基于红外成像技术的城乡局部环境监测与分析研究.pdf

第 2 期基于红外成像技术的城乡局部环境监测与分析研究2024 年 4 月第 44 卷 第 2 期宇航计测技术Journal of Astronautic Metrology and MeasurementApr.2024Vol.44No.2文章编号:1000-7202(2024)02-0093-05DOI:10.12060/j.issn.1000-7202.2024.02.16基于红外成像技术的城乡局部环境监测与分析研究何锁纯,卜 芳,郭力振,刘 勇,董 斐,沈兆欣(北京航天计量测试技术研究所,北京 100076)摘要:结合红外探测成像技术在复杂环境监测中的独特优势,研制了基于连续变焦中波红外成像技术的城乡局部环境监测系统,对城乡局部地区燃煤情况开展实时监测,并完成数据处理分析,为研究城乡地区燃煤趋势和特点、实施监控管理提供有力技术和数据支撑。经过在某市城乡结合地区开展的实地监测试验验证,证明该系统运行稳定、成像清晰,可实现对燃煤地区全局和重点位置的全天候在线监测,数据处理准确有效,该系统具有良好的工程应用价值。关键词:红外探测;红外成像;环境监测;数据分析中图分类号:TN219,V241.6文献标识码:A收稿日期:2023-12-20;修回日期:2024-02-29作者简介:何锁纯(1987-),男,高级工程师,硕士,主要研究方向:红外探测成像处理技术、计量综合管理。Monitoring and Analysis of Urban and Rural Local EnvironmentBased on Infrared ImagingHE Suochun,BU Fang,GUO Lizhen,LIU Yong,DONG Fei,SHEN Zhaoxin(Beijing Aerospace Institute for Metrology and Measurement Technology,Beijing 100076,China)Abstract:Combined with the unique advantages of infrared detection and imaging technology in complexenvironmental monitoring,a local urban and rural environment monitoring system based on continuous zoom mid-waveinfrared imaging technology is developed to carry out real-time monitoring of coal burning in urban and rural areas,and tocomplete the data processing analysis,the system can provide strong technical and data support for studying the trend andcharacteristics of coal burning in urban and rural areas and carrying out monitoring and management.The field monitoringtest is carried out in the urban and rural areas of a city,and it has been proved that the system can operate stably and showclear imaging,and can realize all-weather online monitoring of the global and key locations in coal burning areas,data of thesystem is accurate and effective,and the system has good engineering application value.Keywords:Infrared detection;Infrared imaging;Environmental monitoring;Data analysis0 引 言当前,城乡生态环境正在面临着严峻考验,人口数量持续增长和城市化及工业进程加速推进都对生活环境产生了巨大且深远的影响,也对人类自身健康构成了较严重的威胁。国家及各地区为加宇航计测技术2024 年快城乡结合地区发展、提升居民生活水平,实施了天然气替代传统燃煤的供暖方式,但局部仍存在私自燃煤取暖等问题,给当地环境保护和监控分析管理工作带来了很大的挑战。鉴于当前的总体形势和监控需求,对城乡环境,尤其是燃煤情况开展系统科学监测、分析与管理显得尤为必要1。红外成像技术已被广泛应用于国防军工、医学监控、工业生产、无损检测、安防监控等领域。红外成像技术作为一种非接触式探测成像技术,主要利用红外探测器检测物体发出的红外辐射,感知红外辐射的强度和波长分布,将其转换成数字信号,再通过数字信号处理器进行处理,生成人眼可识别的高清晰度物体表面温度分布图像2。红外辐射的物理本质是一种热辐射,也是一种电磁波,其波段介于可见光和微波之间,可分为短波红外(13 m)、中波红外(35 m)和长波红外(814 m)。当前红外成像技术及其对应的红外探测器也分为短波、中波和长波三种;其中,短波红外成像在分辨率和细节上类似于可见光;长波红外成像主要用于非制冷型红外成像装置,在安防监控等领域广泛用于小型红外探测成像装置;中波主要应用于远距离高分辨探测成像领域,如军事末制导探测、边海防监控等。结合城乡地区复杂的地理、气候环境和远距离监测的需求,本系统采用中波红外探测器作为核心组件研制环境监测系统,旨在发挥中波红外成像具有远距离清晰成像、隐蔽性好、目标识别能力强、全天候工作等特点,实现对城乡局部地区燃煤情况的实时监控和数据采集处理分析,支撑环境监控管理工作的高效开展。1 连续变焦中波红外成像监测系统连续变焦中波红外成像监测系统主要由连续变焦中波红外成像装置、二维云台机构、上位机处理系统组成,如图 1 所示。1.1 连续变焦中波红外成像装置连续变焦中波红外成像装置是将目标场景中的全部物体散发的红外热辐射线通过连续变焦红外光学镜头完成汇聚,并映射到红外探测器的焦平面上。当前中波红外探测器焦平面的光敏材料大多为 HgCdTe(碲镉汞),其能够将强弱不均的红外光线辐射能量-光信号转化为对应大小的电压或图 1 连续变焦中波红外成像监测系统结构示意图Fig.1 Structure diagram of continuous zoom mid-waveinfrared imaging monitoring system电流信号,经成像电子学系统预处理后,以规定的视频协议完成实时红外视频图像的输出,连续变焦中波红外成像装置主要包括连续变焦红外光学镜头、红外探测器、结构集成组件及成像电子学系统3。1.1.1 连续变焦红外光学镜头连续变焦红外光学系统主要作用是将目标场景中不同强度的热辐射汇聚投射在探测器焦平面上,通过选择合适的透镜材料和结构,实现光学系统的无热化设计,通过焦距变化实现对远近目标的清晰成像,且可通过自动对焦功能实现清晰成像。本研究选用的连续变焦红外光学镜头是折转式成像形式,具体参数:工作波段为 3.74.8 m,光圈为 f/4,焦距为 30400 mm(公差小于 2%),视场为18.18 14.59至 1.38 1.10。1.1.2 红外探测器红外探测器的作用是将红外光学系统汇聚、投射、输入目标场景中的全部热辐射能量信息转换为对应强度的电压或者电流信号,红外探测器是红外成像装置的重要核心部件,其通过红外热辐射信息的转化,进而实时输出原始红外图像,然后由成像电子学系统进行后续视频图像的在线处理。本研究选用 HgCdTe 中波红外探测器,具体参数:分辨率为 640 512,像元尺寸为 15 m 15 m。1.1.3 结构集成组件结构集成组件主要包括系统结构整体框架、光学镜头安装结构、连接件等,用于实现红外探测器、成像电子学系统、连续变焦红外光学系统等部分的组装集成,同时通过底部预留的安装孔位完成与外部二维云台机构的安装固定。49第 2 期基于红外成像技术的城乡局部环境监测与分析研究1.1.4 成像电子学系统成像电子学系统主要包括探测器多路输出信号的采集预处理电路、FPGA(现场可编程门阵列)、驱动及通信控制电路及供电系统电路等。该系统的主要功能是完成对红外探测器驱动时序信号的输出,同时对红外探测器输出的多路电信号进行调理,进而满足 AD 模块采集转换要求,通过 FPGA 完成图像处理与实时输出,通过通信电路实现对上位机处理系统的控制功能4,其原理如图2 所示。图2 红外成像电子系统原理示意图Fig.2 Schematic diagram of infrared imaging electronicsystem红外探测器在规定的时序驱动控制下,完成多路模拟信号的连续输出,经过调理整定处理后同步输出至 AD 模块,经转换后的红外探测器时序输出数字信号被送至 FPGA 中的图像与算法处理模块,该处理模块主要包括非均匀性校正、盲元填充、细节增强、亮度/对比度调节、视频格式转换等一系列红外图像处理算法,经图像处理后的连续帧图像数据通过标准 Cameralink 数字视频接口实现输出至上位机完成图像采集、存储及数据分析处理,图像传输帧频为 25 Hz。同时通过模拟视频转换芯片同步输出标准 PAL-D 制式模拟视频至模拟视频监视器,上位机处理系统可通过外通讯接口对视频图像进行标定及处理4。1.2 二维云台机构该二维云台机构搭载固定连续变焦红外成像装置,转动角度范围可根据监测需求自由设定,位置准确度小于 0.1,通过串口通讯接收上位机处理系统的控制指令,可实现红外成像装置的俯仰和方位两个方向的自动调节,同时具备手动调节功能;也根据环境监测的需要,手动实现红外成像装置高度的调节。1.3 上位机处理系统上位机处理系统主要基于 Labview 环境程序开发,运行在便携式加固计算机中,其核心功能接收红外成像装置输出的 25 Hz 实时数字图像,完成图像实时显示及连续存储,依据红外图像分析与处理算法,对采集存储的图像数据进行处理分析,生成数据曲线。同时上位机处理系统可通过串口通讯对红外成像装置参数等进行标定、调节,对二维云台机构完成运动控制及调节,满足城乡局部环境监测分析的各种工况要求。2 红外图像分析与处理方法连续变焦中波红外成像装置输出两路视频信号,一路是帧频为 25 Hz 的标准 PAL-D 模拟视频,其在红外成像装置内已完成图像预处理、直方图均衡化、图像降噪、图像细节增强等处理工作,直接在模拟视频监视器上以 0255 的灰度图像形式进行显示,便于现场观察实时监测图像;另一路是帧频为 25 Hz 的标准 Cameralink 数字视频,可选择输出为经过图像处理后的 0256 的 8 bits 灰度图像数据,也可选择输出 065 535 的 16 bits 原始图像数据,将该路数字视频连接至上位机处理系统的图像采集单元上,并将图像每帧进行存储,便于结合图像处理方法开展分析研究4。为快速实现对城乡结合地区燃煤情况监测系统的研制,简化算法开发流程,选择使用红外成像装置输出的经处理后的 8 bits 灰度数字图像进行处理,研究实现上位机处理系统中图像处理单元的分析与处理方法。针对采集的燃煤点红外图像,首先在上位机操作界面中设置并确定图像数据像素采集统计区域,假设为 30 40 的像素矩阵 A,如图 3 所示。然后采用 20 s 间隔“抽帧”的方式,每分钟存储 3 张 512 640 红外图像作为分析处理数据源存储。按照设定的每帧图像的像素矩阵 A 对存储的每帧图像计算其像素平均灰度。通过调节二维云台结构和成像焦距,将需重点监测的燃煤点清晰地在红外图像的像素矩阵 A 区域内成像,便于连续采集图像数据。由于被监测燃煤点出现燃煤情况,根据红外热成像原理,对应的59宇航计测技术2024 年图像像素灰度会均衡拉伸变大,最大值为 255。通过统计分析像素矩阵 A 的 1 200 个像素的灰度均值,进而判定燃煤点的燃煤情况,并结合计算像素矩阵 A 的灰度均值,生成燃煤情况曲线,从而满足快速对燃煤点燃煤情况进行处理分析的监测管理需求。图 3 红外成像电子系统原理示意图Fig.3 Schematic diagram of infrared imaginghardware system3 实地监测试验验证选定在某市某城乡结合地区的一处燃煤区域开展实地燃煤情况监测试验,对研制的监测系统及分析处理算法进行实地实时监测验证。3.1 燃煤点全局图像对燃煤点进行全局图像采集,结合实地考察情况,选定重点燃煤观察点,燃煤点全局红外图像如图 4 所示。选定距离约 1.8 km 燃煤烟囱作为重点观察对象,并选定监测、采集时段为当日 18 时至次日 8 时,共计 14 个小时。图 4 燃煤点全局红外图像Fig.4 Global infrared image of coal burning point3.2 燃煤点图像采集与分析将选定的燃煤区域调整至分析处理方法确定的像素矩阵 A 中,保持监测系统成像稳定、位置固定,采集到的 19 时、22 时、2 时、4 时、7 时的红外图像如图 5(a)(e)所示。图 5 不同时间燃煤点红外实时图像Fig.5 Infrared real-time images of coal burning pointsat different times依据设计的图像处理分析方法,对采集到的序列红外图像进行快速处理分析,计算存储每张图像数据像素矩阵 A 中的灰度值,并按照一定的映射关系对应为燃煤强度数据,自动生成燃煤点燃煤强度随时间变化的分析曲线图,如图 6 所示。该曲线可清晰显示燃煤点在监测时段的燃煤情况,能够提升城乡局部地区环境监测的准确度,为该地区环境监管部门提供直观的数据,支撑生态环境监管部门管理要求的执行。图 6 燃煤情况分析曲线图Fig.6 Curve of coal burning analysis69第 2 期基于红外成像技术的城乡局部环境监测与分析研究4 结束语研制基于连续变焦中波红外成像技术的城乡局部环境监测系统,对城乡局部地区燃煤情况开展实时监测,运用红外图像分析和处理方法进行数据处理分析,为研究城乡地区燃煤趋势和特点及开展监控管理提供有力技术和数据支撑。经过在某市城乡结合地区开展实地监测试验验证,该系统运行稳定、成像清晰,数据处理准确有效,有较强的应用推广价值,对红外成像技术在环境监测中的广泛应用具有一定的指导意义。后续可基于此系统及红外图像分析技术提升环境监测的准确度,对环保政策的执行质量进行监督,为打造绿色健康的生态环境做出贡献。参考文献1 袁旭.基于超高分辨率热红外遥感的城乡局部生态环境监测与分析研究D.广州:华南理工大学,2019.2 傅强,何锁纯,周阳.基于中波红外热成像的温度场测量技术研究J.宇航计测技术,2018,38(4):18-21.3 时誉宁.基于红外热成像技术的配电柜故障监测与诊断D.淮南:安徽理工大学,2017.4 何锁纯,周阳,党雪晨,董斐,刘勇.红外图像细节增强算法及 FPGA 实现方法研究J.宇航计测技术,2022,42(6):66-69.“2024 量子测量科学技术与应用国际会议”征稿启事 量子技术(Quantum Technology)作为新质生产力中未来产业的重要组成部分,已在量子计算、量子传感器、量子计量和量子模拟等多方面得到应用。国家“十四五”市场监管现代化规划提出“加强以量子计量为核心的先进测量体系建设,加快建立新一代国家计量基准”,为促进国内外测量领域科学技术的交流,加强测量领域的国际合作,定于 2024 年 11 月 6 日 8 日在中国青岛召开“2024 年量子力学和测量关系国际研讨会”,大会委托宇航计测技术编辑部为本次会议进行论文征集,采用的论文将通过论坛宣读、会议墙报、大会文集、宇航计测技术期刊、专栏等多种方式展示。征稿要求如下:一、征稿原则1.论文应提出新见解、新观点、新理论、新方法,观点明确,论证严谨,表述准确。2.作者应遵守学术规范,恪守学术道德,坚决抵制学术不端行为。3.论文在投稿时须出具由所属单位保密管理部门提供并加盖公章的保密审查证明材料。二、内容范围文章以“量子力学计量”为中心,以“围绕利用量子力学理论在实际测量工作中的应用、促进我国测量仪表高质量发展”为核心,涉及到量子力学理论指导下的测量等相关性研究应用、数字计量技术研究的应用、测量方法和测量设备、在实际测量工作中所运用的远程校准、在线测量和数字计量实际经验和体会等相关内容。三、论文要求1.稿件须按“论文模板”格式要求排版,“论文模板”可在官网 “下载中心”自行下载。2.来稿请附作者简介,标明基金支持项目名称和编号。3.摘要应简明、确切地给出研究的目的、方法、结果、结论,并体现研究内容的创新点。4.文章中公式须使用公式编辑器进行编辑,插图应为高清图,术语、符号、单位及参考文献应符合有关国家标准的规定。四、截稿时间和投稿方式截止时间:2024 年 8 月 30 日 电话:[phone]投稿邮箱:editor 联系人:曹玉梅(159 1086 6065)、赵艳敏(186 1828 5649)79