CN102798503A

CN102798503A - 基于宽波段非制冷焦平面探测器的气体泄露成像检测系统

Info

Publication number: CN102798503A
Application number: CN2012102736383A
Authority: CN
Inventors: 金伟其; 李家琨; 王霞; 徐超; 金明磊
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2012-08-02
Filing date: 2012-08-02
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2032-08-02
Also published as: CN102798503B

Abstract

本发明一种基于宽波段非制冷焦平面探测器的气体泄露成像检测系统，包括宽波段红外光学镜头、窄波段滤光片切换装置、宽波段非制冷焦平面探测器、图像处理模块、控制模块和显示器；上述各器件的位置关系为：沿入射光的光路方向依次为宽波段红外光学镜头、窄波段滤光片切换装置、宽波段非制冷焦平面探测器；同时图像处理模块与宽波段非制冷焦平面探测器相连，显示器与图像处理模块相连，控制模块与窄波段滤光片切换装置相连。本发明利用设有多个不同中心波长的窄带滤光片，对入射至宽波段非制冷焦平面探测器上红外光的中心波长进行选取，使得本发明可对不同种类中心波长的红外光进行探测，实现宽波段的检测效果。

Description

基于宽波段非制冷焦平面探测器的气体泄露成像检测系统

技术领域

本发明属于气体检测技术领域，具体涉及一种基于宽波段非制冷焦平面探测器的气体泄露成像检测系统。

背景技术

有害气体(例如液化天然气、石油气、乙烯、其它对生物体及环境有害的工业气体及其液化体)的泄漏不仅污染环境，而且直接关系到社会的安定和人民生命财产的安全。因此，世界各国都非常重视快速有效的有害气体泄漏遥测或检测技术的研究和仪器研发。

传统的气体传感器属于点测量，只能对气体的储藏罐体、传送管道等进行定点的检测，要完成整个检测耗时耗力，难以实现在线快速检测。光谱检测是一种快速有效的气体泄漏非接触检测技术，但传统检测方法也属于定点测量，难以适应大范围的动态成像检测。红外光谱成像技术是实现气体非接触成像检测的有效途径，其不仅可探测多种化学气体的光谱，还能对场景成像，但其价格非常昂贵(如加拿大TELOPS公司的便携式红外成像光谱辐射仪，最低配置也高达70万美元)，成像速度较慢。随着各种成像传感器技术的发展，近年来正在发展基于从紫外、可见光、近红外、短波红外、中波热红外到长波热红外的多波段融合成像检测方法，展现出广泛的应用前景，但降低其系统成本，是其应用推广需要解决的主要问题。

实际上，由于气体泄漏部位相对背景辐射在温度、辐射特性以及气体流动等方面的差异，国外利用中波或长波制冷型焦平面探测器热成像系统已实现对一些特定气体泄露的非接触式快速检测，成为实用的气体泄漏遥测手段，但其价格昂贵也限制了其应用推广。近年来，非制冷红外焦平面探测器技术得到迅速的发展和推广应用，其可对工作波段内温度或辐射特性不同的目标场景中实现快速的成像探测，而且其灵敏度也得到迅速提高，价格不断下降。因此，利用非制冷焦平面探测器实现有害气体泄露遥测具有技术上的可行性和市场需求的迫切性。

近几年，国内已有人提出将非制冷焦平面探测器应用于有害气体的泄漏检测，但其应用方式却局限于非制冷焦平面探测器的传统工作波段（8~14微米），也有人采用在通用红外成像系统中增加单一窄带滤光片的方式或采取增加或更改探测器之前的保护窗（红外窗）的镀膜的方式（专利公开号：CN102393375A），将非制冷焦平面探测器限制于某个固定窄带工作波段，这些都大大限制了该类探测器在有害气体泄漏检测领域的应用。虽然相对于制冷型有害气体泄露成像检测系统，上述应用方式在单一种类有害气体的成像探测方面降低了产品成本，但是在大多数情况下，实际应用需要探测多种类的有害气体，此时，如果采购多套上述应用方式的检测系统必将成倍提高应用成本。因此，有必要充分发挥非制冷焦平面探测器的性能和特点，利用一个有害气体泄漏成像检测系统实现宽波段多种类有害气体的检测。

发明内容

针对上述传统气体检测系统的缺陷，本发明的目的是提供一种基于宽波段非制冷焦平面探测器的气体泄漏成像检测系统，该检测系统可实现对不同种类气体泄漏的高灵敏度检测，其实现成本低。

实现本发明的技术方案如下：

一种基于宽波段非制冷焦平面探测器的气体泄露成像检测系统，其包括宽波段红外光学镜头、窄波段滤光片切换装置、宽波段非制冷焦平面探测器、图像处理模块、控制模块和显示器；上述各器件的位置关系为：沿入射光的光路方向依次为宽波段红外光学镜头、窄波段滤光片切换装置、宽波段非制冷焦平面探测器；同时图像处理模块与宽波段非制冷焦平面探测器相连，显示器与图像处理模块相连，控制模块与窄波段滤光片切换装置相连；

所述宽波段红外光学镜头对波长为3~14微米的红外光具有透过性；

所述窄波段滤光片切换装置上设有多个窄带滤光片，每一窄带滤光片的中心波长互不相同，且处于3~14微米之间；

所述控制模块根据外部的输入控制窄波段滤光片切换装置动作，使其上的选定的一窄带滤光片位于入射光的光路上；

所述宽波段非制冷焦平面探测器上的锗窗口的镀膜特性使其对3～14微米的光具有透过性，其用于对来自物方的、透过宽波段红外光学镜头和位于光路上的窄带滤光片的红外光进行成像，并将所成图像传输给图像处理模块；

所述图像处理模块对接收的图像进行非均匀性校正和细节增强处理，并将处理后的图像传输给显示器进行显示。

有益效果

本发明利用设有多个不同中心波长的窄带滤光片，对入射至宽波段非制冷焦平面探测器上红外光的中心波长进行选取，其充分利用了非制冷焦平面无光谱选择的特性，使得本发明可对不同种类中心波长的红外光进行探测，实现宽波段的检测效果。

附图说明

图1为本发明基于宽波段非制冷焦平面探测器的气体泄露成像检测系统原理框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

本发明的原理：非制冷焦平面探测器是微米级微桥结构的热电探测器二维阵列，理论上其响应无光谱选择性，可以说是全波段红外探测器，对于气体泄露检测的种类上较单一的中波或长波制冷焦平面探测器具有优势。因此，本发明通过更换传统非制冷焦平面探测器的锗窗口，使其对中波波段（3~5微米）和长波波段（8~14微米）具有透过性，即本发明采用的宽波段非制冷焦平面探测器对3～14微米的波具有透过性；本发明针对所要检测的气体种类，利用窄波段滤光片切换装置上不同中心波长的窄带滤光片对入射光进行选取，使非制冷焦平面探测器工作在与所需检测气体的红外吸收波段相对应的窄波段上；采用适宜的气体泄漏痕迹视觉显示方法（如对气体区域进行彩色化渲染等），提供适合人眼判断的气体泄漏视频图像，输出到显示器显示。

如图1所示，本发明基于宽波段非制冷焦平面探测器的气体泄露成像检测系统，包括宽波段红外光学镜头、窄波段滤光片切换装置、宽波段非制冷焦平面探测器、图像处理模块、控制模块和显示器；上述各器件的位置关系为：沿入射光的光路方向依次为宽波段红外光学镜头、窄波段滤光片切换装置、宽波段非制冷焦平面探测器；同时图像处理模块与宽波段非制冷焦平面探测器相连，显示器与图像处理模块相连，控制模块与窄波段滤光片切换装置相连。

成像背景所发出的辐射以及气体吸收背景辐射后发射的辐射，分别通过宽波段红外光学镜头和窄波段滤光片切换装置上处于光路上的窄带滤光片，最后在宽波段非制冷焦平面探测器成像，所成图像经过图像处理模块进行处理最后在显示器上显示，供人眼观察和判断；如图1中。

宽波段红外光学镜头对波长为3~14微米的红外光具有透过性；本实施例的宽波段红外光学镜头采用对波段3~14微米具有高透过率的材料（如硫化锌ZnS、硒化锌ZnSe、锗Ge、锗玻璃GeSeAs等）设计而成，其焦距可根据实际需要而定，无具体限制；较佳的选取其焦距为50mm，镜头后截距为10mm，这样可以为窄波段滤光片切换装置提供足够空间。

窄波段滤光片切换装置上设有多个窄带滤光片，每一窄带滤光片的中心波长互不相同，且处于3~14微米之间。本实施例中窄波段滤光片切换装置的核心部件是一个由步进电机驱动的滤光片轮，滤光片轮上装有六个窄带滤光片，六个窄带滤光片的中心波长分别为3.3微米、3.5微米、4.3微米、4.7微米、10.6微米和10.9微米，分别可以实现对甲烷、甲醛、二氧化碳、一氧化碳、氨气和乙烯等气体的检测；实际工作中，由控制模块根据所要检测的气体种类不同进行选择切换。滤光片的大小应大于探测器的前端面并紧挨着宽波段非制冷焦平面探测器保护窗安装，达到有效滤除杂散光的目的。

控制模块根据外部的输入控制窄波段滤光片切换装置动作（即切换），使其上的某一窄带滤光片位于入射光的光路上。

宽波段非制冷焦平面探测器用于对来自物方的、透过宽波段红外光学镜头和位于光路上的窄带滤光片的红外光进行成像，并将所成图像传输给图像处理模块。本实施例所述宽波段非制冷焦平面探测器是更换氧化钒非制冷焦平面探测器锗窗口，使其透过波段由8~14微米(长波红外)波段拓展为3~14微米(中波+长波红外)波段，并且探测器的帧频和积分时间可以通过外部控制电路调节。

图像处理模块对接收的图像进行非均匀性校正和细节增强处理，并将处理后的图像传输给显示器进行显示。图像处理模块是以FPGA（Vertex-5）为核心的高速数字信号处理系统，其主要完成四个方面的功能：

1、热图像自适应非均匀性校正，针对宽波段光学设计条件下子波段切换后的热图像非均匀性变化的问题，将传统的对黑体辐射源进行二点或多点的非均匀性标定定标校正CBNUC方法和基于场景的自适应非均匀性校正SBNUC算法相结合，完成自适应的热图像非均匀性校正，为后续处理提供保证。

2、热图像数字细节增强，采用热图像数字细节增强算法，提升热图像中气体泄漏的微弱痕迹，等效提高系统检测灵敏度。

3、气体泄漏痕迹视觉显示，采用适宜的气体泄漏痕迹视觉显示方法（如对气体区域进行彩色化渲染等），提供适合人眼判断的气体泄漏视频图像。

4、根据特定环境下系统成像质量、气体泄漏程度等实际情况，适当调节探测器的帧频和积分时间，更好的实现对场景和气体目标的成像。

同时也可以将该处理后的图像传输给外部的存储器进行存储。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.基于宽波段非制冷焦平面探测器的气体泄露成像检测系统，其特点在于，包括宽波段红外光学镜头、窄波段滤光片切换装置、宽波段非制冷焦平面探测器、图像处理模块、控制模块和显示器；上述各器件的位置关系为：沿入射光的光路方向依次为宽波段红外光学镜头、窄波段滤光片切换装置、宽波段非制冷焦平面探测器；同时图像处理模块与宽波段非制冷焦平面探测器相连，显示器与图像处理模块相连，控制模块与窄波段滤光片切换装置相连；

所述宽波段红外光学镜头对波长为3~14微米的红外辐射进行成像；

所述宽波段非制冷焦平面探测器上的锗窗口镀制的增透膜使宽波段非制冷焦平面探测器对3～14微米的红外辐射具有响应，其用于对来自物方的、透过宽波段红外光学镜头和位于光路上的窄带滤光片的目标场景红外辐射进行成像，并将所成图像传输给图像处理模块；

所述图像处理模块对接收的图像进行非均匀性校正和细节增强处理，并将处理后的图像以视频信号格式输出，并传输给显示器进行显示。

2.根据权利要求1所述气体泄露成像检测系统，其特点在于，所述宽波段红外光学镜头采用硫化锌、硒化锌、锗或锗玻璃制成。

3.根据权利要求1所述气体泄露成像检测系统，其特点在于，所述多个窄带滤光片为六个，六个窄带滤光片的中心波长分别为3.3微米、3.5微米、4.3微米、4.7微米、10.6微米和10.9微米。

4.根据权利要求1所述气体泄露成像检测系统，其特点在于，所述非均匀性校正为：采用黑体辐射源进行二点或多点的非均匀性标定定标校正CBNUC方法和基于场景的自适应非均匀性校正SBNUC算法相结合。

5.根据权利要求1所述气体泄露成像检测系统，其特点在于，所述处理后的图像进一步传输给外部的存储单元进行存储。

6.根据权利要求1所述气体泄露成像检测系统，其特点在于，所述控制模块进一步控制图像处理模块选择对应的窄带波段的非均匀性校正参数。