基于紅外可視化技術的井下測速系統(tǒng)設計

張拓 楊倩

摘要：文中提出了一種基于紅外可視化技術的井下測速系統(tǒng)。本系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)采用PI160熱成像儀以及工控機等設備組成，軟件開發(fā)以VC++為開發(fā)平臺。本文主要介紹了整個測速系統(tǒng)的工作原理、結構設計和軟件設計。本系統(tǒng)將熱紅外技術和視頻測速技術有效的結合起來。

關鍵詞：紅外熱成像;視頻測速;礦井監(jiān)控系統(tǒng)

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）32-0218-02

基于礦山井在實際工作過程中，其主要利用排水泵將地下水抽取到預沉調節(jié)池，結合監(jiān)測技術，進而實現(xiàn)動態(tài)監(jiān)測預沉調節(jié)池到吸水井全過程，其對于礦山的安全生產至關重要，同時，水的流速與流量直接相關，因此，測量井下水的流速就顯得十分有意義。

視頻測速是基于圖像處理和模式識別技術，通過攝像頭捕捉的目標圖像進行測速的方法。普通的可見光攝像頭在井下光線嚴重不足的環(huán)境中無法捕捉目標物，紅外視頻測速技術可以很好地解決在上述問題。同時，根據紅外熱圖可以得到目標物的實時溫度。

1? 紅外熱成像原理

眾所周知，物體表面溫度信息是紅外熱成像技術的核心要素，主要利用輻射紅外線進行探測、成像及掃描，從而構建科學的井下探測系統(tǒng)。當目標物的表面紅外線型號轉化為電信號后，經過控制器處理后變成物體“動態(tài)熱圖像”。其次，借助紅外熱成像技術將目標物轉化為可視的圖像且具有明顯的邊界，從而使得其具體信息能夠被人眼識別。本研究所采取的熱圖像監(jiān)測系統(tǒng)也同樣運用其運力，通過對目標物進行紅外線識別，將圖像具體呈現(xiàn)出來，構建基于物體表面溫度信息的監(jiān)測系統(tǒng)。

當前，熱成像系統(tǒng)的主要部分是紅外探測器和監(jiān)視器。對于紅外探測器而言，其本質上就是一個紅外線轉化裝置，將無法可視的信息變成具體可測量的器件;對于監(jiān)視器而言，主要利用高清攝像機完成，主要用于圖掃描。紅外熱圖可分為兩種，一種為偽色彩圖，另一種為灰度圖。由于紅外熱圖的原始數(shù)據來源于被測物體的溫度，所以，不管是偽色彩圖還是灰度圖都可直接反映出被測物體的溫度。具體溫度數(shù)值與成像儀和被測物體的距離、色彩分布等因素有關。

2 視頻測速原理

基于視頻圖像的測速技術是一種較新型的測速方式，采用目標識別與跟蹤技術，來實現(xiàn)對運動物體的運動速度的測量。視頻測速技術不需使用專業(yè)的測速設備，只要通過軟件對需要處理的目標對象進行數(shù)學建模，即可在視頻圖像中實現(xiàn)對目標物的識別與跟蹤。所以，要實現(xiàn)視頻測速必須解決兩個問題：目標物的識別和目標物的跟蹤。

2.1 紅外熱圖中目標物的識別

現(xiàn)階段，紅外熱成像技術在井下測速系統(tǒng)中的創(chuàng)新應用仍面臨著三方面瓶頸，主要表現(xiàn)在如下：一是如何有效增強利用熱紅外圖的對比度（科學提取圖像信息）;二是如何有效提高熱紅外圖的邊線界定，主要是背景和物景的合理區(qū)分;三是如何有效從復雜的圖像信息和噪音中科學提取有用的信息，從而全角度提高物景的識別度。需說明，以上三方面瓶頸具有不同的應用場景和目的，亦對其解決措施各異。其次，將紅外熱成像技術探測圖像與井下測速系統(tǒng)有機融合，首先必須要解決紅外熱圖中目標物的清晰度，充分保證與熱紅外圖形溫度場協(xié)調統(tǒng)一，從而有效把控實際溫度分辨率和可視梯度。當前，基于紅外熱成像技術的目標識別方法主要通過數(shù)理算法，比如非線性外推算法、變分增強算法、直方圖算法等。

當前，主要通過熱圖像儀來獲取圖像信息，其原理主要是依據[m×n]陣列式算法（探測元）得到熱圖像信息，可表示為[Pm×n]（Pm，n）;根據部分國內學者研究結論認為，所獲取的熱圖像信息其對比度、識別度變化值波動較小，同時Pm，n中還包含諸多干擾信息，實際表達信息應該為：

在紅外熱成像技術實際應用過程中，一般[Sm×n]較為穩(wěn)定，而[Nm×n]相反，其信息變化幅度較大，具有表現(xiàn)為：[Sm×n]信息信號較弱時，而[Nm×n]信息信號相比于[Sm×n]占比較大，基于這一優(yōu)勢，可連續(xù)不間斷采集l幀信息，通過[m×n]陣列式算法得出優(yōu)化后的[Gm×n]，具體為：

式中：[Sm×n]基本保持不變，主要通過對其進行線性累加。[Nm×n]可能會隨時發(fā)生變化，主要分為兩種情況，一是當圖像信息表現(xiàn)為靜止信號，l趨向于無窮大，其 [Nm×n]的均值和代數(shù)值會趨向于0（線性迭加），二是當圖像信息表現(xiàn)為準靜止信號，l會變成具體的數(shù)值，均值和代數(shù)值會有很小，同樣會認為趨向于0（無線性迭加現(xiàn)象）。鑒于此，優(yōu)化后的[Gm×n]矩陣主要目的就是從根本上消除[Pm×n]的單一性，從而增加信息采集的準確性，可以將（2）式簡化為（3）式，具體為：

簡化后的[Gm×n]矩陣中采集次數(shù)1的大小對于有效解決噪聲干擾具有重要作用。首先，同時，對于|[Bm×n]|、|[Fm×n]|及|[Bm×n-Fm×n]|值的大小有著直接聯(lián)系。采集次數(shù)1的數(shù)值的選取主要依據以下幾點原則：靜止信號或圖像移動速度較小選取較大值，反之準靜止信號或圖像移動速度較慢選取較小值。在實現(xiàn)了目標的捕捉之后，針對整個畫面建立坐標系，由此就可得到目標物的坐標值，為下一步計算速度奠定基礎。

2.2? 測速原理

常見的測速方式有四種：雷達測速、地感測速、激光測速以及視頻測速。相對于前三種測速方式而言，視頻測速具有價格便宜，全天候工作無輻射等優(yōu)點?！耙曨l測速”是指不使用專用的測速設備（如線圈、雷達、激光等），僅僅安裝一個視頻攝像頭，便可獲知監(jiān)控對象的實際運動速度。

畫面中高度為[X1]的某點，根據投影關系，可以計算出[X1]距離攝像頭底部的實地距離[SX1]，如圖1視頻測速原理示意圖所示。

利用三角函數(shù)關系，不難得出：

同理可得畫面中另一像素點的高[X2]，算出其[SX2]，可得：

其中[?t]為拍攝[X1、X2]兩點的時間差。

如果知道攝像機的俯角[θ]、攝像機離地面高度以及攝像機拍攝角度就可以直接根據三角公式距離，繼而求出速度，如圖2速度計算示意圖所示。若時間間隔非常小，即趨近與無窮小時，其次的平均速度可視為實時時刻速度。

3 系統(tǒng)整體設計

紅外熱像監(jiān)控系統(tǒng)是一個計算機為核心的監(jiān)測控制系統(tǒng)，涉及多種計算機的信息處理技術，包括多媒體技術、通信技術、視頻技術、圖像處理技術等。紅外熱像監(jiān)控系統(tǒng)主要用于礦井下數(shù)據采集處理設備。它主要由數(shù)據采集終端、通信接口設備、視頻采集設備、視頻顯示設備、電源轉換模塊等組成。

在視頻圖像處理方面，直接由井下的工控機接收數(shù)據采集終端采集來的視頻圖像數(shù)據，再由數(shù)據顯示終端進行監(jiān)控視頻顯示。同時可向井下數(shù)據采集終端發(fā)送下行控制命令，實現(xiàn)對數(shù)據采集狀態(tài)的調整與控制;井下數(shù)據處理中心處理實時圖像數(shù)據，分析區(qū)域溫度數(shù)據，以及通過處理熱紅外圖像計算流速數(shù)據。

本系統(tǒng)是集視頻圖像采集、視頻圖像處理、環(huán)境監(jiān)測為一體的監(jiān)控系統(tǒng)，能夠及時、準確地將監(jiān)測過程中的圖像畫面、環(huán)境參數(shù)等數(shù)據反映到顯示終端上。當日常監(jiān)控中，工作人員可以根據本系統(tǒng)提供的各項類型參數(shù)，迅速了解礦井區(qū)域內的環(huán)境，保證礦井下的安全。

以往就是使用視頻測速技術，井下巷道內昏暗的光線條件拍攝出來的視頻圖像昏暗，根本無法進行后面的圖像處理的工作。本系統(tǒng)采用的熱紅外成像儀可以再煤礦井下光線不足的巷道內拍攝出清晰的圖像，為接下來的圖像特征提取等工作打好基礎。采用紅外熱成像技術，不僅解決了井下巷道內光線不足的問題，同時，還可進行溫度的監(jiān)測，可謂一舉兩得。

4 結束語

基于紅外可視化技術的井下測速系統(tǒng)，可以對井下明渠水流流速狀況進行實時的監(jiān)控，避免了傳統(tǒng)監(jiān)控方法的弊端，紅外熱成像技術還解決了一般攝像頭在礦井下光源不足時圖像的識別困難。除此之外，本測速系統(tǒng)額外的可實現(xiàn)水溫，包括環(huán)境溫度的實時監(jiān)測。對該系統(tǒng)稍作改變，同樣可用作井下機車的測速系統(tǒng)。在監(jiān)控中心可實現(xiàn)井下明渠流速的實時顯示，亦可將監(jiān)控視頻存儲下來，可隨時進行瀏覽查詢，在紅外熱成像技術的創(chuàng)新應用背景下，可有效且動態(tài)地熟知礦井下的基本情況，從而實現(xiàn)現(xiàn)代化煤礦的可持續(xù)發(fā)展。

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【通聯(lián)編輯：李雅琪】