成像测试（精选六篇）
成像测试 篇1
1 系统组成及原理
1.1 系统组成
红外成像设备内场测试系统主要由计算机图像虚拟机和红外场景生成器组成,如图1所示。
计算机图像虚拟机是以计算机图形工作站为计算平台和控制中心,以目标、背景特性数据为基础,利用Multi Gen Creator建模工具,建立地面或空中背景下目标的三维几何模型,采用三维视景驱动软件Vega和Visual C++编程生成红外成像检测验证试验所要求的虚拟环境,建立红外成像设备的动态视场虚拟机,生成数字场景。
红外场景生成器与红外成像设备工作在同一波段,模拟真实目标和背景在红外成像设备接收系统入瞳处红外辐射能量的空间分布和时间变化,使红外成像设备得到一组与真实目标背景一致的红外景象。不仅能模拟目标和背景的红外辐射特性,而且还能反映目标和背景的运动特性,使红外成像设备如同在真实目标环境中工作。
1.2 计算机图像虚拟机
计算机图像虚拟机由虚拟环境模拟单元、红外成像设备视场模拟单元、过程控制单元、人机交互单元和计算机图形工作站等部分组成。如图2所示。
图中各组成部分分别具有如下功能:
虚拟环境模拟单元主要完成战场环境三维视景的实时生成与显示,为红外成像设备对目标进行探测提供一个直观的可视化平台。建模工具采用Multi Gen Creator,该软件具备强大便捷的矢量编辑、交互式建模与装配以及地形地貌生成功能[3]。利用MultiGen Creator建立天空背景和目标的三维几何模型。虚拟场景利用可视化应用程序开发工具Microsoft Visual C++6.0,基于MFC来编写Vega驱动程序[4],通过实时生成各种条件下动态的、高逼真场景红外成像,从红外成像设备视点模拟观测红外成像设备探测目标的工作全过程。该场景主要提供给监视人员,对此红外成像设备进行评估。
红外成像设备视场模拟单元主要完成红外成像设备成像传感器视场对应场景的实时生成功能[5]。该单元从人机界面获取被试红外成像设备探测器参数,结合红外成像设备坐标参数,确定红外成像设备在虚拟环境中的实时位置信息;根据红外成像设备的瞬时视场角和像素数目,确定观测场景大小和分辨率,以高帧频(大小取决于场景的复杂度和计算机图形工作站性能)实时获取进入探测视场的图像序列。同时,考虑了典型大气环境下大气对红外成像设备的影响参数和红外成像设备自身物理特性对成像质量的影响。从而形成逼真的目标模拟图像。图3给出了计算机生成天空图像和红外成像设备拍摄的实际图像。
过程控制单元主要完成设备实时控制及目标载体运动轨迹的计算,确定红外成像设备与各种动态目标的几何关系。
人机交互单元为操作人员提供一个友好的操作界面,便于观察对比可视窗口。
计算机高速图形工作站完成虚拟环境模拟单元和红外成像设备视场模拟单元的计算、生成和同步协调等功能。工作流程示意图如图4所示。
1.3 红外场景生成器
红外场景生成器用于将计算机图像虚拟机生成的目标和背景红外图像转换成真实的红外图像,为红外成像设备测试、验证提供红外目标模拟环境。
目前,红外场景生成器主要采用热电阻阵列、液晶光阀、IR-CRT和数字微反射镜阵列DMD等技术[6]。
热电阻阵列机理为采用计算机技术控制微型电阻阵列中每个电阻单元的电流强度。按照普朗克定律,各电阻单元的热辐射强度随电流强度变化而变化,辐射的能量大小由电阻的温度、占空因子和辐射率决定。若阵列的温度场以一定的帧速变化,将呈现动态红外场景。
液晶光阀(LCLV)将计算机图像虚拟机生成的图像投影在液晶光阀高电阻一侧的硅光电导上,激发出光电荷载流子,电荷载流子产生空间电压图案转移到高阻抗的液晶层上,引起液晶分子重新排列,导致双折射率发生变化:另一方面,黑体辐射偏振分束器线性偏振后,均匀地照射在液晶层另一侧,按照液晶层空间电压分布,使黑体辐射的偏振方向发生旋转,再通过偏振分束器调制,即可得到红外图像。单晶硅液晶光阀是整个系统的关键部件,其性能主要由响应时间、分辨率和对比度等参数决定。
IR-CRT是一种特殊的阴极射线管,与普通可见光CRT的不同之处在于其采用了红外磷光体材料、热电制冷的反射式靶屏结构、透红外窗口和特殊的对应的动态红外图像[7]。
DMD数字微反射镜阵列,是采用微电子机械原理,利用铝溅射工艺,在半导体硅片上生成的一些方形微镜面。数以百万计的微镜面用铰链结构建造在由硅片衬托的CMOS存储器上。利用静电原理,可使每一个微镜面沿着它的对角线轴线翻转+10°或-10°。当受到光源照射时,每一个微镜面可以反射一个像素的光。当微镜面为+10°时,镜面对着光源,反射光可以通过投影镜头投向屏幕,形成一个亮点;当微镜面为-10°时,镜面背向光源,反射光则不能通过投影镜头而被光吸收装置所吸收,在屏幕上形成一个黑点。通过控制每个微镜面在两个状态的时间,即可实现光的脉冲宽度调制,形成不同亮度、灰度和对比度的图像。表1给出了红外场景生成器的主要技术特点[8]。
根据目前技术水平和应用情况,本系统红外场景生成器采用DMD数字微反射镜阵列。
2 结论
以DMD型红外场景生成器为基础设计了红外成像设备内场测试系统,并对各组成部分的工作原理进行了说明。文中设计的红外成像设备内场测试系统已经成功应用于多个红外成像设备的性能测试,大大减少外场测试实验的次数,节约成本并提高工作效率。
同时,根据相关项目的具体要求,可将该红外成像设备内场测试系统嵌入其中,通过进一步针对性的开发形成实时仿真环境,丰富红外成像设备的探测、跟踪和识别算法研究的科研手段。另外,通过红外辐射定标工作,可以对红外成像设备内场测试系统中红外辐射进行物理标定,可进一步将红外成像设备内场测试系统开发成红外成像计量设备,扩展红外成像设备内场测试系统应用范围。
参考文献
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[2]娄树理.动态红外景象生成方法研究[J].红外与激光工程,2004(4):427-431.
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[4]钱康,王爱民.基于Multigen Creator和Vega的舰载捷联惯导系统的视景仿真设计[J].舰船电子工程,2011(9):92-99.
[5]肖树臣,刘凡,杨尚君.基于Vega的动态红外图像仿真[J].电光与控制,2012(5):4-12.
[6]耿康,周起勃.动态红外景象仿真技术的研究[J].红外,2006(2):23-27.
[7]李平,李卓.基于LabVIEW的红外场景生成器最小可分辨温差测试[J].北京理工大学学报,2010(4):943-946.
成像测试 篇2
关键词：
模型实验； 船舶撞击； 运动轨迹； 图像处理
中图分类号： O 439 文献标识码： A
引 言
随着船舶运输事业的不断发展，受船舶撞击引起的桥梁损伤事故日益增多。这类事件往往造成桥梁结构、安全及抗撞能力的损失，更严重的会造成桥毁人亡的后果，因此对桥碰撞的研究显得尤为重要。目前国内外理论研究、碰撞实例调查和模型实验的研究集中在船舶撞击桥梁的概率、撞击动能等方面[1-3]，随着计算机软硬件的发展，将视觉测量技术应用于船桥撞击实验，可以更加有效、直观地分析撞击过程。
视觉测量技术是计算机视觉领域中一种重要的测距方法，是以图像运算为基础，测量物体的位置、姿态及运动轨迹等。单目视觉测量是指仅利用一台视觉传感器采集图像，对物体的几何尺寸或者物体的在空间的位置、姿态等信息进行测量[4]，优点是结构简单、相机标定也简单，同时避免了视场小、匹配难的不足。单目视觉三维测量的常用方法有结构光法[5，6]、几何光学法[7]、激光辅助测距法、辅助测量棒法[8]、几何形状约束法[9]等。由于视觉传感器结构限制，上述方法在对远距离识别上有困难。文中改进几何光学法，在物体上标记明显的标靶，使系统识别更加准确、方便。
1 测量原理及系统结构
1.1 单目视觉测量标靶的几何成像原理
防撞装置的原理和防撞过程是：桥墩的防撞装置要柔软，当船撞上桥墩时，防撞装置稍微后退一点，同时给船头一个侧向力，拨开船头，使船的动能大部分保留在船上；同时防撞装置消耗掉一部分能量。由此可测得的撞击力会出现一个弧度。原理性实验装置示意图如图1。
1.2 单目视觉测量系统结构
实验采用的测量系统组成如图2所示，包括运动标靶[10]、外置光源、图像采集设备、计算机组成。受测量距离的影响，现采用红外光源照明，减少环境光的干扰。图像采集设备采用的是Photron FASTCAM 高速摄像机，最高采集速度250 000 FSP；测试时设定为125 FSP，1 024×1 024 pixel。
2 图像处理过程及结果分析
2.1 系统结构及算法思想
测量时，通过CCD采集到的图像来判断这三个标记圆的位置，计算出目标中心的视线角，根据计算出的目标位置（x，y，z），利用图像匹配，得出运动轨迹，最后估算出整个过程的撞击力。整个过程见图3：
实验地点位于浙江宁波象山大桥工地。摄像机位置距离地面大约1 m，由此获得的图像可近似看作平视图。并且拍摄时采用三角架固定摄像机，由此获得的运动连续图像具有背景不变的性质。
2.1.1背景分割
现采用基于像素的阈值分割，它根据像素的某种特性来选取适当的阈值，阈值将像素分成目标和背景。由于事先预判背景、物体和特征点的特点，认为在整个过程中灰度图像不会出现大的变化，故采用人工选取阈值T，完成图像的二值化。
2.1.2特征点的提取
对象标记选取是系统的核心部分，也是后面运动物体轨迹提取的基础。对象标记是在灰度图像的基础上进行的，其实质上就是给一幅图像中的所有物体赋予一个可以把该物体与其它物体区别开的标记[9-11]。
（1）分析第一帧照片的矩阵特点，手动选取标记的大概坐标，然后在第一帧中选取一块包括该标记足够大的区域（区域大小视试验运动距离而定）。
（2）将区域平均分割为n×n个小方格（n随像素大小和区域的大小而定，要确保分割后的方格不能包含两个或两个以上特征点的像素）。
（3）扫描该区域，按照从左到右，从上到下的顺序搜索，找到的第一个目标点（标识图像中的黑点）作为跟踪的初始点，记为A；沿着初始像素A的右、右下、下、左下四个邻点找下一个边界点，如果没有找到就将目标轮廓定为一个孤立像素点，反之，就将该边界点记为B；接下去，从B开始搜索，按右、右下、下、左下、左、左上、上、右上的顺序找相邻八领域中的边界点C，如果C点就是A点，就表明已经搜索一圈了，结束搜索，否则从C点接着搜索，直至找到A点为止。
（4）对标号相同的的方格中灰度值大于T的像素的个数进行统计，这些灰度点就是所求特征点的中心坐标。
2.1.4提取常规技术
在轨迹提取上，系统采用的是逐帧照片追踪的方法。由于拍摄所得的图像是连续的，因此可以获得以下一些常规结论：
（1）在相邻两帧图像上车辆位置不会变化太大。
（2）在相邻两帧图像上车辆运行方向和区域面积不会发生太大变化。
在具体追踪中，首先在第一帧图像中选中运动目标上的标记所在的一块区域，程序自动记下该区域。然后按顺序打开后面帧图像，假如图像上的目标标记为n帧，则运用前面的标记程序对这n个物体标记，然后求出第一帧初始区域中目标点到这n个点的距离。比较这n个值，最小的那个点所代表的物体为被追踪物体。保存坐标到一个数组中，同时用距离原中心点最近的那个点的坐标来替代原中心点坐标，作为下次比较的基准点。如此连续追踪，假如追踪了k幅连续图像，数组里面就会记录下（k-1）个中心点的位置，描绘出这（k-1）个点，就获得了被追踪物体的该段运动轨迹。
2.2 数据分析
2.2.1撞击轨迹分析
通过改变小车撞击实验相应的参数，如：撞击角度、质量、重心位置、桥墩刚度等进行重复撞击实验，共进行了6组实验，获得相应的6组数据，经过上述的数据处理之后，得到了在各参数下的小车运动轨迹。
撞击过程中小车位置的变化用船上标记圆的位置坐标变化来描述，将各参数下的标记圆的运动轨迹画在同一张，如图4所示。
2.2.2撞击转角的变化
同样将实验中各参数得到的转角变化画在同一张图中，如图5所示。
实验数据说明：图5中的标号1～6是与图4中的标号相对应的，即标号1表示实验的第一组数据，其撞击角度为45°，载重量为初始安放位置。标号2表示增大撞击角度的实验数据。标号3表示增加小车载重量的实验数据。标号4表示重心前移的实验数据。标号5表示桥墩上贴上泡沫改变刚度的实验数据。标号6表示重心后移（空气中）的撞击实验数据。
由图5可以看出，小车在撞击之前的理论运行角度应为45°。但是由于实验时模型船的角度是由人工控制的，会带有随机误差，导致初始撞击角度不是45°，因此，各参数下的数据没有严格的可比性。但是由于其角度误差不是很大，故可对各组数据看进行定性的比较分析。
所得目标物的坐标见表1：
因为工况不同，各自的X，Y坐标不能进行对比分析，这里简要的给出距离误差分析，通过算法测量出的距离误差都小于0.3%，达到很高的准确度。
3 结 论
文中提出了用几何成像法实现单目测量，该方法具有特定特征点的目标物运动轨迹及深度。实验结果显示了方法的准确性有效性。由于测量的精度取决于很多方面的因素：特征点及相机的机械安装精度、光学透镜成像系统的影响、图像处理算法的影响，特征点图像坐标提取精度等。在现有的器件水平及工艺条件下，要想提高测量方法的精度，除了设备本身外，算法（包括相机标定算法、图像处理算法等）的重要性显得愈发的重要。现在仅讨论了简单背景下船体撞击过程的测量，对于更加复杂的三维定位和综合相关跟踪将是下一步研究的重点。
参考文献：
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成像测试 篇3
关键词：医用光学,模拟眼,光学相干层析,三维分辨率
0 引 言
自从上世纪90年代首次用于离体视网膜检测以来[1],光学相干层析(OCT)成像技术已经获得了令人惊叹的进步和广泛的应用。尽管OCT在检测皮肤、牙齿、心血管、脑成像等医学领域都开展了研究,但至今为止,眼科仍然是OCT技术最匹配、应用最成熟的领域[2,3,4,5,6,7,8]。众所周知,OCT技术早已在美国、欧洲和亚洲等地获得临床诊断许可,但是与之相关的国际标准却迟迟没有发布。在OCT这个领域里,不管是制造商、临床使用者还是第三方检测机构都迫切需要一种有关OCT的标准测试方法与评价机制,从而确保注册检验、日常质控以及产品比对的顺利进行。
为了确保OCT设备的日常质控,可以定期检测一些关键的物理参数,如光源光谱和光束特性等。另一种测试方法就是采用模体检测,这种方法不依赖OCT的工作原理或某个特定内部模块,而且不用拆机属于非破坏性检测,其结果能更客观更全面的反映OCT设备的性能指标。国际上有不少实验室已经在从事OCT模体方面的研究,主要用于评价OCT的成像分辨率性能。英国国家物理实验室(NPL)的Tomlins和他的同事对OCT的横向与轴向分辨率进行了详细的理论论述,并采用透明树脂掺杂二氧化硅微球的办法制作了OCT点扩散函数模体用于评价OCT设备的三维成像分辨率性能[9]。美国食品药品监督管理局(FDA)的Agrawal等人在实验室研制了一款掺杂纳米尺寸颗粒的模体,用于评价OCT设备的三维点扩散函数[10]。美国国家标准与技术研究院(NIST)的Chang等人也尝试利用化学方法制作了层状光学组织模体用于测试OCT设备的轴向分辨率和成像对比度[11]。除了这些标准或监管机构的实验室之外,英国肯特大学的Avanaki等人也基于米氏散射理论研制了环氧树脂模体[12],并尝试掺杂了两种不同的散射颗粒:聚苯乙烯微球和金微球。针对眼科OCT设备,一些仿真视网膜的组织模体也成为了研究热点。Rowe和Zawadzki设计并制作了一种模体[13],包括5层透明组织,每层组织厚约60 ?m但具有不同的光学折射率,不仅如此,视网膜的中心凹也被仿真出来了。De Kinkelder等人也研制了一款层状模体用于仿真视网膜的生理结构[14],且具备很高的散射对比度。Baxi等人采用分层旋转涂覆掺有纳米颗粒的硅树脂,然后通过激光微刻蚀的方法去改变表面形貌,最终展示了一种视网膜模体[15],既仿真了视网膜厚度及近红外光学特性,也模拟了视网膜中央凹区的表面形貌。由于普通的平面加工工艺很难制作出微米尺度的三维图案去检测OCT设备的三维分辨率性能,一些新型的制造工艺如飞秒激光亚表面微刻技术[16]或改进后的刻蚀浇注方法[17,18]都被用于尝试制作OCT设备的三维分辨率测试工具。
本研究中,我们设计并制造了一种能够为眼科OCT设备提供三维分辨率测试图案的新型模拟眼,该测试图案的设计参考了USAF1951靶板并通过3D打印工艺制作模拟眼的眼底。不同于传统的USAF1951靶板的二维平面图案,新型模拟眼的测试图案都是三维的,不仅能够检测OCT设备的横向分辨率,而且也可用于评价其轴向分辨率。通过检测这种新型模拟眼,OCT设备的横向与轴向分辨率性能检测可以同时实现。为了验证这种新型模拟眼的有效性,使用一台科研级和一台临床用OCT设备分别对该模拟眼及三维分辨率测试图案进行了检测,研究结果表明该模拟眼能够对OCT设备的三维成像分辨率性能进行初步评估。
1 模拟眼的设计与制造
1.1 模拟眼设计
如图1所示,模拟眼的设计完全与真实人眼的光学结构相符,一些关键的光学元件如眼角膜和晶状体的结构都在该设计中实现。正常成年人眼的前后径平均为24 mm,垂直径平均为23 mm,最前端突出于眶外12～14 mm,为了简化模型,我们将包括视网膜的后半眼球设计成直径为24 mm的半球体。眼内腔包括前房、后房和玻璃体腔,眼内容物包括房水、晶状体和玻璃体,三者均透明,并与角膜一起共称为屈光介质。眼球最前面的光学结构是角膜,直径大约12 mm,其中垂直径略小于水平径。角膜的前后表面可以被近似的认为是球面,前表面的曲率半径约为7.8 mm,后表面的曲率半径约为6.8 mm,角膜中央区的厚度约为0.5～0.6 mm。
位于晶状体前,由虹膜构成的小圆孔,是人眼的孔径光阑,也叫瞳孔,它可以根据物体明暗调节进入人眼的光量大小,人眼瞳孔的直径可变动于1～9 mm之间。为了测试的方便,我们通过表面喷漆和一个橡胶圆环实现了7 mm直径的人工瞳孔。人工晶状体呈双凸透镜状,前表面曲率半径约12 mm,后表面曲率半径约为6 mm,中央厚约4 mm。真实人眼的晶状体富有弹性,当需要眼睛调节以看清远距离或近方物体时,主要通过改变晶状体前后表面的曲率半径来实现。
置于模拟眼眼底的三维分辨率测试图案参照了USAF1951靶板的设计,但与之不同的是,其所有的图案都是三维立体的。图案包括两部分:横向分辨率测试图案与轴向分辨率测试图案。其中横向分辨率测试图案包括6组测标,每组测标由垂直排列的三条纵向与三条横向的长条图案组成。所有的长条图案拥有相同的凸起高度100μm,长宽比5:1,但其宽度每组各不相同,从小至大依次为20μm,50μm,100 μm,200μm,300μm和500μm。纵向分辨率测试图案也包括6组测标,每组测标是一个矩形图案。所有的矩形图案拥有相同的长度(2 mm)和宽度(0.5 mm),但其凸起高度每组各不相同,从小至大依次为20μm,50μm,100 μm,200μm,300 μm和500μm。
1.2 模拟眼制造
为了方便模拟眼的制造工艺与后期装配,整个模拟眼被分成三个模块分别加工:眼前节部分、晶状体和视网膜半球体。眼前节部分和晶状体采用透明树脂通过注塑工艺成型,而包含三维分辨率图案的视网膜半球体加工则使用3D打印技术来实现。树脂注塑工艺提供了很好的光学透射性能,这一点对眼前节和晶状体模块至为重要,但这种工艺的缺点是需要使用模具。而3D打印技术不仅不需要任何模具,而且可以突破平面制造工艺的局限,能够制造复杂的三维结构。本研究中所设计的三维分辨率测试图案就是一种较复杂的三维结构,不仅长宽尺寸不同,而且高度各异,再加上又分布在一个半球面上,如果采用传统的平面制造工艺很难实现。因此,本研究采用了一种高精度的光敏树脂作为加工材料,一层一层的铺设,最小层厚可达16μm,使用紫外光对每层光敏树脂材料进行选择性的固化,从而最后实现整个视网膜半球体的加工。
三个模块都完成加工后,将眼前节与视网膜半球体模块都浸入到水中,在水面下将人工晶状体通过一个橡胶圆环固定在眼前节模块上,然后再与视网膜半球体模块通过提前设计好的卡槽进行衔接密封,如图2。通过这种水下装配的方法,确保了前房和玻璃体的中空结构都被水充满,从而模拟真实人眼的房水与玻璃体环境。不可否认,这种水下装配工艺稍显复杂,在后期的工艺改进上,我们在眼前节与视网膜半球体模块上分别都设计了一组进液与出液口,这样一来,眼球模型可以在空气环境中完成装配,模拟房水与玻璃体的液体可以在装配结束后通过进液口注入到前房与玻璃体结构中,既简化了装配工艺,增强了模型密封性,又增加了模拟体液的选择灵活性。
2 测试结果
2.1 OCT 系统
测试使用了一台科研级和一台临床用OCT设备,两台设备都是谱域OCT系统,其结构原理如图3所示。科研级OCT系统的工作中心波长是1 310 nm,通过结合两台超辐射发光二极管(SLD)光源得到近170 nm的带宽。此外,该OCT系统还配置了一套可见光探测的CCD系统,用于实时观察并对照OCT所检测的样品区域。该OCT系统的轴向分辨率和横向分辨率分别为6.5μm和13μm。临床OCT设备使用的是日本拓普康公司的3D OCT-1000,该谱域OCT系统的轴向分辨力可达5 μm,横向分辨力优于20μm。
2.2 OCT 测量结果与讨论
采用科研OCT系统对视网膜半球体上的轴向分辨率图案进行了检测,得到的B-scan图像如图4(a)所示,有四组高度顺序降低的图案沿着弧面清晰可见,但图像右侧高度最小的两组图案很难观察到,造成这种情况的原因很可能是所使用的3D打印工艺的加工精度不够。本研究所使用的3D打印工艺的精度在深度方向是16μm,在平面的X与Y方向上是42μm,而我们所设计的轴向分辨率图案中最小的两组的深度依次是20μm和50μm,比较接近该3D打印工艺的精度极限,正因为这个原因,在图4(a)中几乎观察不到高度最小的两组图案。值得注意的一点是,从图4(a)中能观察到的四组轴向分辨率图案的剖视图并不是很理想,上表面与两个侧面都不平整,与预先设计的沿弧面分布的矩形轮廓有差距。这样表面轮廓不规则的图案本身的几何尺度参数难以标定,如果用来作为测试或检验的标准,势必会造成困难。因此,未来的研究将会重点关注如何提高3D打印工艺的精度与稳定度,确保制造能得到足够精细的图案,并且形状规则,本身的尺度参数工艺可控且稳定。
图4(b)是采用临床OCT对装配好的模拟眼进行检测得到的视网膜三维图像,受限于临床OCT系统的观察视野,只能看到部分横向分辨率和轴向分辨率的图案。考虑到该模拟眼较复杂的整体结构,能得到清晰的OCT眼底图像证明了这种工艺的可行性,显示了采用3D打印技术制造OCT模拟眼的巨大潜力。
(a) 使用科研 OCT 系统得到的轴向分辨率测试图案的 B-scan 图像; (b) 使用临床 OCT 系统得到的眼底分辨率测试图案的三维重构图像
3 结 论
成像测试 篇4
1 硬质场地电流传播的基本原理
硬质场地,顾名思义是指建筑物表层比较坚硬的人工或天然的界面,如裸露的基岩、沥青路面、混凝土层及砖块板石等覆盖层[12]。硬质场地,比如混凝土路面电阻率一般位于470 ~530 Ω·m范围之间,可有效抑制钢筋锈蚀[13,14],这为直流电法勘探在硬质地面上的应用提供了物性基础。不过硬质场地上应用直流电法探测目标体,大接地电阻左右了对地电场数据精确程度的可靠性采集和异常信号的有效识别。因此,一种能降低接地电阻,及时有效的识别异常体信息是直流电法更好的服务于硬质地面工程勘探的关键技术。
土体介质主要通过土中所含的水分以及溶解在水中的矿物质中的离子迁移导电[15]。当有电流由接地体流入土体时,土体对电流具有阻碍作用,这个作用力即接地电阻。接地电阻大小与接地电极和介质电阻有关,介质电阻与其内部含水量、物质成分、孔隙度结构等因素有关。一般地,接地电阻包括电极与设备间的连线、电极本身和电极与土壤间电阻的总和。针对电极无法在硬质地面安装以及电极与水泥直接接触较差,提出采用黏土布袋放在硬质地面上充当接地电极,以期降低接地电阻。为探究沙袋电极电阻率大小对硬质地面电流密度的影响情况,假设供电源点位于沙袋电极中,测量点位于硬质地面内部。为简化处理,空气电阻率看作无穷大,且忽略空气与沙袋分界面对电位的影响。电流场从沙袋中流入硬质地面时,电力线会发生弯曲,产生反射、透射等现象。图1 中A点供电电流为I1,电流密度j1,可通过镜像法求取O点的电流密度j2[16]。
满足边界条件:U1=U2;j1n=j2n;E1t=E2t。
则:
式中:称为透射系数。
通过上式可以看出,流入地下的电流随着硬质接触地面阻值的增大而减小,说明高阻对电流具有排斥的作用。为了获取最佳的勘探效果,减少接地电阻是必要的。
2直流电法硬质场地探测效果数值模拟
直流电法应用于混泥土等硬质接触面时,相对于下方黏土电阻值表现为相对高阻,如同在电极与黏土之间增设了高阻屏蔽层。因此,为了准确探测目标体的空间参数信息,需探讨硬质场地的大接地电阻引起地电信息畸变情况。比较分析不同范围、程度的硬质场地引起异常体空间分布和变化规律。数值模拟是建立在Earth Imager2D软件平台之上,利用表层电阻率的高低和范围值模拟电极不同的接地电阻大小和区域连续性,利用具有较强抗干扰能力强、分辨率较高的温纳装置观测电场响应特征,进而为分析比较有无硬质场地的干扰提供建设性思路。
2. 1 硬质场地高阻空洞模型
如图2 所示,在背景电阻率为20 Ω·m均质介质的地电模型中安置一个尺寸为6 × 2. 5 m2,电阻为500 Ω·m的异常高阻体来模拟地下空洞。顶部埋深3. 7 m。采用温施装置勘测,电极间距1 m,电极总数为64 道。在该模型表层厚度0. 5 m内分别设置4 种硬质地层: a为测线1 ~ 64 m,电阻20 Ω·m地电模型; b为测线1 ~ 64 m,电阻1 000 Ω·m模型; c为测线1 ~ 32 m,电阻1 000 Ω·m模型; d为测线1 ~ 12 m,24 ~ 36 m,48 ~ 64 m,1 000 Ω·m模型。利用配套软件反演及相对处理分别得到图3( a) ,( b) ,( c) ,( d) 反演电阻率分布图像如图3。
从反演得到的图像上均能反映出高阻异常体的基本特征。由于接地电阻大小、分布位置的差异,显示出不同程度的畸变虚假异常。图3( a) 中浅表层电阻率较低,传播到地下的电流较多,图像可以直观清晰反映出异常体的真实位置; 而图3( b) 中异常体呈现“锥形”,深度上也有所偏差,异常体两侧出现连续的虚假异常; 图3( c) 中在表层电阻率较大的范围上出现虚假异常; 图3( d) 因表层电阻率的大小、位置分布不均匀,反演断面出现零散复杂的畸变异常,给正确识别高阻异常增加干扰。总之,直流电法在导电的硬质地面上探测空洞是可行的,不过针对硬质地面探测时,需对反演图像中的畸变信息进行甄别,提取真实的地下空间的电性分布特征参数。
2. 2 硬质场地岩土层模型
硬质场地下方分布不同阻值的层状岩土层,受接地电阻分布和大小的影响,直流电探色谱图上会出现不同差异的电性响应特征。如图4 所示,地电模型设置为上下两层,其中深度方向上0 ~ 3. 7 m范围内是用10 Ω·m的低阻模块模拟基岩上覆盖层,其下方电阻率值为500 Ω·m的区域表示基岩体。电极间距1 m,测线长度63 m,测量电极的组合方式仍是采用温纳排列方式,此地电模型表层电阻率设置的分布范围与大小与高阻空洞模型相同。利用Earth Imager2D软件中的基于圆滑模型的最小二乘法反演计算,得到如图5 的反演电阻率分布图像。
图5 是经过反演得到的模型电阻率结果图像,表层电阻率的分布及大小不同引起探测岩土体分层情况有所差异。当各电极接触地面均匀且浅层适当较小时,反演结果与模型设置的阻值分布一致,地层的界面较为清晰,这为具体勘探活动提供有力的参考如图5( a) 。图5( b) ~ 图5( d) 是浅层电阻率范围和大小不同情况下,地下断面的反演结果图。图5( b) 、( d) 图中显示出的高低组分界面基本与实际模型吻合,只是在接地电阻较大的位置下方显示出比相对高阻异常,这可能是由于表层电阻率较大引起下方畸变形成的。图5( c) 中的接地条件是由两部分构成,从反演结果来看,接地情况与界面的深度具有相关性。接地条件欠佳的地方,相对高阻对电力线的传播具有“排斥”作用,传播到深部的电流密度稀疏,探测相对深度小一些。接地情况较好的地方,探测深度得到提高,不过可能与实际深度位置有偏差,实际工作是应综合考虑。
3 硬质场地测试的物理模型试验
从数值模拟的结果中,认识到浅层电阻率的大小和分布范围对地下空间的地电场分布产生干扰。为了更为真实的揭示出目标区域的地质情况,自制了一降阻电极装置,以期实现准确、便捷、有效、更为美观的进行硬质场地地质情况的勘察工作。
3. 1 降阻电极的制作与检验
为降低接地电阻阻值,利用布袋与硬质场地面充分接触,通过布袋里的黏土介质降低接地电阻,利用粘土内的铜片增大接触面积,利用导电线连接沙袋铜片与电缆电极,这四个部分组成电法与硬质介质的连接装置核心部位,可有效降低硬质介质的接地电阻,获取良好的地质体内电阻率数据,为工程勘查处理提供有效技术参数,降阻电极装置模型如图6( a) 所示。
采用并行电法勘探系统对装置的有效性进行检验,试验中采用7 道电极,供电电压48 V,采用单点电源场的供电方式,供电电流脉冲为单正恒流方波。AM法采集到的数据经过一次场解编处理后,提取所有侧线上电极的激励电流值。当供电电压一定时,供电电流的大小与接地电阻相关[17],通过对不同电极类型,不同接触条件的对比,观测不同接地环境下铜电极和降阻电极的适应性。如图6( b) 中显然可以看出,自制电极在水泥路面上的电流值为20. 454 m A远大于铜电极的电流值,表明自制电极在水泥路面勘察中优势特变明显。
3. 2 含高阻洞体物理模型试验
本次实验的高阻目标体为一下水道,该下水道顶面是由水泥筑成的路面,两侧都是草地。洞体埋深1. 5 m,宽度2. 3 m,垂向深1. 5 m。基于便利的场地条件,分别在路面和草地上各布置了一条测线进行降阻电极和铜电极测试效果对比实验,测线线距5 m,每条测线布置32 个电极,电极间距0. 5 m。采用了WBD型并行电法系统开展实验测试工作,把采集到的数据经过配套软件优化处理得到了图7的视电阻断面图。
下水道是由混凝土材料堆砌而成,外形呈现出圆筒状空腔,与周围的土壤存在明显的电阻率差异。图7( a) 、( b) 是采用自制的降阻电极和铜电极供电情况下,采集到数据处理得到的视电阻率图像,在测线8 ~ 10 m位置上有一相对高阻异常区域,可以看出两者与实际下水道洞体的位置十分吻合。相比扎入黏土中铜电极,置于水泥路面上的降阻电极采集到的高电阻率呈现条带状,异常幅度值相对较小,对下水道反应深度界面有所减弱,但对潮湿地下的低阻区响应甚是敏感。
3. 3 地层接触面物理模型试验
为了检验自制电极在地下岩土体探测的分层效果,选择某场地为探测靶区,采用并行电法勘探系统作为测试和后续处理的手段,电极间距2. 5 m,电极个数16 道,采用abm法采集方式,数据解编、去噪后提取温纳四极装置视电阻率进行层析成像( 图8) 。图8 中视电阻率值整体从上到下呈递增趋势,成层状分布。视电阻率值后续根据路旁钻孔资料直观看出,该表层0 ~ 4. 5 m为壤土层,土层中含有杂草等杂物; 4. 5 ~ 6. 3 m为含有岩砾的黏土层,相对表层土壤较干燥; 6. 3 ~ 7. 5 m为中等风化质砂岩层,7. 6 ~ 13 m为中~ 粗砂岩层。总之,采用适应于硬质场地的降阻电极拓展了直流电法的应用领域,并取得了良好的效果。
4 结论
传统直流电法铜电极在受到硬质地面难以有效使用的挑战,从电流线的传播规律,接地电阻对勘探效果的影响和采用自制电极的物理模型试验几个方面着手得出以下结论。
⑴直流电法应用于现场勘探过程中,应进行一定的降阻措施,从而提高勘探效果。对于地面电阻大小分布不均匀的地区,应保证接地电阻大体相等,或者对采集后的数据进行归一化处理,减弱接地电阻引起的畸变异常。
⑵采用自制降阻电极,从理论和现场试验的角度都得到良好的可行性检验,具有较强的稳定性,方便可行性和无污染等特征。此项技术在硬质场地探测具有较强的适应性。
⑶数值模拟上采用的是通过改变第一层电阻大小来模拟接地电阻的大小,与实际情况有些出入,后续应该通过观测改变单个电极的接地电阻对地电断面的影响,更加符合现场情况。具有稳定性,长效性,无污染等特点。
摘要：针对硬质场地上直流电法电极安装难、且现场人员存在对探测成果质疑等现象,通过构建了空洞和岩土层地电模型,讨论表层不同大小和范围的高电阻触发地电场响应特征。认为表层高接地电阻会导致地电场时空分布规律发生改变,造成虚假信息增多,且干扰了对目标体信号的识别。基于此表层高电阻对测试效果影响较大,进一步提出硬质场地降阻电极,开展了对地层和空洞地下模型测试试验。结果表明降阻电极测试结果与常规电极基本吻合,两者都能准确识别目标体的空间参数信息,为硬质场地等接地电阻高的硬质环境提供了一种有用的解决方法。
成像测试 篇5
1 红外成像技术的特点
目标的红外图像与可见光图像不同, 它是根据温度的变化而生成的图像, 是人眼无法看到和辨别的。物体表面接收辐射能量的多少, 与其温度是有直接关联的, 人们可以根据这种情况, 将肉眼无法识别的辐射, 通过温度的转变, 再通过红外热成像仪转变为肉眼可见的图像, 从而为人们进行研究等工作做出科学的数据支持。红外热成像仪在对物体表面进行测量时, 具有以下的优点:
(1) 不与被测量物体直接接触就可以实现对物体温度的测量。这主要是因为红外热成像仪可以对被测物体表面的温度进行感应, 从而形成肉眼可识别的图像;
(2) 具有灵敏度高、反映快的特点。当前红外热成像仪在对物体进测量时, 可以不与被测量物体的热保持平衡, 只要保证其正常接收了辐射就可以对其进行测量[1]。并且当前灵敏度较高的红外热成像仪能够精确到0.01℃, 可见其测量的精准性;
(3) 具有较宽的测量范围。技术人员发现将红外成像的原理应用到温度测试之中, 不仅可以提升测量的精准度, 并且还可以有效拓宽其测量的范围;
(4) 具有较高的空间分辨率。红外热成像仪是利用辐射测量物体表面温度的。它主要是利用电脑等仪器通过对其温度的感知而形成肉眼可观的图像, 通过高科技的处理, 不会使图像出现模糊、分辨率等问题, 能够保持较高的空间分辨率, 这也是其主要特点之一。
2 红外热成像仪在电气安全温度测试中的应用
要想将红外热成像仪应用在电气安全温度测试中, 需与热电偶结合起来, 这样会使测量更加准确, 效果更加明显。首先, 需要根据相关的要求和标准对设备等进行检查, 然后对需要测量的产品通电, 使其正常工作;其次, 使用红外热成像仪对需要测量的物体表面进行监测, 对显示器上的颜色进行分析, 根据显示器显示的色彩, 对需要测量的温度分布场进行测量;最后, 将热电偶粘在需要测量的部位, 对需要测量的部位继续进行测量。该过程中的红外热成像仪并没有进行最终的数据测量, 而是只对需要测量的部位进行辨别和确认。对于一些无法使用红外热成像仪进行表面温度探测的部分, 则需要通过拥有丰富经验的工作人员, 或者使用热电偶进行确定[2]。需注意的是, 在使用红外热成像仪对机身内部的温度场进行探测时, 需要将机壳移除, 再使用红外热成像仪对需要测量的部位进行确定, 粘贴上热电偶以后, 需要将机壳恢复原状。
红外热成像仪的反映非常快, 探测时不会花费太多时间, 并且可实现对需要测量部位的准确定位[3]。例如, 常用电路中, 整流二极管比较多, 电路在进行工作时, 二极管的表面温度就会存在差异。测试人员通常会随机选择其中一个二极管使用热电偶进行测量, 将测量到的最高温度作为二极管类元件的温度值。这样的测量方式具有较大的盲目性, 如果测量人员所选择的二极管不是该电路中温度最高的, 那么就会使所得数据与规定值存在差异, 影响其后续工作的开展。因此, 测量工作的准确度是非常重要的, 需要相关工作人员对其给予充分的重视, 从而提升红外热成像仪测量的准确性, 为技术人员的工作提供科学的依据。
3 总结
实验室电气安全监测的一个重要项目就是温度测试, 但传统的安全测试都是使用热电偶完成的, 具有一定的局限性。随着科技的发展, 人们发现红外成像技术在温度测量中能够发挥重要作用, 将红外热成像仪与热电偶结合, 实现两种仪器的互补, 可以很好地提升电气安全温度测量的精准度。
参考文献
[1]安俊超, 荆洪阳, 徐连勇, 等.一种用红外热成像仪测定焊接热循环的新方法[J].天津大学学报, 2011, 44 (2) :148-151.
[2]赵俊杰, 刘相兴, 牛东涛, 等.红外热成像仪在变电站巡视检查中的应用[J].中国科技纵横, 2014 (13) :154-155, 158.
成像测试 篇6
1 实验部分
1.1 仪器与样品
Camsizer数字成像颗粒分析仪, 德国Retsch Technology公司生产。PE粉料, 中国石油化工股份有限公司北京化工研究院提供。分散剂A, 粉末状三氧化二铝 (Al2O3) , 市售。
1.2 测试方法
Camsizer数字成像颗粒分析仪的工作程序采用德国Retsch Technology公司提供的操作手册 (2008年版) 进行。先将PE粉料样品用Camsizer型数字成像颗粒分析仪自配的PT-100型分样仪分成8份小样, 随机挑选1份小样, 分别加入一定量分散剂A, 摇匀后进行测试。同时测试空白样品的粒度分布。
2 结果与讨论
2.1 空白样品的测试结果
采用Camsizer数字成像颗粒分析仪多次测试空白PE粉料样品 (未加分散剂A) 的粒径分布, 考察测试结果的重复性, 结果如表1和图1所示。由表1可以看出, 5次测试中同一级分数据有一定波动, 其中0.425～0.850mm级分和小于0.075mm级分的数据波动较大, 相对标准偏差 (Relative Standard Deviation, RSD) 分别为12.7%和12.5%。在样品的测试过程中, 发现有细粉黏壁现象。
%
采用Camsizer数字成像颗粒分析仪测试空白PE粉料样品时可实时获得如图1所示的粒度分布曲线, 比较5次测试曲线之间的重合程度, 可直观地评价测试结果的重复性。以颗粒直径 (x, 单位为mm) 的对数为横坐标, 以分布密度 (dQ/dx, Q为累积体积百分数) 为纵坐标, 可绘制出如图1所示的粒度分布图。由图1可以看出, 5条曲线重合部分很少, 尤其是颗粒直径小于0.25mm时, 5条曲线基本不重合。实验结果表明, 不加分散剂, 使用Camsizer数字成像颗粒分析仪测试PE粉料的粒径分布重复性不好。
2.2 分散剂用量对测试结果的影响
2.2.1 m (分散剂) /m (PE) 为0.001
先向PE粉料中加入分散剂A (m (分散剂) /m (PE) 为0.001) , 制得样品1, 然后用Camsizer数字成像颗粒分析仪测试样品的粒径及其分布, 平行测试5次, 以考察测试方法的重复性, 测试结果如表2和图2所示。由表2可以看出, 对同一粒径级分而言, 5次测试的数据波动减小。粒径小于0.075mm颗粒级分的数据波动最大, 相对标准偏差为10.6%。实验还发现, 在样品的测试过程中, 细粉的黏壁现象明显减少。
由图2可以看出, 颗粒直径大于0.25mm时, 5条曲线基本重合, 颗粒直径小于0.25mm时, 5条曲线之间的重合程度略有降低, 整体看来, 5条曲线之间的重合性较好。实验结果表明, 向PE粉料中加入少量分散剂A (m (分散剂) /m (PE) 为0.001) , 可使测试结果的重复性显著提高。
%
2.2.2 m (分散剂) /m (PE) 为0.01
先向PE粉料中加入分散剂A (m (分散剂) /m (PE) 为0.01) , 制得样品2, 然后用Camsizer数字成像颗粒分析仪测试样品的粒径及其 分 布, 平行测试5次, 以考察测试方法的重复性, 测试结果如表3和图3所示。由表3可以看出, 对同一粒径级分而言, 5次测试的数据波动进一步减小。粒径为0.425～0.850mm颗粒级分的数据波动最大, 相对标准偏差为9.7%。实验还发现, 在样品的测试过程中, 细粉的黏壁现象基本消除。
由图3可以看出, 颗粒直径大于0.25mm或小于0.1mm时, 5条曲线基本重合, 颗粒直径为0.10～0.25mm时, 5条曲线之间的重合程度有所降低, 整体看来, 5条曲线之间的重合性较好。实验结果表明, 向PE粉料中加入一定量分散剂A (m (分散剂) /m (PE) 为0.01) , 可使测试结果的重复性进一步提高。
%
2.2.3 m (分散剂) /m (PE) 为0.02
先向PE粉料中加入分散剂A (m (分散剂) /m (PE) 为0.02) , 制得样品3, 然后用Camsizer数字成像颗粒分析仪测试样品的粒径及其分布, 平行测试5次, 以考察测试方法的重复性, 测试结果如表4所示。由表4可以看出, 5次测试中同一级分的数据分布与表3接近。实验结果表明, 将分散剂A加入量从m (分散剂) /m (PE) 为0.01增加到0.02时, 测试结果比较稳定。
实验结果表明, 先向PE粉料样品中加入适量分散剂A并摇匀, 然后用Camsizer数字成像颗粒分析仪测试粉料的粒度分布, 可使测试结果的重复性明显提高。实验还发现, 测试过程中细粉的黏壁现象明显减少。比较表1、表2和表3数据, 结果表明, 3组数据在粒度分布宽度和细粉含量二方面有明显差别。不加分散剂A时, 粒度分布比较集中, 最大级分含量约为37%, 细粉 (粒径小于0.075mm的级分) 含量较少, 约为2%。向PE粉料中加入少量分散剂A (m (分散剂) /m (PE) 为0.001) 时, 粒度分布依然比较集中, 最大级分含量约为36%, 但细粉 (粒径小于0.075mm级分) 含量明显增加, 约为3%。将分散剂A加入量 (m (分散剂) /m (PE) ) 提高到0.01时, 粒度分布趋于分散, 最大级分含量约为31%, 细粉 (粒径小于0.075mm级分) 含量进一步增大, 约为4%, 平均粒径趋于更小。
%
不加分散剂A时, 样品颗粒的分散性较差, 部分细粉吸附于较大颗粒表面或样品槽壁上, 造成粒度分布集中和细粉少的假象。加入适量分散剂A后, 样品颗粒的分散性显著提高, 样品中细粉的静电吸附大大减少, 吸附于其他颗粒表面和壁上的细粉颗粒可以单个颗粒的方式从测试窗中通过, 使测试结果的重复性提高, 更接近于真实情况。
3 结论
先向PE粉料中加入适量 (m (分散剂) /m (PE) 为0.01～0.02) 具有抗静电效果的分散剂A, 然后使用Camsizer数字成像颗粒分析仪对处理后PE粉料样品的粒度分布进行测试, 结果表明, 测试过程中细粉的黏壁现象消除, 测得的粒度分布变宽, 测试结果的可重复性变好。
参考文献
[1]王迎, 郭正阳, 任春红.数字成像颗粒分析仪在聚丙烯粉料测试中的应用[J].中国粉体技术, 2009, 15 (5) :85-86.
[2]郭正阳, 刘萃莲, 任春红, 等.数字成像颗粒分析仪在聚乙烯粉料测试中的应用[J].应用化工, 2010, 39 (11) :1783-1785.