一種激光同步掃描成像檢測(cè)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種激光成像微量氣體檢測(cè)裝置，該技術(shù)采用一字形線狀激光束進(jìn)行掃描，幀掃描頻率和激光攝像儀的幀掃描頻率相同步，并且由背景反射的激光束在激光攝像儀的探測(cè)芯片上的投影正好落在處于積分狀態(tài)的像素行上。由于激光束的投影一直跟隨著處于積分狀的像素行移動(dòng)，激光能量得到充分的利用，因此對(duì)激光器功率的需求大幅降低。
【專利說明】一種激光同步掃描成像檢測(cè)系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種微量氣體泄漏成像檢測(cè)技術(shù)，采用微量氣體吸收譜附近的激光束對(duì)被測(cè)區(qū)域進(jìn)行掃描，并采用攝像儀進(jìn)行成像，激光的掃描頻率與攝像儀同步。本發(fā)明可用于對(duì)氣體泄漏進(jìn)行快速定位，屬于激光成像檢測(cè)的【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]激光成像氣體泄漏檢測(cè)技術(shù)為許多工業(yè)領(lǐng)域在線檢測(cè)提供了有利的工具，例如在電力系統(tǒng)采用的六氟化硫激光成像是一種非接觸式的檢漏技術(shù)，可在無需停電的情況下，以成像的方式有效發(fā)現(xiàn)六氟化硫電氣設(shè)備泄露點(diǎn)，并能精確定位。該技術(shù)能有效減少設(shè)備停電時(shí)間，降低維護(hù)成本，提高變電設(shè)備可靠性，保護(hù)人員安全，減少大氣污染，具有明顯的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。同樣在其它行業(yè)，如石油化工、電子產(chǎn)品制造等領(lǐng)域?qū)τ卸居泻怏w泄漏的檢測(cè)也得到廣泛的應(yīng)用。
[0003]目前市場(chǎng)上已有多種款式的激光成像氣體泄漏檢測(cè)設(shè)備，大部分的系統(tǒng)工作原理如圖2所示。激光束26經(jīng)過擴(kuò)束裝置21后后投射到檢測(cè)區(qū)域31上，一部分被背景散射的光被激光攝像儀24接收。在沒有泄漏氣體的情況下，所產(chǎn)生的背景面圖像與使用普通可見光攝像機(jī)35所拍攝的由環(huán)境光產(chǎn)生的圖像基本相同。當(dāng)有泄漏氣體27出現(xiàn)在激光攝像儀的檢測(cè)區(qū)域31中時(shí)，返回到激光攝像儀24的激光強(qiáng)度由于氣體煙霧的吸收將會(huì)減弱，并在背景32上形成陰影28，從視頻上看泄漏氣體出現(xiàn)的區(qū)域?qū)a(chǎn)生或明或暗的煙霧繚繞狀變化。氣體濃度越濃，吸收就越強(qiáng)，對(duì)比度也會(huì)越大。在這種方式下，非可視氣體將可在視頻中呈見，氣體漂移方向和泄漏點(diǎn)都可以根據(jù)激光攝像儀24的圖像確定。檢測(cè)時(shí)氣體并不需要與背景接觸，只要處在背景和激光攝像儀之間即可。
[0004]然而目前市場(chǎng)上基于已有技術(shù)的產(chǎn)品有很多缺陷，最主要是檢測(cè)靈敏度不夠高，這主要是受限于激光器的功率，考慮到便攜和設(shè)備成本，激光器通常不能選用體積和重量太大的，因此輸出功率有限，經(jīng)過擴(kuò)束后光功率密度降到很低。同時(shí)激光經(jīng)過擴(kuò)束，由于光束質(zhì)量及光學(xué)器件的誤差、加上激光的相干性等問題，造成擴(kuò)束后的光斑不均勻，影響到圖像的質(zhì)量和穩(wěn)定性，往往造成局部圖像無法進(jìn)行檢測(cè)，也極大地影響了檢測(cè)靈敏度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的就是針對(duì)上述現(xiàn)有激光成像氣體泄漏檢測(cè)設(shè)備的不足，提供一種高靈敏度的氣體泄漏檢測(cè)技術(shù)。該技術(shù)采用一字形線狀激光束進(jìn)行掃描，幀掃描頻率和激光攝像儀的幀掃描頻率相同步，并且由背景反射的激光束在激光攝像儀的探測(cè)芯片上的投影正好落在處于積分狀態(tài)的像素行上。由于激光束的投影一直跟隨著處于積分狀態(tài)的像素行移動(dòng)，激光能量得到充分的利用。因此對(duì)激光器功率的需求大幅降低。
[0006]本發(fā)明系統(tǒng)包括:
[0007]激光器:其輸出的波長(zhǎng)處于被探測(cè)氣體的吸收峰附近，例如六氟化硫氣體的吸收峰值在10.6微米附近，因此可以采用波長(zhǎng)為10.6微米的二氧化碳?xì)怏w激光器；[0008]光束偏轉(zhuǎn)裝置:用于激光束的掃描，當(dāng)掃描的激光束遇到被探測(cè)氣體時(shí)會(huì)被吸收，使得局部的光強(qiáng)發(fā)生變化，因此會(huì)在背景物體上將產(chǎn)生陰影；
[0009]激光攝像儀:對(duì)于激光波長(zhǎng)敏感，用于檢測(cè)從被探測(cè)氣體及背景物體反射回來的部分激光束的能量，例如為了檢測(cè)二氧化碳?xì)怏w激光器的波長(zhǎng)，需要采用長(zhǎng)波紅外探測(cè)器；
[0010]信號(hào)采集處理單元:用于采集激光攝像儀的圖像并進(jìn)行處理，以增強(qiáng)檢測(cè)氣體泄漏的能力，此單元通常包括計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；
[0011]掃描控制單元:用于控制光束偏轉(zhuǎn)裝置，使得激光束的掃描與激光攝像儀的幀掃描同步，這點(diǎn)非常關(guān)鍵，只有這樣，由被探測(cè)氣體及背景物體反射回來的部分激光束一直投影在正處于積分狀態(tài)的像素行，使得激光能量得到充分利用。
[0012]上述系統(tǒng)中還可以包括一個(gè)用于調(diào)整激光束在投射到遠(yuǎn)場(chǎng)時(shí)的光斑形狀的光束整形裝置，使得光斑呈一字形或點(diǎn)狀，以利于掃描。最簡(jiǎn)單的光束整形裝置可以是一個(gè)球面透鏡或是柱面透鏡。
[0013]通?？梢詾橄到y(tǒng)配置一個(gè)可見光攝像機(jī)，用于采集可見光圖像并用來和激光攝像儀的圖像進(jìn)行對(duì)比，特別是當(dāng)激光器為非可見光時(shí)。
[0014]另外系統(tǒng)可以加入一個(gè)濾光片，用于阻擋激光器波長(zhǎng)以外的雜散光進(jìn)入激光攝像儀，以減少干擾。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明系統(tǒng)示意圖。
[0016]圖2為一種現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)示意圖。
[0017]圖3為本發(fā)明系統(tǒng)的技術(shù)原理圖。
[0018]圖4為另一種本發(fā)明系統(tǒng)實(shí)施示意圖。
[0019]圖5為本發(fā)明系統(tǒng)一種掃描方式不意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0021]圖1所不的是本發(fā)明一種實(shí)施例,系統(tǒng)包括:激光器20、光束整形裝置21、光束偏轉(zhuǎn)裝置22、激光攝像儀24、信號(hào)采集處理單元25、掃描控制單元23等。激光器20輸出的激光束26的波長(zhǎng)處于被探測(cè)氣體27的吸收峰附近，例如對(duì)六氟化硫氣體，吸收峰值在10.6微米附近，可以采用二氧化碳?xì)怏w激光器；在掃描控制單元23的驅(qū)動(dòng)下，光束偏轉(zhuǎn)裝置22偏轉(zhuǎn)激光束26進(jìn)行掃描，當(dāng)掃描光束遇到被探測(cè)氣體27時(shí)會(huì)被部分吸收,使得局部的光強(qiáng)發(fā)生變化，當(dāng)投影在背景物體32上時(shí)將產(chǎn)生陰影28。激光攝像儀24對(duì)激光束26的波長(zhǎng)敏感，因此可以看到背景物體32上的激光束26掃描的探測(cè)區(qū)域31及被探測(cè)氣體27吸收所產(chǎn)生的陰影28。激光攝像儀24所采集的圖像送到信號(hào)采集處理單元25，經(jīng)過處理后顯示，以增強(qiáng)檢測(cè)氣體泄漏的能力。
[0022]圖3所示的是背景物體32上的激光光斑30在激光攝像儀24的探測(cè)芯片40上光學(xué)成像的示意圖。在掃描控制單元23的精確控制下，光束偏轉(zhuǎn)裝置22的掃描與激光攝像儀24的探測(cè)芯片40的幀掃描同步。由被探測(cè)氣體27及背景物體反射回來的部分激光束26經(jīng)透鏡43成像，在探測(cè)芯片40上的影像42重合在當(dāng)前正處于積分狀態(tài)的像素行上，并隨著該像素行一起移動(dòng)。
[0023]在現(xiàn)有技術(shù)中，激光束經(jīng)擴(kuò)束布滿整個(gè)探測(cè)區(qū)域31。但大部分常用熱像儀的探測(cè)芯片在每個(gè)時(shí)刻只有一行像素元處于探測(cè)信號(hào)的積分狀態(tài)，即在探測(cè)區(qū)域31上，只有一條相應(yīng)于該積分狀態(tài)像素行的細(xì)線區(qū)域的激光能量可以對(duì)信號(hào)產(chǎn)生貢獻(xiàn)，其余大部分的能量被浪費(fèi)掉。而本發(fā)明技術(shù)通過同步掃描，始終保持激光束26在探測(cè)芯片40上的投影42重合在處于積分狀態(tài)的像素行上，激光能量得到充分的利用。在提高設(shè)備檢測(cè)靈敏度的同時(shí)，大幅降低了對(duì)激光器功率的需求，有利于降低設(shè)備成本、減輕重量、并消除因強(qiáng)激光反射造成探測(cè)芯片損傷的情況。
[0024]圖4所示的是上述實(shí)施例的改進(jìn)，增加了可見光攝像機(jī)，用于采集環(huán)境光產(chǎn)生的圖像，用來對(duì)比激光攝像儀24采集的圖像。因?yàn)橥ǔ１粰z測(cè)氣體的吸收峰多在紅外區(qū)域，而紅外圖像和可見光圖像差別很大，增加可見光圖像有利于判別泄漏點(diǎn)的位置。
[0025]圖4所示系統(tǒng)還加入了一個(gè)濾光片35，使得激光束26的波長(zhǎng)可以通過，但阻隔掉其它波長(zhǎng)，以減少環(huán)境中過強(qiáng)的背景光信號(hào)對(duì)圖像的影響。
[0026]以上實(shí)施例的激光束26為一字形寬光斑30,光束偏轉(zhuǎn)裝置22實(shí)行一維掃描。這種方法在結(jié)構(gòu)和掃描控制方面最簡(jiǎn)單。如圖5所示，系統(tǒng)也可以采用點(diǎn)狀光斑42，光束偏轉(zhuǎn)裝置22實(shí)行二維掃描。這樣掃描的優(yōu)點(diǎn)是圖像中激光強(qiáng)度分布均勻，但同時(shí)機(jī)械結(jié)構(gòu)變得較復(fù)雜，體積大一些。另外為了保持與攝像儀24同步，需要解決高速掃描的問題，例如采用多反射面轉(zhuǎn)鏡進(jìn)行行掃描。
【權(quán)利要求】
1.一種激光同步掃描成像檢測(cè)系統(tǒng)，包括: 激光器(20)，所述激光器(20)輸出的激光束(26)的波長(zhǎng)處于被探測(cè)氣體(27)的吸收峰附近； 光束偏轉(zhuǎn)裝置(22 )，所述光束偏轉(zhuǎn)裝置(22 )用于偏轉(zhuǎn)所述激光束(26 ); 激光攝像儀(24)，所述激光攝像儀(24)用于檢測(cè)從被探測(cè)氣體(27)及背景物體反射回來的部分所述激光束(26)的能量； 信號(hào)采集處理單元(25)，所述信號(hào)采集處理單元(25)用于對(duì)所述激光攝像儀(24)采集的圖像進(jìn)行處理； 掃描控制單元(23)，所述掃描控制單元(23)用于控制所述光束偏轉(zhuǎn)裝置(22)，其特征為，所述光束偏轉(zhuǎn)裝置(22)與所述激光攝像儀(24)的幀掃描同步。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光同步掃描成像檢測(cè)系統(tǒng)，其特征為，由被探測(cè)氣體(27)及背景物體反射回來的部分所述激光束(26)的能量在所述激光攝像儀(24)的探測(cè)芯片(40)上形成的影像(42)始終重合在當(dāng)前正處于信號(hào)檢測(cè)狀態(tài)的像素行上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光同步掃描成像檢測(cè)系統(tǒng)，其特征為，所述系統(tǒng)進(jìn)一步包括光束整形裝置(21)，所述光束整形裝置(21)用于調(diào)整激光束(26)的形狀。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的激光同步掃描成像檢測(cè)系統(tǒng)，其特征為，所述光束整形裝置(21)調(diào)節(jié)激光束(26)形成一字形線光束，所述光束偏轉(zhuǎn)裝置(22)實(shí)行一維掃描。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的激光同步掃描成像檢測(cè)系統(tǒng)，其特征為，所述光束整形裝置(21)調(diào)節(jié)激光束(26)形成點(diǎn)狀光束，所述光束偏轉(zhuǎn)裝置(22)實(shí)行二維掃描。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光同步掃描成像檢測(cè)系統(tǒng)，其特征為，所述系統(tǒng)進(jìn)一步包括可見光攝像機(jī)(36)，所述可見光攝像機(jī)(36)用于采集可見光圖像并用來和激光攝像儀(24)的圖像進(jìn)行對(duì)比。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光同步掃描成像檢測(cè)系統(tǒng)，其特征為，所述系統(tǒng)進(jìn)一步包括濾光片(35 )，用于阻擋所述激光器(20 )以外的波長(zhǎng)進(jìn)入激光攝像儀(24 )。
【文檔編號(hào)】G01N21/31GK203443741SQ201320525941
【公開日】2014年2月19日 申請(qǐng)日期:2013年8月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月27日
【發(fā)明者】陳力 申請(qǐng)人:南京諾威爾光電系統(tǒng)有限公司