用红外成像法探测埋地输油管道.pdf
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1、第2 7 卷第5 期2 0 0 6 年9 月石油学报 A C T AP E T R O L E IS I N I C AV 0 1 2 7N o 5S e p t 2 0 0 6文章编号:0 2 5 3 2 6 9 7 ( 2 0 0 6 ) 0 5 0 1 2 7 一0 4用红外成像法探测埋地输油管道周鹏王明时陈书旺葛家怡张锐孙红霞( 天津大学精密仪器与光电子工程学院天津3 0 0 0 7 2 )摘要:为了辅助埋地石油管道巡线以及快速定位与排查偷油支管和泄漏点,提出了利用红外热成像技术探测埋地输油管道的方法。应用热力学传导理论,对埋地输油管道上方土壤层温度场分布进行了数学建模,论证了此方法的
2、可行性。完成了基于非制冷红外焦平面阵列及具有便携、实时成像特点的红外管道探测仪的硬件设计,运用图像增强、图像分割、骨架跟踪等图像处理算法实现了埋地输油管道的自动检测。油田现场试验证明,用这种红外管道探测仪可以方便、直观、快速地探测地下输油管道的位置、走向及分支状况。关键词:输油管道;自动检测;红外成像法;热力学传导理论;温度场分布;数学模型;红外管道探测仪中图分类号:T E 8 7 3 6文献标识码:AD e t e c t i o no fu n d e r g r o u n dp e t r o l e u mp i p e l i n ew i t hi n f r a r e di
3、m a g i n gm e t h o dZ h o uP e n gW a n gM i n g s h iC h e nS h u w a n gG eJ i a y iZ h a n gR u iS u nH o n g x i a( C o l l e g eo fP r e c i s i o nI n s t r u m e n ta n dO p t o e l e c t r o n i c sE n g i n e e r i n g ,T i a n j i nU n i v e r s i t y ,T i a n j i n3 0 0 0 7 2 ,C h i n a
4、 )A b s t r a c t :I no r d e rt Oa s s i s t i n gp e r a m b u l a t i o no fu n d e r g r o u n dp e t r o l e u mp i p e l i n e ,a ni n f r a r e di m a g i n gm e t h o df o rr a p i d l yd e t e c t i n gt h es t e a l i n gb r a n c h e so fp i p e l i n ea n dl o c a t i n gt h el e a k a g
5、 es p o t sw a sp r o p o s e d Am a t h e m a t i cm o d e lf o rs i m u l a t i n gt h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no ft h ee a r t h Ss u r f a c ea b o v et h eu n d e r g r o u n dp i p e l i n ew a se s t a b l i s h e do nt h eb a s i so ft h eh e a te x c h a n g et h e o r y
6、 T h i sm o d e ld e m o n s t r a t e dt h ef e a s i b i l i t yo ft h ei n f r a r e di m a g i n gm e t h o d T h eh a r d w a r ea r c h i t e c t u r eo fi n f r a r e dp i p e l i n ed e t e c t o rw a sd e s i g n e d T h i sh a r d w a r et a k e sa nu n c o o l e di n f r a r e d f o c a l
7、p l a n ea r r a ya sas e n s o ra n dh a st h ec a p a b i l i t yo fr e a l t i m ei m a g i n ga n dp o r t a b i l i t y M o r e o v e r ,t h ea u t o m a t i cd e t e c t i o no ft h eu n d e r g r o u n dp e t r o l e u mp i p e l i n eb yc o m p u t e rw a sa c h i e v e db ys o m ei m a g ep
8、 r o c e s s i n ga l g o r i t h m s ,s u c ha si m a g ee n h a n c e m e n t ,i m a g es e g m e n t a t i o n ,a n ds k e l e t o nt r a c k O i l f i e l de x p e r i m e n ts h o w st h a tt h i si n f r a r e dp i p e l i n ed e t e c t o rc a nb eu s e dt od e t e c tt h el o c a t i o n ,t
9、r e n da n db r a n c ho fu n d e r g r o u n dp i p e l i n ee a s i l y K e yw o r d s :p e t r o l e u mp i p e l i n e ;a u t o m a t i cd e t e c t i o n ;i n f r a r e di m a g i n gm e t h o d ;h e a te x c h a n g et h e o r y ;t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n ;m a t h e m a t i
10、c a lm o d e l :i n f r a r e dp i p e l i n ed e t e c t o r为了解决埋地石油管道偷油漏油问题,急需一种埋地管道检测技术。目前国际上常用于管道检测的方法主要有以下几种 1 :物质平衡检测法;负压波检测法 2 3 ;声波检测法;光纤振动传感器检测法;漏磁通检测法;管道机器人检测技术。其中,方法实现简单,但无法辅助巡线,也不能对偷油支管和泄漏位置进行定位;方法只适用于快速监测偷油和泄漏,对长期慢速偷油和泄漏则无能为力,同时也不能辅助巡线;方法和可以快速检测打孔偷油时的管道振动,但由于其受外界振动干扰严重,误报警率极高,同时也不能辅助管道巡
11、线;方法可以对埋地金属管道进行巡线,但对非金属的偷油支管无法识别,也无法进行泄漏检测;方法是近年来国际上研究管道检测技术的一个很有潜力的方法,但由于其技术还不够成熟,而且成本高,还不能应用于实际。鉴于现有埋地管道检测技术都不能满足实际需要,笔者提出了用红外热成像技术探测埋地输油管道的新方法。1埋地管道上方土壤层温度场分布 模型1 1 埋地管道和周围土壤层热交换过程被加热的原油 3 3 在埋地管道中传输时,会与四周土壤进行热交换,管道与周围环境的热交换大致分为3 个过程H :管道外壁和保温层间的热传导;保温层与周围土壤之间的热传导;地表与大气之间的热对流。埋地管道热交换示意图如图1 所示。1 2
12、 温度场分布模型传热过程的热流量为5 1空一A k ( T i 。一T o 。) 一( T i 。一T o 。) R( 1 )式中A 为换热面积,m 2 ;k 为传热系数,w ( r n 2 K ) ;作者简介:周鹏,男,1 9 7 8 年1 1 月生,2 0 0 4 年获天津大学工学硕士学位,现在天津大学精密仪器与光电子工程学院攻读博士学位,主要研究方向为红外成像技术,管道检测技术及图像处理。E m a i l :z p z p a v i p s i n a C 0 1 T I万方数据1 2 8石油学报2 0 0 6 年第2 7 卷R 为传热热阻,K W ;T i 。为管内油温,K ;T
13、吼n 为外部空气温度,K 。图1 埋地管道热交换示意图F i g 1H e a te x c h a n g eo fu n d e r g r o u n dp i p e l i n e总传热热阻等于管道外壁向保温层外壁导热的热阻、保温层外壁向地表导热的热阻以及地表与空气之间对流换热的热阻之和,即R = R ,恼恼一n 磐A + n A 磐+ 去aZb LZt L口7 ct L( 2 )式中R 。为管道外壁向保温层外壁导热的热阻,K W ;R :为保温层外壁向地表导热热阻,K W ;R 。为地表与空气之间对流换热热阻,K W ;d 。为管道外径,m ;d 。为保温层的外径,m ;管道轴心到
14、地表某点的距离为d 。2 ;L 为管道长度,m ;a 为空气的对流换热系数,W ( m 2 K ) ;A 。为保温层的导热系数,W ( m K ) ;A 。为土壤的导热系数,W ( m K ) 。传热热流密度定义为q 一詈一( T i 。一T 。) R 7( 3 )其中拈笔n 掣A + 鼍磐A + 去a r i aZb么丁ctt式中g 为热流密度,W m 。地表某点温度T d 的计算式为T d T 。,+ 垂R3 一T 。+ 垂( a n d 。L )一T 。+ q ( a n d 。)( 5 )1 3 应用算例根据已有参数:T i 。一3 3 3K ;T o 。一2 9 3K ;d 。一3
15、0 0m l T l ;( d b d 。) 2 1 0m m ;地表至主管道轴心的垂直距离h = lm ;口一7 w ( m 2 K ) ;A 。一0 5 5 w ( m K ) ;A 。一0 0 4 w ( m K ) ,则计算结果如表1 所示。地表温差分布曲线如图2 所示。由数值计算可知,对于加热到6 0 、埋深为1m ,管径为3 0 0m i l l 的埋地管道,其上方地表温度场分布发生了明显的变化,管道上方中心处和距中心2m 处有近1 的温差。理论推导和数值模拟计算表明,埋地输油管道上表1 管道横剖面地表温度分布T a b l e1T e m p e r a t u r ed i s
16、 t r i b u t i o no ft h ee a r t h Ss u r f a c eo nt h ev e r t i c a ls e c t i o np l a n eo ft h eu n d e r g r o u n dp i p e l i n e中心距m地表温度中心距m地表温度O2 1 3 11 O2 0 8 2O 22 1 2 81 22 0 7 2O 42 1 1 91 42 0 6 3O 62 1 0 61 62 0 5 60 82 0 9 4182 0 5 0图2 管道横剖面地表温差分布曲线F i g 2D i s t r i b u t i o no
17、ft e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eo fe a r t h Ss u r f a c eo nt h ev e r t i c a ls e c t i o np l a n eo fu n d e r g r o u n dp i p e l i n e方地表形成了特征温场分布,而且可以通过热成像的方法来分辨温差,这说明用红外热成像法探测埋地输油管道的方案是可行的。2 红外管道探测仪的硬件设计根据实际埋地石油管道巡线以及支管与泄漏检测的需要,红外管道探测仪的硬件设计遵循可便携野外操作、实时成像及自动管道检测等原则。其整体结构框架如图3 所示。图
18、3 硬件整体结构框架F i g 3A r c h i t e c t u r eo fh a r d w a r e光学系统将被测物体的红外辐射聚焦到红外探测器,经后端的数据采集与处理电路将原始图像信息通过U S B 2 0 传到计算机处理系统进行实时显示和图像处理。光学系统是通过红外锗镜头将被测对象的热辐射聚焦在红外焦平面阵列探测器。根据实际需要,采用北京蓝思特公司生产的B L S T3 1 9 红外镜头。该镜头由3 片镜片组成,材料为单晶锗,透射波段为8 1 4 肚m ,焦距为1 9m m ,通光I :I 径为2 5m l T l ,视场角为4 5 6 。3 5 0 。万方数据 标准分享网
19、 w w w .b z f x w .c o m 免费下载w w w . b z f x w . c o m第5 期周鹏等:用红外成像法探测埋地输油管道1 2 9红外探测器是整个系统的核心部件 6 ,它的性能参数的确定与选择决定着红外管道探测仪的整体性能。本研究采用法国U L I S 公司生产的型号为U L I S 0 1 1 0 1 的微测热辐射计非制冷焦平面阵列红外探测器。它由非晶硅电阻辐射计通过微桥结构连接到硅读出集成电路,将光信号转换为表征热辐射的图像电信号。其主要特点为无须制冷,可实时成像,并且具有功耗低、工作寿命长、可靠性高、体积小、质量轻、可操作性强的特点。主要性能参数:像元数为
20、3 2 0X2 4 0 ;像元尺寸为4 5p m 4 5 肚m ;温度分辨率为0 0 8 ;光谱响应范围为8 1 4 “m 中远红外波段;工作环境温度范围为一4 0 8 0 ;噪声等效温差N E T D 为8 5m K ;热响应时间常数为4 m s ;外形尺寸为6c m X6c m 。热图采集与预处理模块是用1 4 位精度的A D 进行模数转换,由数字信号处理器( D S P ) 系统完成非均匀性校正、帧存储、滤波、灰度统计、直方图以及测温等功能。计算机处理系统主要负责红外图像的实时显示、伪彩变换、图像存储与图像分析等功能。在充分考虑了整机的尺寸、重量以及图像处理速度等要求的前提下,选择了华硕
21、$ 2 0 0 笔记本电脑。C P U 为迅驰1G H z ,硬盘4 0G ,显示屏为2 2 6c m ,分辨率为10 2 4x10 2 4 ,重量为8 8 0g 。使用U S B2 0 接口将经过前面采集电路预处理过的热图数字信号传输到计算机。电源主要负责红外传感器、采集与预处理电路和U S B 的供电。根据仪器野外操作的时间一般在3h 左右,选择了2 1 C R 3 1 6 5 型锂离子蓄电池组,额定容量为4 5A h 。由于硬件结构设计使用了非制冷红外焦平面阵列作为传感器,使得本红外管道探测仪具有便携、无须制冷以及可实时成像的特点,很好地满足了实际需要。使用高性能的笔记本电脑作为人机控制
22、界面和显示设备,可以充分利用笔记本电脑强大的数据处理功能对图像进行各种算法的在线处理,改进图像的质量;而且当发现可疑区域时,可以随时对图像进行存储,便于以后的离线处理。3 红外管道探测仪的软件设计软件部分是运行在笔记本电脑上的基于W i n d o w s2 0 0 0 操作系统的应用程序。程序设计完全根据面向对象的编程思想,采用目前流行的V i s u a lC + +6 0 和微软基础类库M F C 为开发平台,主要完成对管道原始红外图像去噪处理、图像增强、实时显示、图形分割、数学形态学处理和骨架跟踪自动机器识别等功能。软件设计框图如图4 所示。图4 软件设计框图F i g 4A r c
23、h i t e c t u r eo fs o f t w a r e3 1 原始图像去噪技术未经处理的埋地管道原始红外图像都存在着一定程度的噪声干扰,包括散粒噪声和高斯噪声两类。噪声恶化了图像质量,使图像模糊,甚至湮没特征,给分析带来困难,所以必须首先去除嗓声。消除散粒噪声的有效方法是帧内中值滤波 7 。经过对比试验,选用5x5 的正方形二维中值滤波算法对管道红外图像进行了平滑滤波,能够较好地抑制噪声,又不损害图像细节。对于高斯噪声成分,采用了基于运动检测的帧间平均滤波算法加以去除 8 。其I I R 滤波形式如下:s ( x ,y ,愚) 一( 1 一y ) g ( x ,y ,足) +
24、增( z ,y ,愚一1 )( 6 )其中1 y 兰m a x 0 ,寺一口lg ( z ,Y ,是) 一g ( x ,y ,五一1 ) f I二J是运动检测信号。式中口是换算常数,g ( x ,Y ,愚) 是第k 帧中坐标为( z ,了) 像素的灰度值。3 2 图像增强技术图像增强技术就是利用不同的图像处理方法改善图像的质量和视觉效果。笔者采用了伪彩色图像增强算法。人的视觉对彩色相当敏感,一般能区分的灰度等级只有2 0 多个,但是能区分不同联度、色度、饱和度的有几千种颜色。根据人的这个特点,进行灰度图像的伪彩色变换可提高图像的可鉴别性。通过对多种伪彩编码的试验,彩虹编码最符合人对颜色与温度的
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