熔化焊接时，在热源作用下，焊件上形成的具有一定形状的液态金属部分被称的焊接溶池。弧焊过程中，电弧下的熔池金属在电弧力的作用下克服重力和表面张力被排向熔池尾部。随着电弧前移，熔池尾部金属冷却并结晶形成焊接的“痕迹”，即焊缝。

焊缝的形状决定于熔池的形状,熔池的形状又与接头的形式和空间位置、坡口和间隙的形状尺寸、母材边缘、焊丝金属的熔化情况、熔滴的过渡方式等有关。接头的形式和空间位置不同，则重力对熔池的作用不同。焊接工艺方法和规范参数不同,则熔的体积和熔池的长度等都不同。平焊位置时熔池处于最稳定的位置,容易得到形良好的焊缝,在生产中常通过焊接变位机等装置使接头处于水平或船形位置进行焊接。而在其他空间位置焊接(横焊、立焊、仰焊、全位置焊)时,由于重力的作有使熔池金属下淌的趋势,因此要采取特殊措施(例如施加脉冲电流等)控制焊缝成形。当坡口和间隙、焊接规范参数等不合适时，也有可能产生焊缝成形方面的缺欠。要达到对焊缝成形控制的目的则需要对焊接熔池进行图像处理，对焊接熔池实时监测，以便形成最佳的焊缝。

国内外科研工作者针对焊接熔池存在的光、电、热、磁物理现象，把计算机和人工智能 等技术相结合进行熔池图像的实时采集，并通过图像处理提取熔池的特征信息，分析其与焊接质量之间的内在关系，来实现焊接质量实时传感和控制，从而获得高质量的焊缝。这种通过对熔池图像采集的方法来进行焊接熔池动态检测，已成为国内外研究的热点。

近年来， 研究者不仅仅提取熔池几何形状参数作为特征参数，也提取更多类型的熔池信息来分析其与焊接质量间的内在关系。张艳喜等[1]在对不锈钢厚板进行焊接时使用大功率盘形激光深熔焊，定义了熔池投射的阴影所占的像素的总个数即熔池阴影面积作为特征参数，集中研究了熔池阴影面积与焊接质量的内在关系，发现熔池阴影面积越大，熔池体积就越大，焊接母材对激光的吸收率越大，焊缝成形越好从而焊接质量越好，为这种焊接方法的质量检测提供了依据。 高飞等[2]对MAG焊分析实验数据得到不同区域与焊缝缺陷和成形质量之间有较大的关联性，所以分别选取不同的像素区间定义了熔池的头部（0～175像素）、中部（176～224像素）和尾部（225～400像素）三个分区（三个区域与其主要影响的焊接成形质量的对应关系分别是咬边、焊缝的熔敷情况和鱼尾纹等），即定义各区域的灰度值梯度作为特征参数。发现三大区域界线越明显，边界线越平滑，则焊接缺陷越少，焊缝成形质量越好，得出了焊接质量随近似熵值的增大而变好的结论，同时也得到了用近似灰度熵评判焊缝成形质量的量化标准。

国内外学者虽然针对不同的焊接方法、焊接材料已经部分地建立了熔池几何形态参数与焊接缺陷之间的关系，包括熔池边缘形态和尾部边缘光滑度系数与气孔、夹渣之间的关系、特征参数与焊缝宏观成形之间的关系等，但是对特征参数与焊缝熔深和余高的直接对应关系的研究并不成熟。

在熔池图像视觉传感系统的研究进展方面，综合国内外现有研究发现，目前的研究主要集中在视觉传感方法、传感器的选择以及滤光系统的设计等方面。焊接熔池视觉传感技术在不干扰正常焊接过程的同时能使焊接工作者直观的观察到被强光淹没的熔池的图像信息和金属熔化动态信息，并且具有获取信息量大的优点。但是由于受到强烈的电弧弧光辐射、熔池辐射和摄像机感光特性等综合因素的影响[3]，虽然李梦醒等人[4]在低碳钢短路过渡焊中采集到轮廓清晰和内部信息完整的熔池图像，但对于其它焊接方法和焊接材料，现有的技术仍存在无法获得清晰的熔池图像和完整的熔池信息的问题。

2. 研究的基本内容与方案

1）设计的基本内容

设计管道焊接熔池成像系统，能够有效克服弧光干扰，获取焊接熔池在焊缝坡口内图像，是智能焊接系统的重要组成部分。采用基于统计的鲁棒图像处理方法，对熔池图像进行预处理，抑制飞溅等噪声。在图像自适应分割和边缘提取基础上，根据熔池图像和焊缝坡口图形特点，分别提取熔池图像在焊缝内的灰度分布特征以及焊缝坡口图形特征，得到熔池相对焊缝坡口的动态偏移量，以及熔池振动幅度和频率，为焊缝跟踪和焊接质量控制提供了视觉信息反馈。

2）设计的目标