礦用本質安全型黑光攝像儀的研究與應用

王懷琴，張德勝

(1.煤炭科學技術研究院有限公司，北京 100013；2.煤礦應急避險技術裝備工程研究中心，北京 100013；3.北京市煤礦安全工程技術研究中心，北京 100013)

煤礦井下作業(yè)條件艱苦，事故隱患點多，極易發(fā)生爆炸、冒頂、火災等事故，危險系數極高，故對井下人員、車輛、設備等目標信息的采集和監(jiān)控非常有必要。目前傳統攝像儀極易出現色彩缺失，拍攝細節(jié)不清晰、拍攝范圍小、亮度不足等弊端，尤其在夜間井下光線不足，照度低的環(huán)境條件下完全無法清晰穩(wěn)定呈現物體細節(jié)特征和真實環(huán)境狀況[1-4]。

針對以上問題，通過研究黑光夜視成像技術，光電轉換技術，本安技術，高清攝像鏡頭測試方法，研發(fā)出了礦用本質安全型黑光攝像儀。根據人眼仿生學原理，優(yōu)化對畫面色彩和亮度的處理能力，顛覆傳統的成像理念全面提升了夜間視頻監(jiān)控效果，在夜間井下照度極低的環(huán)境下可以清晰穩(wěn)定呈現真實環(huán)境狀況和物體的大小、形狀等細微特征。

1 礦用本質安全型黑光攝像儀系統設計

礦用本質安全型黑光攝像儀系統主要由攝像儀、電源模塊和光電轉換模塊三大部分組成。攝像儀鏡頭采用自主專用自動聚焦芯片，對焦快且準確，支持多種功能，可以適應不同監(jiān)控環(huán)境，內置全解碼功能，支持線掃，面掃，可進行大范圍掃描監(jiān)控和多點監(jiān)控。鑒于井下大型采煤設備運行期間，噪聲多，環(huán)境嘈雜煤粉塵大的特點，攝像儀采用音頻降噪技術，可以自動過濾干擾噪聲，從而實現高品質語音傳輸，采用取景器自清潔技術，內設納米隱形雨刷，不沾水、不沾油，在井下煤塵密集，油污多的地帶仍可以清晰還原現場作業(yè)情況。

電源模塊采用本質安全型電路設計，光電轉換模塊則開發(fā)設計了適用于礦用本質安全型黑光攝像儀的小型光電轉換模塊。整個系統由電源模塊將127V交流電轉換為24V直流電分別為攝像儀和光電轉換模塊供電，攝像儀利用攝像頭采集視頻、音頻模擬信號，然后將視頻、音頻模擬信號轉換成數字電信號送至光電轉換模塊，之后光電轉換模塊將數字電信號轉換為光信號通過光纖傳送[5，6]。系統設計如圖1所示。

圖1 礦用本質安全型黑光攝像儀系統設計圖

2 黑光夜視成像技術

熱紅外成像技術和微光夜視技術是目前普通攝像儀最常用的兩種夜視技術，熱紅外成像技術只能大致看到人或物體的熱輪廓，無法看清景物的細節(jié)特征，微光夜視技術則需要借助外部光源紅外燈才能在夜間低照度環(huán)境下看到物體，然而，利用紅外燈輔助照明則不可避免的會使圖像受到光波干擾，可視效果和清晰度均會大幅降低。而黑光夜視成像技術不受光照及環(huán)境的影響，能夠在微光、強光甚至零照度等不同光照條件下拍攝清晰穩(wěn)定的實時視頻圖像。

2.1 雙sensor構架設計

黑光夜視成像技術運用了視網膜成像技術的雙sensor構架和彩色夜視圖像融合技術，圖像傳感器(sensor)是圖像采集的核心單元，主要分為CCD和CMOS兩大類，此次設計采用的是CMOS傳感器，CMOS傳感器有靈敏度高，曝光時間短和像素尺寸小等優(yōu)點，在核心結構上，由感光電極、電信號轉換模塊，信號傳輸晶體管，以及信號放大器組成，傳感器感知到光信號后經光電轉換模塊產生電信號，之后經A/D轉換器變?yōu)閿底謭D像信號，最后經處理芯片處理成影像[7，8]。雙sensor成像原理示意圖如圖2所示。

圖2 sensor成像原理示意圖

雙sensor構架模仿人眼視網膜成像原理，解決了色彩和亮度間的相互干擾，一路sensor模仿視網膜中的錐狀細胞感知色彩信息，另一路sensor模仿視網膜中的桿狀細胞感知亮度細節(jié)，色彩信息和亮度細節(jié)互不干擾，使成像效果大幅提升。

2.2 彩色夜視圖像融合技術

熱紅外成像技術和微光夜視技術采集到的微光圖像和熱圖像信噪比低且圖像缺乏深度感，不利于圖像的探測與識別。而彩色夜視融合技術采集到的圖像包含了景物更多的光譜信息和色彩信息，利用人眼對彩色圖像有更高分辨力和靈敏度度的特性，提高對景物的探測和識別。

圖像融合過程是通過最大化相關信息量的同時最小化不相關的細節(jié)、不穩(wěn)定信息和輸出中的冗余，從而最大限度的提高識別速度。

假設q1和q2是兩幅具有相同分辨率、灰度及空間動態(tài)范圍的輸入圖像，兩個圖像的共同組成部分計算為形態(tài)交叉點。

q1∩q2=min{q1，q2}

(1)

每幅圖像的特征量q*是每幅圖像減去共同分量后剩下的部分則有：

以上算法即通過從相反的圖像信息中減去融合圖像信息來強調特征分量。彩色圖像的融合就是利用相同的原理將圖像分別映射到RGB偽彩色圖像的紅色和綠色通道中獲得的。通過將兩幅圖像的差別映射到合成彩色圖像的藍色成分，兩幅圖像特征中的典型組成部分就會得到更好的強調，最后的映射公式為：

這個簡單的計算方法，不僅能夠在硬件上實施，而且可以通過使用標準處理設備而被用于實時應用。通過彩色夜視融合技術將景物的某些細微特征進行強調，從而增強了人眼對景物的可見度和敏感度[9-12]。

通過雙sensor構架和彩色夜視圖像融合技術，將采集到的視頻圖像信息進行獨特的光學和數字處理，濾除了雜波和干擾，從而保證在井下接近0.001Lux的低照度環(huán)境下拍攝的影像都清晰穩(wěn)定。

3 光電轉換及本安電路硬件設計

3.1 光電轉換電路硬件設計

結合煤礦井下工作環(huán)境特殊，煤粉塵大，噪音多，環(huán)境潮濕，以太網電纜無法全部覆蓋，信號干擾因素多，信息傳輸困難等特點，開發(fā)設計了適用于礦用本質安全型黑光攝像儀的小型光電轉換模塊，通過AC/DC電源模塊供電，可以實現電信號與光信號的雙向轉換。從而利用光纖傳輸頻帶寬、通信容量大，傳輸損耗低、中繼距離長，絕緣、抗電磁干擾性能強的特性，確保數據包在不同網絡間順暢無誤傳輸，將信號從井下精確傳輸至地面客戶端。光電轉換模塊設計如圖3所示。

圖3 光電轉換模塊電口輸出示意圖

光電轉換模塊電口采用RJ45接口，速率10/100/100M自適應，光口采用FC型，支持熱插拔，速率可達到1000Mbps。輸入的電信號經驅動芯片H1601CE處理后發(fā)射出相應速率的調制光信號，芯片內部帶有光功率自動控制電路，使輸出的光信號功率保持穩(wěn)定。

3.2 本安電路硬件設計

井下電流密度大，爆炸性混合物多，因此，用于井下的電氣設備一般分為隔爆型和本安型兩種，但隔爆型電氣設備往往殼體笨重，占地空間大，不易操作和挪動，而礦用本安型黑光攝像儀不僅體積小，重量輕，操作便捷，且本質安全型電路的設計，可以保證設備在正常工作和故障狀態(tài)下產生的火花或熱效應均不會點燃周圍的爆炸性混合物，安全可靠[9]。礦用本質安全型保護電路如圖4所示。

圖4 礦用本質安全型保護電路示意圖

為了滿足井下設備的本安參數要求，達到本安設計的要求，額定工作電流小于等于1.5A。鋰離子電池保護電路采用雙重穩(wěn)壓過流保護。芯片選用兩級鋰電池保護芯片S-8261。一旦后級負載過流，電壓便會拉低，輸出低電平，當過流被保護后，短路電流立即消失，電容停止充電，從而實現穩(wěn)壓過流保護。該礦用本質安全型電路的設計能實現過充電、過放電保護、過充自恢復、過放自恢復、放電過流保護、過充保護延時、過放保護延時等功能[13-15]，可防止因輸出電壓意外增大或涌流而產生的火災或爆炸危險。

4 測試實驗

4.1 實驗室測試設計

由于測試環(huán)境及光源的選擇對攝像儀的測試效果影響較大，為了貼近煤礦井下的實際情況，我們到井下實地調研，以井下光照環(huán)境參數作為測試光源的選擇依據，對礦用本質安全型黑光攝像儀和普通攝像儀的幾個主要性能指標：最低照度、清晰度及灰度進行了測試。

在視頻實驗室，標準的光學測試環(huán)境下結合井下光照環(huán)境參數，利用色溫照度計、分辨率測試卡、色彩測試標板、灰階卡校色板等標準測試設備，對攝像儀的灰度、清晰度進行測試。在無任何光源的暗室對攝像儀的最低照度進行測試。測試實驗設計如圖5所示。

圖5 實驗室測試實驗設計圖

測試實驗結果表明，礦用本質安全型黑光攝像儀的各項性能指標都遠遠高于普通攝像儀，其彩色最低照度可達0.0005Lux，黑白最低照度可達0.0001Lux，水平清晰度可達到1100TVL，灰階等級高達11級。

礦用本質安全型黑光攝像儀與普通攝像儀主要性能指標測試結果對比見表1。

表1 性能指標測試數據

4.2 井下現場測試設計

在煤礦井下綜采面、大巷、入口處共安裝了36臺礦用本質安全型黑光攝像儀，實時采集井下環(huán)境及人員視頻圖像信息，通過光纖連通井下環(huán)網交換機，將實時采集的視頻圖像信息傳輸到后臺服務器，服務器平臺進行數據的綜合分析，進而傳輸到地面客戶端，供地面上的指揮調度人員進行視頻分析并實時掌握井下現場情況并進行管理和調度。井下測試系統組成如圖6所示。

圖6 井下測試系統組成圖

通過井下現場測試，礦用本質安全型黑光攝像儀與普通礦用攝像儀在井下不同照度環(huán)境下傳輸至地面客戶端的視頻監(jiān)控畫面效果對比如圖7—圖10所示，不同照度環(huán)境測試結果見表2。

圖7 照度0.1Lux拍攝畫面對比圖

圖8 照度0.01Lux拍攝畫面對比圖

圖9 照度0.001Lux拍攝畫面對比圖

圖10 照度0.001Lux人像拍攝畫面對比圖

表2 不同照度環(huán)境測試結果

通過以上不同照度環(huán)境下視頻監(jiān)控畫面及測試數據對比可以看出，礦用本質安全型黑光攝像儀在入井口或井下大巷照度大于等于0.01Lux的環(huán)境下均能清晰穩(wěn)定呈現現場實時作業(yè)情況，在井下綜采面照度為0.001Lux的環(huán)境條件下呈現的實時作業(yè)畫面略微模糊，但對人像的捕捉畫面相對比較清晰。相比普通礦用攝像儀可以更加清晰穩(wěn)定地反映井下實時作業(yè)狀況及車輛、人員、設備等目標信息情況。

5 結 語

本文結合煤礦井下的特殊環(huán)境情況，通過對黑光夜視成像技術，光電轉換技術、本安技術、礦用本質安全型黑光攝像儀精確測試技術的研究，研發(fā)出了礦用本質安全型黑光攝像儀。經煤礦現場及實驗室的精確測試，其各項性能指標均優(yōu)于普通礦用攝像儀，在任何特殊環(huán)境條件下均可以清晰穩(wěn)定全方位地反映井下實時作業(yè)情況，安全可靠的本安電路設計及體積小操作便捷等特性均可以更好地滿足煤礦井下視頻監(jiān)控需求。