靳卫卫　赵宇鹏　安伟　于新生　李建伟

（1中海油能源发展股份有限公司安全环保分公司天津塘沽300452 2中国海洋大学海洋地球科学学院山东青岛266100）

基于PC104平台的海面溢油监视系统设计

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（1中海油能源发展股份有限公司安全环保分公司天津塘沽300452 2中国海洋大学海洋地球科学学院山东青岛266100）

针对海上石油平台“跑、冒、滴、漏”现象，采用光学图像采集设备进行无人值守连续监视，并且配合有效的溢油识别算法开展海面溢油监测识别。本文针对海面溢油监视应用环境和技术需求，对系统的硬件模块进行了选型与集成，构建了基于PC/104-Plus总线结构、高图像分辨率、15帧/秒的采集速率、低功耗的嵌入式溢油图像采集系统。

溢油监视；PC/104结构；图像采集；光学成像

随着海洋油气资源开发规模的不断扩大，所面临的海洋环境呈现复杂多样化，特别是近年来海上溢油事故频发，给海洋生态环境造成严重破坏。为了应对海上溢油污染，世界各国特别是发达国家投入了大量资金建立溢油监测系统。在国际上，越来越多的海事国家主要利用多光谱图像监视技术。挪威、加拿大、美国、荷兰、德国等国家在螺旋桨飞机和无人机上搭载可见光的照相机、摄像机、前视红外（FLIR）/CCD摄像机、红外/紫外扫描仪、红外照相机和下视摄像机等光谱信息采集设备进行日常巡逻监视海面溢油。可以看出，使用光学图采集技术像获取海上溢油信息已日益成为海面溢油监测的重要途径。

相对于卫星或机载遥感技术，海面溢油光谱监视技术主要是基于光谱图像传感器对观测区域进行光谱成像，然后应用图像处理与信息分析方法获取关注信息和特征参数的观测技术。该技术具有成本低、适用性强、布放简单、空间覆盖面广（几公里）、空间分辨率高、测量参数多等优点，可以随时了解现场情况、增强了对特定海区的观测能力，光谱监测技术已成为近几年海洋要素监测中的活跃研究方向，很适于在我国沿海石油平台的推广应用。

1系统集成结构设计

图像采集系统[1][2]的硬件部分通常包括一下几部分：控制采集模块、存储介质、图像采集卡、数字相机和供电电源（图1），数字相机对目标物体进行光学成像，通过图像采集卡捕捉后，由控制采集模块将图像存储到存储介质，电源分别对各个模块进行供电。

采用PC104主板和基于PC104 PLUS总线[3]的图像捕捉卡组成了体积紧凑的水下自容式图像采集系统，无压缩图像直接通过PC104主板的硬盘接口存储在80 G硬盘中，实现了大容量图像信息的实时存储。在保证系统功能的前提下，缩小整体尺寸。

图1图像采集系统硬件结构

2光学成像系统设计

溢油图像采集系统要安装于海上平台的甲板上，离海平面的垂直距离大约有30m~50m，如图2所示。同时，由于图像采集系统存在一定的采集倾角，则实际物距根据取景范围不同而随着变化。所采用的CCD芯片靶面长度为8.8mm，宽度为6.6mm，靶面对角线为11mm，为此采用宾得公司的C31204 2/3英寸的变焦镜头和2倍增倍镜组合方式构建了变焦范围为25mm~150mm的变焦镜头。根据光学成像原理（见图3），由透镜成像公式（1）计算的在焦距为25mm~150mm之间图像分辨率如表1所示。图4是组建的光学成像实物。

图2系统搭建油气平台环境示意图

图3透镜成像原理图

表1相同物距，不同焦距下的分辨率及视场角

图4数字成像装置

3　基于PC 1 0 4嵌入式平台的系统集成

采用工业PC104嵌入式系统标准[4]，构建了自容式溢油现场图像采集系统样机，其系统工作框图如图5所示。微处理器与图像采集卡之间通过PC104-Express总线进行通信，外部脉冲触发电路控制相机和光源，相机与图像采集卡之间通过Camera Link标准接口[5][6]进行通信，实现图像的实时传输，微处理器将获取的图像存储到硬盘上。

图5图像采集系统原理图

为了使相机快门与光源能够同步触发，需要相机工作于外部触发工作模式，这样才可以通过外部触发脉冲来控制相机的图像采集与闪光灯同步。如图6所示，利用现有的元器件，先用555定时器和分频器74LS92N进行产生60Hz矩形方波。相机采用外部信号触发模式来进行图像的采集。外部触发脉冲上升沿到来时，触发光源LED发光；经过一个门电路的延迟时间后，触发相机曝光，图像采集卡开始采集图像，快门关闭后，停止采集；等外部触发脉冲的下降沿到来时，开始进行图像的传输。其工作时序图如图7所示。

图6触发脉冲产生电路

图7图像采集时序图

图8基于PC104嵌入式自容式采集系统

4系统测试

集成的自容式海面溢油图像监视样机系统如图9所示，通过PC104主板上的以太网接口与计算机相连，可以利用在远程计算机上的虚拟控制软件对系统进行控制。为实现海面溢油图像的实时采集，采用W indows XP作为嵌入式系统的操作平台，利用VisualC++开发了图像采集程序。

图9集成的溢油图像监视系统

5结语

对光学成像系统实行了系统集成，对所组建的海面溢油图像监视系统的光学性能进行了模拟测试和评估，实验结果表明所设计的系统具有良好的成像质量，证明所设计的技术路线是可行的。在今后的工作中将围绕着提升图像的对比度和信噪比等方面对成像光路和照明结构作进一步的改进。

[1]张纪明.基于PC的机器视觉系统研究.可编程控制器与工厂自动化,2006,11:107-110.

[2]穆向阳，张太镒.机器视觉系统的设计.西安石油大学学报:自然科学版，2007，22(6):104-109.

[3]蒋继宏,廖永涛，程钢.基于PC104Plus的视频记录系统研制.西飞科技,2003,3:30-33.

[4]PC/104 Embedded Consortium.PC/104-Plus Specifications V2.3. San Francisco,California,2008,10,13.

[5]王小艳,张会新,孙永生,等．Camera Link协议和FPGA的数字图像信号源设计.国外电子元器件,2008,7:59-61.

[6]张德联,张帆.基于Camera Link的高速数据采集压缩系统.科学技术与工程,2008,8(18):5253-5255.

[7]李佑军.嵌入式系统综述.现代电子技术,2003,6:90-91.

[8]李林功,李华玲.嵌入式系统的构成与特点.电测与仪表,2003,39 (5):29-34.

靳卫卫(1986—)，男，青岛，硕士，海洋环境科研工程师，主要研究方向：水上溢油应急与处置。