如下優點:1、以被動式方式獲取特定波長的紅外圖像，原始紅外圖像的獲取過程更為簡便。本發明的技術方案能夠通過網線獲取被動式SF6紅外探測數據(紅外探測傳感器的探測波長在10.55 μ m左右)，從而無需加入像主動式(如雷射式)探測SF6氣體中的控制方法，獲取圖像更簡便。
2、能夠動態顯示SF6洩露情況。通過紅外圖像的非均勻性校正、歸一化處理、圖像濾波以及灰度線性變換等處理，最終獲得的目標圖像能夠清晰、直觀、實時地顯示SF6氣體的洩露情況。
3、能夠動態顯示SF6洩露濃度。基於得到的目標圖像，與標準SF6排放設備進行標定，能夠確定目標圖像中洩露的SF6氣體濃度大小，並且進一步在洩露濃度超過最大預設值時做出報警。
4、能夠在線實時檢測SF6洩露情況。採用本發明提出的技術方案，能夠方便地通過有線或無線網絡接入的方式，將紅外探測傳感器採集到的紅外圖像實時傳輸給上位機進行紅外圖像處理、分析與顯示。
圖1是本發明提出的SF6氣體檢測方法的一種優選實施方式的流程圖。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式
作進一步詳細描述。
圖1表示了本發明提出的基於紅外圖像處理的SF6氣體檢測方法的一種優選實施方式。如圖1所示，所述方法包括以下步驟:
S1、採用被動式紅外檢測的方式獲取SF6氣體的原始紅外圖像，並對所述原始紅外圖像進行非均勻性校正，得到校正後的紅外圖像；
S2、對所述校正後的紅外圖像進行歸一化處理，並將處理後的圖像轉化為灰度圖像；
S3、對所述灰度圖像進行圖像濾波(包括空域濾波和小波去噪)以及灰度線性變換，得到目標圖像；
S4、將所述目標圖像進行實時顯示。
優選的，步驟S4之前還包括步驟:
S0、對SF6氣體濃度進行標定，得到標定曲線，所述標定曲線用於表示SF6氣體濃度值與圖像灰度值的對應關係；
步驟S4進一步包括:
利用所述標定曲線計算出所述目標圖像中的SF6氣體濃度值，並將計算得到的濃度值與所述目標圖像一起進行實時顯示。
在步驟SI中，首先藉助被動式SF6紅外檢測傳感設備(其探測波長在10.55 μ m左右)，通過網線獲取紅外傳感面陣採集的數據，從而得到原始紅外圖像。
為了補償不同圖像像素之間信號增益和偏移量的不同，需要對從SF6紅外傳感陣列採集到的原始數據進行非均勻性校正處理。非均勻性校正有多種方法，分別針對特定系統。優選的，本發明的技術方案採用如下的非均勻性校正:
首先分別採集高溫和低溫兩種紅外圖像，其中，高溫與低溫並不是非常嚴格的確定，一般可取低溫為室溫(18°C 25°C),高溫為40°C。高溫可記為Thigh,低溫可記為TlOT。兩種圖像一定要在一樣的背景中採集。為了消除採集到的圖像的時域噪聲，需要在同一溫度下採集多幅圖像，並將每一像素的時域中值作為這個圖像像素的值，從而得到在同一溫度下的紅外圖像。具體來說即，在溫度Thigh或T1ot下，在同一背景中獲取N張SF6氣體的原始紅外圖像，N為正整數，將像素i在N張圖像中的時域中值作為像素i的像素值，從而得到溫度Thigh或T1ot下的紅外圖像Shigh或紅外圖像S1ot。優選的，N=16。然後，增益G和偏移量O計算如下:G=[中值(Shigh)-中值(Slow) ] / [Shigh-S1J，其中，中值(Shigh)和中值(S1ot)分別表示圖像Shigh和Slw中所有像素的中值(也稱幀中值);0=中值(S1ot)_G*S1ot。接下來，每一經非均勻校正後的圖像幀計算如下:F ' =G*F+0,其中，F '為非均勻性校正後的紅外圖像，F為從紅外探測傳感器中獲取的原始紅夕卜圖像。非均勻性校正處於紅外探頭標定階段，校正結果就保存在每一個攝像頭圖像處理單元。為便於對紅外圖像進行處理與顯示，需要將校正後的紅外圖像通過網絡傳輸給上位機。由於從SF6紅外探測傳感器獲取到的紅外圖像數據量過大，60Hz幀率下320*256的紅外圖像每秒產生的數據流量可達到9.4MB，為了降低數據流量，同時考慮到最終處理和顯示紅外圖像時都是用的8位灰度圖像，因此在步驟S2中，需要將校正後的紅外圖像進行歸一化處理後，轉化成8位灰度圖像數據再進行後續圖像處理。在步驟S3中，需要依次對灰度圖像進行空域濾波、小波去噪和灰度線性變換，從而得到對比度增強、人眼容易辨識的目標圖像。針對前述紅外圖像對比度低、清晰度低、噪聲大等問題，一些常規空間濾波算法可明顯改善圖像質量。空間濾波的機理是使用預先定義好的卷積核掩碼對圖像進行卷積，如果卷積核在頻率域中對應的是高通濾波器，則可以增強圖像的邊緣信息，改善圖像的清晰度，但與此同時也放大了噪聲，該操作也稱為銳化操作。小波去噪包括三個基本的步驟:(1)對含噪聲信號進行小波變換；(2)對變換得到的小波係數進行處理，以去除其中包含的噪聲；(3)對處理後的小波係數進行小波逆變換，得到去噪後的信號。小波去噪方法的不同之處集中在第一步中不同的小波基。從信號學的角度看，小波去噪是一個信號濾波的問題，而且儘管在很大程度上小波去噪可以看成是低通濾波，但是由於在去噪後還能成功地保留信號特徵，所以在這一點上又優於傳統的低通濾波器。可以說，小波去噪實際上是特徵提取和低通濾波功能的綜合。對紅外低對比度圖像，灰度線性變換與偽彩色增強是兩種常規增強對比度的算法。本發明的技術方案採用灰度線性變換來增強去噪後的紅外灰度圖像的對比度。灰度線性變換的機理是將原來小的灰度範圍映射到一個更大的灰度變化範圍，人為地擴大像素間的灰度差別，使得人眼可以更容易地感受到微小的灰度差異。
設源圖像f(x，y)的灰度範圍為[a，b]，將灰度範圍變換到[m，η]的目標圖像f (X，y)公式如下:
權利要求
1.一種基於紅外圖像處理的SF6氣體檢測方法，其特徵在於，所述方法包括以下步驟: 51、採用被動式紅外檢測的方式獲取SF6氣體的原始紅外圖像，並對所述原始紅外圖像進行非均勻性校正，得到校正後的紅外圖像； 52、對所述校正後的紅外圖像進行歸一化處理，並將處理後的圖像轉化為灰度圖像； 53、對所述灰度圖像進行圖像濾波以及灰度線性變換，得到目標圖像； 54、將所述目標圖像進行實時顯示。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，步驟S4之前還包括步驟: SO、對SF6氣體濃度進行標定，得到標定曲線，所述標定曲線用於表示SF6氣體濃度值與圖像灰度值的對應關係； 步驟S4進一步包括: 利用所述標定曲線計算出所述目標圖像中的SF6氣體濃度值，並將計算得到的濃度值與所述目標圖像一起進行實時顯示。
3.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，步驟SI中，採用被動式紅外檢測的方式獲取SF6氣體的原始紅外圖像具體包括: 利用被動式SF6紅外探測傳感器，獲取紅外傳感面陣採集到的數據，從而得到所述原始紅外圖像， 其中，所述被動式SF6紅外探測傳感器的探測波長為10.55 μ m。
4.根據權利要求1-3之一所述的方法，其特徵在於，步驟SI具體包括: S1-1、選定兩個不同的溫度，其中較高的溫度記為Thigh，較低的溫度記為T1ot ； S1-2、在溫度Thigh下，在同一背景中獲取N張SF6氣體的原始紅外圖像，N為正整數，將像素i在N張圖像中的時域中值作為像素i的像素值，從而得到溫度Thigh下的紅外圖像Shighj 在溫度Tlw下，在所述同一背景中獲取N張SF6氣體的原始紅外圖像，將像素j在N張圖像中的時域中值作為像素j的像素值，從而得到溫度T1ot下的紅外圖像S1ot ； S1-3、利用圖像Shigh和Slw計算出信號增益G和偏移量O ; S1-4、利用信號增益G和偏移量O計算得到所述校正後的紅外圖像。
5.根據權利要求4所述的方法，其特徵在於，溫度Thigh的值為40°C，溫度T1ot的取值範圍為18°C 25°C。
6.根據權利要求4所述的方法，其特徵在於，步驟S1-2中，N=16。
7.根據權利要求4所述的方法，其特徵在於，步驟S1-3中，信號增益G的計算公式為: G=[中值(Shigh)-中值(S1ot)]/[Shigh-S1J, 其中，中值(Shigh)和中值(Slw)分別表示圖像Shigh和Slw中所有像素的中值； 偏移量O的計算公式為: 0=中值(Slw)-G*S1qw。
8.根據權利要求4或7所述的方法，其特徵在於，所述校正後的紅外圖像的計算公式為:F ; =G*F+0, 其中，F '為所述校正後的紅外圖像， F為所述原始紅外圖像。
9.根據權利要求1-3之一所述的方法，其特徵在於，步驟S2中，所述灰度圖像為8位灰度圖像。
10.根據權利要求1-3之一所述的方法，其特徵在於，步驟S3中，所述圖像濾波包括空域濾波和小波去 噪。
全文摘要
本發明公開了一種基於紅外圖像處理的SF6氣體檢測方法。所述方法包括步驟S1、採用被動式紅外檢測的方式獲取SF6氣體的原始紅外圖像，並對原始紅外圖像進行非均勻性校正，得到校正後的紅外圖像；S2、對校正後的紅外圖像進行歸一化處理，並將處理後的圖像轉化為灰度圖像；S3、對灰度圖像進行圖像濾波以及灰度線性變換，得到目標圖像；S4、將目標圖像進行實時顯示。本發明提出的技術方案能夠解決現有被動式紅外SF6氣體洩露檢測方法存在的紅外圖像噪聲大、不利於實時顯示的問題。
文檔編號G01M3/36GK103217397SQ20131002515
公開日2013年7月24日 申請日期2013年1月23日 優先權日2013年1月23日
發明者吳波, 王庫, 王生明, 宰洪濤, 謝添, 劉連根, 田瑞萍, 趙晉芳, 常晉兵 申請人:山西省電力公司晉城供電分公司, 國家電網公司, 北京興匯同維電力科技有限公司