CN101641586B - 远程光学气体检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及远程光学气体检测装置，该装置包括连接至电子供应盒和人机界面的检测盒(30)，检测盒包括：红外镜头(46)，用于在具有非冷却微检测辐射热计矩阵的检测器(50)上形成图像；CCD或CMOS型摄像机(64)，用于以可见光谱对观测区域进行观测；一套电子装置(68)，用于控制检测器、获取红外信号并将其数字化；以及处理信号的处理器(82)，用于在观测区域中检测气体并确定被检测气体的集中度。
Description
本发明涉及远程光学气体检测装置，该装置尤其可适用于例如化工厂、提炼厂、气体储存设施等的工业场所的监测。
从文献EP-A-0544962和WO 03/044499得知这种装置，该装置包括与测量滤波器和基准滤波器相关联的热成像摄像机或红外成像装置，测量滤波器和基准滤波器交替放置在摄像机或成像装置的瞄准轴上，测量滤波器具有包括被检测气体的至少一种特定的吸收谱线的传输波段并对该气体的存在敏感，基准滤波器的传输波段类似于测量滤波器的传输波段但不包括被检测气体的吸收谱线并因此对该气体的存在不敏感。
测量原理包括：将观测场景的背景用作红外光源；在瞄准线上突出被检测气体的存在；通过红外线影像的差异处理计算被检测气体的集中度，以从空间上处理从被观测区域的不同的温度点产生的通量，从光谱上将被检测气体从背景中分辨出来，并暂时消除假警报和不及时的检测。
优选地，该装置在红外-III(IR-III)波段(8至14微米)中工作，红外-III波段宽于红外-II波段(3至5微米)并使更多通量能够被吸收，此外，大气吸收在红外-III波段中比在红外-II波段中弱。
在该已知装置中，所使用的摄像机是冷却式摄像机，该摄像机与其冷却装置一起被容置在适当的盒中并连接至箱，所述箱容纳所有的供电装置、摄像机和滤波器的控制装置以及用于处理所获取信号的装置，这种组件笨重、体积大并需要永久性安装。
本发明尤其旨在改进该已知装置、改善该装置的性能并提高应用该装置的可能性。
为此，本发明提出远程光学气体检测装置，该装置包括红外摄像机和用于处理信号的装置，所述红外摄像机与相继安装在所述摄像机的瞄准轴上的测量滤波器和基准滤波器相关联，所述信号由所述摄像机提供并与观测区域的至少两个不同温度区的通量对应，其特征在于，所述远程光学气体检测装置包括连接至供电单元的检测盒，所述检测盒包括具有光测检器矩阵的红外检测器和由转动的盘携带的滤波器组，该滤波器组布置在所述镜头与所述检测器之间并包括动力驱动装置，所述动力驱动装置用于使每个滤波器相继位于所述镜头和检测器的瞄准轴上，所述检测盒还包括电子板、和处理器，所述电子板用于控制所述检测器、用于获取红外信号并使其数字化、以及用于控制使承载所述滤波器的所述盘转动的装置，所述处理器负责控制所述检测盒的工作和将气体检测算法应用于所述检测器所提供的信号。
尤其由于将各种电子控制和处理板和用于处理由检测器提供的信号的处理器集成在处理盒中，其中，检测器用于检测一种或多种被检测气体及其在瞄准线上的集中度，因此本发明的装置相比上述已知装置具有这样的优点，即，紧凑、自携、便于移动、更易于现场安装和具有多种气体检测能力。
有利地，滤波器组和红外镜头是可拆除的并可由具有不同特征的滤波器组和镜头替换，从而拓宽了装置的使用领域并使装置能够适合于非常特殊的任务。
根据本发明的其它特征：
-所述检测盒包括动力驱动装置，所述动力驱动装置用于通过包括黑色体的遮盖片覆盖和封闭所述红外镜头以在运输和储存过程中保护所述镜头、以及用于所述检测器提供的红外线影像的定期再均匀化以补偿热漂移和适应观测场景的温度变化；
-所述检测盒例如还例如包括CCD或CMOS型矩阵摄像机用于以可见光观测目标区域；
-所述检测盒还包括用于连接至屏幕-键盘式人机界面的装置以及用于连接至网络的连接装置，所述网络包括连接至同类型的其它盒以及连接至中央信息处理系统的装置；
-在所述检测盒中，红外检测器连接至动力驱动的可移动支承件，所述动力驱动的可移动支承件使得调节光学焦点能够进行；
-所述检测器包括非冷却微测辐射热计矩阵；
-所述检测盒还包括例如为三轴罗盘的装置，用于确定所述瞄准轴关于仰角、相对方位角和方位角的方位；
-所述检测盒至少在顶面和侧面为双层壁，且所述检测盒包括用于所述红外镜头的保护性前侧遮光罩；
-所述检测盒安装在手动定向平台或动力驱动转台上。
通过阅读以下参照附图出于说明性目的所给出的描述，本发明将得到更好的理解，并且本发明的其它特征、细节和优点将更清楚，在附图中：
图1示意地示出已知的远程光学气体检测装置；
图2是图示通过该装置检测气体的原理的曲线图；
图3示意地示出根据本发明的检测装置；
图4是该装置的检测盒的轴向剖视图。
图1示意地示出已知的远程光学气体检测装置，该装置包括红外摄像机10，红外摄像机10为优选冷却式并被容置在隔热的盒12中，该装置还包括转轮14，转轮14承载有测量滤波器16和基准滤波器18，测量滤波器16和基准滤波器18可被交替放置在摄像机10的瞄准轴上。
所述装置还包括电力供应、控制和处理箱20，箱20连接至摄像机10并连接至摄像机10的冷却装置，该箱20还连接至使承载滤波器的转盘14转动的转动装置，箱20包括连接至例如便携式电脑24的信息处理系统的连接装置22，箱20还可连接至中央处理单元。
图2的曲线图图示了测量原理，该曲线图示出被检测气体相对波长λ的透射率(transmittance)T的变化，以及在相应于红外-III波段的波长范围(8至14微米)上测量滤波器的透射率T1和基准滤波器的透射率T2。
气体透射率的曲线T具有波长为λ1的吸收谱线26，该吸收谱线的幅值是气体集中度的函数，而吸收谱线的宽度例如约为数十或数百纳米。
测量滤波器的透射率曲线T1包括被检测的气体的吸收谱线的波长λ1并在明显大于该吸收谱线的宽度的波段上延伸。
相比测量滤波器的透射率T1，基准滤波器的透射率曲线T2是气体的吸收谱线26的某种补充，因为透射率T2基本上在与测量滤波器的透射率T1相同的波段上延伸但不包括吸收谱线26。
当测量滤波器16被放置在摄像机10的光轴上时，该摄像机接收的通量取决于在观测区域中是否存在被检测气体团以及该气体在摄像机瞄准线上的集中度。
当基准滤波器18被放置在摄像机10的光轴上时，所接收的通量不取决于在瞄准线上是否存在被检测气体。
由摄像机10先通过测量滤波器16再通过基准滤波器18相继接收的通量的比率提供了这样的数值，该数值取决于被检测气体在观测区域中的集中度而不取决于光学系统的温度和传输。
此外，通过两个滤波器相继检测观测区域的具有不同的温度的两个点或两个区所提供的通量，摄像机10通过被检测气体团对这两个点或这两个区进行观测，这样通过取得经过测量滤波器来自这两点或这两个区的通量的差量，接着通过取得经过基准滤波器的上述通量的差量，然后再通过建立这些差量的比率，从而可以克服气体团的固有发射。
尤其如WO 03/044499所述，为了检测多种气体，也可以使用滤波器组，该滤波器组的传输波段根据待检测气体的吸收谱线而相对于彼此确定，使得可用作基准滤波器以检测气体的滤波器可用作测量滤波器以检测另一种气体，反之亦然，滤波器成对或成组地组合，每对或每组滤波器用于检测一种或多种气体。
还可以使用具有在观测波长波段上分布并可能重叠的传输波段的滤波器组以在每个传输波段中获得观测区域的图像，然后调用所获得的图像以重新构成通过宽带测量滤波器观测的图像和通过宽频带基准滤波器观测的图像。
根据本发明的远程光学气体检测装置与这种已知的装置的不同之处基本上在于，如图3所示意性地示出，检测盒30不仅包括优选为非冷却微测辐射热计矩阵红外检测器(使长时间连续监测能够进行)、红外镜头和动力驱动的滤波器组，而且还包括一套用于控制红外检测器和采集该检测器提供的红外信号并将其数字化的电子板和用于控制容纳在该盒内的各种机构的电子板，以及确定瞄准轴的方位的装置、用于以可见光对观测区域进行观测的彩色CCD或CMOS摄像机、用于控制所有使用的装置和将气体检测算法应用于获得的信号的操作处理器以及电子电路应用系统，所述电子电路应用系统由连接至电池34或配电网的外部盒32提供的普通电源确保盒30的内部电源电路的配电和保护。
检测盒30连接至人机界面36和网络38，所述网络38包括连接至同类型的其它检测盒30和远程中央信息处理单元40的连接装置。检测盒30可安装在由三脚架42保持的手动定向平台或由检测盒30控制和供电的动力驱动转台44上。
在本发明的一个具体实施方式中，检测盒30的尺寸约为670mmx280mmx330mm，重量约为18kg，配备有电池34的供电单元32的尺寸约为170mmx120mmx125mm，重量约为4kg，因此，根据本发明的整个装置可移动、易于现场安装并且是自携的。
更详细地，如图4所示，检测盒30包括红外镜头46和非冷却微测辐射热计矩阵红外检测器50，红外镜头46由其前端连接在盒30的前壁48的窗的后侧，非冷却微测辐射热计矩阵红外检测器50在镜头46的后侧安装在动力驱动支承件52上，动力驱动支承件52在盒30内在框架54上被引导，框架54保持检测盒的部件，检测器50的支承件52的轴向移动使得能够根据工作条件(镜头46的特性、工作温度、滤波器组的配置等)进行光学聚焦。这种布置的优点在于，在因热漂移而发生聚焦变化的情况下保持摄像机摄像的缩放和准确视野，从而这种漂移得到补偿，而不使观测场景在视野和分析分辨率方面发生空间变化。
承载滤波器58的盘56放置在镜头46的后端与检测器50之间并可拆除地安装在支承件60中，支承件60包括用于使盘56转动的动力驱动装置以及用于确定盘关于其转动轴线的角位置和放置在镜头46的轴线上的滤波器的角位置的分度装置，盘56承载的滤波器58的数量例如为6个。
用于控制检测器50的电子板以及用于采集检测器接收的红外信号并将其数字化的电子板在标号62处安装在盒中，并位于检测器50的后侧。
CCD或CMOS摄像机64在盒30内安装在红外镜头46的下方，并位于盒的前壁的窗66的后侧，从而以可见光取得观测区域的图像。
负责控制盒30的各种机构的电子指挥-控制装置68由框架54保持并位于检测器50及其支承件52的后侧，这些机构包括承载滤波器58的动力驱动盘56、检测器50的动力驱动支承件52、温度控制装置以及覆盖和保护镜头46的装置70，装置70由盒的前表面48的上部保持并可在如图4所示的检测器50的工作位置与在镜头46的前端的翻下位置之间进行枢转，这种装置70包括遮盖片72和驱动装置76，遮盖片72在其表面上承载黑色体74，黑色体74旨在覆盖镜头46的前端，驱动装置76安装在盒30的内部并使遮盖片72能够绕着横向轴线在遮盖片72的两个前述位置之间枢转。
遮盖片72使镜头46的前端能够被覆盖和封闭，以在不使用检测器50期间，尤其在运输和贮存盒30期间保护镜头46的前端，置于镜头46的前端上的黑色体74使红外图像能够定期再均匀化(re-uniformisation)，以适应观测区域的温度变化并补偿整个图像采集链的包括镜头46及位于其前侧的窗在内的所有部件的热漂移。
机构70安装在盒30的前部，并位于遮光罩78的下方，遮光罩78连接至盒30的上壁并向前延伸，以保护镜头46免受通过太阳直射的照射。
如图4所示，盒30的双层壁在盒30的侧面及其上表面上提供了额外保护以防止由于暴露于太阳而产生的过热。
装置80安装在盒内，例如位于检测器50的动力驱动支承件52的下方，用于确定瞄准轴的关于相对方位角、仰角和方位角的方位，这种装置例如包括三轴罗盘。
盒30的后表面在盒内保持处理器82，处理器82负责控制检测盒中的所有部件以及将气体的检测算法应用于检测器50所提供的信号，处理器还负责与外部装置(人机界面36、网络38、中央处理单元40)进行通信以及对其上可固定有盒30的动力驱动转台44进行控制。处理器82位于盒30的后隔间中并与位于盒的前部的红外检测器50分离，处理器82还与冷却装置84接触，冷却装置84包括使热量能够经由盒30的后表面排出的散热器和风扇。
最后，在盒的后部安装在框架54上的电子装置86连接至供电单元32，以确保盒30的内部供电装置的电能分配和保护。
根据本发明的装置的工作情况如下：
-起动时，交替使用盘56所承载的6个滤波器以检测可通过6个滤波器的组合进行检测的所有气体，盘的转动循环因而是连续的，与6个滤波器盘相对应的6个光谱通道中每个光谱通道用于获取信号。
或者，操作人员可在可通过盘56的6个滤波器的组合进行检测的气体中选择某些气体，以将信号获取限制至与所选气体相应的滤波器。这使得分析循环能够根据所需的光谱通道的数量得到加速。这种选择可通过人机界面36本地进行，或者通过网络38从中央处理单元40远程进行。
在检测器50上，检测在由镜头46所形成的整个图像上均起作用。成像的场景的初步分析约需30至40秒以达到最佳检测性能。接着，进行的测量和显示可以约2秒的周期进行刷新。
操作人员也可以在检测器50上形成的图像中选择特殊区域，将该特殊区域根据情况作为感兴趣区域或作为禁用区域进行处理。
一般来说，本发明可确保长时间连续地对观测现场进行监测而无需影响控制，以免除观测场景的温度变化对确定被检测气体的集中度的影响、减少假警报、改善装置的响应时间并提高装置的光谱选择性。
Claims (10)
1.一种便于移动的自携式的远程光学气体检测装置，用于对观测区域进行连续监测，包括红外摄像机和用于处理信号的装置，所述红外摄像机与相继安装在所述摄像机的瞄准轴上的测量滤波器和基准滤波器(58)相关联，所述信号由所述摄像机提供并与观测区域的至少两个不同温度区的通量对应，所述远程光学气体检测装置包括连接至供电单元(32)的检测盒(30)，其特征在于，
所述检测盒(30)包括：具有光测检器矩阵的红外检测器(50)、安装在所述检测器(50)前侧的红外镜头(46)、由转动的盘(56)保持的滤波器组(58)，该滤波器组布置在所述红外镜头(46)与所述检测器(50)之间并包括动力驱动装置，所述动力驱动装置用于使每个滤波器相继位于所述红外镜头和检测器的瞄准轴上，所述检测器(50)连接至动力驱动支承件(52)，所述动力驱动支承件(52)受引导在所述检测盒(30)内移动以根据工作条件调节光学焦点，以补偿热漂移而不使观测场景在视野和分析分辨率方面发生任何空间变化，所述检测盒(30)还包括电子板和处理器(82)，所述电子板用于控制所述检测器(50)、用于获取红外信号并使其数字化、以及用于控制使承载所述滤波器(58)的所述盘(56)转动的装置，所述处理器(82)负责控制所述检测盒的工作和将气体检测算法应用于所述检测器(50)所提供的信号。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述检测盒(30)包括动力驱动装置(70)，所述动力驱动装置(70)用于通过包括黑色体(74)的遮盖片(72)覆盖和封闭所述红外镜头(46)以在运输和储存过程中保护所述镜头、以及用于所述检测器提供的红外线影像的定期再均匀化以补偿热漂移和适应观测区域的温度变化。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述检测盒(30)还包括CCD或CMOS型矩阵摄像机(64)用于以可见光观测目标区域。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述检测盒(30)还包括用于连接至屏幕-键盘式人机界面(36)的装置。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述检测盒(30)包括用于连接至网络(38)的连接装置，所述网络(38)包括连接至与所述检测盒(30)相同的其它盒以及连接至中央信息处理系统(40)的装置。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述检测器进一步包括非冷却微测辐射热计矩阵。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述红外镜头(46)和所述滤波器组(56，58)是可拆除的。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述检测盒(30)包括用于确定所述瞄准轴关于仰角、相对方位角和方位角的方位的装置(80)。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述检测盒(30)至少在其顶面和侧面为双层壁，且所述检测盒(30)包括用于保护所述红外镜头(46)的前侧遮光罩(78)。
10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述检测盒(30)安装在手动定向平台或动力驱动转台(44)上。
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