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激光同步掃描成像微量氣體檢測方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種紅外熱波成像無損檢測方法，采用高功率激光束，經(jīng)光束偏轉(zhuǎn)裝置對樣品的表面進行快速掃描，同時設(shè)置熱像儀的圖像采集子窗口，使之動態(tài)地跟蹤激光束的移動。通過熱像儀采集的一系列熱波圖像，每幀圖像中各像素的熱波信號與熱激勵之間具有不同的延遲。經(jīng)過延遲量修正和數(shù)值處理的熱波圖像，可以用于對樣品的內(nèi)部缺陷進行分析。
【專利說明】激光同步掃描成像微量氣體檢測方法及系統(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技術(shù)，采用微量氣體吸收譜附近的激光束對被測區(qū)域進行掃描，并采用攝像儀進行成像，激光的掃描頻率與攝像儀同步。本發(fā)明可用于對氣體泄漏進行快速定位，屬于激光成像檢測的【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]激光成像氣體泄漏檢測技術(shù)為許多工業(yè)領(lǐng)域在線檢測提供了有利的工具，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，并能精確定位。該技術(shù)能有效減少設(shè)備停電時間，降低維護成本，提高變電設(shè)備可靠性，保護人員安全，減少大氣污染，具有明顯的經(jīng)濟和社會效益。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泄漏的檢測也得到廣泛的應用。
[0003]目前市場上已有多種款式的激光成像氣體泄漏檢測設(shè)備，大部分的系統(tǒng)工作原理如圖2所示。激光束26經(jīng)過擴束裝置21后后投射到檢測區(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35所拍攝的由環(huán)境光產(chǎn)生的圖像基本相同。當有泄漏氣體27出現(xiàn)在激光攝像儀的檢測區(qū)域31中時，返回到激光攝像儀24的激光強度由于氣體煙霧的吸收將會減弱，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，對比度也會越大。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都可以根據(jù)激光攝像儀24的圖像確定。檢測時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]然而目前市場上基于已有技術(shù)的產(chǎn)品有很多缺陷，最主要是檢測靈敏度不夠高，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)過擴束后光功率密度降到很低。同時激光經(jīng)過擴束，由于光束質(zhì)量及光學器件的誤差、加上激光的相干性等問題，造成擴束后的光斑不均勻，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行檢測，也極大地影響了檢測靈敏度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的就是針對上述現(xiàn)有激光成像氣體泄漏檢測設(shè)備的不足，提供一種高靈敏度的氣體泄漏檢測技術(shù)。該技術(shù)采用一字形線狀激光束進行掃描，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，激光能量得到充分的利用。因此對激光器功率的需求大幅降低。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0006]圖1為本發(fā)明系統(tǒng)示意圖。[0007]圖2為一種現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)示意圖。
[0008]圖3為本發(fā)明系統(tǒng)的技術(shù)原理圖。
[0009]圖4為另一種本發(fā)明系統(tǒng)實施示意圖。
[0010]圖5為本發(fā)明系統(tǒng)一種掃描方式不意圖。
【具體實施方式】
[0011]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0012]圖1所不的是本發(fā)明一種實施例，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的波長處于被探測氣體27的吸收峰附近，例如對六氟化硫氣體，吸收峰值在10.6微米附近，可以采用二氧化碳氣體激光器；在掃描控制單元23的驅(qū)動下，光束偏轉(zhuǎn)裝置22偏轉(zhuǎn)激光束26進行掃描，當掃描光束遇到被探測氣體27時會被部分吸收,使得局部的光強發(fā)生變化，當投影在背景物體32上時將產(chǎn)生陰影28。激光攝像儀24對激光束26的波長敏感，因此可以看到背景物體32上的激光束26掃描的探測區(qū)域31及被探測氣體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采集處理單元25，經(jīng)過處理后顯示，以增強檢測氣體泄漏的能力。
[0013]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的探測芯片40上光學成像的示意圖。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的探測芯片40的幀掃描同步。由被探測氣體27及背景物體反射回來的部分激光束26經(jīng)透鏡43成像，在探測芯片40上的影像42重合在當前正處于積分狀態(tài)的像素行上，并隨著該像素行一起移動。
[0014]在現(xiàn)有技術(shù)中，激光束經(jīng)擴束布滿整個探測區(qū)域31。但大部分常用熱像儀的探測芯片在每個時刻只有一行像素元處于探測信號的積分狀態(tài)，即在探測區(qū)域31上，只有一條相應于該積分狀態(tài)像素行的細線區(qū)域的激光能量可以對信號產(chǎn)生貢獻，其余大部分的能量被浪費掉。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)備檢測靈敏度的同時，大幅降低了對激光器功率的需求，有利于降低設(shè)備成本、減輕重量、并消除因強激光反射造成探測芯片損傷的情況。
[0015]圖4所示的是上述實施例的改進，增加了可見光攝像機，用于采集環(huán)境光產(chǎn)生的圖像，用來對比激光攝像儀24采集的圖像。因為通常被檢測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的位置。
[0016]圖4所示系統(tǒng)還加入了一個濾光片35，使得激光束26的波長可以通過，但阻隔掉其它波長，以減少環(huán)境中過強的背景光信號對圖像的影響。
[0017]以上實施例的激光束26為一字形寬光斑30,光束偏轉(zhuǎn)裝置22實行一維掃描。這種方法在結(jié)構(gòu)和掃描控制方面最簡單。如圖5所示，系統(tǒng)也可以采用點狀光斑42，光束偏轉(zhuǎn)裝置22實行二維掃描。這樣掃描的優(yōu)點是圖像中激光強度分布均勻，但同時機械結(jié)構(gòu)變得較復雜，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)鏡進行行掃描。
【權(quán)利要求】
1.一種激光同步掃描成像檢測系統(tǒng)，包括: 激光器(20)，所述激光器(20)輸出的激光束(26)的波長處于被探測氣體(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)用于檢測從被探測氣體(27)及背景物體反射回來的部分所述激光束(26)的能量； 信號采集處理單元(25)，所述信號采集處理單元(25)用于對所述激光攝像儀(24)采集的圖像進行處理； 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系統(tǒng)，其特征為，由被探測氣體(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)的探測芯片(40)上形成的影像(42)始終重合在當前正處于信號檢測狀態(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系統(tǒng)，其特征為，所述系統(tǒng)進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1所述的激光同步掃描成像檢測系統(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)實行一維掃描。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光同步掃描成像檢測系統(tǒng)，其特征為，所述光束整形裝置(21)調(diào)節(jié)激光束(26)形成點狀光束，所述光束偏轉(zhuǎn)裝置(22)實行二維掃描。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光同步掃描成像檢測系統(tǒng)，其特征為，所述系統(tǒng)進一步包括可見光攝像機(36)，所述可見光攝像機(36)用于采集可見光圖像并用來和激光攝像儀(24)的圖像進行對比。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光同步掃描成像檢測系統(tǒng)，其特征為，所述系統(tǒng)進一步包括濾光片(35 )，用于阻擋所述激光器(20 )以外的波長進入激光攝像儀(24 )。
【文檔編號】G01M3/04GK103439060SQ201310379519
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年8月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月27日
【發(fā)明者】陳力 申請人:南京諾威爾光電系統(tǒng)有限公司