一种主动照明气体成像检测方法及系统论文和设计-宁建

全文摘要

本申请提供一种主动照明气体成像检测方法及系统，所述方法先通过可调谐激光器向检测区域发射照明激光，以及对照明激光进行波长调谐；再通过红外CCD接收被检测区域内气体吸收后的照明激光，生成红外图像数据；并根据照明激光参数以及红外图像数据，判断检测区域内是否含有泄漏气体；在含有泄漏气体时，根据计算可得出检测区域的泄漏气体浓度。所述方法采用气体吸收波段激光进行主动照明，可以在背景光较弱的情况下，红外成像气体检测灵敏度依然很高。并且，采用波长可调谐激光器在照射的同时进行波长调谐，对气体吸收峰进行扫描，可使气体成像的对比度获得提升，使得气体扩散范围和浓度信息更容易被提取。

主设计要求

1.一种主动照明气体成像检测方法，其特征在于，包括：通过可调谐激光器向检测区域发射照明激光，以及对所述照明激光进行波长调谐；通过红外CCD接收被所述检测区域内气体吸收后的照明激光，生成红外图像数据；根据所述照明激光的中心波长、调谐范围、调谐频率以及所述红外图像数据，判断所述检测区域内是否含有泄漏气体，包括：根据所述红外图像数据生成判断矩阵；获取连续多个所述红外图像数据对应的判断矩阵；判断连续多个所述判断矩阵的矩阵元随时间变化规律，是否与所述调谐频率呈现相同的周期性；如果所述变化规律与所述调谐频率呈现相同的周期性，确定所述检测区域内含有泄漏气体；如果所述检测区域内含有泄漏气体，根据所述红外图像数据计算气体吸收光程和中心透过率；根据所述气体吸收光程和中心透过率，计算所述检测区域的泄漏气体浓度和泄露气体扩散范围。

设计方案

1.一种主动照明气体成像检测方法，其特征在于，包括：

通过可调谐激光器向检测区域发射照明激光，以及对所述照明激光进行波长调谐；

通过红外CCD接收被所述检测区域内气体吸收后的照明激光，生成红外图像数据；

根据所述照明激光的中心波长、调谐范围、调谐频率以及所述红外图像数据，判断所述检测区域内是否含有泄漏气体，包括：

根据所述红外图像数据生成判断矩阵；

获取连续多个所述红外图像数据对应的判断矩阵；

判断连续多个所述判断矩阵的矩阵元随时间变化规律，是否与所述调谐频率呈现相同的周期性；

如果所述变化规律与所述调谐频率呈现相同的周期性，确定所述检测区域内含有泄漏气体；

如果所述检测区域内含有泄漏气体，根据所述红外图像数据计算气体吸收光程和中心透过率；

根据所述气体吸收光程和中心透过率，计算所述检测区域的泄漏气体浓度和泄露气体扩散范围。

2.根据权利要求1所述的一种主动照明气体成像检测方法，其特征在于，通过可调谐激光器向检测区域发射照明激光，以及对所述照明激光进行波长调谐的步骤包括：

获取检测区域内的泄漏气体类型；

根据获取的气体类型查找泄漏气体的吸收峰信息；

根据所述吸收峰信息设置可调谐激光器的中心波长、调谐波长以及调谐频率。

3.根据权利要求1所述的一种主动照明气体成像检测方法，其特征在于，如果所述检测区域内含有泄漏气体，所述方法还包括：

通过可见光CCD获取所述检测区域的可见光图像数据；

根据所述可见光图像数据以及所述红外图像数据，定位所述泄漏气体的泄漏位置和扩散位置。

4.根据权利要求1所述的一种主动照明气体成像检测方法，其特征在于，根据所述气体吸收光程和中心透过率，计算所述检测区域的泄漏气体浓度的步骤中，所述方法按照下式计算泄漏气体的浓度：

设计说明书

技术领域

本申请涉及气体检测技术领域，尤其涉及一种主动照明气体成像检测方法及系统。

背景技术

日常生活、工业生产和交通运输等领域内，有害气体，如天然气、石油等烷烃类易燃易爆气体泄漏会造成多方面的危害。为了减少气体泄漏的危害，需要对区域内是否存在气体泄漏现象进行检测。常见的气体检测方式主要包括：半导体式、催化燃烧式和电化学式、红外线式，即通过对应原理下的传感器，探测区域内的气体浓度。但这些传感器需要与气体进行接触才能进行检测，使得这些传感器的检测范围小，反应迟缓，因此，还可以通过光学远程方式进行气体检测。

采用光学远程方式进行气体检测的方法，主要包括被动式的光谱分析方法和主动式的激光雷达方法两种。其中，被动式的光谱分析方法是采用精密光谱仪对目标气体的太阳光或热辐射吸收光谱进行采集分析，以确定气体浓度，这种检测方法广泛应用于卫星对大气检测，对于范围较小的目标区域检测精度很低，并且对目标进行成像，需要精密昂贵的光谱仪或高光谱相机进行数据采集，增加检测成本。

主动式的激光雷达方法，包括差分吸收光谱技术（DOAS）和可调谐半导体吸收光谱技术（TDLAS）等。即，采用激光器发射指向性激光光束，对激光经过的沿途气体进行浓度积分，获取单点位置上的气体积分浓度。可见，主动式的激光雷达检测方法仅对单点进行检测，如果检测一个较为广阔的区域需要进行逐点扫描，使检测速度极其缓慢。

为了改善上述缺点，现有技术还通过红外成像检测技术进行气体检测。例如美国FLIR公司的GasFindIR系列气体成像仪和法国Bertin公司的Second Sight气体成像仪。这些成像仪工作在热辐射红外波段，并针对被检测气体红外特征吸收峰的不同，在镜头与红外焦平面探测器之间加入涵盖吸收峰的窄带滤光片，从而实现窄波段的气体成像检测。但由于窄波段的辐射能量偏小，需要采用高灵敏镀的低温制冷型中红外探测器，使得系统造价高昂。并且，在热辐射小或温差小的时段，例如晚上，由于温度降低和周边日光散射光消失，使得检测灵敏度较差甚至无法使用。

发明内容

本申请提供了一种主动照明气体成像检测方法及系统，以解决传统检测方法在背景光较弱情况下，红外成像气体检测灵敏度差的问题。

一方面，本申请提供一种主动照明气体成像检测方法，包括：

通过可调谐激光器向检测区域发射照明激光，以及对所述照明激光进行波长调谐；

通过红外CCD接收被所述检测区域内气体吸收后的照明激光，生成红外图像数据；

根据所述照明激光的中心波长、调谐范围、调谐频率以及所述红外图像数据，判断所述检测区域内是否含有泄漏气体；

如果所述检测区域内含有泄漏气体，根据所述红外图像数据计算气体吸收光程和中心透过率；

根据所述气体吸收光程和中心透过率，计算所述检测区域的泄漏气体浓度。

可选的，通过可调谐激光器向检测区域发射照明激光，以及对所述照明激光进行波长调谐的步骤包括：

获取检测区域内的泄漏气体类型；

根据获取的气体类型查找泄漏气体的吸收峰信息；

根据所述吸收峰信息设置可调谐激光器的中心波长、调谐波长以及调谐频率。

可选的，如果所述检测区域内含有泄漏气体，所述方法还包括：

通过可见光CCD获取所述检测区域的可见光图像数据；

根据所述可见光图像数据以及所述红外图像数据，定位所述泄漏气体的泄漏位置和扩散位置。

可选的，根据所述照明激光的中心波长、调谐波长、调谐频率以及所述红外图像数据，判断所述检测区域内是否含有泄漏气体的步骤包括：

根据所述红外图像数据生成判断矩阵；

获取连续多个所述红外图像数据对应的判断矩阵；

判断连续多个所述判断矩阵的矩阵元随时间变化规律，是否与所述调谐频率呈现相同的周期性；

如果所述变化规律与所述调谐频率呈现相同的周期性，确定所述检测区域内含有泄漏气体。

可选的，根据所述气体吸收光程和中心透过率，计算所述检测区域的泄漏气体浓度的步骤中，所述方法按照下式计算泄漏气体的浓度：

设计图

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