红外热成像系统（精选9篇）
红外热成像系统 篇1
0引言
红外检测技术是现代科学领域中的前沿学科。在自然界中, 一切物体都可以辐射红外线, 因此利用探测仪测定目标的本身和背景之间的红外线差并可以得到不同的红外图像, 本文提出一种新的基于Windows CE的便携式红外成像设备设计方案, 详细阐述了系统的组成结构和工作原理, 着重阐述了系统的硬件架构设计, 主要模块的功能和芯片选型, 以及软件部分的设计。
1系统结构设计
作为一款可应用于远程检测和移动监控等多个领域的红外热成像系统, 除了要具备通用图像动态实时显示功能外, 还应具备针对目标体温度的测试和分析功能。本系统通过红外焦平面阵列探测器将模拟信号送入信号预处理模块并完成模数转化, 转化后的数字信号送入红外图像采集模块, 采集的数字信号在红外图像校正模块进行非均匀校正、测温和滤波处理, 校正后的图像数据再送入图像显示终端, 图像显示终端将图像信息进行灰度拉伸、伪彩变换后在终端进行实时显示, 并完成图像分析、图像存储、温度标定等多种功能。系统总体方案如图1所示:
2系统硬件设计
2.1硬件结构
本文设计的红外成像系统的结构可分为红外镜头、模拟信号预处理部分、红外图像数据采集、数字信号处理部分、控制显示、分析处理部分这六大部分, 系统硬件结构如图2所示。红外焦平面阵列探测器完成光电转化功能;信号预处理电路包括视频信号分离电路和视频信号调整电路;预处理后的模拟信号经高速A/D转化后右双口RAM送入DSP;由于DSP具有高速的处理能力, 要求DSP能有效地与低速外设连接, 否则整个系统的数据处理能力就会受到影响, 因此需要把图像数据进行高速缓存, 双口RAM具有两套独立的数据、地址和控制总线, 因而可从两个端口同时读写而互不干扰, 并且具有随机存取的优点, 读写具有很大的灵活性;DSP完成红外图像数据的非均匀校正、中值滤波等大运算量处理, 减轻ARM的运算负担, 因此成像系统具有很强的可靠性和实时性;Windows CE系统下的应用程序完成灰度拉伸、伪彩变换、数据分析处理、红外图像显示及系统控制。
2.2主要芯片介绍
ARM处理器是整个硬件系统的核心单元, 完成对各个硬件单元模块的初始化、控制及管理功能。由于监控系统的实时性较高, 且需要完成部分算法运算, 因此对ARM处理器的处理能力要求较高。本系统处理器采用的是Samsung公司基于ARM公司的ARM920T处理器核, 该处理器拥有独立的16kB指令Cache和16KB数据Cache, 支持TFT的LCD控制器, NAND闪存控制器, 3路UART, 4路DMA, 4路带PWM的Timer , I/O口, RTC, 8路10位ADC, Touch Screen接口, IIC-BUS接口, 2个USB主机, 1个USB设备, SD主机和MMC接口, 2路SPI。S3C2410处理器最高可运行在203 MHz。
系统DSP采用TI公司的TMS320C6000系列DSP。TMS320C6201是TI公司推出的一种高性能的数字信号处理器。它的处理器内核采用超长指令字结构, 一个指令周期最多能并行执行8条指令。片内集成大容量存储器, 并采用二级存储器的结构。片上集成了丰富的外围设备接口。强大的处理能力和丰富的片上资源使TMS320C6000系列DSP在处理性能上高于其他传统DSP。
3系统软件设计
系统采用Windows CE嵌入式操作系统, 以Embedded Visual C++4.0为主要编程工具, 实现图形界面、初始化程序和应用程序的功能, 系统加入红外探测器的驱动程序, Windows CE本身支持对LCD的底层驱动, 从而降低了部分开发难度。
3.1软件设计总体框图
系统的软件部分设计如图3所示, 由主控模块、红外图像处理模块、红外图像存储模块、红外图像分析模块、红外图象显示模块、数据库模块、异常处理模块和软硬件交互模块组成, 其中软硬件交互模块软件和硬件的交互工作及硬件的底层驱动。
主控模块是整个软件框架中的核心, 用于控制其它模块的运行和交互, 并调用Windows CE的API函数通过软硬件交互模块与硬件通信;红外图像处理模块完成对原始红外图形数据的噪声均衡、灰度拉伸、伪彩变换的功能, 并经过色彩增强、锐化、钝化等图像算法处理后以实时动态的形式在图形界面上显示, 显示工作由红外图像显示模块完成;图像存储模块用于存储采集到的原始图像数据, 以完成后期的红外图像分析工作;红外图像分析提供相应的点分析、线分析、面分析、最大/最小值分析、等温分析工具, 使用者可以用这些分析工具在红外热图上对指定区域做相关分析, 提取关键数据, 分析后的数据可存储在数据库模块;当监控系统在运行过程中出现错误时, 由异常处理模块进行处理, 保证系统的稳定工作。上层软件与底层硬件的通信由软硬件交互接口模块完成。
3.2系统控制软件设计
系统控制程序控制着系统的初始化、参数配置、图像的采集、校正、分析、显示的全过程。显示终端发送命令后, 系统开始初始化, 设定图像采集模式, 启动采集过程。接下来系统将连续查询图像采集控制寄存器的值, 查询是否完成一幅图像的采集, 如果没有完成, 继续查询图像采集控制寄存器, 直到查询到采集完成一幅图像, 启动图像读取子程序, 把图像数据送入到DSP中完成滤波及非均匀校正, 校正后的图像数据送入到图像显示子程序中, 根据用户指定的显示模式, 将灰度图显示为伪彩图, 并完成相关的分析处理。程序流程如图4所示。
3.3部分子程序设计
Windows CE是微软公司嵌入式、移动计算平台的基础, 它是一个开放的、可升级的32位嵌入式操作系统。目前最新的系统版本为Windows CE 6.0, 与嵌入式Linux相比, Windows CE有以下优点: (1) 技术比较成熟、开发周期短适应市场的需要。 (2) 内核完善调试方便, 有丰富的GUI, 开发工具强大。 (3) 系统维护简单, 安全可靠性更高, 利于产品的市场化。
3.3.1 图像显示程序
采集图像数据在内存中为设备无关位图 (DIB) 格式, 几个重要函数如下:
HANDLE OpenDevice (int nDevIndex, bool bAsyn) ;//打开设备读取数据
void CreateDraw (HWND hWnd, UINT nWidth, UINT nHeight, UINT nBitCnt, bool bTopToDown) ;//初始化绘图环境及相应的显示各参数
void DrawImage (byte *pData, UINT nSizes, int nLeft, int nTop, UINT nPreWidth, UINT nPreHeight) ; //在显示窗口的指定位置显示图像
void ReleaseDraw (void) ;// 释放绘图资源, 显示结束后必须调用, 否则会有内存泄漏
3.3.2 BMP位图保存程序
位图文件 (Bitmap-File, BMP) 可看成由4个部分组成:位图文件头 (bitmap-file header) 、位图信息头 (bitmap-information header) 、彩色表 (color table) 和定义位图的字阵列。程序先建立存储文件, 进行相应的文件信息设置, 文件信息的设置要和所采集图像数据一致, 否则不能正确显示结果, 然后将信息保存到文件中, 重要操作过程如下:
HANDLE hFile = CreateFile (pBmpName, GENERIC_WRITE, 0, NULL, CREATE_ALWAYS, FILE_ATTRIBUTE_NORMAL, NULL) ; //创建位图文件
WriteFile (hFile, &hbf, sizeof ( BITMAPFILEHEADER) , &BytesWritten, NULL) ; //写入14字节的位图文件头Write-File (hFile, m_Bmi, wBmpInfoSizes, &BytesWritten, NULL) ; //写入40字节的位图信息头
WriteFile (hFile, m_pBits, m_Bmi -> bmiHeader.biSizeImage, &BytesWritten, NULL) ; //将图像的具体数据进行存储
其中结构体hbf和m_Bmi存放的是位图文件头和位图信息头参数内容, 指针指向m_pBits时开始存放红外图像的具体数据。
4结束语
本系统可应用于电力运维人员、消防人员、质量控制人员、过程监控人员、电子设计人员、建筑施工人员和交通运输人员等多个领域。Windows CE做为一个模块化的操作系统具有很强的灵活性, 其结构简单, 可以方便地实现各种复杂的应用。
摘要：给出了基于S3C2410处理器的嵌入式红外热成像系统的设计方案, 阐述了系统的硬件架构和基于Windows CE系统下的红外图像的采集、处理、显示软件的系统设计, 介绍了Windows CE系统下开发红外热成像软件系统的方法, 并对编写基于Windows CE的图像传输、图像处理和图像显示等程序进行了介绍。
关键词：Windows CE,嵌入式,红外热成像
参考文献
[1]汪兵.Windows CE嵌入式高级编程及其实例详解[M].北京:中国水利水电出版社, 2008.7.
[2]何宗键.Windows CE嵌入式系统[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2006.9.
[3]朱秀昌.图像通信应用系统[M].北京:北京邮电大学出版社, 2003.
[4]赵耀宏, 向伟, 罗海波, 等.SOPC技术在实时红外图像处理中的应用[J].红外与激光工程, 2005 (6) :120-124.
红外热成像系统 篇2
由红外热成像技术的原理与特点可知，红外热成像技术能很好地应用于智能视频监控系统中，并且往往是普通摄像监控所不能完成的。其具体的应用如下。
能真正实现24h及恶劣气候条件下的全天候的智能视频监控
普通的视频监控很难做到全天候的监控，如银行的金库、机要室、军事要地、监狱以及核心办公室等重要的监控区域，不可能完全做到全天候的有可见光，而没有了可见光，普通视频监控也就失去了其监控功能。要想夜晚监控，只能用日夜转换摄像机加上红外灯。而红外热成像仪，是被动接受目标自身的红外热辐射，无论白天黑夜24小时均可以处于运行状态且正常工作，并随时对背景资料进行分析，一旦发现变化，可以及时发出预/报警，并可以通过其他智能设备自动对有关情况进行处理与上报。
在雨、雾等恶劣的气候条件下，由于可见光的波长短，克服障碍的能力差，因而观测效果差。而工作在8—14μm波长的长波红外热成像仪，其穿透雨、雾的能力较高，从而仍可以正常地观测目标。因此在夜间以及恶劣气候条件下，采用红外热成像监控设备可以对各种目标，如人员、车辆等进行24h监控。在高速公路、铁路夜间安全保卫巡逻、夜晚城市交通管制等领域中，红外热成像装置也有着不可替代的作用。由于热成像系统在观察、识别目标方面有着众多的优点，因此在许多发达国家车载或直升飞机机载监控系统已经得到了广泛的应用。
能进行火灾的智能视频监控与识别
由于红外热成像仪是反映物体表面温度而成像的设备，因此除了夜间可以作为现场监控使 用外，还可以作为有效的防火报警设备。如在大面积的森林中，火灾往往是由不明显的隐火引发的，这是毁灭性火灾的根源，采用现有的普通监视系统，很难发现这 种隐性火灾苗头。然而采用红外热成像仪，则可以快速有效地发现这些隐火，并且可以准确判定火灾的地点和范围，即可透过烟雾发现着火点，把火灾消灭在萌芽阶段。
如加拿大森林研究中心，利用直升飞机采用便携式热成像仪，在一个火灾季节中就发现了15次隐火。
在住宅小区、机场、码头、学校等人流密集的场所，通过红外热成像仪探测的红外热图像，均能迅速及时监测到火灾源头，并进行预/报警，以便及时采取行动进行处理。
谷物粮仓往往会发生自燃现象，过去一般采用温度计测量其温度变化。而采用红外热像仪可以准确判定这些火灾的地点和范围，从而做到早知道早预防，早扑灭。
据美国保险公司的统计数据表明，在所有火灾中，有25%是电气设备隐患引发火灾的，即由于插头接触不良引发的。红外热像仪还可以用来探测电气设备的不良接触，以及过热的机械部件，以免引起严重短路和火灾。对于所有可以直接看见的设备，红外热成像产品都能够确定所有连接点的热隐患。对于那些由于屏蔽而无法直接看到的部分，则可以根据其热量传导到外面部件上的情况，来发现其热隐患。而利用红外热成像产品，可以很容易地探测到回路过载或三相负载的不平衡。如我国利用自制的热像仪对华北电力网内的20座发电厂、8座变电站和24条高压线的10000多个插头进行了过热检查，发现不正常发热点500多处，严重过热 为100处，做到及时处理，从少减少火灾事故的发生率。
此外，即使是在火灾过后，消防人员也能通过现场红外热成像仪的监视图像，开展对火灾现场卓有成效的搜救工作。
能对伪装及隐蔽的目标进行视频监控与识别
普通的伪装是以防可见光观测为主。一般犯罪分子作案通常隐蔽在草丛及树林中，由于野外环境的恶劣及人的视觉错觉，容易产生错误判断。红外热成像装置是被 动接受目标自身的热辐射，人体和车辆的温度及红外辐射一般都远大于草木的温度及红外辐射，因此不易伪装，也不容易产生错误判断。
能对边防、周界入侵进行远距离有效的监控与识别
我国边境线甚长，海洋也辽阔，由于野外环境的恶劣，特别是在下雨、下雪、大雾、大风的日子，许多系统都不可能很好地担当起防范作用，更不用说通过智能分 析报警了。如果采用人员巡逻，利用望远镜进行观察，往往由于可见光波长短，使观察效果不理想，根本不可能做到全天候，这样难免不造成漏查、误查和失查的现象。
利用红外热成像仪，可以探测到不同物体的红外辐射，因而可以远距离地进行观察，尤其适用于风雨天气。如在边境地区放置红外热成像仪，就可成功地破获非法入境者案件，显然，其效率大大高于人工巡查。
目前在海边走私，常常利用“大飞”来进行，这些“大飞”无灯光，马力大，机动性强，往往容易摆脱缉私人员和边防人员的追踪。而有了红外热成像仪，就可以迅速地远距离跟踪这些“大飞”，其距离可达数公里。即使是在雷达的死角，这个系统也可以正常运行，特别是在黑夜和恶劣的天气下，均可以充分发挥其良好的特点。
此外，传统的视频监控技术只是对周围的现象进行实时的监控与记录，在非智能的状态下，无法完成有效的预/报警功能。而是传统的红外对射技术，虽然能够短距离地对入侵者进行实时预/报警却无法认识入侵对象。而利用红外热成像技术可远距离地对周边入侵进行监视，不仅能够实时预/报警，而且能够察看当时入侵者的红外监控图像，从而做出分析，达到一般监视系统不易达到的效果。
过境人员检验检疫人体温检测跟踪
红外热成像系统 篇3
【关键词】热成像技术；高速公路；视频监控；全天候
1、高速公路视频监控的发展及存在问题
高速公路与一般公路相比，具有封闭性高、交通流量大、设计时速快等特点，为保安全畅通，高速公路运营管理单位要求对高速公路进行视频监控，掌握高速公路运营情况。目前视频监控技术还是要依赖自然光。光照条件良好条件下，监控质量可以保证，而在光照条件恶劣的夜间情况下、雾霾天气下却成了睁眼瞎，无法获得有效的监控图像。
针对夜间监控的要求，发展出了红外LED补光摄像技术、激光夜视技术。但是目前这两种技术应用到高速公路干线全程监控上均有一定缺陷。LED补光可以满足近距离监控要求，但受限于大功率LED技术限制，百米外监控效果较差。如果片面追求远距离监控效果，就要减小LED发射角，在大场景监控时，LED补光区域只是一个亮斑，形成手电筒效应不能满足监控要求。激光夜视系统由激光辅助照明、可变焦镜头、彩转黑低照度摄像机组合而成，配备复杂的激光变焦系统，对激光的发射角进行调节，实现照明区域可变。但是激光变焦系统很难与摄像机的可变焦镜头同步，调节繁琐。
针对这些问题，红外热成像技术这种被动成像系统就显示出他的优势。
2、红外热成像技术的原理及发展
在自然界中，一切物体都会辐射红外光，如果我们能利用仪器检测出目标物像与背景的红外光差别，就可以得到红外光图，从而对目标物进行监测。这解决了夜间监控问题。
红外线在大气中传输会受大气中二氧化碳、水分、灰尘等成分影响而衰减，但在3～5微米和8～14微米这两个波段衰减较小，这两个波段也被称为红外大气窗口。利用红外线传播的这个特性，可以解决在雨雪、雾霾天气条件下的视频监控问题。
目前发展较成熟的非致冷焦平面红外热成像系统的工作原理是：光学系统接收目标物的辐射，经过光谱滤波，将目标范围内的红外辐射投射到红外探测成像模块中，红外模块经过对焦平面信息收集，A/D变换，积分，获得红外面阵信号。因信号较弱，且缺乏可见光图像的层次和立体感，经视频信号处理单元进行滤波、放大、整形、伪彩填充等处理，生成视频信号，输出供监视器显示或传输设备向调度中心传输。
3、红外热成像技术在高速公路中的应用
因高速公路难以做到全路段人工辅助照明，普通视频监控技术无法在黑夜达到良好的监控效果，LED和激光补光又有距离和手电筒效应的问题且不能解决雨雪雾霾对监控的影响。而红外热成像摄像机可以被动接收高速公路上车辆、物体的红外辐射，无论白天、黑夜都可以实现24小时监控。在雨雪雾霾天气下，由于可见光波穿透大气中障碍物的能力差，影响监控的效果，而红外光的大气窗口特性使得红外热成像摄像机可以克服雨雪、雾霾天气的影响，从而实现全天候的实时监控。
近年，我国已经能生产出符合高速公路实际应用要求的红外热成像摄像机。这种摄像机内部采用高清镜头配合200万可见光高清彩转黑摄像机与640X480大口径非制冷热成像摄像机自动切换工作，摄像机在光照条件好时间采用可变可见光镜头，配合高清CCD摄像机，可观察2km-10km距离内车辆细节。在夜间采用105mm/155mm光学变焦红外热成像，生成640X480分辨率红外图像，可发现2km-10km零照度夜间目标轮廓。热成像温度探测灵敏度可达35mk，灵敏度高，画面细腻，受雾雨雪天气影响小。摄像机集成度高，可以方便的升级替换现有的视频监控摄像机。
经过实际测试表明：红外热成像摄像机可以分辨高速公路上行驶的车辆类型，基本外观，能及时发现夜间交通异常问题，可彻底改变夜间睁眼瞎的状况，大大提升高速公路管理單位的管理水平。
4、红外热成像技术的缺点
（1）视频对比度差、分辨低。由于红外热成像靠目标物体的表面温度差成像，而普通物体的表面温度差别并不显著，造成图像对比度差。另外，由于红外检测元件的限制，图像分辨率还在D1格式附近，与目前新兴的720P、1080P高清差距甚远。
（2）图像无色彩，观感差
因红外热成像系统只检测设定频段内的红外线，图像没有颜色信息，通常以灰度图像显示。即使添加伪彩，也不可能再现车辆表面颜色。
（3）不能穿透车窗观测驾驶人员信息
因红外热成像系统由红外温感成像，像车窗玻璃这种透明物体对温度来说却是障碍物，红外热成像摄像机不能捕捉车窗后面的信息，也就丧失了对驾乘人员的观测、判别能力。
（4）造价昂贵
由于非致冷焦平面红外控测元件主导权仍在国外，红外热成像摄像机造价昂贵，短期内还无法解决成本障碍。但我们相伴随着新技术的突破、应用，红外热成像摄像机必将降价普及。
结束语
红外热成像系统 篇4
大多数台站为减少天馈线故障引起的停播, 主要是依靠加大对天馈线系统的人工巡检力量和巡检密度, 定期对天馈线设施、调配室内所有元器件进行检查, 发现异常情况及时处理 ;个别台站采用了红外热成像巡检技术, 来监测天馈线系统器件的损坏情况。
现有天馈线系统在巡检时, 存在的问题主要表现在如下几点。
(1) 在很大程 度上都依 赖于巡检人员的主观能动性, 巡检的质量与巡检人员的维护经验、责任心、外部工作环境等息息相关, 存在漏巡漏检的可能性。 而且, 人工巡检 的次数非常有限, 发现问题存在较大的偶然性, 不能保证在第一时间发现安全隐患, 无法做到有效预防和处理。
(2) 通过人工巡检查出的问题非常有限, 只有当天馈线和调配室里的元器件有损坏、断裂、打火痕迹等非常明显的表象时, 故障点才易被发现。
(3) 无法在天馈线系统工作状态下, 对调配室内的元器件进行巡检。
(4) 个别台站使用红外热成像巡检技术, 只能实现对点的监测, 无法实现对面的监测, 且对事故的预测判断效果不好。
2 天馈线红外热成像巡检系统的方案设计
2.1 红外热成像仪的特点
红外热成像仪是使用光电设备来检测和测量热辐射, 并将热辐射转换为表面温度的一种仪器。红外热成像仪的构成主要包括如下五个部分。
(1) 红外镜头, 接收和汇聚被测物体发射的红外辐射 ;
(2) 红外探测器组件, 将热辐射能变成电信号 ;
(3) 电子组件, 对电信号进行处理;
(4) 显示组件, 将电信号转变成可见光图像 ;
(5) 软件, 处理采集到的温度数据, 转换成温度读数和图像。
本系统选用了抗干扰很强的数字式红外热成像仪 (红外监控头) 。
2.2 系统设计要求
由于发射台特殊的电磁环境特点, 特别是在天线调配室内, 在强电磁场环境下, 致使常规的无线、有线系统因不能有效抑制信号干扰, 而无法正常工作。因此该系统采用的探测器, 本身需具备有效抗电磁干扰能力并能准确测温 ;其次, 传输系统采用光纤作为传输介质, 可有效避免信号干扰问题。系统设计的要求是 :从监控点到主机采用实时网络数字图像传输, 图像信号不受现场电磁场干扰, 图像传送实时性、可靠性高 ;控制界面要求是可视化界面, 操作控制一目了然 ;天馈线自动巡检系统可对调配室、馈线传输线路进行实时扫描, 监测电容、电感、泄放线圈、馈管、开关、接点及线路等温度是否正常, 通过温度比较, 及时发现并解决问题, 做到事故的预知预判和提前维护处理, 减少停播。
2.3 系统设计架构
系统总体 网络结构 如图1所示, 在从发射机房到天线的线路上、天线调配室内等处安装一系列红外热成像测温监控头。其中, 室外监控点安装带云台的双路视频、红外监控头, 实现视频实时回传、在线测温、温度信息实时回传、按预置位不间断扫描等功能, 同时, 实现视频、温度信息数字化 (IP) 传输 ;室内监控点安装单路红外监控头, 实现在线测温、温度信息实时回传、温度信息数字化 (IP) 传输等功能。通过对中波天馈线所有高频节点和9个天调室 (其中4个反射调配室暂时未装红外监控头) 内所有元器件的24小时全天候自动巡检, 红外热成像仪结合计算机网络技术可以远程监控天馈线系统的工作状态、实时记录运行数据、通过数据分析得到设备运行状态, 从而完成故障的预知预判及故障报警, 为维护奠定基础, 同时大大减少人员在强磁场、高电压的危险作业区作业的风险性, 真正体现了以人为本的工作理念。
2.3.1 系统监测对象
系统通过红外热成像仪监测以下的天馈线设施 :
(1) 调配室电气元件, 对调配室中真空电容、交换开关、接头接点的表面温度进行实时监测, 随时发现接触性问题、过载、过热等隐患。
(2) 传输线路, 对中波传输馈线进行分段监测, 对重点连接部位、调配室窗口等通过温度监测与视频图像对比等技术, 随时发现可能出现的接头接触松动、过热、打火、负载不平衡等问题。
(3) 天线区全场视频加红外热成像监测, 通过云台控制监视角度, 实现对天线全场区域的视频加红外热成像监视。
2.3.2 系统实现的目标
(1) 自动预警 :发现目标温度异常自动报警, 提示人员具体位置状况信息, 以便马上排除故障。
(2) 准确化:在有限的资金状况下, 尽可能达到最高的精度要求和最好的成像效果, 通过软件开发实现热成像良好的可视化应用界面, 并保证测量结果数据可信。
(3) 高速化 :系统应用当前先进的计算机控制技术集中控制, 探测器系统与计算机系统之间要有较高的信息传输率, 保证自动化状态下, 减少巡检时间, 提高巡检效率。
(4) 数据保存和查 询 :对监测视频数据保存1个月, 对报警数据前后时段视频永久保存, 对温度监测数据永久保存。
(5) 自动报表 :系统应具备定期报表 (按预置行程) , 以及发现过热故障的应急报表功能。
(6) 能长期持续稳定工作。
2.4 系统管理软件设计
系统管理软件是本系统管理的核心, 从各个监测点汇聚来的数据, 需要系统管理软件进行分析处理, 从中找出关键信息, 生成报表纪录, 给出状态信号, 发出预警信息等。因此在软件的设计上, 应具有如下6个方面的功能。
(1) 视频显示功能 :要支持红外视频图像和可见光图像同屏实时监视 ;支持原始红外温度热图像和可见光图像的传输, 红外热图像支持灰度和伪彩显示 ;支持多画面预览 ;支持预览分组切换和手动切换等。
(2) 自动巡线功能 :在可设定的间隔时间内, 对全线路的监控点进行图像巡检, 参与轮检的对象可以任意设定, 间隔时间可设置。
(3) 红外测温 与分析功 能 :要求自动进行全屏捕捉最高温与最低温, 并根据用户设定的阈值, 进行初步的诊断分析 ;对图像指定区域进行测温分析, 对测温区温度超限可自动识别并报警 ;可以设置温度阈值, 当设备温度异常时产生告警。
(4) 图像储存回放功能 :要求对于记录下来的所有数据的信息, 都存储在数据库中 ;针对红外热图像和可见光视频, 可以进行存储, 在需要的情况下, 可以根据查询条件, 回放视频录像 ;红外热图像和可见光视频存储1个月, 故障告警时图像永久保存。
(5) 报警功能:触发超温自动报警, 报警信号、内容等可在监控画面自动显示, 报警类别包括有画面变化报警和温度异常报警, 报警可根据需要进行分级 ;当发生报警时, 自动进行存盘录像, 同时传送报警信息和相关图像。
(6) 安全管理功能 :系统能保存自动生成的重要数据, 包括用户信息、报警信息、操作记录、日志等 ;对自动生成的系统运行日志、运行曲线报告、超温报警报告, 可查询及打印输出;系统具有较强的容错性, 不会因误操作等原因而导致系统出错和崩溃。
3 结束语
501台播出设备多, 播音时间长, 台区磁场环境非常复杂。使用红外热成像仪巡检系统, 可改变传统巡检方式, 通过对天线场区重点部位的24小时监控, 准确掌握天馈线的运行工作状态 ;应用图像、温度对比等技术及时发现天馈线元器件的工作异常并自动报警, 从而做出正确的调度和检修维护决策, 确保天馈线安全可靠的运行。
摘要：本文分析了501台中波八塔天馈线红外热成像巡检系统的应用背景, 介绍了系统的设计思路、要求和系统的架构, 阐述了管理软件设计所要具备的主要功能和所要实现的目标。
关键词：中波天馈线,热成像仪,自动巡检系统
参考文献
[1]潘宏, 煤矿人员安全管理系统的设计与实现[D].电子科技大学, 2013.
[2]王海娟.楼宇系统电气浦防技术的应用[J].投资与合作, 2013 (1) .
红外热成像系统 篇5
红外热像技术原理
1800年英国的天文学家William Herschel用分光棱镜将太阳光分解成从红色到紫色的单色光, 依次测量不同颜色光的热效应。他发现, 当水银温度计移到红色光边界以外, 人眼看不见任何光线的黑暗区的时候, 温度反而比红光区更高。反复试验证明, 在红光外侧, 确实存在一种人眼看不见的“热线”, 后来称为“红外线”, 也就是“红外辐射”。自然界任何物体, 只要温度高于绝对零度 (-273.15℃) , 就会以电磁辐射的形式在非常宽的波长范围内发射能量, 产生电磁波 (辐射能) 。
红外线在大气中穿透比较好的波段, 通常称为“大气窗口”。红外热成像检测技术就是利用了所谓的“大气窗口”。短波窗口在1~5μm之间, 而长波窗口则是在8~14μm之间。
从普朗克定律可以得知, 物体的温度越高, 其辐射的峰值能量就越偏向短波方向, 故红外热像仪, 特别是用以建筑检测的红外热像仪, 其工作波段通常在8-14μm的长波波段, 建筑用红外检测的温度范围一般在-20-100℃范围内。
红外热像仪是一种新型的光电探测设备, 可将被测目标表面的热信息瞬间可视化, 快速定位故障, 并且在专业的分析软件帮助下, 可进行分析, 完成建筑节能、安全检测和电气预防性维护工作。
热像仪由两个基本部分组成:光学器件和探测器。光学器件将物体发出的红外辐射聚集到探测器上, 探测器把入射的辐射转换成电信号, 进而被处理成可见图像, 即热图 (见图1) 。
设备预测性维护介绍
红外热成像仪是预测性维护计划中的第一道防线。技术人员可以迅速测量并比较检查路线上每台设备的热量特征, 无需中断设备运行。
如果温度与以前的读数有明显的不同, 则可以使用其他维护技术 (振动分析、电机电路分析、空气超声波分析以及润滑油分析等) 来调查问题原因, 并决定下一步的行动。
为获得最佳结果, 将您的所有维护技术集成到同一个计算机系统内, 以便它们共享相同的设备列表、历史数据、报告和工作订单。在将红外数据与来自其他技术的数据进行关联之后, 就可以一种综合的形式来报告所有机器设备的实际运行状况。
红外热像设备预测性维护过程
1.开始时使用来自计算机化维护管理系统 (CMMS) 或其它库存管理工具的现有设备清单。
2.摒弃不适于红外测量的部件。
3.检查维护和生产记录。对易于出故障或经常引起生产问题的关键设备进行优先级排序。
4.用一个数据库或电子表格程序, 按区域或功能将关键设备集中在一起, 划分为几个大致2-3小时的检查区。
5.使用热成像仪来获取每台关键设备的基准图像时要注意:在某些设备上, 您可能要定期捕获关键部件或子系统的多个热图像。
6.将基准图像下载到软件中, 并在需要时通过位置名称、检查说明、发射率以及RTC和报警值来对您的检查路线进行归档。
7.当要进行下一次检查时, 如果您的热成像仪支持数据上载, 则只需将以前的检查图像装到成像仪中, 并按屏幕提示进行操作。
应用介绍
电机检测
电机的部件较多, 发生故障的部位及原因也较多, 通过红外热像仪可发现以下问题。
(1) 电气接线 (电气接线盒外壳)
问题点:接线端子过热。
可能原因:连接松脱、接线端子氧化腐蚀、连接过紧。
建议措施:重新连接或更换接线端子。
问题点:电缆过热。
可能原因:不平衡电压或过载。
建议措施:使用万用表、钳表或电能质量分析仪予以确认具体原因。
(2) 电机外壳温度分布
问题点:外壳部分区域温度过高。
可能原因:内部铁芯、绕组因绝缘层老化或损坏导致短路。
建议措施:拆卸外壳进行检修。
问题点:外壳整体温度过高
可能原因:空气流动不充分导致散热故障。
建议措施:如果停机时间短, 则只对电机空气进口格栅进行清洗;并在下一次有计划的停机检修中, 安排一次彻底的电机清洗。
(3) 与电机连接的轴承、连轴器
问题点:轴承、连轴器温度过高。
可能原因:润滑不良或轴未对中。
建议措施:检查润滑情况或对轴进行调整。
变压器检测
变压器箱体由于油路管道堵塞、涡流损耗、内部异常、铁芯绝缘不良等造成发热, 红外热像仪对变压器箱体的检测可以使变压器箱体始终处于正常温度, 避免变压器因温度过高而损坏。
电容器柜
电容器在供电系统中主要作无功补偿或移相使用, 大量装配在各级变配电系统里。在用电负荷较高的行业 (如石化、冶金、造纸、汽车等) , 电容器柜是车间内最常见的电气设备, 其发生故障的频率相对较高;一旦电容器发生故障, 轻则会影响到供电质量, 严重时还会引发爆炸, 导致停产事故。电容器内部的电介质或载流导体附近电气绝缘的电介质在交流电压作用下引起的能量损耗 (介质损耗) , 即使在正常状态下, 设备内部的介质和导体周围的绝缘介质在交流电压作用下, 也会有介质损耗发热。当绝缘介质的绝缘性能出现缺陷时, 会引起介质损耗增大, 电容值变大, 导致介质损耗发热功率增加, 从而引起设备运行温度增加。
根据DL/T 664《带电设备红外诊断技术应用导则》, 耦合电容器的异常热像特征为整体或局部有明显发热, 允许的最大温升为1.5℃ (膜纸型) , 允许的同类温差为0.5℃ (膜纸型) 。
传送带和皮带轮
橡胶制传送带的应用范围最广, 但橡胶因受长期摩擦或过热轴承的热量传递, 容易发生老化、导致断裂, 严重时会引发停产等生产事故。红外热像仪可在橡胶传送带发生过热、老化的初级阶段及时发现故障隐患, 避免事故损失。
在橡胶传送带上受到两个摩擦力:一是与传送带上物体的静摩擦力, 若物体与传送带有相对运动, 静摩擦力则变为动摩擦力;二是与传动轴的静摩擦力, 若传送带发生老化, 与轴承间也将转变为动摩擦力。动摩擦力比静摩擦力给传动带造成的发热量大, 橡胶是容易受到高温老化的材料, 长时间处于高温状态下, 橡胶会发生损坏、断裂。此外, 由于传送带上的物品放置不平衡, 导致传送带向一侧倾斜, 也会导致橡胶传送带与一侧的传动轴的压力增大, 造成橡胶传动带局部过热。
轴承检测
轴承的过热会直接导致电机故障, 造成生产线的突然中断, 但轴承工作时运转速度很快, 无法使用接触式温度计, 红外热像仪通过非接触手段, 可对轴承的温度进行检测, 及时发现轴承过热故障, 保证正常的生产。
所有旋转设备都在系统的摩擦点 (即轴承) 处产生热量。润滑可降低摩擦, 因而可减少并在不同程度上 (取决于润滑类型) 将热量散发。通过热成像方法, 我们可以在揭示轴承状况时, 形象地观察到这一过程。当热图像指示出有过热的轴承时, 我们应该做出一个维护决定, 将轴承更换或者润滑。
三相不平衡、过载、谐波检测
过载就是负荷过大, 超过了设备本身的额定负载, 产生的现象是电流过大, 用电设备发热, 线路长期过载会降低线路绝缘水平, 甚至烧毁设备或线路。
三相不平衡:是指在电力系统中三相电流 (或电压) 幅值不一致, 且幅值差超过规定范围。变压器内产生环流 (及过热) , 并可使电动机的效率降低。
电力系统中有非线性 (时变或时不变) 负载时, 即使电源都以工频50Hz供电, 当工频电压或电流作用于非线性负载时, 就会产生不同于工频的其它频率的正弦电压或电流, 这些不同于工频频率的正弦电压或电流, 用傅氏级数展开, 就是人们称的电力谐波。谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低, 使电气设备过热、产生振动和噪声, 并使绝缘老化, 使用寿命缩短, 甚至发生故障或烧毁。谐波可引起电力系统局部并联谐振或串联谐振, 使谐波含量放大, 造成电容器等设备烧毁。谐波还会引起继电保护和自动装置误动作, 使电能计量出现混乱。对于电力系统外部, 谐波对通信设备和电子设备会产生严重干扰。
电气接头检测
所谓电气设备热缺陷, 通常是指通过一定手段检测得到, 由于其内在或外在原因所造成的发热现象。根据缺陷所产生的原因不同, 我们通常归纳为以下几类:
长期暴露在空气中的部件, 由于温度湿度的影响, 或表面结垢而引起的接触不良。
由于外力作用所引起的部件损伤, 因而使得的导电截面积减少而产生的发热。如接头连接不良, 螺栓、垫圈未压紧或过紧。
长期运行腐蚀氧化;大气中的活性气体、灰尘引起的腐蚀;元器件材质不良, 加工安装工艺不好造成导体损伤;机械振动等各种原因所造成的导体实际截面降低。
负荷电流不稳或超标等。
由于电器内部本身故障, 如内部连接部件接触不良导致的电阻过大。
我们知道, 发热功率 (P) 与接触电阻 (R) 、通过电流 (I) 的平方成正比。正常时, 这些连接处 (部位) 的电阻在允许范围, 通过额定工作电流后发热也在设计允许值以内, 所以不会影响设备的安全运行。由于以上因素使接触电阻异常, 电流通过时发热功率增大, 而且通电时间越长、电流越大, 会产生异常发热, 使温升异常增加, 就会产生缺陷。
铁路运输检测
电力机车检测
电力机车内部有大量的电力设备, 其运行时会产生很大的热量, 同时由于连接件松动、设备问题等原因将造成机车故障, 严重时会导致事故的发生, 红外热像仪可以在机车停车间隙进行巡检, 及时发现机车内部的设备隐患, 避免事故的发生。
电力机车内部涉及到红外热像仪检测的部件主要有:主变压器、调压开关、变流装置、牵引电动机、电子控制柜、制动电阻柜等。
轮轴检测
目前, 随着车速的提高, 轮轴温升的问题愈发重要。这就需要加强对轮轴温升的监控。当轮轴的温度高于环境温度40℃以上的, 就必须立即更换, 否则会损害轴承强度及刹车片性能, 导致事故, 所以当列车进站后就需要进行轮轴的检测, 每次发现的温度过高情况都需要进行记录并做标记 (最高温度的轮轴的位置也需要记录) 。
火车的轮轴安装不当和超负荷运转时, 与轴瓦摩擦会产生大量的热量, 严重时会使整个车轴发热变红, 最后发生车轴断裂, 造成翻车事故, 红外热像仪可以通过非接触测量来及时发现过热的轮轴, 避免因轮轴温度过高发生行车事故。
摘要：红外热成像技术在工业检测中应用广泛。本文介绍了红外测温原理, 讨论了电力设备的发热原理, 过热损耗的危害, 热像测温的影响因素等, 并结合实际应用介绍红外热像设备预测性维护过程。
关键词：红外热成像,测温,设备维护
参考文献
[1]福禄克热成像仪手册[R/OL].http://www.fluke.com.cn/cnzh/products/CategoryTI.htm
[2]便携式红外测温仪[R/OL].http://www.raytek.com.cn/Raytek/zh-r0/ProductsAndAccessories/PortableThermometers/PortableThermometersSeries/Default.htm
[3]Fluke Ti50FT热成像仪[R/OL].http://www.fluke.com.cn/cnzh/products/Fluke+Ti50+Series.htm-catalog_name=FlukeChina.htm
[4]Biographyof William Herschel[M].JRASC74, 1980
红外热成像系统 篇6
关键词：热成像技术,病害检测,胁迫分析,图像处理
0 引言
红外热成像技术是一项新型机器视觉技术。该技术研究红外辐射的发射传输及接收的原理和规律, 通过转换和处理接收到的红外信息, 运用景物自身各部分辐射的差异获得图像的细节[1]。热成像技术通过对事物进行成像, 能够从另一个角度观察到事物的自身的变化。该技术之前多用于军事及工业上。随着热成像技术的发展及精度的提高, 目前热成像技术开始应用于农业生产领域。利用热成像技术对作物的长势进行热成像后, 结合相关分析方法, 有利于实时监测作物生长发育的变化情况, 并可通过变化情况来实现对作物生产的指导。近年来热成像技术在农业研究方面, 开始有了一定的应用, 其应用原理如图1所示。
物体发射的红外辐射通过光学元件汇聚到探测器上, 然后将入射的辐射转化成电信号, 随之通过信号放大和模数转换, 并通过处理系统后, 即形成了红外热图像。通过该方法可实现对物体的无损非接触检测, 通过智能检测进行分析和判断。
目前, 红外热成像技术宏观上主要应用于农作物生长监测、温室大棚的监控、作物病虫害的预防、遥感探测、作物的采摘、农产品储藏控制和农产品品质的无损监测等方面。微观上则利用热成像技术研究作物的气孔导度与叶片温度之间的关系、气孔开度与外界气体含量之间的关系, 以及作物受病害侵染后, 细胞改变情况与叶片温度变化的关系及作物叶片的水分分布情况等。加速对作物病害胁迫监测的进展, 使得对抗作物病害胁迫的方法具有科学依据, 对国民经济的发展具有重大意义。
1 国内外研究进展
红外热成像技术在作物检测方面的研究主要包括病害胁迫[2,3,4]、水分胁迫[5,6,7]及冻害胁迫检测[8]。
1.1 在作物病害胁迫方面的应用
作物病害不仅严重影响农作物的产量, 而且还对食品安全造成极大的影响。但是, 病害在发病初期往往不易被人觉察。而当病害一旦发生, 防治困难, 且实施效果较差, 将导致作物产量大幅减少, 甚至绝产[9,10]。当作物受病害胁迫时, 会在伤口处形成伤素, 同时伤处会产生大量化学信使如ABA等, 经一系列诱导作用, 使作物产生多种防御反应, 形成许多防御反应产物, 以抑制或杀伤病原[11]。与其同时改变的是作物的蒸腾作用。作物经气孔开闭来改变蒸腾作用, 对病害胁迫进行防御。当蒸腾作用改变时, 作物叶片组织的温度随之发生变化。此时, 通过热成像技术观察作物的温度变化趋势, 可以实现对作物病害的预警。
徐小龙[12]发现在可控条件下, 于红外热像仪采集到的感染病毒的黄瓜叶片和番茄叶片的热图像。经计算得出, 黄瓜接种叶片和对照叶片约有1℃的温度差异。而对于番茄叶片, 徐小龙将浙杂品种选为实验材料, 其接种叶片比对照叶片的温度低0.5~1.2℃。目前, 红外热成像技术可以通过叶片细胞的温度变化。这更容易地观察到大叶作物的叶温变化, 表明叶片温度的差异可以作为辨别作物感病的一个可靠指标。
朱圣盼[13]以番茄为实验材料, 利用可见光采集系统、红外热图像采集系统和多光谱图像采集系统初步监测其叶片的早期感病状态。在监测植物的叶子时使用了红外热像仪, 并采用电子显微镜, 叶绿素含量检测等实验方法研究叶片内部的变化。在植物早期病害监测时的热图像中, 可以很清楚地从图像中看到病变部位与健康部位的温度差异, 为以后热成像技术在作物预警方向的研究, 奠定了理论基础。
E-COerke等[14]对感染霜霉病的黄瓜进行红外热图像采集, 并分析其叶片温度的变化。在可控条件下, 可以于热像图中明显区分出黄瓜叶片的染病区域和健康区域, 甚至在病斑肉眼可见前也可观测到叶片中染病区域和健康区域的差别。但由于环境温湿度较大, 受其影响, 只通过最大温差 (MTD) 并不能量化黄瓜霜霉病感病程度。
Carlos Berdugo等[15]在甜菜最佳播种时间, 即播种后第4周接种立枯丝核菌AG2-2IIIBand AG4后, 采用红外热成像技术测量接种后的甜菜叶片温度差异。此时, 甜菜各品种间的发病率表现出显著差异。该技术是可以用于鉴定作物抗性的一种新工具。
E.-C.Oerke等[16]利用数字红外热成像技术, 检测和定量分析在不同时期接种苹果黑星病病菌后的苹果叶片, 其病情的严重程度及对苹果叶片蒸腾作用的影响。发现随着病情发展, 叶片最大温差MTD与感染部位面积大小 (r2linear=0.85) 及病斑面积占叶面积的百分比密切相关。MTD不仅可用于区分感病叶片和健康叶片, 如在精准农业的筛选和检测方面, 也可用于感病的定量分析。
Lindenthal Miriam等[17]进行了结合数字热红外技术、显微镜和气体测量等设备观察已接种霜霉病的黄瓜叶片的研究, 并记录病菌在黄瓜叶片组织中的发展状况和气孔开闭情况。因蒸腾速率和叶片温度呈负相关 (r=-0.762, P<0.001, n=18) , 在病症肉眼可见前, 由于气孔异常开放, 感病叶片比健康叶片温度低0.8℃。最终, 叶片因细胞过量失水以致组织坏死, 无法正常冷却, 导致感病叶片温度高于健康叶片。通过红外热成像技术, 可以测定健康叶片和感病叶片间的MTD值, 并在肉眼可见前可以将其区分出来, 应用于作物预警研究。
Manfred Stoll等[18]在可控条件下, 对处于灌溉充足、水分胁迫两种状态下的接种霜霉病的盆栽葡萄叶片拍摄了红外热图像, 并研究其温度变化。由于病菌侵染, 处于灌溉充足和水分胁迫的葡萄叶片之间的热成像具有鲜明对比。此外, 该技术也可用来评估植物灌溉的均匀度, 从而减少农药的使用量, 优化施药效率。
Min Wang等[19]将黄瓜叶片接种尖孢镰刀菌后, 利用热红外摄像机监视其应激反应。通过研究发现, 在感病初期, 叶片的蒸腾速率下降并导致叶片温度上升, 随着细胞的失水死亡, 叶片温度略有下降。在叶片感病的后期, 叶片细胞水平衡被破坏, 组织死亡和脱水, 最终导致细胞温度上升。此时, 细胞失控的水分流失不是因为气孔开放, 而是因为叶片细胞的损伤。同时, 红外热成像技术可用于黄瓜枯萎病的无损监测, 并能得到良好结果。
LChaerle等[20]以接种过烟草花叶病毒 (TMV) 的烟草为研究材料, 结合红外热成像技术, 监测肝病的烟草叶片的温度变化。在感染病毒后, 作物片细胞会产生水杨酸。在病斑肉眼可见前, 被感染的叶面温度会有所上升。
Stoll Manfred等[21]在温室环境下, 采用热成像技术结合气孔导度测量, 对接种霜霉病的葡萄叶片在水分充足和水分胁迫两种情况下进行监测。在接种4天之内, 热响应特征能明显看出;并且, 至少3天时间, 病症就可显现出来。由于叶片温度对气孔导度高度灵敏, 可以应用热成像技术监测作物初期阶段受迫时的温度变化, 在作物受病害胁迫时进行预警。
当受病害胁迫时, 作物会产生防卫反应;与此同时, 叶片产生应激反应并会导致蒸腾作用异常, 造成叶片温度升高或降低, 病变部位发射的红外射线因此而改变。热成像仪通过接收改变的热辐射并进行成像, 可以实现对作物的早期病害诊断和预警。能够看出, 热成像技术在作物胁迫预警方面具有很大潜力, 也使得红外成像技术应用于植物病害的早期诊断成为可能。未来对作物病害研究中, 热成像技术将是一种对作物进行早期病害诊断和预警的有效手段。
1.2 在作物水分胁迫方面的应用
植物的长势对水分极为敏锐, 微小的水分胁迫即能抑制作物的生长发育, 影响其生长速度。而冠层温度直接反映了作物对土壤中水分的要求。红外热成像技术, 可以用另一个角度, 在肉眼可见前, 观察到植物的水分胁迫情况, 为精准农业在作物灌溉方面提供可靠指标, 指导种植者及时、快速地做好灌溉措施。
刘亚[22]使自交系玉米苗期遭受干旱胁迫, 利用远红外成像技术研究其叶温的变化与生物量耐旱系数间的关系。通过实验可得出结论:将红外图像中苗期玉米叶面的温差作为抗旱性筛选的一个有用指标, 充分说明利用远红外热成像技术使得育种专家以此为依据筛选玉米耐旱成为可能。
王道杰[23]将油菜作为实验材料, 使用远红外成像技术检测其处于水分胁迫下的叶片温度的变化情况。结果表明:若该油菜品种在苗期抗旱性强, 则其叶面温度比苗期抗旱性弱的油菜品种高;而在水分胁迫下, 抗旱性强的品种比抗旱性弱的品种存活率高。
程麒等[24]使用Fluke红外热像仪获取棉花的冠层红外热图像, 并同时测量了棉花叶片气孔导度Gs、净光合速率Pn和叶面积指数LAI。通过计算水分胁迫指数, 有效地监测棉花冠层水分状况。
Sigfredo Fuentes等[25]采用半自动化及自动化的方法, 利用红外热像仪监测了葡萄藤在水分胁迫下各指数的变化。结果表明:在同一个葡萄藤中获得的冠层温度指数等独立于叶面积指数 (LAI) 。为在田里利用红外热成像仪自动化采集和分析葡萄藤和其他作物迈出了第一步。
M Meron等[26]以红外热成像技术为基础, 根据棉花、西红柿和花生等作物水分胁迫进行特定地点的灌溉。该方法可以经特定校准后扩展到其他作物。根据测试和开发的方法, 高空热成像可以提供需要灌溉管理的特定地点的地图。由上述可知, 利用红外成像技术进行作物前期抗旱性鉴定是可行的。
黄春燕等[27]采用红外热像仪和非成像高光谱仪对棉花的5个生育时期的冠层进行数据采集, 分别计算水分胁迫指数CWSI, 并建立了相关模型方程。红外热成像技术作为无损检测冠层信息的一种手段, 可以消除背景干扰, 有助于更准确地计算棉花冠层的CWSI。
赵田欣等[28]以美洲黑杨和大青杨杂种为实验材料, 选用温度分辨率小于0.05℃的FLUKE Ti55红外热像仪, 结合LI-6400型便携式光合仪, 设计了气孔导度红外热像的测量实验, 并根据实验数据建立了气孔导度Gs和温度T之间的关系, 得到了良好的结果, 与实际测得的数据有线性关系。
王冰等[29]为了更好地选育花生的抗旱品种, 提出采用热敏度≤0.05℃的美国Fluke公司的Ti32远红外热成像仪, 进行水份胁迫下的花生幼苗叶片的检测, 并计算其温度变化。结果表明:叶面温差可以作为筛选花生品种苗期抗旱型的一个有用指标。
Wiriya-Alongkorn Winai等[30]研究发现:在对龙眼树进行水分胁迫实验时, 通过使用热成像技术, 并测量与水分胁迫指数 (CWSI) 等相关的各种参数, 提出了用阈值为0.7的CWSI来区分干旱胁迫的龙眼树和对照组, 并得到了良好的结果。
当作物受到干旱胁迫时, 叶片随之产生应激反应, 具体表现为气孔关闭、蒸腾作用改变及减少水分蒸发。通过红外热成像技术, 结合相关分析方法, 可以实现对农业生产生活的指导。迄今为止, 热像图在作物灌溉方面有着很广泛的应用前景, 而该技术在实践应用中的进一步的突破, 将成为今后无损检测技术在作物灌溉方面的应用研究趋势。
1.3 在作物冻害胁迫方面的应用
当遭遇气候骤变, 气温降低时, 容易引发作物冻害, 这是一种非侵染性伤害。作物处于低温时, 容易导致其组织内出现冰晶而受冻害。因此, 对于作物冻害发生的检测是非常有必要的。及时做好保温防护措施, 可以有效防止作物冻害的产生, 谨防作物枯萎甚至死亡, 以此提高作物产量。而红外热成像技术可以在肉眼不可见的情况下, 根据作物内部发射红外线的不同, 观察到作物内部冰核的侵害, 为农业生产方面及时做好相关措施, 提供技术支持。
Wisniewski M等[31]提出使用红外热图像的方法直接观察植物的冰核及其形成, 用装有Hg Cd Te (8~12μm) 探测器的图像辐射计检测植物受寒胁迫时的热反应, 随后将其红外图像使用相关红外软件进行分析处理。图像辐射计可清晰地监测0.5[mu]L的小水滴结冰情况, 使用红外成像仪进行观测, 可明显看到不同温度下的植物组织中的冰核及其形成。另外, 利用热成像技术很容易测出冰核的形成速率。红外热成像技术是一种非接触、无损的研究冰核及其形成的极佳技术。
Pearce Roger S等[32]利用红外热成像技术对受冻大麦进行了研究。研究发现:冻害的纵向蔓延速度为1~4cm/s, 横向蔓延速度为0.3cm/s;结冰现象慢慢从叶子边缘向中脉蔓延, 初次结冰的传播并不是破坏性的;然而初次结冰的传播是第2次结冰的先决条件, 此次结冰会导致破坏性。
Fuller M P等[33]将红外热成像技术应用在检测马铃薯和花椰菜的冰核和冰冻的形成过程中, 通过视频颜色改变能很容易显示出植物叶面的温度曲线。而通过检测马铃薯植株叶片, 说明了水分能够激励亚热冰核的形成, 同时若缺少表面水分将会呈现过冷现象 (零下8℃) 。
大量研究表明:作物叶片的生物冰核产生的绝大多数原因是冰核细菌[34]的作用, 而除去生物冰核有助于防止作物冻害。在作物冷冻损伤发生前, 不仅需要除去已经产生的冰核, 而且要防止冰核细菌产生新的冰核, 从而起到防冻作用。而我国对于冰核的研究方面远远落后于发达国家, 在生物冰核的研究应用领域亟待进一步发展。由于冰核研究的滞后性影响, 限制了本国生物冰核资源的开发和利用。热成像能及时发现冰核, 对各学者的生物冰核理论方面的研究有很大的指导作用, 对生物冰核应用方面的研究有极大地推动作用。另外, 对生物冰核的研究能很好地指导生产者及早做好防冻措施, 对作物的生长及生产有极大的积极意义。
2 应用展望
近年来, 热像仪和光谱仪均是工业及农业上进行作物检测的热点[35,36,37,38]。
然而, 利用光谱检测作物的生长情况受光照的影响非常大。在天气条件恶劣的情况下, 光照不强, 此时照在作物上的光线能量会受到很大影响。而光谱仪靠反射可见光的光线来成像, 当照在作物上的光线减弱时, 相对的作物冠层反射光线也会减弱, 此时光谱视觉技术将会受到很大的影响, 给机器视觉技术在生产生活上的应用带来诸多不便。
红外热成像与光谱成像不同, 是通过接收物体发射的红外辐射实现对物体的检测。红外热像仪的热灵敏度一般小于0.1℃, 能检测并成像出物体各部位的微小温差。该技术对光线要求低, 不需要很强的光照即可对作物进行检测, 并且有价格低、检测无损、携带便捷等优点。同时, 红外热像仪能反映出视场内任意一点的温度信息, 通过使用相应的热像分析软件, 能够得到温度分布直方图和其他的信息来帮助分析和了解被检测的物体, 可以帮助人们发现肉眼难以观察到的事物, 从其他角度来了解众所周知的事物[39]。应用红外热成像技术对作物进行检测, 可以加深对作物应对各种胁迫的原理的认识。这使得人们能够更好地理解作物在应对各种胁迫时的反应机制, 对作物实施无损检测的新技术有很大的研究意义和广阔的应用前景。
红外热成像系统 篇7
1分析观察等级和探测概率对目标探测的影响
在军事方面的探测目标过程中, 知道目标的方位还远远不够, 还应该对于目标的类型和型号等进行更为详细的掌握。所以, 红外热成像系统的目标探测还应该考虑目标的大小和形状对探测距离的影响[2]。这里提出的Johnson准则, 一般为国际上公认的方法, 实际中存在的目标通过把目标分成若干对等效条带图案而进行有效的等效条带表示。相同的总宽度与目标临界尺寸, 一组黑白间隔相等的条带状图案则表示目标的等效条带图案, 另外, 实际目标的温差, 也用于目标相同的线条图案来代替。其中, “周/临界尺寸”能够表示响应的目标临界尺寸中所包含的可分辨的条带数。通过Johnson准则, 能够对于目标的探测和识别的预测进行有效的处理。这里所谓的观察等级, 则是在考虑结合人眼视觉的基础上, 结合红外热成像系统的性能的一种评价方法。在Johnson准则中, 目标的不同的等效条带对数代表不同的观察等级。等级的划分往往是通过视觉心理实验来进行完成, 相关的大量的分析和视觉试验工作都已经完成, 公认的比较适用的就是上述指出的Johnson准则, 能够把红外热成像系统对目标的识别能力通过目标等效条带图案方式进行表达, 发现、定向、识别和辨别4个等级则是人眼观察的等级划分, 这就是所谓的Johnson准则。
2关于红外热成像系统的视距估算模型探讨
红外热成像系统的最大作用距离对于热成像系统的设计非常重要, 另外, 这也是红外热成像系统性能的一个重要指标。在热成像系统中, 根据辐射源的成像大小, 点源和扩展源两种则是其两种分类方法。点源顾名思义就是忽略不计目标的物理尺寸, 而目标看作为一个点的辐射源。但是, 需要注意, 在实际中并不存在点源。只有充分考虑到了辐射源相对于观测仪器所张的立体角度, 而不仅仅是辐射源的真实物理尺寸, 这样才能判断能否应用为点源。例如, 观测对象为地面非常遥远的一颗星体, 观察者的真实物理尺寸尽管很大, 但是, 相比于观测仪器的张角, 则可以忽略不计, 这样, 就可以认为观测者为一点源。另外, 在不同的观测场合, 尽管对于同一个目标, 也可能为点源, 可也能为扩展源。例如, 这里按照喷气式飞机的尾喷口为例进行说明, 扩展源则是在5 m处观测的情况下较为合理, 而点源处理则是在2 km以外处观测较为合理。
总体上说, 光学系统一般都在热成像系统中具备, 要能够正确判断目标是点源还是扩展源, 应该充分考虑的则是目标在探测器中所成像的尺寸以及探测器的尺寸的关系, 点源的情况则是在像的尺寸比探测器尺寸小的情况下, 反之, 扩展源为辐射源就比较合理。
图像细节的保持应该在探测目标过程中比较清晰, 成像则是典型的特征, 所以, 点辐射源并没有太大的实际意义。在对于军事方面, 特别是海空目标跟踪的热成像技术中, 其发现、定向、识别和辨别的过程都是可以看作辐射源基本都是扩展源。所以, 在这样的情况下, 应该充分考虑目标辐射的能量情况, 还应该对于相关的辐射特性、人眼探测概率、几何尺寸大小、形状、观察等级等方面的影响进行充分考虑, 这样才能得出比较合理的系统视距。这里提出的表征红外热成像系统静态性能的MRTD模型, 其中能够一方面包括观察者的主观因素, 另外, 还具备相关的热成像系统的性能和目标的辐射特性, 能够具备比较综合的评价热成像系统性能。
首先分析MRTD预测红外热成像系统视距, 其基本原理如下, ΔT为背景的实际等效温差, f则为目标的空间频率, 在相关的大气衰减以后, 热成像系统对应频率的MRTD应该小于或者等于红外热成像系统的温差, 同时, 观察等级所要求的最小视角则应该小于或等于辐射源对热成像系统的张角, 即:
式中, H为目标的高度。
为了对于典型扫描型红外热成像系统进进行分析并验证, 利用MATLAB软件进行模模型的计算, 通过计算不同条件下, 包括不同同的大气气象条件和探测概率, 对于海空目目标的发现、识别和辨别距离。此海空目标的的尺寸则为5.25×2.7 m2, 其中与背景之间的的温差是6.14 K。
通过计算结果分析可以知道, 红外热成成像系统作用距离能够收到相关的探测概率率和观察等级的影响, 从具体情况进行分析析, 一般来说, 观察等级的提高导致热成像系系统的视距的减少, 另外, 增大的探测概率则则也导致热成像系统的视距的减小, 这里分分析的结果与2001年的NVTherm模型的分析析结果的变化趋势具有一致性, 同时, 经过对对于实验数据的对比, 此视距模型也较为接接近实验数据, 这样就能够说明本文所提出出的MRTD模型预测值的合理性, 在实际的的应用过程中, 能够合理选择并应用此视距距模型。
3结语
在使用MRTD模型过程中, 为了使得估算算结果更加接近实测值, 应该尽可能多的综综合考虑相关的背景的辐射特性、辐射特性性以及目标尺寸的影响, 还应该了解相关的的人眼视觉系统的感知特性等, 这样就能使使得红外热成像系统的作用距离的估算问题题能够有效的解决。
摘要：本文对于红外热成像系统对海空目标跟踪距离进行研究, 提出了相关的修正的MRTD视距估算模型, 通过验证, 本模型考虑了目标的尺寸和探测概率对视距的影响, 具有一定的可行性。
关键词：目标跟踪距离,红外热成像系统,MRTD模型
参考文献
[1]邵晓鹏, 张建奇, 杨威.热成像系统作用距离计算[A].昆明, 1999
[2]肖甫, 吴慧中, 肖亮, 等.地面坦克目标红外热成像物理模型研究[J].系统仿真学报, 2005, 17 (11) .
红外热成像技术在发电厂中的应用 篇8
1 红外成像工作原理
红外线位于电磁波谱中的可见光谱段的红端以外,介于可见光与微波之间,波长为0.76～1000μm,不能引起人眼的视觉。在实际应用中,常将其分为3个波段:近红外线,波长范围为0.76～1.5μm;中红外线,波长范围为1.5～5.6μm;远红外线,波长范围为5.6～1 000μm。它们产生的机理不太一致。温度高于绝对零度的物体的分子都在不停地做无规则热运动,并产生热辐射,故自然界中的物体都能辐射出不同频率的红外线,如相机、红外线胶片自身等。在常温下,物体辐射出的红外线位于中、远红外线的光谱区,易引起物体分子的共振,有显著的热效应。因此,又称中、远红外线为热红外。当物体温度升高到使原子的外层电子发生跃迁时,将会辐射出近红外线,如太阳、红外灯等高温物体的辐射中就含有大量的近红外线。借助不同波段的红外线的不同物理性质,可制成不同功能的遥感器。
红外成像仪是通过非接触探测红外能量(热量),并将其转换为电信号,进而在显示器上生成热图像和温度值,并可以对温度值进行计算的一种检测设备。红外热成像仪能够将探测到的热量精确量化,或测量,不仅能够观察热图像,还能够对发热的故障区进行准确识别和严格分析。由于近年来的技术革新,尤其表现在探测器技术,内置可见光照相机,各种自动功能,分析软件的发展等,使得红外分析解决方案比以往更为经济有效。
2 红外成像技术的特点
发电厂传统测量各类设备运行温度的方法是使用示温蜡片、温度计等接触性测量,而红外成像采用非接触性测量,测量时可距被测设备几米甚至几十米,对测量人员十分安全、不需要设备停运,不改变系统的运行状态,可以在设备正常运行的情况下直接测量,做到省时、省力,实现在线监测,大面积快速扫描成像,并可借助计算机进行分析,为实施状态性检修做出可靠的判断,所测出的精确度也是一般点温计所达不到的。其运用范围广,投资回报率高,及时发现隐患,减少一次机组非计划停运,即可为公司减少损失数万元以上。
3 红外成像技术在发电厂中的应用
为了保证机组的健康运行水平,减少非停次数,早日实施状态性检修,某电厂于2000年购买了一台FLUKE的红外成像仪,对电厂内热源设备定期组织开展红外成像监测工作,监测中发现了许多设备隐患,并及时消除,挽回了不可估量的经济损失。
3.1 在变压器上的应用
运行中的变压器红外线成像图见图1,变压器温度分布见图2。
从图1和图2可以看出,该变压器本体最高温度59.89℃,整体温度分布上热下冷,设备运行正常。
3.2 在电气刀闸方面的应用
110kV出线刀闸B、C相红外线成像图见图3,110kV出线刀闸A相红外线成像图见图4。
从图3和图4可以看出,刀闸A,B相比C相高出9℃,需要加强关注。
3.3 在电气接头方面的应用
电抗器出线母排红外线成像图见图5。从图5可以看出,C相温度比B相温度高出7℃,可能螺丝松动导致。
6kV母排红外线成像图见图6。从图6可以看出C相套管铁片发热,温度较高,可能存在涡流,需做隔磁处理。
3.4 在热力管道方面的应用
如图7所示,圈内为管道保温漏热区域。
3.5 在炉体或者泵体方面的应用
仓泵外线成像图见图8。从图8可以看出,局部发热,可能内部发生问题。
锅炉炉壁外线成像图见图9。从图9可以看出,区域温度分布很不均匀,存在漏热问题。
4 结束语
随着科学的发展,人类的进步,电力行业的试验仪器仪表也不断更新。但应该承认,任何一种先进的技术方法都不可能完美无暇的,红外成像诊断也不例外,该仪器测温灵敏度较高,标定较困难,且对于一些大型负责的热能动力设备和高压电气设备内部的故障诊断,还需要配合其他常规方法做出综合诊断,市场上进口红外成像仪价格也较昂贵。
参考文献
[1]陈衡,侯善敬.电力设备故障红外诊断[M].北京:中国电力出版社,1999.
红外热成像系统 篇9
红外测温工作在今年迎峰度夏工作中，发挥了重要作用，设备隐患做到了早发现、早处理，保证了夏季主网的安全运行。为规范和加强红外热成像管理工作，建立健全设备热成像资料，便于为今后设备热缺陷分析、比对、判断提供参考依据，天津高压供电公司从2009年9月2日起，着手建立输变电设备红外热成像图库。
输变电设备红外热成像图库，以变电站每个设备间隔为单位建立，每个测温点的热成像图库按照规定格式填写。设备范围包括：变电设备的变压器、断路器、隔离开关、互感器、电力电容器、避雷器、电力电缆、母线、支柱绝缘子、导线绝缘子串、组合电器、低压设备、设备接头、输电设备的复合绝缘子、耐张线夹，并沟线夹、跳线线夹、T型线夹、设备线夹、安普线夹，接续管、修补管等。预计全部工作将于今年底前完成。