基于图像合成技术的便携式超声、红外、紫外检测仪技术领域
本发明涉及属于电气设备检测领域，尤其是涉及一种基于图像合成技术的便
携式超声、红外、紫外检测仪。
背景技术
随着电网规模的快速发展，电气设备的数量飞速增长。由于绝大部分高压电气
设备为户外布置，受环境影响较大。户外变电设备在发生故障前，往往会发生局部
放电，放电源会产生声、电和化学效应。有经验的运行人员往往能够利用超声、紫
外及红外设备，提前发现设备隐患杜绝事故的发生。
在多年的实践中，超声、紫外和红外等检测设备的有效性已经得到了极大的肯
定，但是受检测技术水平的限制，单一原理的检测设备都各有其优缺点。
1、利用超声检测放电非常有效，而且可以减少可听声的干扰，但是超声波的
指向性较强，在空气中传播容易衰减，往往需要检测设备具有较高的灵敏度，同时
需要检测者具有较为丰富的经验；
2、常用的非制冷焦平面原理的红外热像仪对发热性缺陷的检出率较高，但对
于放电性故障往往无能为力；
3、紫外成像仪对于放电的检测灵敏度较高，但是容易被遮挡，对于处于隐蔽
部位或内部的放电无能为力。
现有上述单一检测设备难以满足更高精度的要求。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种检测精度
高、使用方便的基于图像合成技术的便携式超声、红外、紫外检测仪。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于图像合成技术的便携式超声、红外、紫外检测仪，包括：
超声波可视模块，用于同步采集超声阵列信号和可见光图像并对超声阵列信号
和可见光图像进行合成，获得超声可见光图像；
红外检测模块，用于与所述超声波可视模块同步采集红外图像；
紫外检测模块，用于与所述超声波可视模块同步采集紫外图像；
控制显示模块，分别连接所述超声波可视模块、红外检测模块和紫外检测模块，
用于对所获取的超声可见光图像、红外图像和紫外图像进行合成处理并显示；
电源，用于对所述超声波可视模块、红外检测模块、紫外检测模块和控制显示
模块供电。
所述超声波可视模块包括超声传感器阵列、超声放大电路、摄像头、模数转换
器、第一图像合成单元和第一显示器，所述超声传感器阵列、超声放大电路和模数
转换器依次连接，所述摄像头与模数转换器连接，所述模数转换器、第一图像合成
单元和第一显示器依次连接，第一图像合成单元将超声传感器阵列采集的超声阵列
信号和摄像头采集的可见光图像进行合成，并显示于第一显示器中。
所述超声传感器阵列由16只摆放在不同位置的超声传感器组成；
16只所述超声传感器具体摆放位置为：每四个超声传感器构成一组线型阵，
形成上、下、左、右四组线型阵，组成二维方形阵。
所述超声放大电路为双极放大电路，该双极放大电路的每级电路都采用负反馈
放大电路，且两级放大电路之间用电容隔离直流成分。
所述第一图像合成单元将超声阵列信号和可见光图像进行合成的具体过程为：
S101、将每组线型阵中每个超声传感器采集的超声信号进行叠加生成指向性
信号；
S102、利用以下公式分别对上下线型阵和左右线型阵的指向信号进行延时相
关计算：
CTB(n)＝ΣST(t+n)·SB(t)
CLR(n)＝ΣSL(t+n)·SR(t)
其中，CTB(n)和CLR(n)分别为上下线型阵和左右线型阵指向信号的相关系数，
ST(t)、SB(t)、SL(t)和SR(t)为上、下、左、右线型阵的指向性信号；
S103、分别选取CTB(n)和CLR(n)的最大值作为超声源位置的垂直坐标和水平坐
标；
S104、以步骤S103中所述的超声源位置为中心，CTB(n)和CLR(n)的最大值为幅
值，生成二维高斯函数，形成二维矩阵；
S105、将可见光图像作为背景、步骤S104中所述的二维矩阵作为前景，合成
为超声可见光图像并发送给第一显示器进行显示。
所述红外检测模块包括将红外辐射能转换为电信号、再将所述电信号进行处理
后转换为红外图像序列的红外热像仪。
所述紫外检测模块包括将紫外辐射处理形成紫外图像序列的紫外热像仪。
所述控制显示模块包括相连接的第二图像合成单元与第二显示器，所述第二图
像合成单元分别连接超声波可视模块、红外检测模块和紫外检测模块，利用图像融
合算法将所述超声可见光图像、红外图像和紫外图像进行融合并在第二显示器上进
行显示。
所述第二图像合成单元利用图像融合算法进行融合的具体过程为：
S201、提取所述红外图像中的红外目标得到红外目标区域图像，将所述红外
目标区域图像、超声可见光图像进行融合得到红外目标图像；
S202、对所述超声可见光图像、红外目标图像以及紫外图像进行图像增强；
S203、对增强后的图像进行图像配准；
S204、对配准后的图像进行融合。
所述电源采用4节5V电池供电，每节电池的容量为2500mAh。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明检测仪可获得被测对象基于超声、红外、紫外的图像信息，通过
综合图像信息进行后续检测，解决了单一设备检测存在的问题，综合了超声、红外、
紫外的优点，有效提高了设备检测的精确度，可以及早的发现变电设备的问题，避
免发生不必要的损失。
(2)本发明超声波可视模块利用超声源定位算法估计空间中各个方位的超声
强度，同时结合摄像头采集到的空间视觉场景信息共同显示。通过这种方式，检修
人员可直接观察到超声源的位置，并判断设备的放电点，尤其适用于需要远距离设
备检修，如输电高杆、高压变电站等应用场合。检修人员可以直观地发现异常超声
源的产生位置，由不可听的超声信号源成像标识为可视的图像放电点，帮助检修人
员直观、快速地判断出故障点。该技术可以实现对目标超声源的定向采集，有效地
抑制来自其它方向的噪音，从而克服工作现场的折射、干扰等问题。
(3)本发明将超声可见光图像、红外图像和紫外图像通过图像融合方法合成
为一混合图像，消除了单一检测设备在空间上的位置和角度差异，实现多种图像的
选择性重叠，从而进一步提高了检测的精度。
(4)本发明检测仪可由现场工作人员手持，对各类变电设备进行检测，检测
结果包括超声波可视检测结果、红外测温检测结果、紫外放电检测结果以及综合检
测结果，使用方便，数据全面。
(5)本发明检测仪重量轻，绝缘性能好，抗震性能好，电磁兼容性能好。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明超声传感器阵列设计示意图；
图3为本发明超声信号放大电路示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方
案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范
围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例提供一种基于图像合成技术的便携式超声、红外、紫外
检测仪，该检测仪包括超声波可视模块1、红外检测模块2、紫外检测模块3、控
制显示模块4和电源5，控制显示模块4分别连接超声波可视模块1、红外检测模
块2和紫外检测模块3，电源5分别连接超声波可视模块1、红外检测模块2、紫
外检测模块3和控制显示模块4。超声波可视模块1用于同步采集超声阵列信号和
可见光图像并对超声阵列信号和可见光图像进行合成，获得超声可见光图像；红外
检测模块2用于与所述超声波可视模块同步采集红外图像；紫外检测模块3用于与
所述超声波可视模块同步采集紫外图像；控制显示模块4用于对所获取的超声可见
光图像、红外图像和紫外图像进行合成处理并显示；电源5用于对所述超声波可视
模块1、红外检测模块2、紫外检测模块3和控制显示模块4供电。
在一个实施例中，所述检测仪重量小于3kg，带电回路和外壳之间以及电气上
无联系的各部分模块之间的绝缘电阻大于20MΩ，检测仪电源端子和信号端子对
地应能承受1min/2kV的工频耐压和5kV标准雷电波(1.2/50us)，绝缘性能好。检
测仪的防护性能应符合GB/T4208标准规定的IP55级要求，抗震性能好；电磁兼
容性能好，能够承受各类电磁干扰的要求等级。
本实施例所述的检测仪可由现场工作人员手持，对各类变电设备进行检测，检
测结果包括超声波可视检测结果、红外测温检测结果、紫外放电检测结果以及综合
检测结果。
在一个实施例中，所述超声波可视模块1包括超声传感器阵列、超声放大电路、
摄像头、模数转换器、第一图像合成单元和第一显示器，超声传感器阵列、超声放
大电路和模数转换器依次连接，用于将超声传感器阵列采集的超声阵列信号进行放
大后转换为数字形式的超声阵列信号；摄像头与模数转换器连接，用于将采集到的
可见光图像转换为数字形式的可见光图像；模数转换器、第一图像合成单元和第一
显示器依次连接，第一图像合成单元将超声传感器阵列采集的超声阵列信号和摄像
头采集的可见光图像进行合成，并显示于第一显示器中。
本实施例所述的超声波可视模块基本原理是利用超声传感器阵列采集超声信
号，利用超声源定位算法估计空间中各个方位的超声强度，同时结合摄像头采集到
的空间视觉场景信息共同显示。通过这种方式，检修人员可直接观察到超声源的位
置，并判断设备的放电点。尤其适用于需要远距离设备检修，如输电高杆、高压变
电站等应用场合。检修人员可以直观地发现异常超声源的产生位置，由不可听的超
声信号源成像标识为可视的图像放电点，帮助检修人员直观、快速地判断出故障点。
该技术可以实现对目标超声源的定向采集，有效地抑制来自其它方向的噪音，从而
克服工作现场的折射、干扰等问题。
在一个实施例中，所述超声放大电路为双极放大电路，该双极放大电路的每级
电路都采用负反馈放大电路，且两级放大电路之间用电容隔离直流成分。本实施例
超声放大电路形式如图3所示，超声信号经长距离传输衰减很严重，传感器采集到
的信号十分微弱，需要经过放大后才能进一步处理。研究中设计了双级放大电路，
每级采用负反馈放大电路，放大100倍。两级之间利用电容隔离直流成分，级联后
的放大增益可达10000倍。
在一个实施例中，所述超声传感器阵列由16只摆放在不同位置的超声传感器
组成；16只所述超声传感器具体摆放位置为：每四个超声传感器构成一组线型阵，
形成上、下、左、右四组线型阵，组成二维方形阵，如图2所示。方形阵的长边为
30cm，短边为20cm。通过这种方形阵列方式可对二维空间中的声源进行定位。
在本实施例中，利用延时相关方法来估计超声源位置。将每一个四元线阵作为
一组具有指向性的超声采集探头。利用上下两组探头并通过互相关方法来估计超声
源的垂直位置，利用左右两组探头以及同样方法估计超声源的水平位置。具体原理
为：将四元线阵中每一个传感器采集的信号叠加，以此形成指向正前方的波束，而
抑制其它方向上的噪声干扰。
在本实施例中，数字形式的超声信号和可见光图像通过USB接口输出到第一
图像合成单元，完成信号处理及显示功能。
在一个实施例中，所述第一图像合成单元将超声阵列信号和可见光图像进行合
成的具体过程为：
S101、将每组线型阵中每个超声传感器采集的超声信号进行叠加生成指向性
信号；
S102、利用以下公式分别对上下线型阵和左右线型阵的指向信号进行延时相
关计算：
CTB(n)＝ΣST(t+n)·SB(t)
CLR(n)＝ΣSL(t+n)·SR(t)
其中，CTB(n)和CLR(n)分别为上下线型阵和左右线型阵指向信号的相关系数，
ST(t)、SB(t)、SL(t)和SR(t)为上、下、左、右线型阵的指向性信号；
S103、分别选取CTB(n)和CLR(n)的最大值作为超声源位置的垂直坐标和水平坐
标；
S104、以步骤S103中所述的超声源的位置坐标为中心，CTB(n)和CLR(n)的最大
值为幅值，生成二维高斯函数，形成二维矩阵；
S105、将可见光图像作为背景、步骤S104中所述的二维矩阵作为前景，合成
为超声可见光图像并发送给第一显示器进行显示。
在一个实施例中，红外检测模块包括红外热像仪。红外热像仪可以同时测量物
体表面各点温度的高低，并以图像形式显示出来；可以同时显示出两点的温度值,
因而能准确区分很小的温差,甚至可达0.01。红外热像仪输出的图像信号包含目标
的大量信息，可用多种方式显示出来。例如，对图像信号进行假彩色处理，便可由
不同颜色显示不同温度的热图像；若反图像信号进行模数转换处理，即可用数字显
示物体各点的温度值。
在一个实施例中，紫外检测模块包括紫外热像仪。紫外成像仪与红外热像仪相
比，紫外成像仪检测和红外成像是一种互补性而非冲突性技术。电力设施一个完整
的检测应该包括紫外成像、红外成像和可见光检测。电晕是一种发光的表面局部放
电，由于空气局部高强度电场而产生电离。该过程引起微小的热量，通常红外检测
不能发现。红外检测通常是在高电阻处产生热点。紫外成像仪可以看到的现象往往
红外成像仪不能看到，而红外成像仪可以看到的现象往往紫外成像仪不能看到。
在一个实施例中，所述控制显示模块4包括相连接的第二图像合成单元与第二
显示器，所述第二图像合成单元分别连接超声波可视模块1、红外检测模块2和紫
外检测模块3，利用图像融合算法将所述超声可见光图像、红外图像和紫外图像进
行融合并在第二显示器上进行显示。
本实施例所述的第二图像合成单元基于多源图像合成技术将所述超声可见光
图像、红外图像信号和紫外图像信号进行融合并在第二显示器上进行显示，具体为：
由于单独分析红外图像，因其成像分辨率低，场景细节模糊不清，分离出的运
动目标很难准确定位。所以将红外运动目标融合到可见光图像中，充分利用可见光
图像的空间结构信息确定红外目标在场景中的位置，方便对红外目标的观察与监
视。
在可见光和红外图像进行配准和融合之前，必须对图像或者图像序列进行预处
理。因为高质量的图像对于后续阶段的应用具有很重要的作用，例如它对图像的分
割、目标识别的准确性和图像跟踪等都具有很重要的影响，甚至可以说它的质量好
坏在很大程度上会决定后期运算的结果。许多成像系统，如红外热像仪和可见光照
相机等，在快速采集宽视场图像的过程中，受其固有的传感器阵列排列密度的限制，
图像的分辨率不可能很高，而且实际应用中图像传输速度以及图像存储容量等因素
也限制了图像分辨率的提高；同时成像过程中的欠采样(连续图像离散化)效应又
会造成图像的频谱混叠，使获取的图像发生降质。如果采用增加传感器阵列密度的
办法来提高图像分辨率，则费用可能很昂贵或很难实现。图像预处理技术能能够消
除加性噪声以及由有限的传感器阵列密度和光学成像过程的点扩散函数造成的模
糊现象。对于红外图像来说，由于外界环境的随机干扰和热成像系统的不完善，给
红外图像带来多种多样的噪声，这些噪声严重影响着红外图像的质量。而且，层次
感差是红外图像的主要特征，因此对红外图像进行噪声滤波及灰度增强对于提高融
合图像质量，更好地对目标进行识别是非常重要的。对可见光和红外图像进行预处
理研究的关键在于找寻适合可见光和红外图像的滤波增强算法。另外，由于多源图
像是由不同成像传感器或者是由同种成像传感器的不同成像方式或不同成像时间
获得的多幅图像，图像间可能出现相对平移、旋转和比例缩放等，不能直接进行融
合，而必须先进行图像配准，以建立图像间像素和像素的对应关系。
紫外、红外与可见光工作于不同的波段，这种图像信息的互补性使得它们融合
后的结果可以有效的应用于自动目标跟踪和伪装识别。这三种图像的配准具有一般
的多传感器图像配准的特点，但还有特殊性要考虑。首先，紫外、红外与可见光图
像之间的一个重要区别是对比度。可见光图像对比度相对较高。红外图像对比度相
对较低，且可以在很大的一个范围内变化。其次，在红外图像中出现的特征并不一
定在可见光图像中也出现，同样紫外图像中出现的特征并不一定在可见光图像中也
出现。因此，对紫外、红外和可见光图像的配准的特征点提出了更高的要求。首先
是要有相当数量的一致性特征点，其次应有有效的一致性检查方法消除错误的匹配
点对。适合可见光、红外图像配准的特征点应该具有下列特征：
①可见光、紫外和红外图像中处于同一位置；
②在图像中均匀分布；
③位于高对比度区域；
④在其周围区域是独特的。
因此，配准算法分为两步：
(1)是特征点的选取；
(2)是采用仿射变换模型来实现两者间的配准。
在对三个源序列图像进行合成时，首先进行对预处理后的序列图像进行运动目
标轮廓的提取，以获得场景中的目标信息，并用来指导后续的融合处理；接着对各
序列图像逐帧进行多尺度分解；最后根据运动目标检测获得的目标信息，采用基于
多尺度分解的融合算法逐帧进行基于区域的图像融合。
因此，本实施例中，第二图像合成单元利用图像融合算法进行融合的具体过程
为：
S201、提取所述红外图像中的红外目标得到红外目标区域图像，将所述红外
目标区域图像、超声可见光图像进行融合得到红外目标图像；
S202、对所述超声可见光图像、红外目标图像以及紫外图像进行图像增强；
S203、对增强后的图像进行图像配准；
S204、对配准后的图像进行融合。
在本实施例中，所述步骤S201提取所述红外图像中的红外目标具体包括：利
用连续多帧红外图像之间的相关性，计算出红外图像的背景；将当前帧红外图像与
所述红外图像的背景作差实现对红外目标提取。本实施例中所述红外图像中，成像
热信号的灰度值通常要比周围背景的灰度值要大，表现为目标更亮一些。基于这一
特性，将红外视频序列中一组图像每个像素点位置对应的像素值提取出来，采用阈
值分割方法对直方图进行操作，高于阈值T的视为红外目标，低于阈值T的视为
背景。采用背景减除法实现红外目标的提取，将当前帧红外图像与建立的背景图像
相减，如果差值大于或等于设定的阈值T1，那么就认为该像素点是目标点。建立
一个二元掩膜图Imask，目标区域用1值表示，否则用0值表示，实现对红外目标的
提取。
在本实施例中，所述步骤S202中所述的图像增强所采用的方法包括中值滤波、
均值滤波或其它空间域增强方法。本实施例根据不同的情况对不同的图像采用不同
的图像增强方法，一种图像增强方法的优劣不是绝对的。由于具体应用的目的和要
求不同，所需要的增强技术也大不相同，因此从根本上讲，并没有图像增强的通用
标准，观察者才是某种增强方法优劣的最终判断者。增强算法处理的效果，除与算
法本身有一定关系外，还与图像的数据特征直接相关。实际应用中应当根据图像数
据特征和处理要求来选择合适的方法。
在本实施例中，步骤S203具体包括以下步骤：
S2031、提取增强后的可见光图像、红外目标图像和紫外图像中的轮廓；
S2032、利用不变矩和链码表示对步骤S2031中提取的轮廓进行匹配得到匹配
轮廓对；
S2033、将匹配轮廓对中的开轮廓对转化为闭合轮廓对；
S2034、去除轮廓匹配过程中产生的误匹配轮廓对；
S2035、根据匹配的闭合轮廓的质心和长轴估计配准参数并基于放射变换来实
现图像配准。
本实施例所述的紫外、红外目标与超声可见光图像是从不同类型传感器获得的
多源图像，尽管它们的灰度分布特性之间有很大差异，但物体的一些明显轮廓在图
像中均能得到较好的保持，这些轮廓特征可用来进行图像配准。以未配准的紫外、
红外与可见光图像为例，通过提取输入图像中的显著轮廓，可以发现三幅图像中有
许多相似的轮廓，这些相似的轮廓是进行图像配准的依据。在依据这些轮廓进行配
准之前，先要采用一定的算法对这些轮廓进行匹配，在这些匹配的轮廓对中包括匹
配的闭合轮廓对和匹配的开轮廓对，对于匹配的闭合轮廓可以求出其质心和长轴。
DaiX.L.和KhorramS.根据匹配后的闭合轮廓的质心求取配准参数，但在实际
配准图像中很难从输入图像提取足够的闭合轮廓，而且匹配的闭合轮廓对的数量会
影响配准参数估计的精度，如果不能从输入图像中提取到匹配的闭合轮廓对，则这
种配准算法将不能适用。为克服以上算法的缺点，本发明提出依据闭合轮廓的质心
和长轴的方向来进行图像配准，这就涉及到如何利用匹配的开轮廓对提供的信息进
行配准，如何定义其质心和长轴方向，本文做法是将匹配的开轮廓的三个端点用直
线段连接以构成闭合轮廓，然后再求取该闭合轮廓的质心和长轴方向。如果两幅图
像之间的坐标变换关系为刚体变换，那么图像之间的旋转量可以根据匹配的闭合轮
廓的长轴之间的夹角来求得，图像之间的平移量可以根据匹配的闭合轮廓的质心之
间的位置关系来求得。
在本实施例中，所述步骤S204包括以下步骤：
S2041、对步骤S2035中实现图像配准后的超声可见光图像、红外目标图像和
紫外图像进行多尺度分解；
S2042、对步骤S2041中相同尺度的超声可见光图像、红外目标图像和紫外图
像基于步骤S2035中所述的闭合轮廓利用基于区域的融合算法进行图像融合得到
多尺度融合图像；
S2043、将步骤S2042中的多尺度融合图像转换到相同的尺度，进行叠加得到
最终的融合图像。
在一个实施例中，所述电源5采用4节5V电池供电，每节电池的容量为
2500mAh。本实施例的检测仪需采用电池供电方式，考虑到超声信号电路供电电压
在3-36V，红外检测模块供电电压在12V，紫外检测模块电压在12V，检测仪工作
总电流在2000mA左右。因此，采用4节5V可充电电池供电，每节容量2500mAh。
后接15WDC-DC模块，保持稳定的12V输出电压，为超声采集与放大电路模块
供电。电源根据最终选定的平台类型确定供电方式。
在另一实施例中，所述电源5采用大容量锂电池供电，续航能力为3-5小时。