基於紅外圖像模糊聚類分析的氣體泄漏定位方法研究

《基於紅外圖像模糊聚類分析的氣體泄漏定位方法研究》是依託北京理工大學，由王濤擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：基於紅外圖像模糊聚類分析的氣體泄漏定位方法研究
• 依託單位：北京理工大學
• 項目負責人：王濤
• 項目類別：面上項目

項目摘要

針對目前容器類工件泄漏定位效率低下、無法線上診斷等缺點，該研究提出一種新的基於紅外圖像模糊聚類分析的氣體泄漏點檢測定位方法。根據氣體以一定壓力流過泄漏孔時產生的膨脹吸熱原理並輔以主動式冷卻裝置，採用紅外線熱像儀進行工件溫度場採集，利用圖像處理手段對泄漏點進行檢測和定位。通過對溫度場的建模、仿真與試驗，深入分析氣體泄漏與溫度梯度變化之間的關係，將智慧型算法與分時多幀圖像融合技術相結合，開發高效快速的檢測程式，完成泄漏線上診斷、自動識別以及精確定位。此外，充分發揮紅外線熱像儀二維檢測的優點，改進圖像拼接算法，實現被測對象的立體掃描和泄漏點全局搜尋。該研究為氣體泄漏檢測提供了一種新的判別和定位方法，並對紅外線熱成像技術與泄漏點定位相結合奠定了理論基礎，從而推動了泄漏檢測領域的發展。因此本項目具有很高的學術價值、實用價值與創新意義。

結題摘要

隨著泄漏檢測技術的日臻完善，工業生產對氣密性的要求越來越高。容器的超標泄漏量不僅影響其功能，嚴重時有可能導致爆炸等後果。針對傳統泄漏檢測方法中定位效率低下等缺點，提出一種基於紅外圖像模糊聚類分析的氣體泄漏點定位方法。其思想是根據氣體以一定壓力流經泄漏孔時由膨脹吸熱原理引起的溫度場變化，利用紅外熱像儀採集其溫度場，通過圖像處理技術對泄漏點進行定位。 氣體泄漏時的溫度場變化是本項目研究的理論基礎，因此，首先利用流體力學和穩態及非穩態條件下的導熱分析，分析了影響容腔內溫度場的壓力、泄漏量、氣體溫度等因素。其次通過實驗手段，確定這些參數間的量化關係，採用有限元方法對溫度場進行仿真建模。最後基於以上分析結果，得到系統診斷泄漏點的最佳檢測時間。 為了有效地實現實時泄漏檢測，設計了一套基於紅外熱成像的泄漏檢測裝置，包括系統的成像部分、電氣及氣動部分。實現了旋轉拍攝、自動對焦、掃描拍攝和ZOOM IN等功能。編制了相應的算法軟體，實現了被測對象的立體掃描和全局搜尋。 紅外圖像處理對基於圖像的泄漏點定位是必不可少的環節。通過對紅外圖像的特徵進行分析，建立了紅外圖像場景模型，提出了用於圖像增強和濾波的最佳預處理方法。基於SIFT的特徵點匹配方法、仿射變換原理及加權平均融合算法，實現了熱紅外圖像序列間的拼接，並得到了全景熱紅外圖像。基於手動選取被測容器紅外圖像與可見光圖像中人為標記的特徵點對，利用拼接算法中的思想，實現畫中畫效果，達到泄漏點在可見光圖像中可視化的目的。 針對小目標紅外圖像低信噪比的特點，對最佳檢測時間採集到的紅外圖像，分別提出了基於單幀與多幀紅外圖像的泄漏點檢測方法。對於單幀圖片，分別採用自適應核回歸與形態學Top-Hat運算元，在複雜背景中有效計算出泄漏點在像素空間的位置；對於多幀圖片，分別提出了基於紅外熱像圖局部熵差的定位方法、帶有溫差因子θ的改進模糊核聚類分割定位方法與差分核回歸背景預測的定位方法。其中對圖像的局部熵差算法進行改進，提出了實用的局部灰度-熵的泄漏檢測算法。克服了單幀圖像檢測虛警率高的缺點，改善了對不規則表面的檢測結果，對於兩個實際對象鑄鋁氣容和軟尼龍氣罐能夠成功實現泄漏定位，其對應的最小泄漏量分別為19.80mL/min(0.1MPa)和11.55mL/min(0.1MPa)。最後對比了給類算法的差異，分別給出了適用範圍。