CN108426849A - 环境气体红外监测系统及监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供一种非接触式远距离监测环境危险气体的泄漏与排放的监测系统，该环境红外气体监测系统主要包括环境红外气体监测仪主机、云台、上位计算机和电源；所述的环境红外气体监测仪主机包括红外窗口、干涉仪、探测器、信号采集控制器、鉴别器、可见光窗口及主控单元。本发明还同时提供该监测系统的监测方法。本发明的监测系统的光谱响应范围包括二氧化硫和甲烷、乙醚等多种工业废气，具有响应速度快，高信噪比和高光谱分辨率等优点，可广泛应用在安全监控和煤矿监测、高压输变电检测、化工厂泄漏和环境监测等技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种环境气体监测系统及监测方法，具体涉及一种遥测用环境气体红外光谱监测系统及采用该系统对环境气体进行监测的方法。
背景技术
美国八十年代研制出针对战场化学毒气侦测的环境应用产品M21。上世纪末，德国和加拿大也开发出了类似技术民用产品。近年来国外也开发了近距军用的红外气体光谱特征识别侦察仪。
1999年，兵器211所牵头，联合防化研究院、安光所、北京瑞利分析仪器公司等单位，启动远距离气体探测的研究。在2009年，完成了化学毒气红外遥测报警器和遥测报警车的研制，2010年2月得到国家军工产品定型批复。形成了我军新一代化学毒剂报警器基本型，标志着我国军用化学侦察技术进入国际先进行列。北方夜视集团是国内唯一的红外光谱遥测厂家。
现存的问题：主要是产品制造成本太高，无法大范围推广应用；二是可报警的气体种类针对战场毒气，对工业有毒有害气体扩充不足；三是报警须采集背景光谱，容易受到干扰。
目前国内对于傅里叶变换红外光谱系统用于外场气体遥测的研究有部分文献报道，如：毕勇“Gasmet便携式傅里叶变换红外气体分析仪及其在环境应急监测中的应用”(现代科学仪器，2011,No.4：90-92)，该文主要介绍了芬兰Gasmet Technologies Oy公司生产的GASMET FTIR Dx4020便携式傅里叶变换红外气体分析仪。该红外气体分析仪利用红外吸收原理和迈克尔逊干涉仪原理：用一束连续波长的红外光聚焦照射被分析样品物质，如果样品分子中某个基团的振动频率与照射的红外光的频率相同，就会发生共振，这个分子基团就会吸收该频率的红外光，在红外光谱图中就会得到该频率的吸收峰，根据吸收峰的数目、吸收峰的位置、形状可对被测样品进行定性分析，根据吸收峰的峰高峰面积进行定量分析；入射光经过分束器变成两路，一路穿过分束器到固定镜，另一束经分束镜反射到移动镜。两束光各自经移动镜和固定镜的反射又回到分束器，穿过分束器的两束光因为移动镜不停的移动产生光程差，成为相干光。相干光经过样品室被样品吸收后，在检测器上得到干涉图，干涉图再经过计算机傅里叶变换形成红外光谱图。和传统的气体分析仪一样，Gasmet采用样品池采样进行气体分析，可采用普通的热释电响应红外探测器，一般为DTGS。而且要进入污染区域，进行1分钟以上的检测分析作业，无法直接避免对分析人员的伤害，存在反应慢、机动能力差等缺点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种非接触式远距离监测环境危险气体的泄漏与排放的监测系统。该监测系统的光谱响应范围包括二氧化硫和甲烷、乙醚等多种工业废气，具有响应速度快，高信噪比和高光谱分辨率等优点。
本发明的技术方案为：
一种环境红外气体监测系统，主要包括环境红外气体监测仪主机、云台、上位计算机和电源；所述的环境红外气体监测仪主机包括红外窗口、干涉仪、探测器、信号采集控制器、鉴别器、可见光窗口及主控单元；
所述红外窗口包含一个前置望远镜，用于收集环境目标发出的红外辐射。
所述干涉仪接收由前置望远镜收集的红外辐射，转换成红外干涉光信号。
所述的探测器将干涉仪的干涉光信号转换为电信号。
所述的信号采集控制器用于采集干涉仪产生的干涉图。
所述的鉴别器将信号采集控制器得到的干涉图进行光谱转换、预处理，得到归一化谱，然后利用鉴别因子进行鉴别，将最终的结果发送给主控单元。
所述的可见光窗口内置一CCD摄像机，可同步提供系统监测方向的可见光视频图像，将该图像传送至上位计算机并显示在上位计算机的屏幕上。
本发明所述的环境红外气体监测仪主机安装在云台上，通过上位计算机控制云台对整个环境红外气体监测仪主机进行俯仰、旋转，从而控制方位的扫描。
所述的电源为AC/DC稳压电源，为整个监测系统进行供电。
主控单元的主要作用是控制环境红外气体监测仪主机的扫描过程，协调同步鉴别器、干涉仪的工作流程，接收鉴别器鉴别结果并将结果发送到上位计算机上显示。主控单元的作用还包括实时读取云台数据并对云台进行控制，显示测量结果，同时可以实时采集显示可见光窗口内置的CCD摄像机传送的图像，采集和存储干涉图或光谱图数据，显示气体云团的范围及扩散情况。
所述的鉴别器对环境红外气体监测仪获取的气体云团红外干涉图进行光谱转换、预处理、特征提取和智能鉴别，将鉴别结果输入主控单元。
本发明采用的鉴别器是核心信息处理单元，需要针对工业应用，增加多个可鉴别气体种类，需通过大量外场试验，积累数据，对鉴别器进行训练；并且增加以太网接口，可对未知气体数据上传到上位计算机进行扩展处理。
本发明所述的干涉仪选用时间调制式的FT-IR干涉仪，鉴别器选用以DSP芯片为核心的智能自动鉴别器。
利用本发明提供的环境红外气体监测系统进行环境气体监测的方法为：当环境气体云团进入视线，由于云团的吸收和发射特性，进入红外窗口被前置望远镜收集，进入FT-IR干涉仪由干涉仪动镜扫描形成光程差产生干涉，经探测器进行光电转换后由A/D转换器将电信号变成数字干涉信号，通过信号采集控制器采集到数字干涉信息，经傅立叶变换(FFT变换)得到光谱信息，然后通过鉴别器鉴别，将鉴别结果传至上位计算机。当危险化学云团进入视场，根据云团的吸收和发射特性，经鉴别器鉴别光谱特征进行识别，一旦发现危险气体后通过主控单元发出声光报警信号。
所述的可见光窗口内置的CCD摄像机同步提供系统监测方向的可见光视频图像，将该图像传送至上位计算机并显示在上位计算机的屏幕上。所述的云台对整个环境红外气体监测仪主机进行俯仰和旋转控制。
本发明的效果：本发明的环境气体红外监测系统主要用于监测危险气体的泄漏情况与排放，非接触式远距离迅速发现危险气体，并及时发出报警以保证生产和人身安全。产品采用傅里叶红外干涉光谱技术(FTIR)进行环境化学气体探测，采用热释电响应原理的锆肽酸铅(PZT)红外探测器，展开适应性设计和功能扩展，可有效降低制造成本。具有响应速度快，高信噪比和高光谱分辨率，工作稳定，适合连续实时在线检测等显著优点。本发明提供的环境气体红外监测系统属于军民两用光电应用系统领域，可广泛应用在安全监控(剧毒危险气体探测)和煤矿监测(甲烷探测)、高压输变电检测(六氟化硫探测)、化工厂泄漏(易燃易爆危险气体探测)和环境监测等技术领域。
附图说明
图1.环境气体红外监测系统原理框图。
图2.环境气体红外监测系统工作原理示意图。
图3.环境气体红外监测系统主控软件原理框图。
图4.鉴别因子产生流程图。
其中，1-环境红外气体监测仪主机、2-云台、3-上位计算机、4-电源；5-红外窗口、6-干涉仪、7-探测器、8-信号采集控制器、9-鉴别器、10-可见光窗口、11-主控单元、12-前置望远镜、13-CCD摄像机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行进一步说明。
如图1所示，本发明所述的环境红外气体监测系统，主要包括环境红外气体监测仪主机1、云台2、上位计算机3和AC/DC稳压电源4；所述的环境红外气体监测仪主机1包括红外窗口5、干涉仪6、探测器7、信号采集控制器8、鉴别器9、可见光窗口10及主控单元11；所述红外窗口5包含一个前置望远镜12。所述的可见光窗口10内置一CCD摄像机13。所述环境红外气体监测仪主机1安装在云台2上，通过上位计算机3控制云台2进行俯仰和方位的扫描。
图2所示为环境气体红外监测系统工作原理示意图。当环境气体云团进入视线，由于云团的吸收和发射特性，进入红外窗口1被前置望远镜12收集，进入FT-IR干涉仪6由干涉仪动镜扫描形成光程差产生干涉，经探测器7进行光电转换后由A/D转换器将电信号变成数字干涉信号，通过信号采集控制器8采集到数字干涉信息，经傅立叶变换(FFT变换)得到光谱信息，然后通过鉴别器9鉴别，将鉴别结果传至上位计算机3。当危险化学云团进入视场，根据云团的吸收和发射特性，经鉴别器9鉴别光谱特征进行识别，一旦发现危险气体后通过主控单元11发出声光报警信号。所述的可见光窗口10内置的CCD摄像机同步提供系统监测方向的可见光视频图像，将该图像传送至上位计算机3并显示在上位计算机的屏幕上。
图3所示为本发明提供的环境气体红外监测系统主控单元原理框图。主控单元除实现有毒有害气体环境红外气体监测仪主机的控制外，还实时读取云台数据并对云台进行控制，显示测量结果，同时可以实时采集显示CCD摄像机图象，采集和存储干涉图或光谱图数据，显示气体云团的范围及扩散情况。
1)实测数据。对有害气体红外光谱信息进行鉴别分类需要大量的环境实测气体光谱和各种干扰物光谱作为研究基础。为使光谱鉴别算法适应不同的外部条件，需要在不同的地域和环境条件下，利用傅立叶变换红外遥测光谱仪，采集各种环境光谱，以训练相应的光谱鉴别系统。更加完备的环境光谱可以为鉴别算法训练提供更丰富完备的数据样本，提高光谱鉴别系统的鉴别精度和适应能力。
2)仿真数据
由于对有害红外光谱信息进行鉴别分类需要大量的环境实测气体光谱和各种干扰物光谱作为研究基础，需要耗费大量的人力、物力和财力。仿真技术可以在没有大量实测有害气体红外光谱的情况下，基于有害气体的吸收系数谱、各种背景和干扰物谱，通过仿真模型以得到不同环境条件、不同浓度的多种有害气体光谱，作为环境实测光谱的补充。首先针对典型有害气体开展仿真技术研究，建立有害气体红外光谱精细仿真的模型和技术途径，然后将研究结果推广到其他类有害气体。
3)样本数据库，存有充分、必要、规范、可检验、可扩充的光谱数据。数据源包括外场获取、实验室获取及仿真生成的有害气体、背景、干扰物谱。所有已知的和初次测量或生成的各类光谱数据，依类型、获取方式、环境条件、定量指标(如有害气体浓度程长CL值)等标记分类。
4)光谱预处理。此外，由于光学、电学等因素的影响，探测器的输出信号常被“污染”，所有这些影响也要消除到最低程度。为了使光谱鉴别系统对微弱的特征信号做出准确判断，需要对信号进行预处理。信号预处理的目的主要有两个：其一是扣除背景的干扰，纯化数据，提取信息特征，其二是对数据规范化，最大程度地反映物质本来的光谱特征，使之能作为光谱鉴别系统的输入信号。
5)标准数据库由在算法训练过程中使用的，对应或反映信噪比(或CL值)范围比光谱鉴别系统指标更宽的数据构成，用该库数据训练鉴别因子、改进鉴别器算法及程序。标准数据库中的所有样本都已经过上述的预处理软件包处理过，最后全部归一化。通过鉴别器对未知光谱进行目标识别时采用的是模式识别技术。这一技术依赖于一组权重向量——鉴别因子，其仅对含有目标信号的光谱信号敏感。鉴别因子通过算法训练得到，它的好坏直接影响鉴别器的性能。
图4所示为鉴别器的鉴别因子的产生流程图：鉴别器实时控制处理软件由系统自检软件、与干涉仪通信软件、与主控单元通信软件以及与上位计算机通信软件等几部分组成。鉴别器实时信号预处理和鉴别软件将平均后的干涉图进行预处理，得到归一化谱，然后利用鉴别因子进行鉴别，将最终的结果发送给主控单元。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种环境红外气体监测系统，主要包括环境红外气体监测仪主机(1)、云台(2)、上位计算机(3)和电源(4)；其特征在于所述的环境红外气体监测仪主机包括红外窗口(5)、干涉仪(6)、探测器(7)、信号采集控制器(8)、鉴别器(9)、可见光窗口(10)及主控单元(11)；
所述红外窗口(5)用于收集环境目标发出的红外辐射；
所述干涉仪(6)接收由红外窗口收集的红外辐射，转换成红外干涉光信号；
所述的探测器(7)将干涉仪的干涉光信号转换为电信号；
所述的信号采集控制器(8)用于采集干涉仪产生的干涉图；
所述的鉴别器(9)将信号采集控制器得到的干涉图进行光谱转换、预处理，得到归一化谱，然后利用鉴别因子进行鉴别，将最终的结果发送给主控单元(11)；
所述的可见光窗口(10)同步提供系统监测方向的可见光视频图像，将该图像传送至上位计算机并显示在上位计算机的屏幕上。
2.根据权利要求1所述的环境红外气体监测系统，其特征在于红外窗口(5)包含一个前置望远镜(12)，用于收集环境目标发出的红外辐射。
3.根据权利要求1所述的环境红外气体监测系统，其特征在于所述的可见光窗口(10)内置一CCD摄像机(13)，同步提供系统监测方向的可见光视频图像，将该图像传送至上位计算机并显示在上位计算机的屏幕上。
4.根据权利要求1所述的环境红外气体监测系统，其特征在于所述的环境红外气体监测仪主机(1)安装在云台(2)上，通过上位计算机(3)控制云台对整个环境红外气体监测仪主机进行俯仰、旋转控制。
5.根据权利要求1所述的环境红外气体监测系统，其特征在于所述的电源(4)为AC/DC稳压电源，为整个监测系统进行供电。
6.根据权利要求1所述的环境红外气体监测系统，其特征在于主控单元(11)控制环境红外气体监测仪主机的扫描过程，协调同步鉴别器(9)、干涉仪(6)的工作流程，接收鉴别器鉴别结果并将结果发送到上位计算机(3)上显示。
7.根据权利要求1所述的环境红外气体监测系统，其特征在于主控单元(11)的作用还包括实时读取云台数据并对云台进行控制，显示测量结果，同时实时采集显示CCD摄像机传送的图像，采集和存储干涉图或光谱图数据，显示气体云团的范围及扩散情况。
8.根据权利要求1所述的环境红外气体监测系统，其特征在于所述的鉴别器(9)对环境红外气体监测仪主机获取的气体云团红外干涉图进行光谱转换、预处理、特征提取和智能鉴别，将鉴别结果输入主控单元。
9.一种根据权利要求1-8之一所述的环境红外气体监测系统的监测方法，其特征在于包括：环境气体云团进入红外窗口(5)被收集，进入干涉仪(6)由干涉仪动镜扫描形成光程差产生干涉，经探测器(7)进行光电转换后由A/D转换器将电信号变成数字干涉信号，通过信号采集控制器(8)采集到数字干涉信息，经傅立叶变换得到光谱信息，然后通过鉴别器(9)鉴别，将鉴别结果传至上位计算机(3)，当危险化学云团进入视场，经鉴别器鉴别光谱特征进行识别，一旦发现危险气体后通过主控单元(11)发出声光报警信号。
10.根据权利要求9所述的环境红外气体监测方法，其特征在于所述可见光窗口(10)内置一个CCD摄像机，同步提供系统监测方向的可见光视频图像，将该图像传送至上位计算机(3)并显示在上位计算机的屏幕上；所述的云台(2)对环境红外气体监测仪主机(1)进行俯仰和旋转控制。
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