CN104614074A - 一种水面油膜的热红外成像测量***和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及浮油监测技术领域，尤其涉及一种水面油膜的热红外成像测量***和方法。该***包括依次设置的红外热像仪、滤光片单元、偏振片单元和反射振镜；红外热像仪用于采集当前水面的热红外信息；滤光片单元具有多块不同波段的滤光片，且多块所述滤光片可调节至分别与所述红外热像仪的镜头对中；偏振片单元具有多块不同偏振角度的偏振片，且多块所述偏振片可调节至分别与所述红外热像仪的镜头对中；反射振镜可调节工作角度。与现有技术相比，应用本发明进行水面油膜的测量，不受外界太阳辐射、风速等时间和环境因素的干扰，体积小巧、可以快速、准确的实现水面浮油的定性和定量测量，具有较好的可操作性，且制造成本及使用成本可控。

Description

一种水面油膜的热红外成像测量***和方法

技术领域

本发明涉及浮油监测技术领域，尤其涉及一种水面油膜的热红外成像测量***和方法。

背景技术

随着石油的应用遍及社会经济生活的各个方面，随之而来石油污染也是当代环境保护中面临的重大问题。基于石油在短期内不会自然降解的特性，如任其泄漏到环境中，将对环境和生态平衡产生重大危害和影响。

目前，对水面浮油的监测一直受到世界各国的高度重视，主要的监测方法包括可见光遥感、激光荧光遥感、紫外遥感、红外遥感、微波遥感等遥感方法，分为卫星遥感和机载遥感；另外还有，多传感器阵列方法，水质取样分析方法。

然而，受自身工作原理的限制，上述监测方法分别存在以下不足。其中，可见光遥感依赖太阳辐射，只能在白天工作；激光荧光遥感体积较大，部署和操作复杂，价格昂贵；紫外遥感紫外波段电磁波长短，绕射能力差，探测高度有限；红外遥感技术相对成熟，但对油膜厚度探测能力有限，对乳化油无探测能力；微波遥感空间分辨率较低，且容易受到风速等环境因素干扰；多传感器阵列方法需要在水中部署大量传感器，操作复杂，成本高，不适合大面积测量；水质取样分析方法局限性更大，而且操作麻烦、分析时间长。

有鉴于此，亟待针对现有浮油监测技术进行优化设计，以有效克服上述缺陷。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是解决现有技术中操作复杂、成本高以及外界因素影响检测精度等问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种水面油膜的热红外成像测量***，所述***包括依次设置的红外热像仪、滤光片单元、偏振片单元和反射振镜；所述红外热像仪用于采集当前水面的热红外信息；所述滤光片单元具有多块不同波段的滤光片，且多块所述滤光片可调节至分别与所述红外热像仪的镜头对中；所述偏振片单元具有多块不同偏振角度的偏振片，且多块所述偏振片可调节至分别与所述红外热像仪的镜头对中；所述反射振镜可调节工作角度。

优选地，所述滤光片单元包括：滤光片轮，多块所述滤光片间隔设置在所述滤光片轮的转动中心的同心圆上；和第一驱动装置，驱动所述滤光片轮转动。

优选地，所述滤光片为带通滤光片，每块所述滤光片的带宽为10-20nm。

优选地，所述偏振片单元包括：偏振片轮，多块所述偏振片间隔设置在所述偏振片轮的转动中心的同心圆上；和第二驱动装置，驱动所述偏振片轮转动。

优选地，还包括设置在所述反射振镜背面的黑体辐射源。

优选地，还包括第三驱动装置，驱动所述反射振镜转动。

优选地，所述反射振镜为二维反射振镜。

优选地，所述热像仪的探测器为焦平面非制冷型探测器，像素数为320*256，波长为8-14μm；所述滤光片与所述偏振片的直径相同。

本发明还提供了一种水面油膜的热红外成像测量方法，包括下述步骤：

S1.对应每块与红外热像仪对中的滤光片，多块偏振片分别调节至与所述红外热像仪对中，以便所述红外热像仪通过每块所述滤光片将所有不同角度的偏振信息扫一遍；其中，对应每块与所述红外热像仪对中的所述偏振片，反射振镜扫一遍工作角度，以将不同位置水面的红外辐射通过所述偏振片和滤光片引入所述红外热像仪，采集该波段的热红外图像；

S2.根据所述热红外图像获得浮油种类的定性和油膜厚度的定量测量结果。

优选地，步骤S1前执行：

S0.反转所述反射振镜，采集所述反射振镜背面设置的黑体辐射源透过当前所述滤光片和偏振片后的热红外图像，以作为当前红外辐射测量基准。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：

首先，在红外热像仪的采集路径上依次设置有滤光片、偏振片和反射振镜，滤光片单元具有多块可分别与镜头对中的不同波段滤光片，偏振片单元具有多块可分别与镜头对中的不同偏振角度的偏振片；如此设置，可以同时获得不同角度的偏振光信息、不同波长的红外辐射信息，获取的信息量非常丰富，为提升测量精度提供了可靠的保障。

其次，测量时，将测量***悬置于水中油膜上方，针对每块滤光片，各偏振片依次与其对正，即在当前滤光片下，各偏振片依次介入热红外信息的采集，从而实现热像仪通过每个带通滤光片将所有不同角度的偏振信息扫一遍，拍下特定波段的热红外图像；也就是说，不同波段滤光片和不同偏振角度的偏振片相结合得到特定波段和偏振信息的红外图像，从而实现浮油种类的定性和油膜厚度的定量测量。

再次，针对每块偏振片，反射振镜依次调节工作角度，也就是说，对应每块与红外热像仪对中的偏振片，反射振镜扫一遍工作角度，以将不同位置水面的红外辐射通过偏振片和滤光片引入所述红外热像仪，采集该滤光波段及偏振角度下的热红外图像；由此，根据所述热红外图像获得浮油种类的定性和油膜厚度的定量测量结果。

本发明可以同时得到水面多个不同波段、多个不同偏振角度的红外图像信息，与现有技术相比，应用本发明进行水面油膜的测量，不受外界太阳辐射、风速等时间和环境因素的干扰，体积小巧、可以快速、准确的实现水面浮油的定性和定量测量，具有较好的可操作性，且制造成本及使用成本可控；并可广泛应用在河道、湖泊、海洋浮油检测、工厂排放检测、环境保护领域。

在本发明的优选方案中，其反射振镜背面增设有黑体辐射源，并作为***标定基础。各滤光片依次参与热红外信息的采集后，反转该反射振镜，采集黑体辐射源透过当前滤光片和偏振片后的热红外图像，以作为当前辐射基准；然后，红外热像仪采集当前水面透过滤光片和偏振片后的热红外图像，与黑体比较校正后，得到当前水面的热红外信息。如此设置，每次测量前可以实时标定***，可以完全规避克服探测器温漂造成的误差。

附图说明

图1是本发明实施例一所述水面油膜的热红外成像测量***的整体结构示意图；

图2是本发明实施例二所述水面油膜的热红外成像测量***的整体结构示意图。

图中：

红外热像仪1、滤光片单元2、滤光片21、偏振片单元3、偏振片31、反射振镜4、第一驱动装置5、第二驱动装置6、第一减速器7、第二减速器8、第三驱动装置9、黑体辐射源10、驱动装置11、分动减速器12。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多块”的含义是两块或两块以上；术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。因此，不能理解为对本发明的限制。

实施例一

请参见图1，该图示出了本实施例所述水面油膜的热红外成像测量***的整体结构示意图。该***，沿热红外信息的采集路径依次设置有红外热像仪1、滤光片单元2、偏振片单元3和反射振镜4。

其中，红外热像仪1用于采集当前水面的热红外信息，以据此获得浮油种类的定性和油膜厚度的定量测量结果。该红外热像仪1的探测器可以采用焦平面非制冷型探测器，像素数为320*256，波长为8-14μm，优选能够电动调焦，以提升可操作性。测量时，将测量***悬于水中油膜A上方80-120cm即可进行测量操作。

其中，滤光片单元2具有多块不同波段的滤光片21，且多块滤光片21可调节至分别与红外热像仪1的镜头对中，从而通过每个滤光片21获得不同波段下的红外辐射信息。这里，滤光片21可以选用带通滤光片，能够严格控制透射光的起止波长范围；针对油膜特性，每块滤光片21的带宽优选为10-20nm，以满足高性能的要求。

其中，偏振片单元3具有多块不同偏振角度的偏振片31，且多块偏振片31也可调节至分别与红外热像仪1的镜头对中，相应地，通过每个偏振片31将阻止不同偏振角度下的反射光进入镜头，获得不同偏振角度下的红外辐射信息，可最大限度地减弱反射光对油膜成像清晰度的影响。与滤光片单元2的多块不同波段滤光片21相适配的，针对每块滤光片21，各偏振片31依次与其对正，即在当前滤光片21下，各偏振片31依次介入热红外信息的采集，从而实现热像仪通过每个带通滤光片21将所有不同角度的偏振信息扫一遍，拍下特定波段的热红外图像；也就是说，不同波段滤光片21和不同偏振角度的偏振片31相结合得到特定波段和偏振信息的红外图像，从而为提高浮油种类的定性和油膜厚度的定量测量精度提供了可靠的保障。

其中，反射振镜4可调节工作角度，以扩展红外热像仪1的可视角度。与滤光片单元2和偏振片单元3适配的，对应每块与红外热像仪对中的偏振片31，反射振镜4扫一遍工作角度，以将不同位置水面的红外辐射通过当前偏振片31和滤光片21引入红外热像仪1，采集该滤光波段及偏振角度下的热红外图像。以此类推。

需要说明的是，滤光片21和偏振片31可配置为直径相同，且具体数量可根据实际需要进行设定和调整，而非局限于图中所示的九个。应当理解，只要满足上述调节匹配的功能需要，通过不同波段滤光片和不同偏振角度的偏振片相结合精确采集得到特定波段和偏振信息的红外图像，均在本申请请求保护的范围内。

为了进一步提升测量操作的便利性，可针对滤光片单元2及偏振片单元3的结构形式及其调节切换形式作进一步的优化。图中所示，滤光片单元2具体为滤光片轮，通过滤光片轮的转动，即可将多块滤光片21调节至分别与红外热像仪1的镜头对中，多块滤光片21间隔设置在滤光片轮的转动中心的同心圆上；偏振片单元3具体为偏振片轮，通过偏振片轮的转动，即可将多块偏振片31调节到与镜头对中的工作位置，同样地，多块偏振片31间隔设置在偏振片轮的转动中心的同心圆上。

具体地，滤光片轮和偏振片轮的转动驱动力分别由第一驱动装置5和第二驱动装置6提供，基于驱动装置和热像仪的工作参数，以及滤光片轮和偏振片轮的自身结构尺寸等综合因素，可分别设置第一减速器7和第二减速器8，以提供匹配的转速和工作转矩。特别说明的是，关于动力传动构件及细化结构，在不影响清楚表达动力传递关系的基础上，图1中仅作了示意性的线条示意，以清楚示出本方案的核心设计构思。

显然，基于本方案的工作原理，偏振片轮的转速高于滤光片轮的转速，才能满足每块滤光片21对应于各偏振片31的工作需求；也就是说，滤光片轮每转过一个角度，偏振片轮会从头至尾扫一遍，即在当前滤光片21下，偏振片轮转一圈以后，滤光片轮转一下，更新一片滤光片21，偏振片轮再次转一圈，实现红外热像仪1通过每个带通滤光片将所有不同角度的偏振信息扫一遍，拍下特定波段下的热红外图像。

另外，反射振镜4工作角度的调节，可以采用第三驱动装置9提供转动驱动力，以满足偏振片轮每转动一个方位角度，反射振镜4扫一遍，将不同位置水面的红外辐射通过偏振片31和滤光片21引入红外热像仪1。反射振镜4优选采用二维反射振镜。

众所周知，在高温高湿区或负温高湿区的使用工况下，探测器不可避免的存在温漂的影响。为了克服探测器温漂可能导致的误差，在反射振镜4背面可以设置黑体辐射源10，如此设置，每次测量前可以实时标定***。具体来说，各滤光片21依次参与热红外信息的采集后，反转该反射振镜4，采集黑体辐射10源透过当前滤光片21和偏振片31后的热红外图像，以作为当前辐射基准；然后，红外热像仪1采集当前水面透过滤光片21和偏振片31后的热红外图像，与黑体比较校正后，得到当前水面的热红外信息。

实施例二

请参见图2，该图示出了第二实施例所述水面油膜的热红外成像测量***的整体结构示意图。

本方案与第一实施例的区别在于：第一实施例的滤光片轮和偏振片轮的转动驱动力，分别由第一驱动装置5和第二驱动装置6提供；而本方案中，滤光片轮和偏振片轮的转动驱动力，由一个驱动装置11提供转动驱动力，并通过分动减速器12将驱动转矩输出至滤光片轮和偏振片轮。

显然，对于转动速度原理性要求，偏振片轮的转速要高于滤光片轮的转速。本方案的其他构成及连接关系与第一实施例相同，在此不再赘述。此外，各驱动装置优选采用电机作为动力源。

除前述热红外成像测量***外，本实施方式还提供一种水面油膜的热红外成像测量方法，包括下述步骤：

S1.对应每块与红外热像仪对中的滤光片，多块偏振片分别调节至与所述红外热像仪对中，以便所述红外热像仪通过每块所述滤光片将所有不同角度的偏振信息扫一遍，其中，对应每块与所述红外热像仪对中的所述偏振片，反射振镜扫一遍工作角度，以将不同位置水面的红外辐射通过所述偏振片和滤光片引入所述红外热像仪，采集该波段的热红外图像；

S2.根据所述热红外图像获得浮油种类的定性和油膜厚度的定量测量结果。

为了克服探测器温漂可能导致的误差，优选地，步骤S1前执行：

S0.反转所述反射振镜，采集所述反射振镜背面设置的黑体辐射源透过当前所述滤光片和偏振片后的热红外图像，以作为当前辐射基准。

综上所述，本发明可以同时得到水面多个不同波段、多个不同偏振角度的红外图像信息，与现有技术相比，应用本发明进行水面油膜的测量，不受外界太阳辐射、风速等时间和环境因素的干扰，体积小巧、可以快速、准确的实现水面浮油的定性和定量测量，具有较好的可操作性，且制造成本及使用成本可控；并可广泛应用在河道、湖泊、海洋浮油检测、工厂排放检测、环境保护领域。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种水面油膜的热红外成像测量***，其特征在于，所述***包括依次设置的：

红外热像仪，用于采集当前水面的热红外信息；

滤光片单元，具有多块不同波段的滤光片，且多块所述滤光片可调节至分别与所述红外热像仪的镜头对中；

偏振片单元，具有多块不同偏振角度的偏振片，且多块所述偏振片可调节至分别与所述红外热像仪的镜头对中；和

反射振镜，可调节工作角度。

2.根据权利要求1所述的水面油膜的热红外成像测量***，其特征在于，所述滤光片单元包括：

滤光片轮，多块所述滤光片间隔设置在所述滤光片轮的转动中心的同心圆上；和

第一驱动装置，驱动所述滤光片轮转动。

3.根据权利要求2所述的水面油膜的热红外成像测量***，其特征在于，所述滤光片为带通滤光片，每块所述滤光片的带宽为10-20nm。

4.根据权利要求1所述的水面油膜的热红外成像测量***，其特征在于，所述偏振片单元包括：

偏振片轮，多块所述偏振片间隔设置在所述偏振片轮的转动中心的同心圆上；和

第二驱动装置，驱动所述偏振片轮转动。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的水面油膜的热红外成像测量***，其特征在于，还包括设置在所述反射振镜背面的黑体辐射源。

6.根据权利要求5所述的水面油膜的热红外成像测量***，其特征在于，还包括第三驱动装置，驱动所述反射振镜转动。

7.根据权利要求6所述的水面油膜的热红外成像测量***，其特征在于，所述反射振镜为二维反射振镜。

8.根据权利要求1所述的水面油膜的热红外成像测量***，其特征在于，所述热像仪的探测器为焦平面非制冷型探测器，像素数为320*256，波长为8-14μm；所述滤光片与所述偏振片的直径相同。

9.一种水面油膜的热红外成像测量方法，其特征在于，包括下述步骤：

S1.对应每块与红外热像仪对中的滤光片，多块偏振片分别调节至与所述红外热像仪对中，以便所述红外热像仪通过每块所述滤光片将所有不同角度的偏振信息扫一遍，其中，对应每块与所述红外热像仪对中的所述偏振片，反射振镜扫一遍工作角度，以将不同位置水面的红外辐射通过所述偏振片和滤光片引入所述红外热像仪，采集该波段的热红外图像；

S2.根据所述热红外图像获得浮油种类的定性和油膜厚度的定量测量结果。

10.根据权利要求9所述的水面油膜的热红外成像测量方法，其特征在于，步骤S1前执行：

S0.反转所述反射振镜，采集所述反射振镜背面设置的黑体辐射源透过当前所述滤光片和偏振片后的热红外图像，以作为当前红外辐射测量基准。