王懷琴，張德勝

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100013；2.煤礦應(yīng)急避險技術(shù)裝備工程研究中心，北京 100013；3.北京市煤礦安全工程技術(shù)研究中心，北京 100013)

煤礦井下作業(yè)條件艱苦，事故隱患點多，極易發(fā)生爆炸、冒頂、火災(zāi)等事故，危險系數(shù)極高，故對井下人員、車輛、設(shè)備等目標(biāo)信息的采集和監(jiān)控非常有必要。目前傳統(tǒng)攝像儀極易出現(xiàn)色彩缺失，拍攝細(xì)節(jié)不清晰、拍攝范圍小、亮度不足等弊端，尤其在夜間井下光線不足，照度低的環(huán)境條件下完全無法清晰穩(wěn)定呈現(xiàn)物體細(xì)節(jié)特征和真實環(huán)境狀況[1-4]。

針對以上問題，通過研究黑光夜視成像技術(shù)，光電轉(zhuǎn)換技術(shù)，本安技術(shù)，高清攝像鏡頭測試方法，研發(fā)出了礦用本質(zhì)安全型黑光攝像儀。根據(jù)人眼仿生學(xué)原理，優(yōu)化對畫面色彩和亮度的處理能力，顛覆傳統(tǒng)的成像理念全面提升了夜間視頻監(jiān)控效果，在夜間井下照度極低的環(huán)境下可以清晰穩(wěn)定呈現(xiàn)真實環(huán)境狀況和物體的大小、形狀等細(xì)微特征。

1 礦用本質(zhì)安全型黑光攝像儀系統(tǒng)設(shè)計

礦用本質(zhì)安全型黑光攝像儀系統(tǒng)主要由攝像儀、電源模塊和光電轉(zhuǎn)換模塊三大部分組成。攝像儀鏡頭采用自主專用自動聚焦芯片，對焦快且準(zhǔn)確，支持多種功能，可以適應(yīng)不同監(jiān)控環(huán)境，內(nèi)置全解碼功能，支持線掃，面掃，可進行大范圍掃描監(jiān)控和多點監(jiān)控。鑒于井下大型采煤設(shè)備運行期間，噪聲多，環(huán)境嘈雜煤粉塵大的特點，攝像儀采用音頻降噪技術(shù)，可以自動過濾干擾噪聲，從而實現(xiàn)高品質(zhì)語音傳輸，采用取景器自清潔技術(shù)，內(nèi)設(shè)納米隱形雨刷，不沾水、不沾油，在井下煤塵密集，油污多的地帶仍可以清晰還原現(xiàn)場作業(yè)情況。

電源模塊采用本質(zhì)安全型電路設(shè)計，光電轉(zhuǎn)換模塊則開發(fā)設(shè)計了適用于礦用本質(zhì)安全型黑光攝像儀的小型光電轉(zhuǎn)換模塊。整個系統(tǒng)由電源模塊將127V交流電轉(zhuǎn)換為24V直流電分別為攝像儀和光電轉(zhuǎn)換模塊供電，攝像儀利用攝像頭采集視頻、音頻模擬信號，然后將視頻、音頻模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字電信號送至光電轉(zhuǎn)換模塊，之后光電轉(zhuǎn)換模塊將數(shù)字電信號轉(zhuǎn)換為光信號通過光纖傳送[5，6]。系統(tǒng)設(shè)計如圖1所示。

圖1 礦用本質(zhì)安全型黑光攝像儀系統(tǒng)設(shè)計圖

2 黑光夜視成像技術(shù)

熱紅外成像技術(shù)和微光夜視技術(shù)是目前普通攝像儀最常用的兩種夜視技術(shù)，熱紅外成像技術(shù)只能大致看到人或物體的熱輪廓，無法看清景物的細(xì)節(jié)特征，微光夜視技術(shù)則需要借助外部光源紅外燈才能在夜間低照度環(huán)境下看到物體，然而，利用紅外燈輔助照明則不可避免的會使圖像受到光波干擾，可視效果和清晰度均會大幅降低。而黑光夜視成像技術(shù)不受光照及環(huán)境的影響，能夠在微光、強光甚至零照度等不同光照條件下拍攝清晰穩(wěn)定的實時視頻圖像。

2.1 雙sensor構(gòu)架設(shè)計

黑光夜視成像技術(shù)運用了視網(wǎng)膜成像技術(shù)的雙sensor構(gòu)架和彩色夜視圖像融合技術(shù)，圖像傳感器(sensor)是圖像采集的核心單元，主要分為CCD和CMOS兩大類，此次設(shè)計采用的是CMOS傳感器，CMOS傳感器有靈敏度高，曝光時間短和像素尺寸小等優(yōu)點，在核心結(jié)構(gòu)上，由感光電極、電信號轉(zhuǎn)換模塊，信號傳輸晶體管，以及信號放大器組成，傳感器感知到光信號后經(jīng)光電轉(zhuǎn)換模塊產(chǎn)生電信號，之后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器變?yōu)閿?shù)字圖像信號，最后經(jīng)處理芯片處理成影像[7，8]。雙sensor成像原理示意圖如圖2所示。

圖2 sensor成像原理示意圖

雙sensor構(gòu)架模仿人眼視網(wǎng)膜成像原理，解決了色彩和亮度間的相互干擾，一路sensor模仿視網(wǎng)膜中的錐狀細(xì)胞感知色彩信息，另一路sensor模仿視網(wǎng)膜中的桿狀細(xì)胞感知亮度細(xì)節(jié)，色彩信息和亮度細(xì)節(jié)互不干擾，使成像效果大幅提升。

2.2 彩色夜視圖像融合技術(shù)

熱紅外成像技術(shù)和微光夜視技術(shù)采集到的微光圖像和熱圖像信噪比低且圖像缺乏深度感，不利于圖像的探測與識別。而彩色夜視融合技術(shù)采集到的圖像包含了景物更多的光譜信息和色彩信息，利用人眼對彩色圖像有更高分辨力和靈敏度度的特性，提高對景物的探測和識別。

圖像融合過程是通過最大化相關(guān)信息量的同時最小化不相關(guān)的細(xì)節(jié)、不穩(wěn)定信息和輸出中的冗余，從而最大限度的提高識別速度。

假設(shè)q1和q2是兩幅具有相同分辨率、灰度及空間動態(tài)范圍的輸入圖像，兩個圖像的共同組成部分計算為形態(tài)交叉點。

q1∩q2=min{q1，q2}

(1)

每幅圖像的特征量q*是每幅圖像減去共同分量后剩下的部分則有：

以上算法即通過從相反的圖像信息中減去融合圖像信息來強調(diào)特征分量。彩色圖像的融合就是利用相同的原理將圖像分別映射到RGB偽彩色圖像的紅色和綠色通道中獲得的。通過將兩幅圖像的差別映射到合成彩色圖像的藍(lán)色成分，兩幅圖像特征中的典型組成部分就會得到更好的強調(diào)，最后的映射公式為：

這個簡單的計算方法，不僅能夠在硬件上實施，而且可以通過使用標(biāo)準(zhǔn)處理設(shè)備而被用于實時應(yīng)用。通過彩色夜視融合技術(shù)將景物的某些細(xì)微特征進行強調(diào)，從而增強了人眼對景物的可見度和敏感度[9-12]。

通過雙sensor構(gòu)架和彩色夜視圖像融合技術(shù)，將采集到的視頻圖像信息進行獨特的光學(xué)和數(shù)字處理，濾除了雜波和干擾，從而保證在井下接近0.001Lux的低照度環(huán)境下拍攝的影像都清晰穩(wěn)定。

3 光電轉(zhuǎn)換及本安電路硬件設(shè)計

3.1 光電轉(zhuǎn)換電路硬件設(shè)計

結(jié)合煤礦井下工作環(huán)境特殊，煤粉塵大，噪音多，環(huán)境潮濕，以太網(wǎng)電纜無法全部覆蓋，信號干擾因素多，信息傳輸困難等特點，開發(fā)設(shè)計了適用于礦用本質(zhì)安全型黑光攝像儀的小型光電轉(zhuǎn)換模塊，通過AC/DC電源模塊供電，可以實現(xiàn)電信號與光信號的雙向轉(zhuǎn)換。從而利用光纖傳輸頻帶寬、通信容量大，傳輸損耗低、中繼距離長，絕緣、抗電磁干擾性能強的特性，確保數(shù)據(jù)包在不同網(wǎng)絡(luò)間順暢無誤傳輸，將信號從井下精確傳輸至地面客戶端。光電轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計如圖3所示。

圖3 光電轉(zhuǎn)換模塊電口輸出示意圖

光電轉(zhuǎn)換模塊電口采用RJ45接口，速率10/100/100M自適應(yīng)，光口采用FC型，支持熱插拔，速率可達(dá)到1000Mbps。輸入的電信號經(jīng)驅(qū)動芯片H1601CE處理后發(fā)射出相應(yīng)速率的調(diào)制光信號，芯片內(nèi)部帶有光功率自動控制電路，使輸出的光信號功率保持穩(wěn)定。

3.2 本安電路硬件設(shè)計

井下電流密度大，爆炸性混合物多，因此，用于井下的電氣設(shè)備一般分為隔爆型和本安型兩種，但隔爆型電氣設(shè)備往往殼體笨重，占地空間大，不易操作和挪動，而礦用本安型黑光攝像儀不僅體積小，重量輕，操作便捷，且本質(zhì)安全型電路的設(shè)計，可以保證設(shè)備在正常工作和故障狀態(tài)下產(chǎn)生的火花或熱效應(yīng)均不會點燃周圍的爆炸性混合物，安全可靠[9]。礦用本質(zhì)安全型保護電路如圖4所示。

圖4 礦用本質(zhì)安全型保護電路示意圖

為了滿足井下設(shè)備的本安參數(shù)要求，達(dá)到本安設(shè)計的要求，額定工作電流小于等于1.5A。鋰離子電池保護電路采用雙重穩(wěn)壓過流保護。芯片選用兩級鋰電池保護芯片S-8261。一旦后級負(fù)載過流，電壓便會拉低，輸出低電平，當(dāng)過流被保護后，短路電流立即消失，電容停止充電，從而實現(xiàn)穩(wěn)壓過流保護。該礦用本質(zhì)安全型電路的設(shè)計能實現(xiàn)過充電、過放電保護、過充自恢復(fù)、過放自恢復(fù)、放電過流保護、過充保護延時、過放保護延時等功能[13-15]，可防止因輸出電壓意外增大或涌流而產(chǎn)生的火災(zāi)或爆炸危險。

4 測試實驗

4.1 實驗室測試設(shè)計

由于測試環(huán)境及光源的選擇對攝像儀的測試效果影響較大，為了貼近煤礦井下的實際情況，我們到井下實地調(diào)研，以井下光照環(huán)境參數(shù)作為測試光源的選擇依據(jù)，對礦用本質(zhì)安全型黑光攝像儀和普通攝像儀的幾個主要性能指標(biāo)：最低照度、清晰度及灰度進行了測試。

在視頻實驗室，標(biāo)準(zhǔn)的光學(xué)測試環(huán)境下結(jié)合井下光照環(huán)境參數(shù)，利用色溫照度計、分辨率測試卡、色彩測試標(biāo)板、灰階卡校色板等標(biāo)準(zhǔn)測試設(shè)備，對攝像儀的灰度、清晰度進行測試。在無任何光源的暗室對攝像儀的最低照度進行測試。測試實驗設(shè)計如圖5所示。

圖5 實驗室測試實驗設(shè)計圖

測試實驗結(jié)果表明，礦用本質(zhì)安全型黑光攝像儀的各項性能指標(biāo)都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通攝像儀，其彩色最低照度可達(dá)0.0005Lux，黑白最低照度可達(dá)0.0001Lux，水平清晰度可達(dá)到1100TVL，灰階等級高達(dá)11級。

礦用本質(zhì)安全型黑光攝像儀與普通攝像儀主要性能指標(biāo)測試結(jié)果對比見表1。

表1 性能指標(biāo)測試數(shù)據(jù)

4.2 井下現(xiàn)場測試設(shè)計

在煤礦井下綜采面、大巷、入口處共安裝了36臺礦用本質(zhì)安全型黑光攝像儀，實時采集井下環(huán)境及人員視頻圖像信息，通過光纖連通井下環(huán)網(wǎng)交換機，將實時采集的視頻圖像信息傳輸?shù)胶笈_服務(wù)器，服務(wù)器平臺進行數(shù)據(jù)的綜合分析，進而傳輸?shù)降孛婵蛻舳耍┑孛嫔系闹笓]調(diào)度人員進行視頻分析并實時掌握井下現(xiàn)場情況并進行管理和調(diào)度。井下測試系統(tǒng)組成如圖6所示。

圖6 井下測試系統(tǒng)組成圖

通過井下現(xiàn)場測試，礦用本質(zhì)安全型黑光攝像儀與普通礦用攝像儀在井下不同照度環(huán)境下傳輸至地面客戶端的視頻監(jiān)控畫面效果對比如圖7—圖10所示，不同照度環(huán)境測試結(jié)果見表2。

圖7 照度0.1Lux拍攝畫面對比圖

圖8 照度0.01Lux拍攝畫面對比圖

圖9 照度0.001Lux拍攝畫面對比圖

圖10 照度0.001Lux人像拍攝畫面對比圖

表2 不同照度環(huán)境測試結(jié)果

通過以上不同照度環(huán)境下視頻監(jiān)控畫面及測試數(shù)據(jù)對比可以看出，礦用本質(zhì)安全型黑光攝像儀在入井口或井下大巷照度大于等于0.01Lux的環(huán)境下均能清晰穩(wěn)定呈現(xiàn)現(xiàn)場實時作業(yè)情況，在井下綜采面照度為0.001Lux的環(huán)境條件下呈現(xiàn)的實時作業(yè)畫面略微模糊，但對人像的捕捉畫面相對比較清晰。相比普通礦用攝像儀可以更加清晰穩(wěn)定地反映井下實時作業(yè)狀況及車輛、人員、設(shè)備等目標(biāo)信息情況。

5 結(jié) 語

本文結(jié)合煤礦井下的特殊環(huán)境情況，通過對黑光夜視成像技術(shù)，光電轉(zhuǎn)換技術(shù)、本安技術(shù)、礦用本質(zhì)安全型黑光攝像儀精確測試技術(shù)的研究，研發(fā)出了礦用本質(zhì)安全型黑光攝像儀。經(jīng)煤礦現(xiàn)場及實驗室的精確測試，其各項性能指標(biāo)均優(yōu)于普通礦用攝像儀，在任何特殊環(huán)境條件下均可以清晰穩(wěn)定全方位地反映井下實時作業(yè)情況，安全可靠的本安電路設(shè)計及體積小操作便捷等特性均可以更好地滿足煤礦井下視頻監(jiān)控需求。