CN109142261A - 宽波段环境气体红外遥测监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种宽波段环境气体红外遥测监测系统和方法，该系统主要由红外监测仪、云台、上位计算机组成；所述红外监测仪包括红外窗口、可见光窗口、黑体辐射定标装置、前置望远镜、干涉仪、红外探测器、信号控制与通讯接口、智能鉴别器、CCD摄像机。本发明的宽波段环境气体红外遥测监测系统具有光谱分辨率高，光通量高的优点，可实现多组分气体的鉴别报警，并能充分利用内置黑体进行高精度定标的优点，可实现在线光谱定标和辐射定标要求，应用优势明显，特别是在光谱信噪比方面容易达到较高水平。

Description

宽波段环境气体红外遥测监测系统及方法

技术领域

本发明属于光谱技术领域，涉及一种宽波段环境气体红外遥测监测系统和方法，具体是一种应用于环境气体探测的时间调制干涉的实时红外光谱技术。

背景技术

近年来，随着经济活动的蓬勃发展，工业企业迅速发展，我国环境保护的形势越来越严峻，突发性环境污染事故也呈现高发趋势。重大化学事故频发，危害后果日趋严重，自然环境恶化引发的重大公共安全事件，以及地震、洪水等自然灾害衍生的化学危害时有发生。根据国家安全生产监督总局统计，以2010年为例，1～12月全国共发生危险化学品事故83起，死亡149人，其中“7.16”大连爆炸事故、“7.28”南京爆炸事故属典型的重大化学事故。2015年8月12日，天津港口化学品仓库爆炸事件对生命财产带来巨大损失，造成极其恶劣的影响，也给社会敲响了警钟：环境污染和生态破坏已经在一定程度上制约了经济社会的发展并日益威胁着现代人的健康安全，制约着生态平衡及经济可持续发展和社会稳定。有效地预防以至消除突发性环境污染事故的发生，及时有效地处置突发性环境污染事故，最大限度地减少其对人类和环境影响，是全世界范围关注的重大问题之一。

随着人们工业生产和经济活动的增加，空气污染物的种类很多，挥发性有机化合物(VOC)是空气污染物主要成分，最常见的污染物有甲醛、苯、烷类、氨等。这些物质具有致畸、致癌、致基因突变等的毒性，其中甲醛已是世界卫生组织公认的致癌和致畸物质。室内空气中的甲醛主要是从装修材料中释放的游离甲醛，对于室内甲醛的最高允许浓度各个国家标准不同。我国的标准为0.08nlg·m^-3。室内甲醛浓度越高对人造成的危害越大，由于甲醛中毒导致的慢性疾病、变异屡见不鲜，若浓度超过30mg·m^-3时则能致人死亡。因此，对甲醛等大气污染物等有害气体的监测具有重要的社会意义和实用价值。目前，常用的室内空气污染物检测方法主要有：化学检测法、气相色谱法和光谱法。化学检测法指采用化学反应的方法将甲醛等浓度信息转化为相应的其他化学物质或电量、pH值等，包括电化学法、四极谱法、吸附伏安法、碘量法等，这些方法需要配备相应的化学反应材料并且检测周期长、精确度低，如美国的PDM—20B型光离子化检测器、加拿大的PIDM5型气体检测仪等；气相色谱法是用气体作为流动相的色谱法，虽然检测速度较快，并且可以达到很高的灵敏度，但常需要用标准样品进行校正，也需要化学反应的过程，如德国的n～CⅡ型甲醛检测仪等。光谱法包括紫外荧光法和红外特征光谱吸收法，目前市面上最常见的是基于红外光谱特征鉴别的产品。如德国BRUKER公司的OPAG33和RAPID，以及加拿大TELOPS公司的Hyper-CAM。目前，提高气体光谱测试范围，增加监测种类是红外特征光谱遥测法的研究重点，目前已有的方法是多特征波长窗的方法及对应的算法。由于大气的红外传输特性，一般选择在长波红外窗口或中波红外窗口的响应波段内工作，对于不同的气体检测对象，选择不同的遥测仪器来组合检测系统。如加拿大TELOPS公司的Hyper-CAM就为两个型号：长波型Hyper-CAM-LW和中波型Hyper-CAM-MW。这样，不同光学系统必然带来不一致性，并且对于浓度的标定也带来灵敏度的差异。但是对于硫化氢、二氧化硫、甲烷、丙烷等常见工业有毒有害气体的工业监测，尽管遥测的距离要求不高，但是其主要光谱特征都在中波红外窗口；长波红外窗口(8～14μm)的短波端有一些特征，接近水汽和二氧化碳的吸收峰，仪器响应波段受到限制。一般的处理方法是增加一台中波红外的光谱遥测设备并行工作，这就造成仪器的多重投资和使用配置上的困难。同时，也不利于定量测试的标定。因此，必须找到一种满足适当灵敏度的方法，可以对一定范围气体种类可以进行一致标准的监测。

发明内容

本发明提供一种宽波段环境气体红外遥测监测系统和方法，使用宽波段长波红外时间调制干涉方法，采用跨长波红外大气窗口的甚长波红外探测器(8～14.5μm)，实现11种以上环境气体探测、分析的气体探测系统，并可实现定点、扇区和区域扫描监测。气体种类包括：氨、乙醇、乙醚、丙酮、乙酸、甲醇、六氟化硫、二氯甲烷、三氯甲烷、二氧化硫、甲烷、丙烷等，并可根据用户来选择相应气体种类。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种宽波段环境气体红外遥测监测系统，该系统主要由红外监测仪、云台、上位计算机组成；所述红外监测仪包括红外窗口、可见光窗口、黑体辐射定标装置、前置望远镜、干涉仪、红外探测器、信号控制与通讯接口、智能鉴别器、CCD摄像机。

所述红外窗口用于接收目标气体发出的红外辐射。

所述可见光窗口用于为CCD摄像机提供窗口。

所述黑体辐射定标装置用于遥测监测系统的光谱定标和辐射定标，由摆镜、黑体及控制器组成，系统进行定标时将摆镜切换到定标位置，并通过控制器控制黑体的温度，达到定标的目的。所述摆镜用于切换定标位置；所说黑体用于提供辐射源；所述控制器控制黑体的温度。

所述前置望远镜用于将远距离的目标成像于干涉仪上；目标通过可见光窗口到达前置望远镜成像于干涉仪上。

所述干涉仪用于由前置望远镜收集的红外辐射，转换成红外干涉光信号；

所述红外探测器接收干涉仪的干涉光信号，转换为电信号，通过A/D转换采样得到数字干涉图。

所述信号控制与通讯接口用于将仪器结果信号数据通过信号控制与通讯接口传输到上位机，并与上位计算机进行控制交互。

所述智能鉴别器对红外探测器输出的数字干涉图进行光谱转换、预处理、特征提取和智能鉴别，将鉴别结果输入上位机界面中。

所述CCD摄像机实时输出CCD摄像机的视场的场景图像，当发现有毒有害气体时，将假彩色色块叠加到视频图像上。

所述红外监测仪放于云台上，通过上位计算机控制云台进行俯仰和方位的扫描。

所述上位计算机对智能鉴别器的鉴别信号和CCD摄像机的视频信号进行信息处理、操控和显示，在上位计算机中安装系统所需要的视频采集板卡和串口卡，安装红外监测仪操控软件，可在上位计算机中实时显示系统状态和光谱数据；同步显示CCD摄像机图像；可通过计算机操控红外监测仪等。

所述宽波段环境气体红外遥测监测系统还包括ST制冷机，用于将探测器冷却到低温或深低温，以便红外探测器正常工作。

本发明还提供了一种宽波段环境气体遥测监测方法，针对目标识别前，首先让摆镜转到黑体位置，通过黑体辐射定标装置进行辐射定标，定标结束后摆镜回目标位置，其中，目标气体发出的红外辐射通过红外窗口接收并由前置望远镜收集后，进入干涉仪，由干涉仪扫描形成光程差产生干涉信号，经红外探测器进行光电转换后，通过信号控制与通讯接口由A/D转换器将电信号变成数字信号，然后经智能鉴别器中傅立叶变换(FFT变换)得到光谱信息。根据光谱图的吸收和发射特征，经智能鉴别器鉴别进行识别，上传到上位计算机，进行报警。与此同时，通过CCD摄像机可以观察目标位置。其中，遥测系统的监测方式有三种，通过云台实现定点、扇区和区域扫描。

本发明提供的宽波段环境气体红外遥测监测系统的有益效果在于：光谱分辨率高，光通量高，可实现多组分气体的鉴别报警，并能充分利用内置黑体进行高精度定标的优点，可实现在线光谱定标和辐射定标要求，应用优势明显，特别是在光谱信噪比方面容易达到较高水平。可实现定点、扇区和区域扫描。

本发明监测系统将跨长波红外波段提高到8～14.5μm，提高了探测波段，可同时实现多组分气体等11种以上环境气体探测鉴别，使仪器性能得到了提高。

附图说明

图1为本发明的系统框图；

图2为本发明实施例中氨气实测谱图；

图3为本发明实施例中硫化氢实测谱图；

图4为本发明实施例中甲烷的实测谱图；

图5为本发明实施例中丙酮的实测谱图；

图6为本发明实施例中六氟化硫的实测谱图；

图7为本发明实施例中丙烷的实测谱图；

图8为本发明实施例中乙烯的实测谱图；

图9为本发明实施例中二氯甲烷的实测谱图；

图10为本发明实施例中甲醇的实测谱图；

图11为本发明实施例中二氧化硫的实测谱图；

图12为本发明实施例中的乙醚实测谱图；

图13为本发明实施例中氨气实测上位机界面图。

其中，1-红外监测仪、2-云台、3-上位计算机、4-红外窗口、5-可见光窗口、6-黑体辐射定标装置、7-前置望远、8-干涉仪、9-红外探测器、10-信号控制与通讯接口、11-智能鉴别器、12-CCD摄像机、6a-摆镜、6b-黑体、6c-控制器。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

如图1和图2所示的一种宽波段环境气体红外遥测监测系统，主要由红外监测仪1、云台2、上位计算机3组成；红外监测仪1包括红外窗口4、可见光窗口5、黑体辐射定标装置6、前置望远7、干涉仪8、红外探测器9、信号控制与通讯接口10、智能鉴别器11、CCD摄像机12。所述黑体辐射定标装置6用于遥测监测系统的光谱定标和辐射定标，由摆镜6a、黑体6b及控制器6c组成。

所述红外窗口4用于接收目标气体发出的红外辐射；

所述可见光窗口5用于为可见光CCD摄像机提供窗口；

系统进行定标时将摆镜6a切换到定标位置，并通过控制器6c控制黑体6b的温度，达到定标的目的。所述摆镜用于切换定标位置；所述黑体用于提供辐射源；所述控制器控制黑体的温度；

所述前置望远镜7用于将远距离的目标成像于干涉仪上；目标通过可见光窗口到达前置望远镜成像于干涉仪上；

所述干涉仪8用于由前置望远镜4收集的红外辐射，转换成红外干涉光信号；

所述红外探测器9接收干涉仪8的干涉光信号，转换为电信号，通过A/D转换采样得到数字干涉图；

所述信号控制与通讯接口10用于将仪器结果信号数据通过信号控制与通讯接口传输到上位机，并与上位计算机进行控制交互；

所述智能鉴别器11对红外探测器9输出的数字干涉图进行光谱转换、预处理、特征提取和智能鉴别，将鉴别结果输入上位机界面中；

所述CCD摄像机12实时输出CCD摄像机的视场的场景图像，当发现有毒有害气体时，将假彩色色块叠加到视频图像上；

所述红外监测仪1放于云台2上，通过上位计算机控制云台进行俯仰和方位的扫描；

所述上位计算机3对智能鉴别器11的鉴别信号和CCD摄像机的视频信号进行信息处理、操控和显示，在上位计算机中安装系统所需要的视频采集板卡和串口卡，安装红外监测仪操控软件，可在上位计算机中实时显示系统状态和光谱数据；同步显示CCD摄像机图像；可通过计算机操控红外监测仪等；

所述ST制冷机13，用于将探测器冷却到低温或深低温，以便红外探测器正常工作。

采用如图1所示的宽波段环境气体红外遥测监测系统进行监测的方法为：针对目标识别前，首先让摆镜6a转到黑体位置，通过黑体辐射定标装置6进行辐射定标，定标结束后摆镜回目标位置，其中，目标气体发出的红外辐射通过红外窗口4接收并由前置望远镜7收集后，进入干涉仪8，由干涉仪扫描形成光程差产生干涉信号，经红外探测器9进行光电转换后，通过信号控制与通讯接口10由A/D转换器将电信号变成数字信号，然后经智能鉴别器11中傅立叶变换(FFT变换)得到光谱信息，使光谱图发生改变，根据光谱图的吸收和发射特征，经智能鉴别器鉴别进行识别，上传到上位计算机3，对现场的光谱图进行识别后发现危险气体，进行报警。与此同时，通过CCD摄像机可以观察目标位置。

下面通过具体实施例来对本发明的监测系统的有益效果进行进一步说明。

实施例1

本实施例以氨气为例，氨气气体发出的红外辐射被接收望远镜收集，进入干涉仪，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信号，然后经傅立叶变换(FFT变换)得到光谱信号。使光谱图发生改变，经鉴别器鉴别，上传到计算机，对现场的光谱图进行识别后，进行报警。如图2所示为氨气实测光谱图，图13为本实施例中氨气实测上位计算机界面图。

实施例2

本实施例以硫化氢气体为例，硫化氢气体发出的红外辐射被接收望远镜收集，进入干涉仪，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信号，然后经傅立叶变换(FFT变换)得到光谱信号。使光谱图发生改变，经鉴别器鉴别，上传到计算机，对现场的光谱图进行识别后，进行报警。如图3所示硫化氢实测光谱图。

实施例3

图4所示为以甲烷为例进行实验的实测谱图。

实施例4

图5所示为以丙酮为例进行实验的实测谱图。

实施例5

图6所示为以六氟化硫为例进行实验的实测谱图。

实施例6

图7所示为以丙烷为例进行实验的实测谱图。

实施例7

图8所示为以乙烯为例进行实验的实测谱图。

实施例8

图9所示为以二氯甲烷为例进行实验的实测谱图。

实施例9

图10所示为以甲醇为例进行实验的实测谱图。

实施例10

图11所示为以二氧化硫为例进行实验的实测谱图。

实施例11

图12所示为以乙醚为例进行实验的实测谱图。

通过以上实例可以看出，本发明具有以下显著特点：

1、本发明的宽波段环境气体红外遥测监测系统及方法既具有光谱分辨率高，可实现多组分气体的鉴别报警，并能充分利用内置黑体进行高精度定标的优点，可实现在线光谱定标和辐射定标要求，应用优势明显，特别是在光谱信噪比方面容易达到较高水平。

2、本发明的宽波段环境气体遥测监测方法和系统根据特殊用途需要可以只针对某些特定气体鉴别。但是对于硫化氢、二氧化硫、甲烷、丙烷等常见工业有毒有害气体的工业监测，尽管遥测的距离要求不高，但是其主要光谱特征都在中波红外窗口；长波红外窗口(8～14μm)的短波端有一些特征，接近水汽和二氧化碳的吸收峰，如图2，仪器响应波段受到限制。本发明将跨长波红外波段提高到8～14.5μm,提高了探测波段，使仪器提高了性能。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种宽波段环境气体红外遥测监测系统，其特征在于主要由红外监测仪(1)、云台(2)、上位计算机(3)组成；所述红外监测仪(1)包括红外窗口(4)、可见光窗口(5)、黑体辐射定标装置(6)、前置望远镜(7)、干涉仪(8)、红外探测器(9)、信号控制与通讯接口(10)和智能鉴别器(11)、CCD摄像机12；

所述红外窗口(4)用于接收目标气体发出的红外辐射；

所述可见光窗口(5)用于为CCD摄像机(12)提供窗口；

所述黑体辐射定标装置(6)用于遥测监测系统的光谱定标和辐射定标；

所述前置望远镜(7)用于将远距离的目标成像于干涉仪上，目标通过可见光窗口到达前置望远镜成像于干涉仪上；

所述干涉仪(8)用于将前置望远镜收集的红外辐射，转换成红外干涉光信号；

所述红外探测器(9)接收干涉仪的干涉光信号，转换为电信号，通过A/D转换采样得到数字干涉图；

所述信号控制与通讯接口(10)用于将仪器结果信号数据通过信号控制与通讯接口传输到上位计算机，并与上位计算机进行控制交互；

所述智能鉴别器(11)对红外探测器输出的数字干涉图进行光谱转换、预处理、特征提取和智能鉴别，将鉴别结果输入上位计算机界面中；

所述CCD摄像机(12)实时输出CCD摄像机的视场的场景图像，当发现有毒有害气体时，将假彩色色块叠加到视频图像上。

2.根据权利要求1所述的宽波段环境气体红外遥测监测系统，其特征在于所述前置望远镜(7)设置于红外窗口(4)内。

3.根据权利要求1所述的宽波段环境气体红外遥测监测系统，其特征在于所述CCD摄像机(12)内置于可见光窗口(5)内。

4.根据权利要求1所述的宽波段环境气体红外遥测监测系统，其特征在于所述的黑体辐射定标装置(6)由摆镜(6a)、黑体(6b)及控制器(6c)组成。

5.根据权利要求4所述的宽波段环境气体红外遥测监测系统，其特征在于所述的摆镜用于切换定标位置；所述的黑体用于提供辐射源；所述控制器控制黑体的温度。

6.根据权利要求1所述的宽波段环境气体红外遥测监测系统，其特征在于所述红外监测仪(1)安装于云台(2)上，通过上位计算机控制云台进行俯仰和方位的扫描。

7.根据权利要求1所述的宽波段环境气体红外遥测监测系统，其特征在于所述上位计算机(3)对智能鉴别器(11)的鉴别信号和CCD摄像机(12)的视频信号进行信息处理、操控和显示。

8.根据权利要求1所述的宽波段环境气体红外遥测监测系统，其特征在于还包括ST制冷机(13)，用于将探测器冷却到低温或深低温。

9.一种宽波段环境气体遥测监测方法，其特征在于针对目标识别前，首先让摆镜(6a)转到黑体位置，通过黑体辐射定标装置(6)进行辐射定标，定标结束后摆镜回目标位置，目标气体发出的红外辐射通过红外窗口(4)接收并由前置望远镜(7)收集后，进入干涉仪(8)，由干涉仪扫描形成光程差产生干涉信号，经红外探测器(9)进行光电转换后，通过信号控制与通讯接口(10)由A/D转换器将电信号变成数字信号，然后经智能鉴别器(11)中傅立叶变换得到光谱信息，经智能鉴别器鉴别进行识别，上传到上位计算机(3)，进行报警。

10.根据权利要求9所述的宽波段环境气体遥测监测方法，其特征在于通过CCD摄像机(12)观察监测的目标位置。