第46卷第1期激光與紅外2016年1月Laser INFRAREDJanuary, 2016文章編號(hào):10015078(2016)01-006205·紅外技術(shù)及應(yīng)用石油和天然氣紅外成像檢漏唐璟',羅秀麗,劉紹華!,王嶺雪',蔡毅',薛唯,陳龍華2,張小水3,王書潛(1.北京理工大學(xué)光電學(xué)院光電成像技術(shù)與系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京市混合現(xiàn)實(shí)與新型顯示工程技術(shù)研究中心,北京100081;2.北京六合匯通科技有限公司,北京100093;3.河南漢威電子股份有限公司,河南鄭州450001)摘要:石油和天然氣泄漏后容易引起火災(zāi)、爆炸事故,發(fā)展快速、有效的石油和天然氣紅外成像檢漏技術(shù)具有重要意義。通過對石油和天然氣泄漏成分及其紅外吸收特性的分析,將成像檢漏系統(tǒng)的光譜響應(yīng)波段選取為3.2~3.5μm。針對氣體目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)、擴(kuò)散特點(diǎn),研究了基于背景動(dòng)態(tài)范圍壓縮的方法和基于氣體邊緣遷移的方法,對成像檢漏演示系統(tǒng)的輸出圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)增強(qiáng)處理,實(shí)驗(yàn)表明兩種增強(qiáng)算法提高了氣體成像檢漏的能力關(guān)鍵詞:石油和天然氣;泄漏檢測;紅外成像;氣體成像;圖像增強(qiáng)中圖分類號(hào):TN19文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:ADO:10.3969/sn.1001-5078.2016.01.012Infrared imaging detection of oil and natural gas leakageTANG Jing, LUO Xiu-li, LIU Shao-hua, WANG Ling-xue, CAlYXUE Wei CHEN Long-hua, ZHANG Xiao-shui', WANG Shu-qian(1. Key Laboratory of Photoelectronic Imaging Technology and Systerm, Beijing Engineering Research Center forMixed Reality and Advanced Display Technology, School of Optoelectronics, Beijing Institute of TechnologyBeijing 100081, China; 2. Beijing Liuhe Huitong Technology Co., Ltd., Beijing 100093, ChinaHenan Hanwei Electronics Co., Ltd., Zhengzhou 450001, China)Abstract: The leakage of oil or nature gas can cause fire hazards and explosion accidents, so it is of great importanceto develop a rapid and effective infrared imaging detection technique for oil and nature gas. Through the analysis of in-frared absorption characteristics of the emissions, the operational wavelength for leak detection is determined to be 3. 2to 3. 5 um. Considering the motion and diffusion of the leaked gas, two real-time image processing algorithms based onthe background dynamic range compression method and the gas edge movement enhancement method are proposed andapplied to the demonstration system respectively. Results show that these algorithms can significantly improve the de-tection capability.ords: oil and natural gas; leak detection; infrared imaging; gas imaging1引言提升。然而,石油和天然氣產(chǎn)品中包含多種易燃石油和天然氣是重要的能源和工業(yè)原料,對其液體和易燃易爆氣體,與電力能源相比,這些油品和進(jìn)行安全生產(chǎn)、存儲(chǔ)和運(yùn)輸關(guān)系到社會(huì)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)氣體的存儲(chǔ)、運(yùn)輸涉及的危險(xiǎn)因素多,過程復(fù)雜,非基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(No61471044)資助作者簡介:唐璟(1990-),女,碩士研究生,主要從事紅外成像,紅外成像中國煤化工60163com通訊作者:王嶺雪(1973-),女,副教授,工學(xué)博士,主要從事紅外成像,HCNMH收稿日期:20150427;修訂日期:201505-14激光與紅外No.12016唐璟等石油和天然氣紅外成像檢漏63常容易出現(xiàn)安全事故。在石油和天然氣發(fā)生微量泄遷,得到的是振動(dòng)光譜振動(dòng)光譜的波長在近紅外到漏的早期及時(shí)進(jìn)行探測和維修,可有效排除事故隱中紅外區(qū)(1-25μm)34,由于不同的振動(dòng)能級(jí)還患,并將損失降低到最小。包含有更精細(xì)的轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí),所以振動(dòng)躍遷的同時(shí)會(huì)近年來,紅外成像技術(shù)已廣泛應(yīng)用于歐美發(fā)達(dá)帶動(dòng)相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)躍遷,導(dǎo)致實(shí)際觀察到的是帶狀的國家的石油、天然氣、化工、煤炭、冶金、電力等行業(yè),振動(dòng)-轉(zhuǎn)動(dòng)光譜對生產(chǎn)、存儲(chǔ)和運(yùn)輸環(huán)節(jié)的泄漏氣體進(jìn)行探測,并監(jiān)測污染物氣體的排放。利用紅外成像技術(shù)進(jìn)行泄漏電子檢測時(shí),巡查人員能夠在一定距離外以大視場掃描能級(jí)待檢區(qū)域,直觀、準(zhǔn)確和快速地定位泄漏點(diǎn),這不僅保障了巡査人員的安全,而且大幅度降低了巡檢成本2。典型的手持/便攜式石油天然氣紅外成像檢振動(dòng)漏儀有美國FLIR系統(tǒng)公司的GF300/320及法國能級(jí)Bertin技術(shù)公司的 Second Sight MS。此外,石油天然氣紅外成像檢漏儀還可安裝在車輛或機(jī)載平臺(tái)上,這類移動(dòng)平臺(tái)可極大提高巡查效率,尤其是機(jī)載圖1分子能級(jí)示意圖的方式?；跈C(jī)載平臺(tái)的石油天然氣檢漏技術(shù)在美Fig. 1 Schematic diagram of molecular levels國、德國和瑞士等國家得到重視和發(fā)展,目前FLR當(dāng)氣體分子吸收某些波長的紅外輻射時(shí),振轉(zhuǎn)公司已經(jīng)開發(fā)了可用于機(jī)載的紅外成像檢漏儀U-能級(jí)發(fā)生躍遷,相應(yīng)于這些波長區(qū)域的輻射便發(fā)生tra8000e。衰減,這就是氣體的紅外吸收特性,是泄漏氣體紅外石油天然氣產(chǎn)品中除了天然氣本身就屬于氣體成像檢漏的基礎(chǔ)。泄漏氣體紅外成像過程中的輻射外,原油、汽油等在發(fā)生泄漏后也容易揮發(fā)形成混合變化可由輻射傳輸模型來描述,在輻射傳輸模型中,氣體,因此可通過監(jiān)測這些氣體成分來實(shí)現(xiàn)泄漏檢背景至紅外成像系統(tǒng)之間的輻射傳輸路徑被分為多測。本文分析石油天然氣泄漏成分的紅外吸收特層,實(shí)際中常分成三層如圖2所示第(1)層為性,確定紅外成像檢漏所需的波長范圍,并采用國產(chǎn)背景物體至泄漏氣體之間的區(qū)域第(2)層為可能制冷碲鎘汞紅外焦平面探測器搭建成像檢漏的演示出現(xiàn)泄漏氣體的區(qū)域第(3)層為泄漏氣體至紅外系統(tǒng)。由于氣體紅外圖像具有對比度低、目標(biāo)信號(hào)成像檢漏系統(tǒng)之間的區(qū)域。顯然,泄漏氣體對背景微弱等特點(diǎn),針對氣體目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)、擴(kuò)散特點(diǎn)開發(fā)增輻射的影響發(fā)生在第(2)層。石油和天然氣發(fā)生泄強(qiáng)算法,對成像檢漏演示系統(tǒng)的輸出圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)漏后,產(chǎn)生的氣體成分會(huì)選擇性吸收來自背景的輻增強(qiáng)處理,以提高成像檢漏演示系統(tǒng)探測氣體的射,導(dǎo)致不存在泄漏氣體區(qū)域和存在泄漏氣體區(qū)域能力的輻射具有差異。紅外成像將這一輻射差異轉(zhuǎn)換為2石油和天然氣紅外成像檢漏原理人眼可見的灰度圖像,即可準(zhǔn)確呈現(xiàn)泄漏源位置以2.1氣體紅外成像原理及氣體擴(kuò)散區(qū)域。物質(zhì)吸收、發(fā)射或散射光的本質(zhì)原因是物質(zhì)分子和光發(fā)生了相互作用。分子光譜中的每一條譜線反映的是分子在兩個(gè)分立能級(jí)之間的躍遷情況,分檢測系統(tǒng)示子從低能量能級(jí)躍遷到高能量能級(jí)時(shí)會(huì)吸收光子,景斗1氣體吸收反之則會(huì)發(fā)射光子。以最簡單的雙原子分子為例,在一級(jí)近似下,分子的能級(jí)由電子能級(jí)、振動(dòng)能級(jí)、轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)組成,一般電子能量E≥振動(dòng)能量E>轉(zhuǎn)動(dòng)能量E,如圖1所示。如果分子在同一電子能級(jí)圖2泄漏氣體的紅外成像過程和同一振動(dòng)能級(jí)的不同轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)之間躍遷,得到的leakage infrared是純轉(zhuǎn)動(dòng)光譜,由于轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)差最小,所以轉(zhuǎn)動(dòng)躍遷2.2石油中國煤化工收特性所吸收光子的頻率很低,波長位于遠(yuǎn)紅外到微波區(qū)石油(CNMHG、氮和氧五種如果分子在同一電子能級(jí)的不同振動(dòng)能級(jí)之間躍元素組成,其中,碳元素的含量為83.0%~87.0%,激光與紅外第46卷氫元素的含量為10.0%~14.0%。原油中主要含在相應(yīng)波長范圍具有相似的透過情況,這對其他許多有烷烴、環(huán)烷烴、芳香烴,一般不含烯烴。汽油、煤烴類也是成立的。需要注意的是,圖3中在獲取各物油、柴油等石油產(chǎn)品則還有一定量的烯烴。天然氣質(zhì)的透過率時(shí),相應(yīng)物質(zhì)的濃度、吸收路徑等信息并是多組分的混合氣體,主要成分為烷烴,其中絕大部不明確,所以圖3透過率數(shù)據(jù)適用于是否能進(jìn)行紅外分是甲烷。為了對石油和天然氣泄漏進(jìn)行紅外成成像的定性分析,不作為定量測量的依據(jù)。像,以下對常見的烷烴、環(huán)烷烴、烯烴和芳香烴的紅外吸收特性進(jìn)行分析。分子對紅外輻射的吸收特性主要反映了分子中原子團(tuán)的振動(dòng)。不同分子中若含有相同的原子團(tuán),甲烷----乙烷則在它們的紅外光譜中往往會(huì)出現(xiàn)波長位置幾乎相丙烷同的吸收峰,這是由于在分子的多種振動(dòng)模式中通丁烷常只有少數(shù)原子團(tuán)的振動(dòng)起主要作用,這些原子團(tuán)2.6283.03.23.43.6的振動(dòng)帶往往固定在一個(gè)較窄的范圍內(nèi),不隨分子波長/m構(gòu)型變化而出現(xiàn)較大的改變。分子的振動(dòng)形式可以a)甲烷、乙烷、內(nèi)烷和丁烷分為伸縮振動(dòng)和彎曲振動(dòng)兩類,伸縮振動(dòng)是指原子沿著化學(xué)鍵方向伸展和收縮,彎曲振動(dòng)是指原子沿垂直于化學(xué)鍵的方向振動(dòng)。一般情況下伸縮振動(dòng)的-戊烷頻率比較大,位于4000-1500cm1間,其中,4000環(huán)內(nèi)烷2500cm區(qū)域?yàn)閄-H伸縮振動(dòng)區(qū),H表示氫原環(huán)戊烷子,X可以為碳、硫、氮或氧原子6。表1總結(jié)了烷-環(huán)己烷烴、環(huán)烷烴、烯烴和芳香烴中常見原子團(tuán)(這里只考慮率含碳、氫元素的原子團(tuán))在4000-2500cm區(qū)波長m(b)戊烷、環(huán)丙烷、環(huán)戊烷和環(huán)己烷域的振動(dòng)吸收頻率,由表1中數(shù)據(jù)可知,這些物質(zhì)的振動(dòng)吸收頻率集中在3100~2850cm范圍,對應(yīng)的波段為3.2~3.5μm表1CH3、CH2CH在4000~2500cm-1區(qū)域的振動(dòng)吸收頻率Tab. I The vibrational absorption frequencies of--順2-丁烯the CH,, Ch, and Ch groups in 4000-2500 cm-I1,3-丁二烯CH2伸縮振動(dòng)83.03.23.43.63.840振動(dòng)模式CH3伸縮振動(dòng)烷烴烯烴波長/pm(c)乙烯、丙烯,順2-烯、1,3-丁二烯3080振動(dòng)頻率/cm12960±52925±5、約2875±5CH伸縮振動(dòng)振動(dòng)模式烷烴C-H烯烴=C-H芳烴=C-H振動(dòng)頻率/cm約2約30203100~3000圖3是利用美國國家研究院的光譜數(shù)據(jù)處理得到常見烷烴、環(huán)烷烴、烯烴和芳香烴的光譜透過率曲線,可以發(fā)現(xiàn),各物質(zhì)雖然在原子數(shù)、結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵上2.62.83.03.23.43.63.84.0存在差異,但紅外透過率曲線在一定程度上很相似,(d)米、甲苯,萘,蒽和菲尤其是在32~3.5μm附近。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是,前述幾類物質(zhì)的分子含有CH3、CH2CH原子團(tuán)中國煤化工中的一種或多種,這幾種原子團(tuán)的伸縮振動(dòng)會(huì)吸收CNMHGtransmittance curves of alkane2850~3100cm范圍附近的紅外輻射,使得各物質(zhì)evelance alkene, aromatic hydrocarbon激光與紅外No.12016唐璟等石油和天然氣紅外成像檢漏3石油和天然氣紅外成像檢漏演示系統(tǒng)種不同的增強(qiáng)算法:基于背景動(dòng)態(tài)范圍壓縮的方法根據(jù)2.2節(jié)的分析,石油天然氣的主要泄漏成和基于氣體邊緣遷移的方法。分能夠強(qiáng)烈吸收3.2~3.5μm范圍的紅外輻射,在石油和天然氣的紅外成像檢漏中,場景灰度該波長范圍位于3~5μm的中波紅外工作波段,通常具有動(dòng)態(tài)范圍大、層次豐富的特點(diǎn),這在一定程因此,我們采用國產(chǎn)制冷中波紅外碲鎘汞焦平面度上干擾了對泄漏氣體的搜尋,因此可以考慮通過探測器加裝窄帶濾光片的方法搭建了石油和壓縮背景的動(dòng)態(tài)范圍來突出氣體目標(biāo)。本文取連續(xù)天然氣紅外成像檢漏演示系統(tǒng),原理樣機(jī)如圖4多幀圖像的均值建立初始圖像(動(dòng)態(tài)范圍[M,所示。N]),壓縮該圖像的背景動(dòng)態(tài)范圍至[m,n](m-nM-N,且M≤m≤n≤N),求出[M,N]到[n]的變換矩陣,并將其應(yīng)用到后續(xù)圖像上,實(shí)現(xiàn)背景的動(dòng)態(tài)范圍壓縮。增強(qiáng)后的效果如圖6所示,圖中成像目標(biāo)為打火機(jī)泄漏出的氣體。相比成像檢漏演示系統(tǒng)的原始圖像輸出(即圖5),圖6中的氣體目標(biāo)得到了顯著增強(qiáng),而背景物體在一定程度上受到抑制。圖4石油和天然氣紅外成像檢漏的原理樣機(jī)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)用打火機(jī)作為泄漏源進(jìn)行了成像實(shí)圖6基于背景動(dòng)態(tài)范圍壓縮方法的增強(qiáng)效果Fig. 6 The images enhanced by the background驗(yàn)。打火機(jī)氣體是液化石油氣,主要成分有丁烷、甲dynamic range compression method烷和丙烷,其中丁烷的成分最多,這幾種氣體的紅外位置1吸收峰均位于3.2~3.5μm波段內(nèi)。輕微長按打火機(jī)的按鍵,可在不打火的情況下釋放微量的打火機(jī)氣體。實(shí)驗(yàn)中,研制的演示系統(tǒng)成功檢測到了打火機(jī)氣體的泄漏,如圖5所示。由于人眼對運(yùn)動(dòng)目標(biāo)更敏感,觀看動(dòng)態(tài)視頻序列泄漏氣體更為明顯。圖7基于氣體邊緣遷移增強(qiáng)方法的原理示意Fig. 7 Schematic diagram of the gas edge movement enhancement method圖7為基于氣體邊緣遷移增強(qiáng)方法的原理示意。當(dāng)氣體目標(biāo)從位置1(虛線區(qū)域)運(yùn)動(dòng)到位置2(實(shí)線區(qū)域),兩個(gè)位置存在很大程度的重合(陰影區(qū)域)。通過紅外成像檢漏系統(tǒng)觀察泄漏氣體時(shí),圖5石油天然氣成像檢漏原理樣機(jī)的成像效果Fig. 5 The images captured by the prototype重合部分的灰度沒有明顯變化,而非重合部分的灰of oil and natural gas imaging detection度有很大變化。對于非重合部分的左邊,氣體目標(biāo)4泄漏氣體圖像增強(qiáng)的離開反映為灰度值變大;對于非重合部分的右邊由于進(jìn)入圖4演示系統(tǒng)的輻射全部由背景提氣體目標(biāo)的到來反映為灰度值變小。根據(jù)泄漏氣體供,泄漏量不大時(shí)紅外圖像中的氣體目標(biāo)并不十分的上述運(yùn)動(dòng)中國煤化工邊緣遷移信息明顯,且難以通過自動(dòng)增益等方式來改善,因此必須進(jìn)行增強(qiáng)處CNMHG,圖中的成像研究適合泄漏氣體檢測的增強(qiáng)算法。本文提出了兩目標(biāo)仍為打火機(jī)泄漏出的氣體。從圖8中可以發(fā)激光與紅外第46卷現(xiàn),增強(qiáng)后的氣體區(qū)域呈現(xiàn)出明暗交替的“波紋”王思中.石油儲(chǔ)存與運(yùn)輸安全問題探討[J].中國石油這是由于隨著氣體的不斷泄漏和擴(kuò)散,氣體所在區(qū)和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量,2014,23:210域的各點(diǎn)經(jīng)歷濃度變高、變低的循環(huán)。因此,該方法2 Safitri A,Gaox, Mannan m s. Dispersion modeling ap-不僅使得氣體目標(biāo)變得更為突出,也將氣體擴(kuò)散趨proach for quantification of methane emission rates from勢顯示出來。natural gas fugitive leaks detected by infrared imagingtechnique[]. Journal of Loss Prevention in the ProcessIndustries,2011,24(2):138-145[3] TAN Heping, XIA Xinlin, LIU Linhua, et al. Numericalsimulation for infrared radiation characteristics and trans-mission[M]. Harbin: Harbin Institute of Technology圖8基于氣體邊緣遷移方法的增強(qiáng)效果談和平,夏新林,劉林華,等紅外輻射特性與傳輸?shù)腇ig8 The images enhanced by the gas edge movement method數(shù)值計(jì)算[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,20065結(jié)論[4] Liou K N. An introduction to atmospheric radiation[M]根據(jù)石油天然氣中常見成分的紅外吸收特性,New York Academic press, 2002利用國產(chǎn)制冷中波紅外碲鎘汞焦平面探測器搭建紅[5 Flanigan D F. Prediction of the limits of detection of haz-外成像檢漏演示系統(tǒng),通過窄帶濾光片實(shí)現(xiàn)氣體吸ardous vapors by passive infrared with the use of mODt-收波段和演示系統(tǒng)工作波段的匹配。此外,針對氣RAN[J]. Applied Optics,196,35(30):6090-6098體目標(biāo)提出了實(shí)時(shí)增強(qiáng)算法,顯著改善了演示系統(tǒng)[6] CHU Xiaoli. Chemometrics method and molecular spec的檢漏效果,使其能夠快速定位微量泄漏,以便及時(shí)troscopy technology [M]. Beijing: Chemical Industry排除事故隱患,這對石油和天然氣的安全生產(chǎn)、存儲(chǔ)Press, 2011.(in Chinese)和運(yùn)輸具有重要意義。褚小立.化學(xué)計(jì)量學(xué)方法與分子光譜分析技術(shù)[M]北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2011參考文獻(xiàn)[7 LI Xiangdi, HUANG Ying, ZHANG Peiqing, et al. Infrared[1] WANG Sizhong. Discussion on petroleum storage andimaging system and applications [J]. Laser& Infraredtransportation safety issues J]. China Petroleum and2014,44(3):229-234.( in Chinese)Chemical Standard and Quality, 2014, 23 210.( in Chi-李相迪,黃英,張培晴,等.紅外成像系統(tǒng)及其應(yīng)用[J].激光與紅外,2014,44(3):29-234中國煤化工CNMHG