石油和天然气红外成像检漏

第46卷第1期激光与红外Vol 46. No. 12016年1月LAser INFRAREDJanuary, 2016文章编号:10015078(2016)01-006205·红外技术及应用石油和天然气红外成像检漏唐璟',罗秀丽',刘绍华',王岭雪',蔡毅',薛唯,陈龙华2,张小水3,王书潜3(1.北京理工大学光电学院光电成像技术与系统教育部重点实验室,北京市混合现实与新型显示工程技术研究中心,北京100012.北京六合汇通科技有限公司,北京100093;3.河南汉威电子股份有限公司,河南郑州450001)摘要:石油和天然气泄漏后容易引起火灾、爆炸事故,发展快速、有效的石油和天然气红外成像检漏技术具有重要意义。通过对石油和天然气泄漏成分及其红外吸收特性的分析,将成像检漏系统的光谱响应波段选取为3.2~3.5μm。针对气体目标的运动、扩散特点,研究了基于背景动态范围压缩的方法和基于气体边缘迁移的方法,对成像检漏演示系统的输出图像进行实时增强处理,实验表明两种增强算法提高了气体成像检漏的能力。关键词:石油和天然气;泄漏检测;红外成像;气体成像;图像增强中图分类号:TN219文献标识码:ADOI:10.3969/jisn.10015078.2016.01.012Infrared imaging detection of oil and natural gas leakageTANG Jing, LUO Xiu-li, LIU Shao-hua, WANG Ling-xue', CAl YiXUE 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, China;3. Henan 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 one 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 theKey words: oil and natural gas; leak detection; infrared imaging:gasimage enhancement1引言提升。然而,石油和天然气产品中包含多种易燃石油和天然气是重要的能源和工业原料,对其液体和易燃易爆气体,与电力能源相比,这些油品和进行安全生产、存储和运输关系到社会发展和经济气体的存储、运输涉及的危险因素多,过程复杂,非基金项目:国家自然科学基金项目(No6147104)资助作者简介:唐璟(190-),女,硕士研究生,主要从事红外成像,红外成像系统性能建模的研究。 E-mail: jing_06163通讯作者:;王岭雪(1973-),女,副教授,工学博士,主要从事红外成像,图像处理和红外光谱的研究工作。Emilbit edu收稿日期:201504-27;修订日期:201505-14激光与红外No.12016唐璟等石油和天然气红外成像检漏63常容易出现安全事故。在石油和天然气发生微量泄迁,得到的是振动光谱,振动光谱的波长在近红外到漏的早期及时进行探测和维修,可有效排除事故隐中红外区(1~25μm)34,由于不同的振动能级还患,并将损失降低到最小。包含有更精细的转动能级,所以振动跃迁的同时会近年来,红外成像技术已广泛应用于欧美发达带动相应的转动跃迁,导致实际观察到的是带状的国家的石油、天然气、化工、煤炭、冶金、电力等行业,振动-转动光谱。对生产、存储和运输环节的泄漏气体进行探测,并监测污染物气体的排放。利用红外成像技术进行泄漏电子检测时,巡查人员能够在一定距离外以大视场扫描能级待检区域,直观、准确和快速地定位泄漏点,这不仅保障了巡查人员的安全,而且大幅度降低了巡检成本(2。典型的手持便携式石油天然气红外成像检振动漏仪有美国FLR系统公司的GF300/320及法国级能级Bertin技术公司的 Second Sight MS。此外,石油天然气红外成像检漏仪还可安装在车辆或机载平台上,这类移动平台可极大提高巡查效率,尤其是机载图1分子能级示意图的方式。基于机载平台的石油天然气检漏技术在美Fig 1 Schematic diagram of molecular levels国、德国和瑞士等国家得到重视和发展,目前FLR当气体分子吸收某些波长的红外辐射时,振转公司已经开发了可用于机载的红外成像检漏仪U-能级发生跃迁,相应于这些波长区域的辐射便发生tra8000e。衰减,这就是气体的红外吸收特性,是泄漏气体红外石油天然气产品中除了天然气本身就属于气体成像检漏的基础。泄漏气体红外成像过程中的辐射外,原油、汽油等在发生泄漏后也容易挥发形成混合变化可由辐射传输模型来描述,在辐射传输模型中,气体,因此可通过监测这些气体成分来实现泄漏检背景至红外成像系统之间的辐射传输路径被分为多测。本文分析石油天然气泄漏成分的红外吸收特层,实际中常分成三层,如图2所示,第(1)层为性,确定红外成像检漏所需的波长范围,并采用国产背景物体至泄漏气体之间的区域,第(2)层为可能制冷碲镉汞红外焦平面探测器搭建成像检漏的演示出现泄漏气体的区域,第(3)层为泄漏气体至红外系统。由于气体红外图像具有对比度低、目标信号成像检漏系统之间的区域。显然,泄漏气体对背景微弱等特点,针对气体目标的运动扩散特点开发增辐射的影响发生在第(2)层。石油和天然气发生泄强算法,对成像检漏演示系统的输出图像进行实时漏后,产生的气体成分会选择性吸收来自青景的辐增强处理,以提高成像检漏演示系统探测气体的射,导致不存在泄漏气体区域和存在泄漏气体区域能力。的辐射具有差异。红外成像将这一辐射差异转换为2石油和天然气红外成像检漏原理人眼可见的灰度图像,即可准确呈现泄漏源位置以2.1气体红外成像原理及气体扩散区域。物质吸收、发射或散射光的本质原因是物质分子和光发生了相互作用。分子光谱中的每一条谱线反映的是分子在两个分立能级之间的跃迁情况,分红外成保显示检测系统子从低能量能级跃迁到高能量能级时会吸收光子,气体吸收反之则会发射光子。以最简单的双原子分子为例,在一级近似下,分子的能级由电子能级、振动能级、转动能级组成,一般电子能量E>振动能量E>转动能量E,如图1所示。如果分子在同一电子能级图2泄漏气体的红外成像过程和同一振动能级的不同转动能级之间跃迁,得到的Fig. 2 Process of gas leakage infrared imaging是纯转动光谱,由于转动能级差最小,所以转动跃迁2.2石油和天然气主要成分的红外吸收特性所吸收光子的频率很低,波长位于远红外到微波区石油(或称原油)主要由碳、氢、硫、氮和氧五种如果分子在同一电子能级的不同振动能级之间跃元素组成,其中,碳元素的含量为83.0%~87.0%,激光与红外第46卷氢元素的含量为10.0%~14.0%。原油中主要含在相应波长范围具有相似的透过情况,这对其他许多有烷烃、环烷烃、芳香烃,一般不含烯烃。汽油、煤烃类也是成立的。需要注意的是,图3中在获取各物油、柴油等石油产品则还有一定量的烯烃。天然气质的透过率时,相应物质的浓度、吸收路径等信息并是多组分的混合气体,主要成分为烷烃,其中绝大部不明确,所以图3透过率数据适用于是否能进行红外分是甲烷。为了对石油和天然气泄漏进行红外成成像的定性分析,不作为定量测量的依据。像,以下对常见的烷烃、环烷烃、烯烃和芳香烃的红外吸收特性进行分析。分子对红外辐射的吸收特性主要反映了分子中原子团的振动。不同分子中若含有相同的原子团,甲烷===则在它们的红外光谱中往往会出现波长位置几乎相同的吸收峰,这是由于在分子的多种振动模式中通烷常只有少数原子团的振动起主要作用,这些原子团2.62.83.03.23.43.6的振动带往往固定在一个较窄的范围内,不随分子波长/m构型变化而出现较大的改变。分子的振动形式可以a)甲烷、乙烷、内烷和丁烷分为伸缩振动和弯曲振动两类,伸缩振动是指原子沿着化学键方向伸展和收缩,弯曲振动是指原子沿垂直于化学键的方向振动。一般情况下伸缩振动的频率比较大,位于4000-1500cm间,其中,4000~戊烷环内烷2500cm-区域为X-H伸缩振动区,H表示氢原环戊烷子,X可以为碳、硫、氮或氧原子6。表1总结了烷烃、环烷烃、烯烃和芳香烃中常见原子团(这里只考2.83.03.23.43.63.840虑率含碳、氢元素的原子团)在4000~2500cm区(b)戊烷、环丙烷,环戊烷和环已烷域的振动吸收频率,由表1中数据可知,这些物质的振动吸收频率集中在3100~2850cm范围,对应的波段为3.2~3.5μm。表1CH3、CH2、CH在4000~2500cm区域的振动吸收频率Tab. 1 The vibrational absorption frequencies of--顺2-丁烯the CH, CH, and Ch groups in 4000-2500 cm/-1,3-丁二烯CH2伸缩振动3.03.23.43.6振动模式CH3伸缩振动烷烃烯烃波长/m(c)乙烯,丙烯、顺2-烯、1,3-烯振动频率cm-12960:52925±5约3080CH伸缩振动振动模式烷烃C-H烯烃=C-H芳烃=C-H振动频率/cm约2890约30203100~3000---甲苯图3是利用美国国家研究院的光谱数据处理得到常见烷烃、环烷烃、烯烃和芳香烃的光谱透过率曲线,可以发现,各物质虽然在原子数、结构、化学键上2.62.83.03.23.43.63.84.0存在差异,但红外透过率曲线在一定程度上很相似,波长(d)米、甲苯、萘,蒽和菲尤其是在3.2~3.5μm附近。出现这一现象的原因是,前述几类物质的分子含有CH3、CH2、CH原子团图3常见烷烃、环烷烃、烯烃和芳香烃的光谱透过率曲线中的一种或多种,这几种原子团的伸缩振动会吸收ig. 3 The transmittance curves of alkane2850~3100cm1范围附近的红外辐射,使得各物质clance alkene, aromatic hydrocarbon激光与红外No.12016唐璟等石油和天然气红外成像检漏3石油和天然气红外成像检漏演示系统种不同的增强算法:基于背景动态范围压缩的方法根据2.2节的分析,石油天然气的主要泄漏成和基于气体边缘迁移的方法。分能够强烈吸收3.2~3.5μm范围的红外辐射,在石油和天然气的红外成像检漏中,场景灰度该波长范围位于3~5μm的中波红外工作波段,通常具有动态范围大层次丰富的特点,这在一定程因此,我们采用国产制冷中波红外碲镉汞焦平面度上干扰了对泄漏气体的搜寻,因此可以考虑通过探测器加装窄带滤光片的方法,搭建了石油和压缩背景的动态范围来突出气体目标。本文取连续天然气红外成像检漏演示系统,原理样机如图4多帧图像的均值建立初始图像(动态范围[M,所示。N]),压缩该图像的背景动态范围至[m,n](m-n<