油气管道飞行器检测系统设计与实现

倪靖雄+马瑞东+张志华+向明尚

摘 要：简要介绍了一种以ARM处理器为核心控制单元，以飞行器为载体的油气管道检测系统。该系统将嵌入式技术、红外热成像技术和无线传输技术结合起来，不仅可以实现视频采集、无线传输和图像压缩等，还可以利用光谱分析红外成像仪拍摄的图像。在检测过程中，系统将红外成像仪拍摄到的图像传输到地面控制计算机上，相关工作人员通过图像判断油气管道的泄漏情况，并确定泄漏点。

关键词：ARM处理器；嵌入式技术；红外热成像；无线传输

中图分类号：TE973.6 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.05.017

随着我国石油行业的迅猛发展，我国油气管道工程也进入了黄金建设期。油气管道作为输送石油的主要通道之一，其检测技术直接影响着石油管道的输送能力和输送安全。泄漏是影响输油管道安全的主要因素之一。管道投入使用后，每年都需要作例行检查，以确保油气的运输安全。尤其是当管道使用了多年后，由于输送的油品中含有硫元素和酸性物质，管道常年裸露在外，风吹雨淋，很容易被腐蚀。特别是近几年，输油管道经常会被盗油者打孔或者发生腐蚀穿孔的情况，导致油气泄漏事故频繁发生，影响其正常使用，不仅给国家造成巨大的经济损失，而且还破坏了生态环境。因此，研究高效、可靠的管道检测技术有非常重要的现实意义。

对于现有的油气管道泄漏检测技术，在检测过程中，因为检测装置所处的位置不同，所以，可将其分为外部检测技术和内部检测技术。国内普遍采用的负压波法、放射性示踪剂法等内部检测技术并不适用于微小泄漏、泄漏点定位能力差的地方；外部检测技术中的气体敏感法、激光扫描法等又因为传感器布置困难，检测装备过于笨重、昂贵而无法普遍推广。近年来，由美国公司OILTON开发的红外热成像技术能够检测微小泄漏。这项技术是利用直升机吊装一部精密的红外摄像机，然后直升机沿管道飞行，并作相应的检测。但是，这样的红外摄像机具有费用高、设备笨重等缺点。虽然本文提出的油气管道飞行器检测系统借鉴了此技术，它使用了价格便宜、容易控制的检测飞行器搭载新型迷你光谱成像仪，解决了设备昂贵的问题。利用该检测系统可以将检测数据实时传输到地面控制计算机上，以及时发现泄漏、准确定位泄漏点。该系统具有快速高效、实用经济等特点。

1 检测原理

埋地输油管道及其周围环境会向空气中散发不规则的热辐射，并经空气向大气传播。空气作为一种传输介质，它会吸收和衰减辐射。当输油管道发生泄漏时，泄漏的液体极易挥发，形成气体（主要是碳氢化合物），进而衰减特定频率的红外辐射。

这时，可利用光谱分析红外摄像的结果，形成图像信息，并将这些信息和检测系统上传感器接收到的温度、湿度和与地面的距离等信息用基于ZigBee的无线传输技术传输给地面控制计算机，由地面控制计算机分析其具体的泄漏情况。ZigBee是一种新兴的低功耗、低成本的无线自组织网络技术，传输速率为10～250 kB/s，工作频段灵活、安全，适用于油气管道飞行器检测系统。系统检

测流程如图1 所示。

在工作过程中，飞行器沿着管道在其上方5～25 m处飞行，一路用视频压缩卡将红外成像仪拍摄的视频图像按照H264标准压缩后存入飞行器搭载的硬盘中，另一路则利用ZigBee无线传输技术将相关数据实时传输给地面控制计算机。

红外成像技术主要分为主动式和被动式两类。飞行器搭载的红外成像仪使用的是被动式红外成像技术，并且采用FLIR公司开发的高灵敏度摄像模式（HSM）实现红外成像。它不仅能远距离检测，还能减少滤光片自身热辐射对成像的影响，抑制图像噪声。

2 机载检测系统的设计与实现

机载检测系统主要由飞行器模块、数据采集与处理模块和地面控制模块组成。整个系统的结构如图2所示。

红外成像仪搭载在飞行器模块的增稳云台上，云台可以根据控制人员的操作、飞行器的位置和姿态调整其角度，以确保检测图像的质量。而数据采集与处理模块可以根据预设的程序和接收到的地面控制命令压缩红外成像仪和其他传感器传输来的数据，一路存入系统的外接硬盘中，另一路则利用无线传输技术实时传给地面控制计算机。地面控制模块包括红外成像仪控制模块、飞行器控制模块、GPS信息和姿态信息实时显示模块。其中，红外成像仪控制模块可以实时接收飞行器传回的视频图像，控制红外成像仪的对焦参数等；飞行器控制模块可以实时控制飞行器的飞行高度、飞行速度、搭载了红外成像仪的增稳云台的角度和视频拍摄角度；GPS信息和姿态信息实时显示模块则可以显示飞行器所处的高度、温度、湿度和时间等信息。

2.1 检测系统处理器

作为检测系统的核心控制单元，检测系统处理器担负着安全、稳定地完成数据、指令的调用，图像的实时传输和与I/O设备完成信息交互等任务。该系统选用了S3C6410芯片的ARM处理器，具有性能好、功耗低、成本低等优点，而功耗低的特点又保证了飞行器的待机时间。

2.2 红外成像仪

红外成像仪是用来采集输油管道红外图像的仪器，可选用FLIR公司GasFindIR系列的成像仪。该仪器用的是窄带滤光片，其图像分辨率为320×240，工作波段为3.2～3.4 μm，可实现1～8倍数字的连续变焦。将红外成像仪搭载在飞行器的增稳平台上，可以实时调整拍摄角度。

2.3 存储器设备

存储设备采用的是256 M的RAM，它为系统的高效运行提供了必要的条件。由于RAM不支持掉电后的数据保护，所以，当系统启动时，可以把存储在片外ROM中的数据程序重新调入RAM中执行。这个工作由引导程序Bootloader完成。为了提高系统存储方面的灵活性，可用外扩的SD卡存储采集到的环境信息、操作信息和检测视频信息等容量较大的文件。

2.4 飞行器

飞行器控制芯片选用S3C6410处理器，它能够高速处理数据，高效率地执行指令；传感器选用ENC-03MB单轴角速度传感器和LIS344ALH三轴加速度计。数据处理模块在飞行器中起到了衔接各模块的作用，它使用的是A/D转换器。在选择A/D器件时，主要要考虑转换精度，转换速率，信号输入范围，芯片的接口、价格、功耗等多方面因素。电机是飞行器中非常重要的部件之一，其性能直接影响着飞行器的飞行状态，综合考虑技术、性能和成本等方面的因素，特选择航模专用新西达A2212型号的无刷直流电机。在选择配浆时，特选用了型号为GWS1060HD的三叶螺旋桨。飞行器的系统结构如图3所示。

2.5 GPS定位模块

GPS定位模块选用定位精度较高的UBLOX系列的LEA-6H.它是通过卫星定位获得数据信息，利用串口将接收到的数据信息读入MCU中，并将拍摄到的红外图像实时传输给地面控制计算机，从而进行相应的分析和定位。

2.6 传感器模块

温湿度传感器采用的是瑞士公司推出的数字温度湿度传感器芯片SHT11.该芯片内置A/D转换器，具有高度集成、能够提供二线数字串行接口SCK和DATA等特点，可以通过编程操作调节其测量精度。激光测距传感器选用的是SICK公司的DMT10-2长量程激光测距传感器，其漫反射测量量程为0.5～155 m，可自由编程参数。该传感器用于测量飞行器距地面的高度。

3 实验测试

将机载检测系统放置在模拟飞行平台上综合检测输油管道，以完成相关实验。实验结果表明，该系统能够远程控制，图像实时传输、温湿度传感器信息的传输等都能够正常进行，而且图像传输稳定，无明显抖动。

4 结束语

本文介绍了油气管道飞行器检测系统的相关内容，以期为日后的相关研究提供借鉴。该系统利用红外成像技术和传感器技术能够检测出大部分管道的泄漏情况，而且它还有GPS，能够准确定位故障点。这个系统的出现为输油管道日常泄漏检测提供了一种快速、方便、节省人力和成本的巡检方式。

参考文献

[1]杨筱蘅，张国忠.输油管道设计与管理[M].东营：石油大学出版社，1996：161-163.

[2]王雪亮，苏欣，杨伟.油气管道泄漏检测技术综述[J].天然气与石油，2007，25（3）：19-23.

[3]李柔，舒奎，耿也.基于ZigBee技术的无线图像传输系统设计[J].大连工业大学学报，2015，34（5）：377-382.