CN103344388A - 一种气体泄漏红外成像检测系统的性能评价装置及方法 - Google Patents

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一种气体泄漏红外成像检测系统的性能评价装置，包括带有红外窗口的气室、面型差分黑体辐射源、气体浓度传感器、温度传感器、压力传感器以及准直光学系统，所述面型差分黑体辐射源包括靶标黑体和背景黑体；其中：所述气室位于靶标黑体和背景黑体之间，气体浓度传感器、温度传感器及压力传感器位于所述气室侧壁的安装孔内，背景黑体位于准直光学系统的焦平面上；所述气室前后两面分别设有红外窗口，其侧壁上设有进气孔和出气孔；所述背景黑体上设有镂空区域形成空间频率为fx的靶标图案；所述靶标黑体的温度可控，用于与背景黑体之间形成温度差。本发明通过不断增大气室内待测气体的浓度，能够综合评价系统的温度分辨力和空间分辨力。

Description

一种气体泄漏红外成像检测系统的性能评价装置及方法
技术领域
本发明属于气体检测技术领域，具体涉及一种气体泄漏红外成像检测系统的性能评价装置及方法。
背景技术
虽然用于气体泄漏检测的传感器多种多样，原理各不相同，但是传统气体传感器一般是定点或定线测量方式，要实现大范围的动态检测非常耗时耗力，并且由于气体扩散极易受到风等天气因素的影响，检测结果的准确性很难得到保证。另外，由于传统气体传感器的接触性原理，使得很多待检测的目标地点无法到达，而且其操作安全性大大降低。考虑到工业有害气体在中波或长波红外波段大多具有特征吸收光谱，基于气体红外吸收原理的光谱检测技术成为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。
鉴于此，气体红外成像检测技术以其高效率、远距离遥测、大范围、动态直观等显著优势成为气体泄漏检测的有效手段之一。气体红外成像检测技术主要可以分为基于对激光光源辐射吸收的主动式成像和基于对背景辐射吸收的被动式成像两大类，其中，被动式气体红外成像技术又以其较远距离的探测能力，不需要辐射源照明和不需要反射背景等优势在当前气体检测市场占有重要地位。美国和法国等发达国家于2005年开始陆续有产品投放市场，且占据我国气体成像检测市场的主要份额。然而，目前对此类系统气体成像检测能力的评价装置及评价方法却鲜有报道。美国FLIR公司报道了一种利用1米长的密封气室来测量气体成像检测系统的图像信噪比的性能评价装置和方法，但该方法缺乏对系统空间分辨力的评价，而热成像系统的温度分辨力和空间分辨力是密切相关的，共同决定了系统的气体成像检测能力。其他可以考虑的性能评价途径主要有三种，一种是沿用对一般热成像系统的评价指标，主要是噪声等效温差（Noise Equivalent Temperature Difference,NETD）、噪声等效光谱辐射（NoiseEquivalent Spectral Radiance,NESR）和最小可分辨温差（Minimum ResolvableTemperature Difference，MRTD）等，这类评价指标源于对一般成像场景和目标的探测，明显缺少对气体吸收特性的考虑；另一种是噪声等效浓度路径长度（Noise Equivalent Concentration path Length,NECL），其含义是沿仪器视线方向对气体浓度进行路径积分，当系统信噪比为1时的积分值就是NECL。此方法优于第一种方法，考虑了气体的吸收特性，在非成像的气体传感器性能评价中被广泛使用，但缺少对空间分辨力的评价；第三种是直接给出系统在某种测试条件下，对某种气体的探测极限，通常以气体流速的形式给出，应该说这是一种非常粗略的评价方式，然而由于其评价相对比较直观，因此在一定程度上被使用。可以看出，现有评价技术缺少对气体红外吸收特性和气体目标尺寸与距离（由空间分辨力决定）等成像因素的综合考虑。
发明内容
本发明的目的是为了克服已有技术的缺陷，为了解决气体红外成像检测系统性能评价的问题，提供一种气体泄漏红外成像检测系统的性能评价装置及方法。
实现本发明的技术方案如下：
一种气体泄漏红外成像检测系统的性能评价装置，包括带有红外窗口的气室、面型差分黑体辐射源、气体浓度传感器、温度传感器、压力传感器以及准直光学系统，所述面型差分黑体辐射源包括靶标黑体和背景黑体；其中：所述气室位于靶标黑体和背景黑体之间，气体浓度传感器、温度传感器及压力传感器位于所述气室侧壁的安装孔内，背景黑体位于准直光学系统的焦平面上；
所述气室前后两面分别设有红外窗口，其侧壁上设有进气孔和出气孔；
所述背景黑体上设有镂空区域形成空间频率为fx的靶标图案；
所述靶标黑体的温度可控，用于与背景黑体之间形成温度差。
进一步地，本发明红外窗口平面、与红外窗口相对的靶标黑体平面、及与红外窗口相对的背景黑体平面之间相互平行。
进一步地，本发明所述气室的四个侧壁为金属壁，内侧均匀涂装黑体漆。
一种基于上述评价装置的性能评价方法，其步骤为：
（1）将评价装置及待评价气体泄漏红外成像检测系统置于恒温、恒湿的测试实验室内，用不吸收红外辐射的载气对气室进行彻底冲洗，排除气室内的气体，载气的温度应保持与室温相同，且干燥纯净；
（2）通过调节靶标黑体的温度，使得气体泄漏红外成像检测系统不能对空间频率为fx的靶标图案成像；
（3）从进气孔向气室内缓慢充入待测实验气体，经过预设时间t，观察此时气体泄漏红外成像检测系统能否对靶标图案成像；
（4）若不能成像，则重复步骤（3），直至气体泄漏红外成像检测系统能对靶标图案成像为止，此时进入步骤（5）；
（5）分别记录气体泄漏红外成像检测系统能对靶标图案成像时，气体浓度传感器测得的浓度数值Cx、温度传感器测得的温度数值Tx和压力传感器测得的压力数值Px；该气体浓度数值Cx即为气体泄漏红外成像检测系统对该待测气体的最小可分辨气体浓度MRGC值，条件是气体温度为Tx，压力为Px，靶标图像的空间频率为fx，通过MRGC值评价气体泄漏红外成像检测系统。
有益效果
本发明气体泄漏红外成像检测系统的性能评价装置及方法是在面型差分黑体辐射源的靶标黑体与背景黑体之间加装一个带有红外窗口的气室，改造难度低，易于实现；同时，本发明充分结合了气体的红外吸收特性等成像因素，能够实现对系统的温度分辨力和空间分辨力的综合评价。
附图说明
图1为本发明的一种气体泄漏红外成像检测系统的性能评价装置原理框图。
图2为本发明的一种气体泄漏红外成像检测系统的性能评价装置的带有红外窗口的气室的安装示意图。
图3为本发明的一种气体泄漏红外成像检测系统的性能评价装置的带有红外窗口的气室的结构示意图。
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。
本发明以传统热成像系统的性能评价参数——最小可分辨温差（MinimumResolvable Temperature Difference,MRTD）的测试方法为基础，提出适用于评价被动式泄漏气体红外成像检测系统的最小可分辨气体浓度（Minimum ResolvableGas Concentration,MRGC）的评价装置和方法，充分结合了气体的红外吸收特性以及气体目标尺寸和距离等成像因素；能够实现对系统的温度分辨力和空间分辨力的综合评价。
本发明气体泄漏红外成像检测系统的性能评价装置如图1所示，包括带有红外窗口的气室、面型差分黑体辐射源、气体浓度传感器、温度传感器、压力传感器以及准直光学系统，所述面型差分黑体辐射源包括靶标黑体和背景黑体；其中：所述气室位于靶标黑体和背景黑体之间（图2），气体浓度传感器、温度传感器及压力传感器位于所述气室侧壁的安装孔内，背景黑体位于准直光学系统的焦平面上，待评价的气体泄漏红外成像检测系统位于准直光学系统的出瞳处；
所述气室前后两面分别设有红外窗口，其侧壁上设有进气孔和出气孔；
所述背景黑体上设有镂空区域形成空间频率为fx的靶标图案；
所述靶标黑体的温度可控，用于与背景黑体之间形成温度差。
红外成像系统的成像与物理温度有关，当靶标黑体与背景黑体间的温差为零时，气体泄漏红外检测系统对靶标图案不成像；当靶标黑体与背景黑体间的温差为不零时，气体泄漏红外检测系统对靶标图案成像。基于该原理，本装置通过对气体泄漏红外成像检测系统的成像进行检测，进而实现对气体泄漏红外成像检测系统性能的评价。
本发明所述红外窗口平面（即红外窗口所处的平面）、与红外窗口相对的靶标黑体平面、及与红外窗口相对的背景黑体平面互相平行，处于平行位置时气室造成靶标黑体的辐射衰减量最小，测试效果更佳；红外窗口由锗（Ge）材料制成，窗口尺寸大于背景黑体的镂空区域，前后两个窗口内壁之间的距离为10.0mm。
本发明所述带有红外窗口的气室的四个侧壁为金属壁，金属壁是由导热性能良好的铜材料制成，并且内侧均匀涂装黑体漆；如图3所示，左侧金属壁的下方设有与进气管路相连的进气孔，进气管路上装有只进不出的单向阀门，右金属壁的上方设有与出气管路相连的出气孔，出气管路上装有只出不进的单向阀门，所有的安装和连接是密封的；所述气室的上金属壁上从左至右分别设有气体浓度传感器、温度传感器和压力传感器安装孔，用于安装气体浓度传感器、温度传感器、压力传感器。
本发明所述的面型差分黑体辐射源选用Electro Optical Industries,Inc.公司的CDS100-04面型差分黑体辐射源，所述背景黑体位于准直光学系统的焦平面上，用于为靶标黑体提供背景，背景黑体包含四种高宽比为7:1的不同空间频率的靶标图案；所述面型差分黑体控制器通过调节靶标黑体的温度，控制背景黑体和靶标黑体的温度差，使红外检测系统对不同空间频率的靶标图案成像。
本发明所述的实验气体选择乙烯（C2H4），乙烯（C2H4）气体浓度传感器安装于所述气室金属壁上对应的安装孔，置于气室内，实时测量并显示乙烯气体的浓度，由于本发明以传统热成像系统的性能评价参数——最小可分辨温差（MRTD）的测试方法为基础，将测得的气体浓度数值命名为气体的最小可分辨气体浓度MRGC值，乙烯气体的浓度即为乙烯（C2H4）气体的最小可分辨气体浓度MRGC值；温度传感器安装于所述气室金属壁上对应的安装孔，置于气室内，测量并显示气室内的温度值；压力传感器安装于所述气室金属壁上对应的安装孔，置于气室内，测量并显示气室内的压力值。
准直光学系统用于将安装在准直光学系统的焦平面上的靶标图案模拟为无穷远目标，准直光学系统的出瞳处发出红外平行光线，以便模拟气体泄漏红外成像检测系统对靶标图案进行无穷远成像；准直光学系统是反射式，待评价系统置于准直光学系统像空间辐照度均匀的位置上，使光束照射与待评价系统到准直物镜的距离无关。
本发明通过对传统面型差分黑体辐射源进行改造，在面型差分黑体辐射源的靶标黑体与背景黑体之间加装一个带有红外窗口的气室，实现包含气体特性的系统性能评价装置，改造难度低，易于实现。
本发明的一种气体泄漏红外成像检测系统的性能评价方法，其步骤为：
（1）将评价装置及待评价气体泄漏红外成像检测系统置于26℃的恒温室内，用不吸收红外辐射的氮气作为载气对气体管路及气室进行彻底冲洗，排除气室内的气体，氮气保持与室温相同，且干燥纯净；
（2）通过调节靶标黑体的温度，使得气体泄漏红外成像检测系统不能对空间频率为fx的靶标成像，即图像为没有任何目标的均匀图像；
由于红外成像系统的成像与物理温度有关，当靶标黑体与背景黑体间的温差不为零时，红外检测系统对靶标图案成像；当靶标黑体与背景黑体间的温差为零时，红外检测系统对靶标图案不成像；由于靶标黑体与背景黑体间设有气室，其对靶标黑体的辐射存在衰减，调节靶标黑体的温度，控制其与背景黑体的温度差，使的标靶黑体辐射经过气室衰减后在红外成像检测系统中不成像，此时等效于靶标黑体与背景黑体间的温度差为“零”。
（3）从进气孔向气室内缓慢充入极少量高纯度的乙烯气体，稍等片刻，待气体在气室内分布均匀后，令观察者观察检测系统能否对靶标图案成像；
气室中充入气体后造成对标靶黑体辐射的衰减增加，导致靶标黑体与背景黑体间的温差不为“零”，靶标图像可能可以在气体泄漏红外成像检测系统中成像；
（4）若不能成像，则重复步骤（3），直至观察者确认能分辨（50%的概率）出该空间频率的四条带靶标为止；
在充入少量气体之后，由于标靶黑体的辐射存在微量的衰减，导致其与背景黑体之间的辐射存在差异，若此时所需评价的气体泄漏红外成像系统的灵敏度很高，则其可以对标靶图案成像，若此时所需评价的气体泄漏红外成像系统的灵敏度较低时，其无法感应出靶标黑体辐射与背景黑体辐射之间的差异，因此气体泄漏红外成像系统就无法对靶标图案成像，此时就需要重复步骤（3）充入更多的气体，使得对靶标黑体的辐射进行更大的衰减。
（5）分别记录气体泄漏红外成像检测系统能对靶标图案成像时，乙烯气体浓度传感器所测得的乙烯气体的浓度数值Cx、温度传感器所测得的温度数值Tx和压力传感器所测得的压力数值Px。该气体浓度数值Cx即为气体泄漏红外成像检测系统对乙烯气体的最小可分辨气体浓度MRGC值，条件是气体温度为Tx，压力为Px，空间频率为fx。
（6）更换另外三种设有不同空间频率靶标图案的背景黑体，重复步骤（1）～（5）可以完成在其它空间频率条件下的MRGC数值测量，通过MRGC值评价气体泄漏红外成像检测系统。
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 (4)

1.一种气体泄漏红外成像检测系统的性能评价装置，其特征在于，包括带有红外窗口的气室、面型差分黑体辐射源、气体浓度传感器、温度传感器、压力传感器以及准直光学系统，所述面型差分黑体辐射源包括靶标黑体和背景黑体；其中：所述气室位于靶标黑体和背景黑体之间，气体浓度传感器、温度传感器及压力传感器位于所述气室侧壁的安装孔内，背景黑体位于准直光学系统的焦平面上；
所述气室前后两面分别设有红外窗口，其侧壁上设有进气孔和出气孔；
所述背景黑体上设有镂空区域形成空间频率为fx的靶标图案；
所述靶标黑体的温度可控，用于与背景黑体之间形成温度差。
2.如权利要求1所述的一种气体泄漏红外成像检测系统的性能评价装置，其特征在于，红外窗口平面、与红外窗口相对的靶标黑体平面、及与红外窗口相对的背景黑体平面之间相互平行。
3.如权利要求1所述的一种气体泄漏红外成像检测系统的性能评价装置，其特征在于，所述气室的四个侧壁为金属壁，内侧均匀涂装黑体漆。
4.一种基于权利要求1所述性能评价装置的性能评价方法，其特征在于，其步骤为：
（1）将评价装置及待评价气体泄漏红外成像检测系统置于恒温、恒湿的测试实验室内，且将待评价的气体泄漏红外成像检测系统置于准直光学系统的出瞳处，用不吸收红外辐射的载气对气室进行冲洗，排除气室内的气体，载气的温度应保持与室温相同，且干燥纯净；
（2）通过调节靶标黑体的温度，使得气体泄漏红外成像检测系统不能对空间频率为fx的靶标图案成像；
（3）从进气孔向气室内充入待测实验气体，经过预设时间t，观察此时气体泄漏红外成像检测系统能否对靶标图案成像；
（4）若不能成像，则重复步骤（3），直至气体泄漏红外成像检测系统能对靶标图案成像为止，此时进入步骤（5）；
（5）分别记录气体泄漏红外成像检测系统能对靶标图案成像时，气体浓度传感器测得的浓度数值Cx、温度传感器测得的温度数值Tx和压力传感器测得的压力数值Px；该气体浓度数值Cx即为气体泄漏红外成像检测系统对该待测气体的最小可分辨气体浓度MRGC值，条件是气体温度为Tx，压力为Px，靶标图像的空间频率为fx,，通过MRGC值评价气体泄漏红外成像检测系统。
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