基于PC104平臺的海面溢油監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)計

靳衛(wèi)衛(wèi)　趙宇鵬　安偉　于新生　李建偉

（1中海油能源發(fā)展股份有限公司安全環(huán)保分公司天津塘沽300452 2中國海洋大學海洋地球科學學院山東青島266100）

基于PC104平臺的海面溢油監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)計

靳衛(wèi)衛(wèi)1趙宇鵬1安偉1于新生2李建偉1

（1中海油能源發(fā)展股份有限公司安全環(huán)保分公司天津塘沽300452 2中國海洋大學海洋地球科學學院山東青島266100）

針對海上石油平臺“跑、冒、滴、漏”現(xiàn)象，采用光學圖像采集設(shè)備進行無人值守連續(xù)監(jiān)視，并且配合有效的溢油識別算法開展海面溢油監(jiān)測識別。本文針對海面溢油監(jiān)視應(yīng)用環(huán)境和技術(shù)需求，對系統(tǒng)的硬件模塊進行了選型與集成，構(gòu)建了基于PC/104-Plus總線結(jié)構(gòu)、高圖像分辨率、15幀/秒的采集速率、低功耗的嵌入式溢油圖像采集系統(tǒng)。

溢油監(jiān)視；PC/104結(jié)構(gòu)；圖像采集；光學成像

隨著海洋油氣資源開發(fā)規(guī)模的不斷擴大，所面臨的海洋環(huán)境呈現(xiàn)復雜多樣化，特別是近年來海上溢油事故頻發(fā)，給海洋生態(tài)環(huán)境造成嚴重破壞。為了應(yīng)對海上溢油污染，世界各國特別是發(fā)達國家投入了大量資金建立溢油監(jiān)測系統(tǒng)。在國際上，越來越多的海事國家主要利用多光譜圖像監(jiān)視技術(shù)。挪威、加拿大、美國、荷蘭、德國等國家在螺旋槳飛機和無人機上搭載可見光的照相機、攝像機、前視紅外（FLIR）/CCD攝像機、紅外/紫外掃描儀、紅外照相機和下視攝像機等光譜信息采集設(shè)備進行日常巡邏監(jiān)視海面溢油?？梢钥闯?，使用光學圖采集技術(shù)像獲取海上溢油信息已日益成為海面溢油監(jiān)測的重要途徑。

相對于衛(wèi)星或機載遙感技術(shù)，海面溢油光譜監(jiān)視技術(shù)主要是基于光譜圖像傳感器對觀測區(qū)域進行光譜成像，然后應(yīng)用圖像處理與信息分析方法獲取關(guān)注信息和特征參數(shù)的觀測技術(shù)。該技術(shù)具有成本低、適用性強、布放簡單、空間覆蓋面廣（幾公里）、空間分辨率高、測量參數(shù)多等優(yōu)點，可以隨時了解現(xiàn)場情況、增強了對特定海區(qū)的觀測能力，光譜監(jiān)測技術(shù)已成為近幾年海洋要素監(jiān)測中的活躍研究方向，很適于在我國沿海石油平臺的推廣應(yīng)用。

1系統(tǒng)集成結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖像采集系統(tǒng)[1][2]的硬件部分通常包括一下幾部分：控制采集模塊、存儲介質(zhì)、圖像采集卡、數(shù)字相機和供電電源（圖1），數(shù)字相機對目標物體進行光學成像，通過圖像采集卡捕捉后，由控制采集模塊將圖像存儲到存儲介質(zhì)，電源分別對各個模塊進行供電。

采用PC104主板和基于PC104 PLUS總線[3]的圖像捕捉卡組成了體積緊湊的水下自容式圖像采集系統(tǒng)，無壓縮圖像直接通過PC104主板的硬盤接口存儲在80 G硬盤中，實現(xiàn)了大容量圖像信息的實時存儲。在保證系統(tǒng)功能的前提下，縮小整體尺寸。

圖1圖像采集系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2光學成像系統(tǒng)設(shè)計

溢油圖像采集系統(tǒng)要安裝于海上平臺的甲板上，離海平面的垂直距離大約有30m~50m，如圖2所示。同時，由于圖像采集系統(tǒng)存在一定的采集傾角，則實際物距根據(jù)取景范圍不同而隨著變化。所采用的CCD芯片靶面長度為8.8mm，寬度為6.6mm，靶面對角線為11mm，為此采用賓得公司的C31204 2/3英寸的變焦鏡頭和2倍增倍鏡組合方式構(gòu)建了變焦范圍為25mm~150mm的變焦鏡頭。根據(jù)光學成像原理（見圖3），由透鏡成像公式（1）計算的在焦距為25mm~150mm之間圖像分辨率如表1所示。圖4是組建的光學成像實物。

圖2系統(tǒng)搭建油氣平臺環(huán)境示意圖

圖3透鏡成像原理圖

表1相同物距，不同焦距下的分辨率及視場角

圖4數(shù)字成像裝置

3　基于PC 1 0 4嵌入式平臺的系統(tǒng)集成

采用工業(yè)PC104嵌入式系統(tǒng)標準[4]，構(gòu)建了自容式溢油現(xiàn)場圖像采集系統(tǒng)樣機，其系統(tǒng)工作框圖如圖5所示。微處理器與圖像采集卡之間通過PC104-Express總線進行通信，外部脈沖觸發(fā)電路控制相機和光源，相機與圖像采集卡之間通過Camera Link標準接口[5][6]進行通信，實現(xiàn)圖像的實時傳輸，微處理器將獲取的圖像存儲到硬盤上。

圖5圖像采集系統(tǒng)原理圖

為了使相機快門與光源能夠同步觸發(fā)，需要相機工作于外部觸發(fā)工作模式，這樣才可以通過外部觸發(fā)脈沖來控制相機的圖像采集與閃光燈同步。如圖6所示，利用現(xiàn)有的元器件，先用555定時器和分頻器74LS92N進行產(chǎn)生60Hz矩形方波。相機采用外部信號觸發(fā)模式來進行圖像的采集。外部觸發(fā)脈沖上升沿到來時，觸發(fā)光源LED發(fā)光；經(jīng)過一個門電路的延遲時間后，觸發(fā)相機曝光，圖像采集卡開始采集圖像，快門關(guān)閉后，停止采集；等外部觸發(fā)脈沖的下降沿到來時，開始進行圖像的傳輸。其工作時序圖如圖7所示。

圖6觸發(fā)脈沖產(chǎn)生電路

圖7圖像采集時序圖

圖8基于PC104嵌入式自容式采集系統(tǒng)

4系統(tǒng)測試

集成的自容式海面溢油圖像監(jiān)視樣機系統(tǒng)如圖9所示，通過PC104主板上的以太網(wǎng)接口與計算機相連，可以利用在遠程計算機上的虛擬控制軟件對系統(tǒng)進行控制。為實現(xiàn)海面溢油圖像的實時采集，采用W indows XP作為嵌入式系統(tǒng)的操作平臺，利用VisualC++開發(fā)了圖像采集程序。

圖9集成的溢油圖像監(jiān)視系統(tǒng)

5結(jié)語

對光學成像系統(tǒng)實行了系統(tǒng)集成，對所組建的海面溢油圖像監(jiān)視系統(tǒng)的光學性能進行了模擬測試和評估，實驗結(jié)果表明所設(shè)計的系統(tǒng)具有良好的成像質(zhì)量，證明所設(shè)計的技術(shù)路線是可行的。在今后的工作中將圍繞著提升圖像的對比度和信噪比等方面對成像光路和照明結(jié)構(gòu)作進一步的改進。

[1]張紀明.基于PC的機器視覺系統(tǒng)研究.可編程控制器與工廠自動化,2006,11:107-110.

[2]穆向陽，張?zhí)?機器視覺系統(tǒng)的設(shè)計.西安石油大學學報:自然科學版，2007，22(6):104-109.

[3]蔣繼宏,廖永濤，程鋼.基于PC104Plus的視頻記錄系統(tǒng)研制.西飛科技,2003,3:30-33.

[4]PC/104 Embedded Consortium.PC/104-Plus Specifications V2.3. San Francisco,California,2008,10,13.

[5]王小艷,張會新,孫永生,等．Camera Link協(xié)議和FPGA的數(shù)字圖像信號源設(shè)計.國外電子元器件,2008,7:59-61.

[6]張德聯(lián),張帆.基于Camera Link的高速數(shù)據(jù)采集壓縮系統(tǒng).科學技術(shù)與工程,2008,8(18):5253-5255.

[7]李佑軍.嵌入式系統(tǒng)綜述.現(xiàn)代電子技術(shù),2003,6:90-91.

[8]李林功,李華玲.嵌入式系統(tǒng)的構(gòu)成與特點.電測與儀表,2003,39 (5):29-34.

靳衛(wèi)衛(wèi)(1986—)，男，青島，碩士，海洋環(huán)境科研工程師，主要研究方向：水上溢油應(yīng)急與處置。