CN103344561A - 基于mrtd的气体红外成像检测系统性能评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于MRTD的气体红外成像检测系统性能评价计算方法，属于气体检测技术领域。本发明首先确定目标和背景的辐射出射度之差计算解析式；然后根据该解析式，分别在MRTD和MRGC测试装置和方法的条件下，推导计算了目标和背景的辐射出射度之差；其次令两种条件下的辐射出射度之差相等，计算得到气体透过率；最后由气体透过率求解出气体红外成像检测系统的性能评价参数MRGC数值。所述的计算方法既充分结合了气体的红外吸收特性成像因素，实现对系统的温度分辨力和空间分辨力的综合评价，又避免了复杂测试系统的搭建以及实验操作过程，理论基础坚实，具有极强的应用推广价值。

Description

基于MRTD的气体红外成像检测系统性能评价方法

技术领域

本发明属于气体检测技术领域，具体涉及一种基于最小可分辨温差MRTD的气体红外成像检测系统性能评价方法。

背景技术

随着热成像技术及相关组件性能的不断提高，气体红外成像检测技术得到了越来越多的国家和研究人员的关注，美国和法国等发达国家在气体红外成像检测系统的研发和应用推广等方面一直走在世界前列，其相关产品也占据了气体红外成像检测市场的大部分份额。近年来，随着市场需求的进一步扩大，包括中国在内的其他国家也在不断推出自己的新产品。目前对气体红外成像检测系统性能的评价方法非常有限，并且多是源自于点探测和线探测等非成像式检测系统，存在很多不足之处，尤其缺少对气体红外吸收特性和气体目标尺寸与距离等成像因素的综合考虑。

本申请人于2013年6月19日提交的，申请号为：201310244263.2，发明名称为：“一种气体泄露红外成像检测系统的性能评价装置及方法”的专利申请，其通过实验测得气体红外成像检测系统的最小可分辨气体浓度（MinimumResolvable Gas Concentration,MRGC）来评价系统性能，该MRGC测试装置能够实现对气体红外成像检测系统的温度分辨力和空间分辨力的综合评价。上述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f_x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。基于该装置实现的性能评价方法的具体过程为：首先，将评价装置及待评价系统置于恒温、恒湿的测试实验室内，用不吸收红外辐射的载气对气体管路及气室进行彻底冲洗，排除空气等其它气体的干扰，载气应保持与室温相同，且干燥纯净；其次，通过调节面型差分黑体辐射源靶标黑体的温度，使得气体泄露红外成像检测系统不能对某一空间频率的靶标图像成像；再次，从进气孔向气室内缓慢充入极少量高纯度的待测实验气体，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像成像，若不能成像，则重复此步骤，直至观察者确认能分辨出该空间频率的四条带靶标图像为止；然后，分别记录上一步骤完成时气体浓度传感器所测得的气室内待测实验气体的浓度数值、温度传感器所测得的气室内的温度数值和压力传感器所测得的气室内的压力数值，该气体浓度数值即为气体泄露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，压力，空间频率，通过MRGC值评价气体泄露红外成像检测系统。

然而，虽然种气体泄露红外成像检测系统的性能评价装置改造成本较低，但整个评价装置比较复杂，价格昂贵，评价方法及实验不易操作。

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成本高的问题，提供一种基于MRTD的气体红外成像检测系统性能评价方法。

实现本发明的技术方案如下：

基于MRTD的气体红外成像检测系统性能评价方法，其步骤包括：

（1）确定目标和背景的辐射出射度之差ΔM_t-b；

$\mathrm{\Δ}{M}_{t-b}={\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}[{\mathrm{\ϵ}}_t\left(\mathrm{\λ}\right)M(\mathrm{\λ},T_t)-{\mathrm{\ϵ}}_b\left(\mathrm{\λ}\right)M(\mathrm{\λ},T_b)]\mathrm{d\λ}---\left(3\right)$

其中，T_t和ε_t(λ)分别是目标的温度和发射率，T_b和ε_b(λ)分别是背景的温度和发射率，[λ₁,λ₂]为红外成像系统响应波段范围，M(λ,T_t)为目标在温度T_t时的光谱辐射出射度，M(λ,T_b)为背景在温度T_b时的光谱辐射出射度；

（2）根据红外成像系统MRTD测试时，所设定的测试环境温度（与黑体背景温度相同）和MRTD测试装置中黑体靶标的温度，利用公式（3）计算所述测试装置的黑体靶标和黑体背景的辐射出射度之差ΔM_bt-bb；

${\mathrm{\ΔM}}_{\mathrm{bt}-\mathrm{bb}}={\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}[M(\mathrm{\λ},T_{\mathrm{bb}})-M(\mathrm{\λ},T_{\mathrm{bt}})]\mathrm{d\λ}---\left(4\right)$

其中，T_bt为黑体靶标目标的温度，T_bb为黑体背景的温度，ε_bt(λ)和ε_bb(λ)均为1；

（3）选取黑体靶标空间频率与所述测试装置中黑体靶标相同的性能评价装置，并设定与步骤（2）相同的测试环境，基于性能评价装置，利用公式（3）和气体目标的辐射出射度公式，计算靶标黑体目标和黑体背景之间的辐射出射度之差ΔM_gas-bb；

${\mathrm{\ΔM}}_{\mathrm{gas}-\mathrm{bb}}={\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}(1-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{gas}})[M(\mathrm{\λ},T_{\mathrm{bb}})-M(\mathrm{\λ},T_{\mathrm{gas}})]\mathrm{d\λ}---\left(5\right)$

其中，τ_gas为气体透过率，T_gas为气体温度。

（4）令步骤（2）和步骤（3）所求得的两个辐射出射度之差相等，即ΔM_gas-bb＝ΔM_bt-bb，求解得气体透过率τ_gas；

（5）利用比尔-朗伯定律求取气体的浓度值c，即MRGC值；

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{gas}}=\exp [-{\∫}_0^l{\mathrm{\α}}_{\mathrm{gas}}\left(\mathrm{\λ}\right)c\left(z\right)\mathrm{dz}]=\exp (-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{gas}}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{cl})---\left(6\right)$

其中，α_gas(λ)为气体的光谱吸收系数，l为视线方向上的路径长度；

通过MRGC值评价气体泄露红外成像检测系统。

有益效果

本发明基于MRTD的气体红外成像检测系统性能评价方法，是利用红外热成像系统的常见综合性能评价参数MRTD及其测试环境参数，通过理论计算获得气体红外成像检测系统的性能评价参数MRGC，既充分结合了气体的红外吸收特性以及气体目标尺寸距离等成像因素，实现对系统的温度分辨力和空间分辨力的综合评价，又避免了复杂测试系统的搭建以及实验操作过程，整个性能评价计算方法，理论基础坚实，具有极强的应用推广价值。

附图说明

图1为基于MRTD的气体红外成像检测系统性能评价方法的流程图。

具体实施方式

原理说明：针对确定的基于热探测器的气体红外成像检测系统，影响探测器响应信号大小的是目标和背景的辐射出射度之差ΔM_t-b，其表示为如公式（3）所示，

$\mathrm{\Δ}{M}_{t-b}={\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}[{\mathrm{\ϵ}}_t\left(\mathrm{\λ}\right)M(\mathrm{\λ},T_t)-{\mathrm{\ϵ}}_b\left(\mathrm{\λ}\right)M(\mathrm{\λ},T_b)]\mathrm{d\λ}---\left(3\right)$

对某一确定的基于热探测器的气体红外成像检测系统，在观察者能够分辨（50%概率）四条带靶标图案时，系统所接收到的目标和背景的辐射出射度之差是一个定值。因此，由黑体靶标和背景黑体直接产生的辐射出射度之差（MRTD测试方法）和由气室内气体衰减靶标黑体辐射所产生的辐射出射度之差（MRGC测试方法）是相等的，利用此条件可以计算得出气体的透过率，从而进一步求得MRGC值，基于此原理，进而实现对气体红外成像检测系统性能评价的计算方法。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

基于MRTD的气体红外成像检测系统性能评价计算方法，流程图如图1所示。本实施例以光谱响应波段范围为8.0μm～12.0μm的某型号热成像系统为例，计算系统在特征频率f₀处对乙烯气体的检测性能评价参数MRGC值，其步骤包括：

（1）确定目标和背景的辐射出射度之差ΔM_t-b。

以下对公式（3）的推导过程进行简单说明：

当红外成像系统接收入射辐射后，探测器产生的信号电压V_s表示如下：

$V_s=\frac{V_n{D}_0^2\mathrm{\α\β}}{{4\left(A_d\mathrm{\Δf}\right)}^{1/2}}{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}{D}^{*}\left(\mathrm{\λ}\right){\mathrm{\τ}}_{\mathrm{\α}}\left(\mathrm{\λ}\right){\mathrm{\τ}}_0\left(\mathrm{\λ}\right){\mathrm{\τ}}_w\left(\mathrm{\λ}\right)[{\mathrm{\ϵ}}_t\left(\mathrm{\λ}\right)M(\mathrm{\λ},T_t)-{\mathrm{\ϵ}}_b\left(\mathrm{\λ}\right)M(\mathrm{\λ},T_b)]\mathrm{d\λ}---\left(1\right)$

其中，V_n为噪声均方根电压，D₀为光学系统通光口径，α和β为目标对系统的张角，A_d为探测器面积，Δf为噪声等效带宽，[λ₁,λ₂]为红外成像系统响应波段范围，D^*(λ)为探测器的比探测率，τ_α(λ)为大气的光谱透过率，τ₀(λ)为光学系统的光谱透过率，τ_w(λ)为探测器保护窗的光谱透过率，T_t和ε_t(λ)分别是目标的温度和发射率，T_b和ε_b(λ)分别是背景的温度和发射率，M(λ,T_x)为黑体在温度T_x时的光谱辐射出射度，即普朗克公式：

$M(\mathrm{\λ},T_x)=\frac{c_1}{{\mathrm{\λ}}^5}\frac{1}{\exp (c_2/\mathrm{\λ}{T}_x)-1}---\left(2\right)$

其中c₁＝3.74×10^-16(W·m²)、c₂＝1.44×10^-2(m·K)分别为第一辐射常数和第二辐射常数。

针对热探测器，假设光学系统的光谱透过率和探测器保护窗的光谱透过率均与波长无关，忽略大气影响，则对于某一确定的红外成像系统，影响热探测器响应信号大小的唯一量是目标和背景的辐射出射度之差ΔM_t-b：

$\mathrm{\Δ}{M}_{t-b}={\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}[{\mathrm{\ϵ}}_t\left(\mathrm{\λ}\right)M(\mathrm{\λ},T_t)-{\mathrm{\ϵ}}_b\left(\mathrm{\λ}\right)M(\mathrm{\λ},T_b)]\mathrm{d\λ}---\left(3\right)$

（2）根据红外成像系统MRTD测试时，所设定的测试环境温度（与黑体背景温度相同）和MRTD测试装置中黑体靶标的温度，利用公式（3）计算所述测试装置的黑体靶标和黑体背景的辐射出射度之差ΔM_bt-bb；

${\mathrm{\ΔM}}_{\mathrm{bt}-\mathrm{bb}}={\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}[M(\mathrm{\λ},T_{\mathrm{bb}})-M(\mathrm{\λ},T_{\mathrm{bt}})]\mathrm{d\λ}---\left(4\right)$

其中，T_bt为黑体靶标目标的温度，T_bb为黑体背景的温度，ε_bt(λ)和ε_bb(λ)均为1。

由于一般红外成像检测系统会自带MRTD评价参数，同时，也会给出得到该评价参数的测试条件，所述测试条件包括测试环境温度（等于黑体背景温度）、该测试装置的黑体靶标温度以及红外成像系统响应波段；

本步骤中利用红外成像系统MRTD测试时的测试条件，并根据公式（3）直接计算出黑体靶标和黑体背景的辐射出射度之差ΔM_bt-bb，因此该步骤中无需使用MRTD测试装置进行测量，而只是利用其测试条件即可。

例如：已知红外成像检测系统在特征频率f₀处，MRTD(f₀)＝80mK，针对于MRTD(f₀)＝80mK的测试条件为：测试时环境温度为299.92K，测试装置的黑体靶标温度T_bt＝300K，测试装置的黑体背景温度T_bb＝299.92K，黑体发射率为1，即ε_t(λ)＝ε_b(λ)＝1，将λ₁＝8.0μm和λ₂＝12.0μm一并代入式（4），可得ΔM_bt-bb＝0.1626(W·m^-2·μm^-1)。

（3）选取黑体靶标空间频率与所述测试装置中黑体靶标相同的性能评价装置，并设定与步骤（2）相同的测试环境，利用背景技术提到的性能装置的测试条件，在此性能装置提供的条件下，可对步骤（1）中公式（3）和气体目标的辐射出射度公式M(λ,T_t)＝(1-τ_gas)M(λ,T_gas)+τ_gasM(λ,T_bb)进行化简，推导出计算靶标黑体目标和黑体背景之间的辐射出射度之差ΔM_gas-bb；

${\mathrm{\ΔM}}_{\mathrm{gas}-\mathrm{bb}}={\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}(1-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{gas}})[M(\mathrm{\λ},T_{\mathrm{bb}})-M(\mathrm{\λ},T_{\mathrm{gas}})]\mathrm{d\λ}---\left(5\right)$

其中，τ_gas为气体透过率，T_gas为气体温度。

本步骤基于性能评价装置的测试环境，结合公式（3）和气体目标的辐射出射度公式，即可推导出性能评价装置上靶标黑体和背景黑体之间的辐射度之差；因此该步骤中无需利用性能评价装置进行直接测试，而是在推导的过程中利用了其测试环境。

同时，当步骤（2）和步骤（3）中的测试环境相同时，基于两装置的计算出的辐射度之差是一样的，因此本步骤中设置性能评价装置的测试条件与步骤（2）的测试条件相同，在步骤（4）中就可利用这一条件对气体透过率进行求解。

（4）求取气体透过率τ_gas。

在上述两次测试时的环境温度、背景黑体温度T_bb和靶标空间频率f₀均相同的情况下，ΔM_gas-bb＝ΔM_bt-bb，因此可以通过该等式求取气体透过率τ_gas。

（5）利用比尔-朗伯定律求取气体的浓度值c，即MRGC值。气体浓度在气室内均匀分布时，根据比尔-朗伯定律，气体透过率τ_gas如下：

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{gas}}=\exp [-{\∫}_0^l{\mathrm{\α}}_{\mathrm{gas}}\left(\mathrm{\λ}\right)c\left(z\right)\mathrm{dz}]=\exp (-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{gas}}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{cl})---\left(6\right)$

其中，α_gas(λ)为气体的光谱吸收系数，c为气体浓度，l为视线方向上的路径长度。对于确定的乙烯气体，标准大气压下的温度为T_gas＝296K，从气体红外光谱数据库中查到气体的光谱吸收系数α_gas(λ)。将气室内壁间距l=0.01m和步骤（4）中所得的气体透过率τ_gas一并代入上式，即可求取气体浓度c＝3.06×10⁴ppm，即MRGC(f₀)＝3.06×10⁴ppm，通过MRGC(f₀)的值评价气体泄露红外成像检测系统。

本发明测试方法只是利用了两测试装置提供的测试环境，其无需利用两装置进行直接测试（即当需要对红外系统进行评价时，只要了解上述两装置的测试环境，而无需购买上述两装置），这样利用本发明进行评价可以大大降低成本，且可对不同红外成像检测系统进行评价，基于本发明利用红外成像检测系统自带的参数，即可进行对红外成像检测系统的综合评价。

本发明利用红外热成像系统的常见综合性能评价参数MRTD及其测试环境参数，通过理论计算获得该系统对气体实施成像检测时的性能评价参数MRGC，避免了复杂测试系统的搭建以及实验操作过程。

综上所述，以上仅为本发明的一种实施例而已，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)

1.基于MRTD的气体红外成像检测系统性能评价方法，其特征在于，步骤包括：

(1)确定目标和背景的辐射出射度之差ΔM_t-b；

$\mathrm{\Δ}{M}_{t-b}={\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}[{\mathrm{\ϵ}}_t\left(\mathrm{\λ}\right)M(\mathrm{\λ},T_t)-{\mathrm{\ϵ}}_b\left(\mathrm{\λ}\right)M(\mathrm{\λ},T_b)]\mathrm{d\λ}---\left(3\right)$

其中，T_t和ε₁(λ)分别是目标的温度和发射率，T_b和ε_b(λ)分别是背景的温度和发射率，[λ₁，λ₂]为红外成像系统响应波段范围，M(λ，T_t)为目标在温度T_t时的光谱辐射出射度，M(λ，T_b)为背景在温度T_b时的光谱辐射出射度；

(2)根据红外成像系统MRTD测试时，所设定的测试环境温度和MRTD测试装置中黑体靶标的温度，利用公式(3)计算所述测试装置的黑体靶标和黑体背景的辐射出射度之差ΔM_bt-bb；

$\mathrm{\Δ}{M}_{\mathrm{bt}-\mathrm{bb}}={\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}[M(\mathrm{\λ},T_{\mathrm{bb}})-M(\mathrm{\λ},T_{\mathrm{bt}})]\mathrm{d\λ}---\left(4\right)$

其中，T_bt为黑体靶标目标的温度，T_bb为黑体背景的温度，ε_bt(λ)和ε_bb(λ)均为1；

(3)选取黑体靶标空间频率与所述测试装置中黑体靶标相同的性能评价装置，并设定与步骤(2)相同的测试环境，基于性能评价装置，利用公式(3)和气体目标的辐射出射度公式，计算靶标黑体目标和黑体背景之间的辐射出射度之差ΔM_gas-bb；

$\mathrm{\Δ}{M}_{\mathrm{gas}-\mathrm{bb}}={\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}(1-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{gas}})[M(\mathrm{\λ},T_{\mathrm{bb}})-M(\mathrm{\λ},T_{\mathrm{gas}})]\mathrm{d\λ}---\left(5\right)$

其中，τ_gas为气体透过率，T_gas为气体温度。

(4)令步骤(2)和步骤(3)所求得的两个辐射出射度之差相等，即ΔM_gas-bb＝ΔM_bt-bb，求解得气体透过率τ_gas；

(5)利用比尔-朗伯定律求取气体的浓度值c，即MRGC值；

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{gas}}=\exp [-{\∫}_0^l{\mathrm{\α}}_{\mathrm{gas}}\left(\mathrm{\λ}\right)c\left(z\right)\mathrm{dz}]=\exp [-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{gas}}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{cl}]---\left(6\right)$

其中，α_gas(λ)为气体的光谱吸收系数，l为视线方向上的路径长度；通过MRGC值评价气体泄露红外成像检测系统。

Images