专利名称：管道内部检查设备及方法
技术领域：
本发明涉及用于石油流体运输具体来说是气体或者多相传输的管道的内部检查的设备。
背景技术：
更具体地说，本发明涉及传统上称作管道内部计量设备或者PIG设备这个主题，该设备可以在流体压力作用下插入并且进行移动从而检查管壁内侧的几种缺陷，例如腐蚀、沉积、侵蚀或者机械故障。
天然气管道在世界范围内建立以用于将天然气从气田经过海上管道或者陆上管道分配到最终用户。气体压力通常在50至160bar之间，但是有些系统设计的压力却达到了200bar并且可能更高。
管道非常昂贵并且通常设计和建造成至少能维持与气源的期望寿命相等的时间。管道的设计寿命通常都40至70年的范围内。大多数管道都是由可能产生腐蚀的相对标准合金钢制成。
与管道长设计寿命相伴的腐蚀风险使之有必要对它进行检查。从长远来看，由腐蚀而造成的壁厚的减少就是一个主要的威胁。从短期来看，其它的方面，例如开始腐蚀、内部涂层的损坏以及操作事件产生的不良后果都令人感兴趣，并且应该受到监测。
壁厚度变薄将会使管道的压力定额减小，结果会造成气体产量的减少并导致了经济损失。如果没有监测壁厚，腐蚀可能会导致具有相关污染危险的泄漏，而且在更不幸的情况下还可能会导致火灾和/或爆炸。
相关技术描述由Texas州San Antonio的Southwest Research Institute于1993年5月在GRI91-0365主题报告中为IL在Chicago的GAS RESEARCH INSTITUTE撰写的“IN-LINE INSPECTION OF NATURAL GAS PIPELINES”中描述了管道检查。
J.B.Nestleroth和T.A.Bubenik、Battelle在1999年2月为Gas ResearchInstitute作了题目为“Magnetic Flux Leakage(MFL)Technology ForNatural Gas Pipeline inspection”的报告。
由Norsk Elektro Optikk A/S提交的编号为1995.4881的挪威专利申请描述了输油或者输气管道表面细节的频谱影像和识别，例如腐蚀、流体薄膜和机械损伤。
日本专利申请JP 05-149885中使用光源形成窄的扇形光束指向管道内壁并且在内壁上形成亮条纹。这条线通过一个摄像机成像并且由检测控制器来处理。对两个光源的使用以及彩色图像也进行了描述。
JP 01-54235描述了用于管道检查的清管器，该清管器包括通过光纤照亮管道内表面的光源，还包括用于观察被照亮的点的位置和直径以便确定管道内表面中的壁洞缺陷的大小和深度。
通用的内部检查技术是以超声波检测和漏磁探伤(MFL)为基础的。MLF技术可能就是最常用的一种。检查工具通常与称作“PIG”的运载体相结合。PIG是从现有技术中得出的词语——Pipeline InternalGauging的缩写。带有检查工具的PIG插入到气流中并且会随着气流从发射器流至接收端或者“PIG—阱”中。
漏磁检查工具设在一组形成与管壁接触的刚性金属结构的“刷子”周围。将强磁场作用到这些刷子上，其中每个刷子对形成北极和南极。在这些磁极之间，布置了能够测量磁场的传感器。腐蚀或金属损失会改变磁场的强度和分布，这将导致传感器中的信号发生变化。测量信号在存储之前进行预处理或者直接存储在存储介质上。
由于管壁中的感应电流降低了磁化强度级，所以MFL工具通常存在残余磁化强度和速度的限制的缺点。
超声波工具需要耦合流体用于将信号传感器和管壁内侧耦合起来。当气体管道中的流体主要包括气体时，由于气体密度很低，与壁的声耦合将会相当弱。
发明内容
本发明为用于运输流体的管道内部检查的光学检查装置。该装置包括能量供应元件，用于形成一个或者在所述管道内表面部上照亮一条线的多个扇形光束的光源工具，还包括光学接收工具，它位于由所述扇形光束形成的平面之外并且配置成在它的视野内具有由扇形光束在管道内壁上形成的线。光学接收工具生成多个二维索引图像。每个所述图像包括用于所述图像的预定数目条线中每个线的预定数目个像素的光度数据。数据处理元件包括具有表面深度轮廓分析模块的图像分析模块。深度轮廓分析模块用于通过沿着上述线分析最大值从所述的记录图像中提取所述表面的深度轮廓，从而获得通过每个图像的所述最大值的位置p(x)来表示的线，由此图像中的所述最大值的位置p(x)可以表示表面轮廓。曲线/表面轮廓存储在存储工具中。
图1是根据本发明布置成管道清管器的光学检查设备的简化图，显示了由光源照亮的照亮区和摄像机的视野。
图2是照亮和观察几何图形的较详细视图，具有向管道内部产生扇形光束的光源，以及与光源产生的扇形光束平面相隔一定距离的摄像机。
图3A显示了在传感图像处理中从获取至提取轮廓的第一主要步骤。
图3B显示了在传感图像处理中从获取至提取轮廓至数据存储这些余下步骤。
图4显示了因为将扇形光束投射到管壁上而产生的由摄像机传感器所寄存的线的典型图像。沿着每条垂直线的亮度峰值的位置对应于该位置上管壁的高度。
图5显示了为了提高对每条摄像线的最大点位置的决策能力的信号处理示意图。
图6是本发明的摄像机和激光驱动器模块的方框图。
图7是一个完整的检查系统的方框图。
图8显示了由根据本发明的几条线图像而构成的组合图像，它显示了面向管内壁的洞和凸起。
图9显示了用于使光学检查设备的光学窗口保持清洁的清洗流配置。
图10显示了管内根据本发明的光学检查设备的横截面图，图中示出了几个光源和摄像机。
图11显示了由管2的皱褶部分中如图10所示的配置产生的激光线示意图。
图12显示了使用图10的配置的摄像机所获取的典型图像。
具体实施例方式
图1显示了具有典型的管道检查计量或者PIG形式的整个检查设备1的典型示意图。在PIG的抗压壳10中配置了光学零件，例如用于产生光束5的光源4、光学记录元件6以及例如记录图像20k的摄像机6。
检查设备1包括外部保护壳10或运载体12。在外壳上布置了通过弹簧机构17等附着在运载体12上的轮子16，以保证轮子16与管2相接触。虽然弹簧机构17可以松开从而如图1所示轮子16就不与管2相接触，但是在大多数典型的检查操作期间轮子16还是与管2相接触。运载体也通常具有柔性密封圆盘28，它通常为围绕着运载体并且附着到运载体12上的环形，从而提供一个机构，当在检查设备前后设置了压力差时，通过该机构可以在管2中将检查设备1向前驱动。柔性圆盘在大多数具体的情况下将会或多或少地发生弯曲或者变形并且如图1所示并不是平的圆盘。在外部保护运载体12中布置有切块14，切块14为扇形状光束5和摄像机的视野7提供开口。
在外保护壳或者运载体12中布置有抗压壳10，它容纳了所有工作的光学零件和电力供应元件，例如光源4和摄像机6和用于记录、处理和存储由摄像机所记录的图像20的所有相关联的电子模块。通常，抗压壳10配设有由蓝宝石或者其它强透明材料形成的窗口8，该窗口与摄像机6和光源4相关联并且优选位于它们的前面。切块14也可以配设附加的光学透明窗口，但是在图1中并没有示出。
或者，外保护壳12或运载体内部抗压壳10可以集成一个单一的机械结构。这将会使检查设备1所需的体积减小。这对于在小直径管2中的执行使用很有好处。
抗压外壳10使用冲击和振动阻尼固定架55安装在运载体12中。固定架55可以通过对尺寸、形式和材料的选取来进行优化，以便抑制由于从运载体12传递到容纳有所有工作光学和电子部件的内保护壳10上的机械力和脉冲而产生的典型持续时间、幅值和谐振频率。固定架55的优化也可以将检查工具对机械扰动的频率和脉宽的灵敏度考虑进去。图1显示了两个阻尼固定架55，每个位于检查设备的一端，然而可以很容易地实现将更多数目的阻尼固定架容易地布置在内壳10和外壳12之间的体积中从而使机械减振作用得到优化。
壳内产生的光束5经过第一透明窗口8射向用于运输流体3的管或者管道2的部9的内部。对光学窗口8进行的密封必须能够抵抗检查设备1将被浸入的流体环境3中的化学混合物(碳水氟化橡胶)。检查设备1内部的摄像机6具有包括管或管道2内壁的部分9在内的视野7，它经过所述的第一光学窗口8或通过第二光学窗口8。
在光学系统中，需要使光学窗口8保持清洁。检查清管器上的压力差推动清管器前进。如图9所示，检查清管器上的压力差可以用来产生经过旁路孔66、67而经过清管器的清洗流68，从而避免残余物停在光学窗口8上。旁路清洗流68布置成从用于激光和摄像机的切块流出，因此就将残余物从窗口8上冲走了。旁路清洗流可能会含有粘性(不干燥)的残余物。这会导致窗口上产生沉积。要避免旁路中残余物停在窗口8上，可以在旁路流的路径上插入可选的过滤元件77来截住颗粒或者残余物。
本发明以光学图像和成形技术为基础，并且用于通常为天然气管道2的管道内部检查的在线检查设备(“检查元件”或“检查工具”)。由于要对长管道进行连续的检查，缆线和脐系统向检查元件传输检查数据并提供电功率的适用性和能力有限。根据本发明的检查元件1是一个带有自身的电源18、80以及用于检查资料的足够大的存储介质160的独立自治元件。这些约束意味着能量效率和图像压缩是工作系统至关重要的方面。
图2是本发明基本元素的更详细视图，即用于运输流体3的管道2内部检查的光学检查装置1。装置1包括下面的特征在供应电能的情形下，供应元件18、80为所有需要能量的清管器零件供给所需能量。装置具有用于发射光的光源4。应该选取光源4在流体3至少具有一些透明度的频率范围那进行光的发射，并且优选在具有较高的透明度的范围内。光源4适合于形成一个或多个扇形光束5，用于照亮管道2的内部表面部分9的线轮廓L。例如可以通过在光源前放置一个成柱状的透镜来获得扇形光束。也可以使用其他用于将来自光源4的光形成基本为扇形光束的光学零件。管道的内部表面部分9通常包括表面异常或者不规则17。检查设备1配设有位于扇形光束5形成的平面之外的摄像机6或其他光学接收工具，用于接收发射光中从管道壁9的内表面9反射回来的这部分光。光源工具(4)和光学接收工具(6)布置使它们的光轴相对于彼此成成0至90度之间的角，优选为30至60度之间。
表面异常或者不规则17破坏了否则为圆形的线轮廓L。光学接收工具通常包括多个较小的传感器元件，每个传感器元素对应于照在传感器元素上的光的亮度产生一个输出信号。输出信号转换成适合在数字信号处理元件100中处理的数字信号。
摄像机6形成连贯的二维索引图像20k。索引k表示运行图像号码。每个所述图像20包括所述图像的线M中每个预定数字j中的预定数目像素的光度数据。摄像机6可以是所称的3D摄像机或广角摄像机6。光源4和摄像机6都通过电连接182由能量供应18来提供功率。能量供应18向用于接收和存储来自数据处理元件100中的数字信息的存储工具160供应能源。数据处理元件100接收摄像机6中具有模拟或者数字形式图像信息。图2显示了在摄像机6中20k图像的产生。图像20k的矩形段22n包括激光线L的图像线N。穿过图像20k的虚线M在一个位置上穿过图像线N，该位置根据在管段9表面出现的异常和不规则性17而发生变化。
图3A和3B显示了使用光学接收工具或摄像机6获取图像20k过程中的主要步骤的示意图。在A部分完整地显示了最后获取的图像20k，同时在图像20k后面显示了在之前获取的图像20k-1、20k-2等等。在C部分的顶端，显示了在获取每个图像20k例如1024×1024像素(19)过程中的第一步(步骤1)中如何简化成1024条线M。图4更详细地显示了如果图像20k已经寄存了管内表面的不规则性和异常17，那么线M的集合将会呈现的样子。如图3A的B部分所示，通过分析每条线的峰值从而识别峰值的位置p(x)和亮度i(x)来执行提取图像和轮廓。在图3A的过程图中，在第二步(步骤2)执行提取图像和轮廓。在所有的线M上执行提取图像和轮廓110、120就为每个图像20产生了图像数据i(x)和轮廓数据p(x)，其中x是每条M线所特有的运行索引。在图3B所示的第三步(步骤3)中，将多条图像线堆叠起来形成图像数据的帧。类似地也将多条轮廓线p(x)堆叠起来形成轮廓帧。由此获得的图像和轮廓帧第四步(步骤4)使用JPEG算法进行压缩190从而获得压缩图像。在第五步(步骤5)，压缩图像由组织所有压缩图像存储到存储元件160上的接口设备104来接收。优选接口设备104是磁盘控制器104，并且优选存储元件160是硬盘160或固态盘160。
下面对接收摄像机6中图像的数据处理元件100进行了更加详细的描述，它具有图像分析模块110和深度轮廓分析模块120。配备了深度轮廓分析模块120，用于通过沿着选取的每条线M搜索亮度最大值来确定可以表示经过所识别极值m的激光线L的曲线N，从记录的图像20中提取表面9的深度轮廓。对于每个图像20，深度轮廓分析模块120沿着N计算深度轮廓高度。这样选取的较大数目的线M缩减至只具有多达1024或更少的深度轮廓高度H和亮度最大值m的一条线。推出的曲线N、具有所述高度h和所述亮度最大值m的深度轮廓高度发送到第一存储模块160中存储起来并在以后阶段中用于检索。
本发明使用具有高效能源的光源4，优选为激光器24。扇形光束5可以通过例如布置在激光24前面以便折射激光器中的光束的一个或者多个柱状透镜来产生。因此每个激光束产生将在要检查的对象即管壁9上产生一条或者多条细线的扇形光束5。固态二极管激光器24优选排列成阵列配置25。在一个优选实施例中，阵列25的光发射区具有高度—宽度比大约为1∶200的矩形形状。透镜系统置于激光器24、25之前用于增大激光阵列25的图像并且将该增大的图像投射到管壁9上。在这种情况下向管壁9的投射也可以是高度—宽度比与激光器25的光发射区相同的细长照亮线L。尽管从提供具有高亮度细长光束5的角度出发，激光器24是优选光源，但是在某些应用中能够发射光的LED(光发射二极管)或者LED阵列甚至都够用。通过将摄像机6布置在扇形激光束5形成的平面之外，见图2，在这个实施例中向前看时即为位于激光平面之后，管壁9上具有不同高度的位置将会在图像传感器11上以不同的垂直位置(或高度)出现。可以通过检测每一列中具有最高亮度的特殊像素(19)的位置来建立图像检测器上的激光线L的图像N。识别出具有较高亮度的像素(19)并且应用有关结构的几何结构和像素(19)的大小之后，就可以计算出激光平面5和管壁9之间的相交线的实际位置。在没有缺陷的管中，这些位置紧紧沿着圆的圆周段。在具有缺陷的管中，这些位置将取决于管壁9的异常或者不规则性17的尺寸和形状，这样就与无缺陷管的情况区分开来了。
光源4a、4b、4c、4d…和相应的摄像机6a、6b、6c、6d…可以布置成如图10所示环绕着管道2的内圆周照亮并且成像，其中每个光源和摄像机对4a-6a、4b-6b…分别与相应的扇形状光束5a、5b…有关以及相应的摄像机6a、6b、6c和6d…的视野7a、7b、7c、7d…相对应。由从激光源24、25发射的扇形光束5所生成的照亮线L在此文中称作激光线。扇形光束5a、5b通常在管道2中相对于彼此沿着纵向布置，以避免激光线L的重叠。这在图11中以示意图示出，图中显示了管2的弯折段9和激光线La、Lb、Lc和Ld分别与光束5a、5b、5c和5d相对应，并分别对应于光源和摄像机对4a、6a、4b、6b、4c、6c和4d、6d。图12显示了在使用几个光源和摄像机的情况下通过摄像机获得的典型图像的示意图。在图像中心是激光线5b。在图像的边缘，相邻的激光线5a和5c有部分发生轻微的重叠。使用具有多个光源和摄像机的这种配置，通过检查设备1的一次运行就可以扫描出整个外周。
一旦穿过激光器24通过照亮所产生的细长激光线的亮度轮廓成为已知即被寄存或者存储了，就可以使用几种技术将最大值的位置精度提高到亚像素分辨率。这需要激光线L图像的比摄像机传感器6上的像素宽度的等效长度略宽。
在最简单的实施例中，通过找到最大值来获取沿着每条线M的最大位置。
在另一个实施例中沿着每条线M的最大位置可以通过将每条线M与参考光分布进行作卷积进行而得到改善。这样的卷积中给出最大值的位置就取作得到改善的最大位置。
在图5中显示了另一个用于确定沿着每条线M的最大位置的另一个实施例。该技术的基础是由激光线L的图像线S的上升侧和下降侧A1、A2所形成的积分区域。设定了检测阈值DT。当信号穿过了IS处的检测阈值DT时，算法就开始对信号线S的上升侧AF之下的区域进行积分。当在DM处检测出最大亮度(MaxVal)及其相应的位置(MaxPos)时就停止积分，并且已积分区域被称为第一上升侧区域A1。经过最大亮度DM之后沿着下降侧DF的区域称为下降侧区域A2。当信号经过低于IF处的检测阈值时就停止对A2的积分。现在可以使用如下等式来计算经过改善的最大值位置或者轮廓值(ProfVal)ProfVal＝MaxPos-(A1-A2)/(2*MaxVal)对线M的相应集合所获得的所有轮廓值的几何聚集在如图3所示的轮廓现p(x)中，其中x为每个图像20k中线M的运行索引。
除轮廓信息之外，摄像机6还发现并存储了与发现的激光线对应的最高位置处的灰度级。通过上述技术获得的积分区域A1和A2可以进行缩放来表示摄像机中沿着线M的最大值m。
如图3所示，线M相应的所有最大值m的集合可以得到图像线i(x)。i(x)的值与沿着管壁上的激光线L的图像线的灰度级相对应。
通过将摄像机和激光系统移动很小的距离并且进行新的曝光，就可以获得新的轮廓和灰度级图像线。通过将这些连续的图像线彼此紧接着放置，可以形成管壁的连续静止图像并且从轮廓数据获得连续3d图。在图3中通过第三步“建立帧”显示出将线彼此紧接着放置。
因为考虑到与激光源4和光围绕着管2内圆周的分布有关的功率问题，因此就需要使用几个激光器4、24。为了避免耗时以及激光线的精心对准，就在不同的平面上布置扇形光束5。为了使用相同的装置容纳不同直径的管2，每个激光束5都重叠到相邻的摄像机6中。这意味着每个摄像机6不但看见了与它相关联的激光器4的激光线，还可以看见与邻近的摄像机4相关联的两个激光器4的激光线。使用同一摄像机6b可以检测到与其相关的光源4b的激光线Lb和以及从相邻光源来的激光线La和Lc将会导致确定选取哪条激光线的问题。避免这个问题的一个方法是选取扫描方向，因而从与被研究的摄像机相关联的激光器中出来的线就可以在从相邻激光器中出来的线被找到之前被检测到。发现的第一有效轮廓值将会从对应于摄像机的激光线中得出。
摄像机6和它的电子设备从较大的二维图像20k中发现轮廓p(x)和图像数据i(x)，然后就单独对这两个数据流进行处理。轮廓数据p(x)和图像数据i(x)在存储之前要进行压缩。轮廓数据和图像数据也可以组合到压缩处理之中。压缩处理可能是有损耗的或无损耗的处理。如果建立了有损耗处理来给出管表面的适当表示，那么这种处理通常只需要较小的存储容量。然而，如果它要求在压缩处理中没有信息丢失，那么就不得不选择无损耗的压缩技术。本发明的优选实施例对图像和轮廓数据都使用JPEG压缩。
由于摄像机传感器6是二维传感器，并且在一个优选实施例中为布置在二维矩阵式中的1024×1024传感器元素，每次曝光只能存储具有位置信息的一条轮廓线p(x)和具有灰度级数据的图像线i(x)。假定沿着管道2需要1mm的分辨率，那么将需要每毫米进行一次曝光。分别将传感器11出来的初始图像20k同图像线i(x)和轮廓线p(x)进行比较，很容易明白数据的量是以数量级进行减少的。获得这个的同时还保留了重要信息。然而从传感器11出来的所有数据通常应该读出并且经过信号处理。这需要耗费处理时间并且对于大多数传感器11来说，需要读出的像素数目限制了帧速即每秒曝光的次数。在大多数情况下，在一次检查运行中管的直径范围和对异常的期望大小都受到了限制。
使用具有可编程界面窗(WOI)22的图像传感器11，如图4所示只有在(WOI)22中的像素才被读出，这样就减少了获得的帧速。界面窗(WOI)的位置使用x—坐标WOIx和y—坐标WOIy来确定。WOIx和WOIy通常为图像20的像素列号和行号。图4的界面窗的(WOI)具有尺寸j×i，即j个像素宽和i个像素高。
因此图6和图7的数据处理元件100包括用于识别整个图像20k中的亮的或较高亮度的像素的图像像素亮度评价工具130。这可以例如通过识别具有亮度在选取的阈值DT之上的像素来实现。
处理元件100还包括用于确定每个图像20k的图像部分或者图像片断22n的选择工具140，其中每个图像片断22n包括由图像像素亮度评价工具130所识别的至少几个亮的像素。用于选择包括全部或者部分所述线轮廓L的图像片断22n的选择工具140与位置测定工具150紧密关联，其中位置确定工具150用于确定图像片断22n中或者摄像机6中捕捉的整个相应图像20m的位置。因此选择工具140布置成寻找较大图像20中将包括具有高亮度像素集合的矩形区域或者片断22。另外，位置测定工具150还可以用于测定曲线N从所述图像20m到随后的图像20m+1时位置85x、85y的所有变化，并且还可以重新定义确定的图像片断22n，从而曲线N仍保留在图像片断22n之中。
除了可编程界面窗(WOI)22之外，本发明还配备了WOI 22的自动调节装置，因此它可以稍微小一些并且提高帧速。这样的自动调整可以例如通过跟踪界面窗(WOI)22中的高亮度像素的位置的任何移动而实现。一旦界面窗(WOI)22中的高亮度像素到达了这个规定窗口10的边缘时，窗的大小或位置就进行相应的调整以保证大多数高亮度像素落在距离窗边缘选取的像素距离之内。如果发现WOI 22包含了沿着它的边缘没有或具有很少量的高亮度像素的大区域，WOI 22的尺寸通过类似的方式也可以减少。
使用界面窗(WOI)22自动调整的概念也使多维管道2的检查成为可能。这被称作多维清管。控制WOI 22定位的算法保证激光线的图像包含在WOI 22之内。
因此，本发明还配备了用于识别线轮廓L从一个所述图像20m到随后的图像20m+1时位置的变化的工具，还配备了用于移动包含了线轮廓L的图像片断22n从而跟随线轮廓L位置变化的工具。
如上所述，根据本发明的装置包括一种工具，该工具通过从所述图像20k向所述图像分析模块110和深度轮廓分析模块120只传送所述图像片断22n的数据从而减少图像数据分析量。
如图6所示，摄像机6包括可以是具有嵌入式模拟到数字转换的CMOS型图像检测器11，但是它也可以作为具有分离的模数转换器(ADC)的CCD型检测器实现。每个摄像机6的电子设备都建立在场可编程栅极阵列设备(FPGA/PLD)101和微处理器102周围。微处理器102用于处理摄像机6的最高级控制，例如查找激光线L并且随后连续地跟踪它。微处理器102也通过调节的激光24、25的输出来执行曝光测量和控制230。曝光控制230用于避免图像20从传感器6曝光不足和曝光过度。曝光不足的图像可能导致传感器上的线非常暗，从而使得它全部或部分地不能被检测到，因此而导致设备的故障。曝光过度的图像将导致传感器6上的线将饱和并且可能较宽，从而导致成形过程度精度较低。极端的曝光过度可以导致能够扰乱成形过程度严重的漫射光和/或重影。
曝光控制工具230将在基本应用中调节曝光，这样平均灰度级就为像素最大亮度的50％。更高级的应用可能会考虑统计信息，例如像素值(直方图)分布和曝光不足的像素的最低数字的优化从而避免曝光不足区域中轮廓的总体缺少。
在FPGA/PLD 101中的硬件内执行实时图像处理任务。在FPGA/PLD 101中执行的任务是包括提高分辨率、二次抽样的成像和成形。FPGA/PLD 101使用JPEG算法压缩190图像和轮廓数据。FPGA/PLD101也包括硬盘控制器电路104，它用于控制其中存储了图像数据i(x)和轮廓数据p(x)的硬盘160。存储块103与FPGA/PLD相关联。在FPGA/PLD101中的数字电路已经完成轮廓和图像线的计算后，轮廓和图像线将缓冲在存储器103中等待在JPEG压缩块190中进行JPEG压缩。当JPEG压缩块190准备好时，数据将从存储器103中回读并且将被压缩。从JPEG块190的输出是JPEG压缩地图像和轮廓数据，然后该压缩数据将(再次)缓冲到存储器103中等待被写到硬盘160中。当硬盘控制器104准备好并且足够的数据已经缓冲以装满一个硬盘块时，一块数据首先从存储器103中回读并且随后写入硬盘160。
FPGA/PLD 101也会生成线数字，这样就可以同步来自不同摄像机6的图像线。摄像机6被分作两个组，一组称作主摄像机，另一组称作从摄像机。主摄像机将线数字传输给所有从摄像机。如果从摄像机未接收到线数字，它将生成其自己的线数字。
所提及的几个程序块，例如图像分析模块110、深度轮廓分析模块120可以实现为在微处理器上运行的软件程序模块。然而，这些模块最好作为硬件实现，例如在专用集成电路(ASIC)实现以优化这些操作的速度而又将功耗减小到最低。压缩190、图像像素亮度评价工具130、选择工具140、位置测定工具150可以作为在微处理器或微控制器上运行的软件程序模块实现，但是这些模块也可以完全或至少部分地在硬件中实现。
在优选实施例中，主摄像机替换为中央曝光时钟和线数字发生器40，如图7所示，从而同步来自不同摄像机6的图像数据。该元件被称作主(曝光)时钟发生器40。主时钟发生器40将线数字发送至摄像机6。当摄像机6已经接收到串行格式的全部线数字并且校验了校验和，它将开始一个新的曝光。每个摄像机6将线数字与图像数据i(x)和轮廓数据P(x)一起存储。
如果摄像机6检测到中央线数字产生器40并未发挥作用，它就会生成其自己的线数字。也可以将一个摄像机6配置成作为用于向其它摄像机6生成线数字的“主”摄像机。
使用主时钟发生器40，所有摄像机6就可以由从主时钟发生器40到所有摄像机6的线同步时钟信号的传递而同步操作。另外，主时钟发生器40可以向摄像机6发送一个伴发的线数字。接收线数字的摄像机6可以将这些数字用作与每个图像线i(x)和轮廓线P(x)相关的标记，这样图像线和轮廓线就与线数字一起存储在存储介质160中。因此线数字可以用作在后面阶段中使用的标记，从而从单个摄像机6中定位图像和轮廓数据，并且用于处理较大数目的线，例如在一个摄像机短时间失效时来自不同摄像机6的相关数据。
如图6所示的FPGA/PLD电路101也将生成由曝光控制和线跟踪(WOI选择)所使用的统计图像信息。
在优选实施例中，微处理器102也可以具有如图7所示的高速以太网连接260，它用于在摄像机之间的通信以及用于从硬盘160中下载数据。
供电系统18建立在通常为锂(Li)电池的高能量密度功率源80附近。几个电池串联连接以获得相对较高的电压，该电压接近于电压调节器可以处理的最大输入电压。在优选实施例中，高效的DC-DC转换器50放置在消耗印刷电路板附近，且在电力电缆182上具有来自电池80的最高电压。通过在较长的配电线上具有较高的电压，从而降低了电力电缆182上的能量损耗。
用于打开和关闭系统的附加工具也是系统的一部分。在优选实施例中，该元件是任务控制器30，最好实现为可编程微处理器30，它可以通过打开和关闭摄像机记录而启动和停止记录。任务控制器30可以配设有内部计时器31，它设置成在选定的时间倒计数至零。计时器31可以在将检查设备1投入管道2中之前预先编程，或者计时器31可以在检查过程中由选定事件触发。图1中所示的为测定检查元件1周围压力所布置的压力传感器220可以向任务控制器30提供信号。如图1所示，里程表200可能包括在检查设备1中并且布置成向任务控制器30提供与已行进距离或行进速度相关的信息。取决于已行进距离或运动速度，任务控制器30可以将摄像机6打开和/或关闭。来自里程表系统的数据可以用于导航以及用于根据当前工具速度调整线频率的工具从而使纵向分辨率维持恒定。如果检查速度已知是相对恒定的，那么就可以使用固定线频率。
检查设备1也可以装配有集成到每个摄像机6中的加速计210，如图7所示，以检测例如由于设备遇到管道2内部障碍所导致的检查设备1的加速或旋转，内部障碍可以例如是在管2内部的流体3中浮动的对象，管2中较大的损坏段，等等。来自加速计211的读数可以提供给任务控制器30，任务控制器30在给定的情况下将关闭一或多个摄像机6的操作。
在使用根据本发明的检查设备1进行管道检查操作之后并且当检查设备1例如在清管器阱中可用的时候，来自检查设备1的存储介质160的数据可以经由任何适当的数据通信线路下载，例如IEEE 1394、以太网或任何用于数据通信的硬件和软件的已知组合。在本发明中选择了100Mbit的以太网连接260。来自每个摄像机6的数据流都使用图7中所示的n+1端口以太网开关60提供给以太网。在图8中显示了由根据本发明所述的几条线图像的组合而构成的典型的合成图像，它显示了面向管内壁的洞和凸起。
也由本发明支持的另一个方法是将存储介质160从检查设备1即清管器上拆卸，并且将存储介质160连接到单独的计算机上。然后计算机可以将可拆卸存储介质160上的数据传递到计算机自身上的工作存储介质上，传递到备用存储介质上，例如使用任何可以与计算机，可能是便携式计算机结合使用的数据存储设备。
在将记录的数据从在检查过程中使用的存储介质160拷贝之后，就可以对数据进行进一步的处理。此类进一步的处理可以例如是建立适于与显示软件一同使用从而向操作者显示灰度级图像以及3D轮廓。
进一步的处理也可以包括数据与此前确立的典型结果的数据库的比较从而根据所获得结果的类型对新的结果进行分类。取决于已经发现的可能的异常，这些可以由图像处理软件进行分类，例如根据一组此前确定的规则。特别地，该将帮助操作者评价异常的程度。
检查设备1的抗压壳应该另外装备有过压阀。此类阀是人身安全预防装置，用于避免无意的内部压力积累的可能有害的影响。内部压力积累可能是由例如进入压力外壳的泄漏造成的。此类压力通常发生在操作期间在较高操作压力下的管道内部。另一个预防安全措施是向外壳提供清洗管接头从而使之能够使用惰性气体清洗工具的内部。这会减少将外壳内部的空气/氧与从管道泄漏到外壳中的潜在爆炸性气体混合的风险。
为了较高的可靠性，系统还可以装备有看门狗电路，它可以在由于限制用电条件或软件错误而正常地停止运转时重新启动电子系统零件。
权利要求
1.一种用于运输流体(3)的管道(2)内部检查的光学检查装置(1)，所述装置包括能量供应元件(18)；光源工具(4)，用于形成照亮所述管道(2)内部表面部(9)的线(L)的一个或者多个扇形光束(5)；光学接收工具(6)，位于由所述扇形光束(5)形成的平面之外并且配置成在它的视野(7)内具有由扇形光束(5)在管道(2)内壁上形成的线(L)；所述光学接收工具(6)用于形成多个二维索引图像(20k)，所述索引k表示运行图像号码，每个所述图像(20)包括用于所述图像(20)个预定数目的线(M)中每个线的预定数目像素的亮度数据；数据处理元件(100)，它包括带有表面深度轮廓分析模块(120)的图像分析模块(110)，所述深度轮廓分析模块(120)用于通过分析沿着所述线(M)的最大值(m)，从记录的图像(20)中提取所述表面(9)的深度轮廓，从而获得曲线(N)，曲线(N)通过所述最大值(m)的位置p(x)来表示每个图像(20)的所述线(L)，因此图像中的所述最大值(m)的位置p(x)就表示了表面轮廓(N)；第一存储工具(160)，用于存储器所述曲线/表面轮廓(N)。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，包括通过仅存储与获取曲线(N)相关联的数据来减少存储的图像数据量的数据处理工具(100)。
3.如权利要求1所述的装置，其中光源工具(4)和光学接收工具(6)布置成使它们的光轴相对于彼此成成0至90度之间的角，优选为30至60度之间。
4.装置如权利要求1所述的装置，其中数据处理元件(100)包括用于识别沿着每个所述线(M)的高亮度像素(19)的图像像素亮度评价工具(130)；用于确定每个所述图像(20)的矩形子图像或片断(22n)的选择工具(140)，其中图像片断包括识别的多个所述高亮度像素(19)；所述选择工具用于选择包括全部或者部分所述曲线(N)的图像片断(22n)；用于测定所述图像片断(22n)内或所述相应图像(20)内的所述曲线(N)的位置(85)的位置测定工具(150)。
5.如权利要求4所述的装置，其中位置测定工具150还用于测定曲线N从所述图像(20m)到随后的图像(20m+1)时位置(85x，85y)的任何变化，并且还重新定义所确定的图像片断(22n)，从而曲线N仍保留在图像片断(22n)之中。
6.如权利要求4所述的装置，其中数据处理工具(100)用于向所述图像分析模块(110)仅仅传输选取的数据，优选仅为所述图像片断(22n)，因此减少了处理的图形数据量(100)。
7.如权利要求1所述的装置，其中所述光源(4)是激光器(24)。
8.如权利要求1所述的装置，其中所述光源(4)是二极管激光器阵列(25)。
9.如权利要求1所述的装置，其中，还包括电压转换器(50)，其在内部分布电缆(182)中提高高压电平从而减少所述缆线(182)中的能量损失。
10.如权利要求1所述的装置，其中，还包括曝光控制工具(230)。
11.如权利要求10所述的装置，其中，所述曝光控制器工具(230)用于调整(4)的亮度。
12.如权利要求10所述的装置，其中，所述曝光控制器工具(230)用于向光源(4)提供脉冲从而给出具有选取的持续时间和间隔的光脉冲。
13.如权利要求1所述的装置，其中，还包括光学字符识别(OCR)工具(250)，例如以OCR软件程序模块的形式，用于检测管道(2)图像中的代码、字母、数字等，从而能够识别处单个管片断。
14.如权利要求1所述的装置，其中，光源(4a、4b、4c、4d…)和相应的摄像机(6a、6b、6c、6d…)可以布置成环绕着管道(2)的内圆周照亮并且成像，其中与相应激光片(5a、5b、…)相关联的每个光源和摄像机对(4a-6a、4b-6b…)在管道(2)中相对于彼此沿纵向配置，以避免沿着管(2)的摄像机和/或检查区域的视野(7)发生重叠。
15.如权利要求1所述的装置，其中，还包括用于测量用于管道(2)中的设备的距离速度的里程表系统(200)。
16.如权利要求15所述的装置，其中，还包括将里程表(200)的输出作为输入的摄像机线频率调整装置(240)。
17.如权利要求1所述的装置，其中，还包括任务控制器(30)，它包括用于打开或者关闭摄像机(6)的开关工具(32)，它是下面一个或者多个参数的函数编程计时器(31)，检查设备(1)周围的压力(220)，管(2)内部的行进距离(200)，管(2)内的设备(1)的运动速度(200)，或者加速计(211)的读数。
18.如权利要求1所述的装置，其中数据处理元件(100)通过沿经过线(N)处的每条线(M)的光分配与选取的参考光分布作卷积，以优于一个像素的精度，即亚像素精度，计算最大值(m)的位置p(x)。
19.如权利要求1所述的装置，其中数据处理元件(100)通过沿着经过线(N)处的每条线(M)的光分配进行积分，以由于一个像素的精度，即亚像素精度，计算最大值(m)的位置p(x)。
20.如权利要求1所述的装置，其中图像分析模块(110)用于提取和存储沿着多条所述线(M)的最大值(m)的亮度，从而为每条线(N)获得一条灰度级线i(x)，其中存储的多个连续灰度级线i(x)表示管道(2)内壁段的连续灰度级图像。
21.如权利要求20所述的装置，其中，数据p(x)和i(x)在存储之前使用压缩算法在每个摄像机中进行压缩。
22.如权利要求21所述的装置，其中，还包括JPEG压缩算法。
23.用于运输流体(3)的管道(2)的内部检查的方法，包括如下的步骤使用用于形成一个或者多个扇形光束(5)的光源工具(4)来照亮所述管道(2)内表面部(9)的线(L)；寄存多个二维索引图像(20k)，所述索引k表示运行图像号码，每个所述图像(20)包括用于在所述图像(20)的预定数目q的条线(M)中的每个线的预定的P个像素的亮度数据；使用光学接收工具(6)，其中光学接收工具(6)位于由所述扇形光束(5)形成的平面之外并且配置成在它的视野(7)内具有由扇形光束(5)在管道(2)内壁上形成的线(L)；通过使用处理元件(100)从记录的图像(20)中提取所述表面(9)的深度轮廓，其中处理元件(100)包括带有表面深度轮廓分析模块(120)的图像分析模块(110)，所述深度轮廓分析模块(120)用于通过分析沿着所述线(M)的最大值(m)，从而获得曲线(N)，曲线(N)通过所述最大值(m)的位置p(x)来表示每个图像(20)的所述线(L)，因此图像中的所述最大值(m)的位置p(x)就表示了表面轮廓(N)；在第一存储工具(160)中存储所述曲线/表面轮廓(N)。
全文摘要
本发明提出了用于通过内部检查对运输流体(3)的管道(2)进行光学检查的装置和方法。光源工具(4)用于形成照亮所述管道(2)表面部(9)的线(L)的一个或者多个扇形光束(5)。光学接收工具(6)位于由光束(5)形成的平面之外并且配置成在它的视野(7)内具有由扇形光束(5)在管道(2)内壁上形成的线(L)。接收工具(6)用于形成二维索引图像(20
文档编号G01N21/954GK1646848SQ03808818
公开日2005年7月27日 申请日期2003年4月4日 优先权日2002年4月19日
发明者约恩·克里斯蒂安·哈格恩, 哈瓦德·特林, 卡尔·亨里克·海于格霍尔特, 基亚尔坦·瓦尔特达尔 申请人:诺斯克埃莱克特罗奥普体克公司