CN109164057A - 化学气体红外多谱段成像遥感监测系统、设备及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种化学气体红外多谱段成像遥感监测系统、设备、摄像头及方法，其中系统包括：全景成像模块，用于获取全景相机图像；扫描式红外气体成像模块，用于在全景视场内步进扫描，获取当前观测区域气体在多个谱段的辐射特性信息；监测模块，用于根据当前观测区域气体在多个谱段的辐射特性信息进行差分重建得到气体测量光谱，判断气体类别和气体浓度；并且判断气体浓度是否超过预设阈值，是则将扫描式红外气体成像模块由步进扫描切换至该扫描方向的持续监测，并发送可见光成像指令；可见光成像模块，用于根据可见光成像指令对当前观测区域进行成像。本发明通过获取气体不同谱段辐射特性信息来识别化学气体，具有快速识别的特点。
Description
技术领域
本发明化学气体检测技术领域，尤其涉及一种化学气体红外多谱段成像遥感监测系统、设备、摄像头及方法。
背景技术
近年来，危化品泄露事故频频发生，尤其是有毒有害气体在生产、运输或贮存的过程中意外泄露，将对社会造成巨大的生命危害和财产损失，重庆开县二氧化硫毒气泄漏、天津港化学品爆炸等事件都造成了严重的居民伤亡，教训惨痛。
危化品事故具有突发性强、危害性大、潜在危害大、应急救援难度大等特点，给工业园的可持续发展带来了严峻的考验，工业园的运行安全问题是关系到工业园可持续发展的关键。如何对化学品进行有效的管理，预防、遏制重大灾害的发生，提高应对化学事故的应急处置能力成为检验我国各级政府执政能力和水平的重要指标。
现阶段的危险源监测和预警技术手段主要分为：近距离基于采样的传感器检测技术和远距离基于傅里叶变换的红外宽光谱遥感技术，两种手段优缺点如下：
(1)基于采样的传感器检测技术是最早应用的方法，可以微观的监控化工园区重大危险源，但存在校准频繁、全面监控难、实时性差、动态分析弱等不足。
(2)红外宽光谱遥感技术是近年来迅速发展起来的一门综合性探测技术，无需采样，具有非接触、光谱范围宽(可监测气体种类多)、测量精度高(干涉体制，信噪比高)、监测距离远等优点。但是该技术无法宽视场成像、扫描速度慢(“点-面”结合能力差)、无法准确定位泄漏点(受气象条件影响)等不足。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术中的至少一部分缺陷，提供一种化学气体红外多谱段成像遥感监测系统、设备、摄像头及方法。
为了解决上述技术问题，本发明第一方面，提供了一种化学气体红外多谱段成像遥感监测系统，所述系统包括：
全景成像模块，用于获取全景相机图像；
扫描式红外气体成像模块，用于在全景视场内步进扫描，获取当前观测区域气体在多个谱段的辐射特性信息；
监测模块，用于根据当前观测区域气体在多个谱段的辐射特性信息，进行谱段差分得到多个窄波段辐射信息，进而光谱重建得到气体测量光谱，判断气体类别和气体浓度；并且判断气体浓度是否超过预设阈值，是则将扫描式红外气体成像模块由步进扫描切换至该扫描方向的持续监测，并发送可见光成像指令；
可见光成像模块，用于根据所述可见光成像指令对当前观测区域进行成像。
在根据本发明所述的化学气体红外多谱段成像遥感监测系统中，可选地，所述扫描式红外气体成像模块通过以下方式获取当前观测区域气体在多个谱段的辐射特性信息：在红外相机上覆盖有滤光片轮，所述滤光片轮上围绕圆周方向间隔设置有多片不同波段的滤光片，且所述滤光片轮在红外相机工作时进行旋转，以使得入射光分别通过不同的滤光片进入红外相机，从而获取不同谱段的辐射特性信息。
在根据本发明所述的化学气体红外多谱段成像遥感监测系统中，可选地，所述监测模块将多个波段的辐射特性信息进行差分得到多个窄波段辐射信息，采用维纳估计算法进行光谱重建得到气体测量光谱，结合参考标准光谱数据库，采用相关系数法计算所述气体测量光谱与标准气体吸收光谱的相关系数，在相关系数大于设定阈值时判断出该气体类别，采取亮温法计算气体浓度。
本发明第二方面，提供了一种化学气体红外多谱段成像遥感监测设备，所述设备包括：
遥感监测摄像头，包括转台体，以及安装在所述转台体上的红外相机、全景相机和可见光相机；所述红外相机上覆盖有滤光片轮，所述滤光片轮上围绕圆周方向间隔设置有多片滤光片，且所述滤光片轮在红外相机工作时进行旋转，以使得入射光分别通过不同的滤光片进入红外相机，从而获取不同谱段的辐射特性信息；
监测装置，与所述遥感监测摄像头通讯，用于根据当前观测区域气体在多个谱段的辐射特性信息重建得到气体测量光谱，判断气体类别和气体浓度；并且判断气体浓度是否超过预设阈值，是则将红外相机由步进扫描切换至该扫描方向的持续监测，并发送凝视成像指令给可见光相机对当前观测区域进行成像。
在根据本发明所述的化学气体红外多谱段成像遥感监测设备中，可选地，所述多个滤光片为六个，覆盖波段范围为8-12μm，各滤光片差值波长为200nm。
本发明第三方面，提供了一种化学气体红外多谱段成像遥感监测摄像头，所述摄像头包括：转台体，以及安装在所述转台体上的红外相机、全景相机和可见光相机；所述红外相机上覆盖有滤光片轮，所述滤光片轮上围绕圆周方向间隔设置有多片滤光片，且所述滤光片轮在红外相机工作时进行旋转，以使得入射光分别通过不同的滤光片进入红外相机，从而获取不同谱段的辐射特性信息。
本发明第四方面，提供了一种化学气体红外多谱段成像遥感监测方法，所述方法包括：
通过全景相机获取全景相机图像并显示；
通过红外相机在全景视场内步进扫描，获取当前观测区域气体在多个谱段的辐射特性信息；
根据当前观测区域气体在多个谱段的辐射特性信息，进行谱段差分得到多个窄波段辐射信息，进而光谱重建得到气体测量光谱，判断气体类别和气体浓度；并且判断气体浓度是否超过预设阈值，是则将红外相机由步进扫描切换至该扫描方向的持续监测，并启动可见光相机；否则继续步进扫描；
由可见光相机对当前观测区域进行成像。
在根据本发明所述的化学气体红外多谱段成像遥感监测方法中，可选地，所述获取当前观测区域气体在多个谱段的辐射特性信息，包括：
在红外相机上覆盖有滤光片轮，所述滤光片轮上围绕圆周方向间隔设置有多片不同波段的滤光片，且所述滤光片轮在红外相机工作时进行旋转，以使得入射光分别通过不同的滤光片进入红外相机，从而获取不同谱段的辐射特性信息。
在根据本发明所述的化学气体红外多谱段成像遥感监测方法中，可选地，所述根据当前观测区域气体在多个谱段的辐射特性信息重建得到气体测量光谱，包括：
将多个波段的辐射特性信息进行差分得到多个窄波段辐射信息，采用维纳估计算法进行光谱重建得到气体测量光谱，结合参考标准光谱数据库，采用相关系数法计算所述气体测量光谱与标准气体吸收光谱的相关系数，在相关系数大于设定阈值时判断出该气体类别，采取亮温法计算气体浓度。
在根据本发明所述的化学气体红外多谱段成像遥感监测方法中，可选地，所述红外相机在全景视场内步进扫描的角度为30度，每个扫描方向保持20秒。
实施本发明的化学气体红外多谱段成像遥感监测系统、设备、摄像头及方法，具有以下有益效果：本发明通过获取气体不同谱段辐射特性信息来识别化学气体，与现有红外成像模块相比，具有快速识别的特点；并且本发明将扫描式红外气体成像、全景成像和可见光高清凝视成像有机融合形成化学气体红外多谱段成像遥感监测设备，优化了结构布局等，解决了采用传统的化学气体监测方法以光谱监测手段导致的“点-面”结合能力差，难以快速识别气体、精准定位泄漏点的问题。
附图说明
图1为本发明实施例一提供的化学气体红外多谱段成像遥感监测摄像头的结构示意图；
图2为根据本发明的红外相机成像的光路示意图；
图3为根据本发明实施例三的化学气体红外多谱段成像遥感监测系统的模块框图；
图4为根据本发明实施例四的化学气体红外多谱段成像遥感监测方法的流程图；
图5a和图5b分别为根据本发明的全景相机成像及可见光相机成像示意图；
图6为根据本发明的显示界面图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
请参阅图1，为本发明实施例一提供的化学气体红外多谱段成像遥感监测摄像头的结构示意图。如图1所示，该摄像头包括：转台体1，以及安装在该转台体1上的红外相机2、全景相机3和可见光相机4。
可选地，在该转台体1的上部安装红外相机2，并可在180°视场内进行步进扫描。转台体1的控制模块可以通过伺服控制红外相机2按每步30度的速度扫描，其扫描速度快，并且伺服驱动器可以通过位置速度双闭环控制算法保证定位精度。
可选地，在该转台体1的中部安装全景相机3，该全景相机3也可在180°视场采集全景相机图像。该全景相机3可以采用高分辨率鱼眼镜头，辅以高性能实时图像处理技术，实现180度宽视角高分辨率视频成像，实现对化工园区大范围区域的整体态势监控，无监控盲区和死角。红外相机2在全景视场中步进扫描。
可选地，在该转台体1的下部安装可见光相机4，可根据接收的可见光成像指令对180°视场中选取的某个观测区域进行成像。可见光相机4可以采用高性能的自由球机，实现对场景中特性目标的细节监视。在全景图像中点击任意一点，可以实现快速的30倍光学变焦并捕捉到目标，优选配置高性能红外补光灯，实现夜晚暗光下的远距离细节监控。
请参阅图2，为根据本发明的红外相机成像的光路示意图。本发明的一个独特之处在于，在红外相机2上覆盖有滤光片轮21。该滤光片轮21上围绕圆周方向间隔设置有多片滤光片22，且滤光片轮21在红外相机2工作时进行旋转，以使得入射光分时段通过不同的滤光片22进入红外相机，从而获取不同谱段的辐射特性信息。
上述滤光片22的波段不同。在本发明的一个优选实施例中，该滤光片轮21上设置有6块滤光片22。覆盖波段范围为8-12μm。优选地，各滤光片差值波长为200nm。在本发明的一个具体实施例中，6块滤波片的中心波长分别为8.4μm、8.6μm、8.8μm、9.0μm、9.2μm和9.4μm。虽然此处给出了滤波片波长的一个具体实施例，但是本领域基础技术人员可以将其设置为其它参数，需要满足各滤波片差值波长为200nm，且分布在8-12μm内即可。
本发明的化学气体红外多谱段成像遥感监测摄像头通过增设多谱段的特殊滤光片，不间断转动测量，获取气体不同谱段辐射特性信息。后续可以通过谱段差分获取窄带测量结果，随后利用光谱重建算法重建气体吸收光谱，最后通过光谱匹配快速判断气体类别并计算浓度。与现有红外成像模块相比，本发明具有快速识别特点，现有红外成像模块只有探测功能，不能区分哪种气体。在硬件上本发明可以采用六块定制滤光片，光谱带宽、透过率参数为特殊设计，通过大量仿真计算得到最优参数。在软件上识别算法上可以采用多个窄带结合参考光谱数据库进行光谱重建得到气体测量光谱，不同于现有的差分方法。
实施例二
本发明在实施例一的基础上提供了一种化学气体红外多谱段成像遥感监测设备，该设备包括实施例一提供的遥感监测摄像头，还包括与所述遥感监测摄像头通讯的监测模块。
该监测装置用于根据当前观测区域气体在多个谱段的辐射特性信息重建得到气体测量光谱，判断气体类别和气体浓度；并且判断气体浓度是否超过预设阈值，是则将红外相机由步进扫描切换至该扫描方向的持续监测，并发送凝视成像指令给可见光相机对当前观测区域进行成像。
该监测装置可以与前述遥感监测摄像头一体设置，也可以分立设置。可选地，该化学气体红外多谱段成像遥感监测设备还包括显示装置，用于显示以下一种或多种信息：全景相机3采集的全景相机图像，可见光相机4采集的可见光图像，监测装置识别的气体类别和气体浓度等。
实施例三
本发明还提供了一种化学气体红外多谱段成像遥感监测系统。请参阅图3，为根据本发明实施例三的化学气体红外多谱段成像遥感监测系统的模块框图。该化学气体红外多谱段成像遥感监测系统可以通过软件和硬件结合来实现。如图3所示，该化学气体红外多谱段成像遥感监测系统至少包括：全景成像模块100、扫描式红外气体成像模块200、监测模块300和可见光成像模块400。
其中，全景成像模块100用于获取全景相机图像。该全景成像模块100可以通过在转台体上安装全景相机而实现。
扫描式红外气体成像模块200用于在全景视场内步进扫描，获取当前观测区域气体在多个谱段的辐射特性信息。该扫描式红外气体成像模块200可以通过在转台体上安装红外相机而实现。
监测模块300用于根据当前观测区域气体在多个谱段的辐射特性信息重建得到气体测量光谱，判断气体类别和气体浓度；并且判断气体浓度是否超过预设阈值，是则将扫描式红外气体成像模块由步进扫描切换至该扫描方向的持续监测，并发送可见光成像指令。
可见光成像模块400用于根据所述可见光成像指令对当前观测区域进行成像。该可见光成像模块400可以通过在转台体上安装可见光相机而实现。
优选地，扫描式红外气体成像模块200可以通过以下方式获取当前观测区域气体在多个谱段的辐射特性信息：在红外相机上覆盖有滤光片轮，所述滤光片轮上围绕圆周方向间隔设置有多片不同波段的滤光片，且所述滤光片轮在红外相机工作时进行旋转，以使得入射光分别通过不同的滤光片进入红外相机，从而获取不同谱段的辐射特性信息。
优选地，监测模块300将多个波段的辐射特性信息进行差分得到窄波段辐射信息，采用维纳估计算法进行光谱重建得到气体测量光谱，结合参考标准光谱数据库，采用相关系数法计算所述气体测量光谱与标准气体吸收光谱的相关系数，当相关系数大于设定阈值(优选为0.85)时即可判断属于该气体种类。随后，可采取亮温法计算气体浓度。
优选地，该化学气体红外多谱段成像遥感监测系统还包括显示模块，用于显示以下一种或多种信息：全景成像模块100采集的全景相机图像，可见光成像模块400采集的可见光图像，监测模块300识别的气体类别和气体浓度等。
实施例四
基于同样的发明构思，本发明还提供了一种化学气体红外多谱段成像遥感监测方法。请参阅图4，为根据本发明实施例四的化学气体红外多谱段成像遥感监测方法的流程图。该方法可以基于前述化学气体红外多谱段成像遥感监测或者系统实现。如图4所示，该实施例四提供的方法包括以下步骤：
步骤S1：通过全景相机获取全景相机图像并显示；
步骤S2：通过红外相机在全景视场内步进扫描，获取当前观测区域气体在多个谱段的辐射特性信息；
步骤S3：根据当前观测区域气体在多个谱段的辐射特性信息重建得到气体测量光谱，判断气体类别和气体浓度；并且判断气体浓度是否超过预设阈值，是则将红外相机由步进扫描切换至该扫描方向的持续监测，并启动可见光相机；否则转步骤S2继续步进扫描；
步骤S4：由可见光相机对当前观测区域进行成像。
优选地，所述获取当前观测区域气体在多个谱段的辐射特性信息，包括：
在红外相机上覆盖有滤光片轮，所述滤光片轮上围绕圆周方向间隔设置有多片不同波段的滤光片，且所述滤光片轮在红外相机工作时进行旋转，以使得入射光分别通过不同的滤光片进入红外相机，从而获取不同谱段的辐射特性信息。在本发明的一个优选实施例中，在滤光片轮上设置有6块滤光片。覆盖波段范围为8-12μm。优选地，各滤光片差值波长为200nm。
优选地，所述根据当前观测区域气体在多个谱段的辐射特性信息重建得到气体测量光谱，包括：
将多个波段的辐射特性信息进行差分得到窄波段辐射信息，采用维纳估计算法进行光谱重建得到气体测量光谱，结合参考标准光谱数据库，采用相关系数法计算所述气体测量光谱与标准气体吸收光谱的相关系数，当相关系数大于设定阈值(优选为0.85)时即可判断属于该气体种类。随后，可采取亮温法计算气体浓度。
优选地，所述红外相机在全景视场内步进扫描的角度为30度，每个扫描方向保持20秒。
请参阅图5a和图5b，分别为根据本发明的全景相机成像及可见光相机成像示意图。如图所示，在本发明中，全景相机开启后实时处理采集的原始图像数据，动态显示180度宽视角高分辨率视频成像数据，扫描式的红外相机配置30度视场镜头，在全景相机正确工作后，立即开启步进扫描模式，步进角度30度，在全景视场内扫描五次即可实现180度全景扫描，每个扫描方向保持20秒。当某个扫描方向发现化学气体，超过设置浓度阈值，红外相机立即停止扫描模式，保持该扫描方向的持续监测。根据红外相机显示的浓度泄露位置，立即开启具有高清凝视功能的可见光相机，对该泄露位置细节进行高清监控。该可见光相机可以根据红外相机的化学气体检测结果实现定位，也可以根据用户输入例如用户在全景相机图像中点击任意一点，该可见光相机可实现快速的30倍光学变焦并捕捉到目标，呈现出高分辨率视场。
请参阅图6为根据本发明的显示界面图。其中图上方为180度全景视场。其中用方框标出了当前红外相机的扫描位置，由于检测到化学气体浓度超过了预设阈值，因此对该方向持续监控。图6左下方为可见光相机图，可以看到红外相机监测区域的细节信息，图6右下方为红外相机图，可以看到气体的存在区域。
综上所述，本发明公开了一种化学气体红外多谱段成像遥感监测设备、系统、摄像头和方法，将扫描式红外气体成像、全景成像和高清凝视成像功能有机融合，实现“点-面”高效兼顾的监控效果。扫描式红外气体成像模块可以在全景180度视场中以每步30度的速度往复扫描，采用多谱红外成像技术快速(20秒内)识别视场中存在的化学气体，并监视其动态扩散变化，高清凝视模块自动变焦，精准定位化学气体泄露点。本发明解决了采用传统的化学气体监测方法以光谱监测手段为主，“点-面”结合能力差，难以快速识别气体、精准定位泄漏点的问题。本发明优化了结构布局、外观设计、电气接口、数据通讯等方面，实现优异的“点-面”结合效果。其中面功能是由全景成像模块、红外气体成像模块实现，点功能是由高清凝视的可见光成像模块实现。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种化学气体红外多谱段成像遥感监测系统，其特征在于，所述系统包括：
全景成像模块，用于获取全景相机图像；
扫描式红外气体成像模块，用于在全景视场内步进扫描，获取当前观测区域气体在多个谱段的辐射特性信息；
监测模块，用于根据当前观测区域气体在多个谱段的辐射特性信息，进行谱段差分得到多个窄波段辐射信息，进而光谱重建得到气体测量光谱，判断气体类别和气体浓度；并且判断气体浓度是否超过预设阈值，是则将扫描式红外气体成像模块由步进扫描切换至该扫描方向的持续监测，并发送可见光成像指令；
可见光成像模块，用于根据所述可见光成像指令对当前观测区域进行成像。
2.根据权利要求1所述的化学气体红外多谱段成像遥感监测系统，其特征在于，所述扫描式红外气体成像模块通过以下方式获取当前观测区域气体在多个谱段的辐射特性信息：
在红外相机上覆盖有滤光片轮，所述滤光片轮上围绕圆周方向间隔设置有多片不同波段的滤光片，且所述滤光片轮在红外相机工作时进行旋转，以使得入射光分别通过不同的滤光片进入红外相机，从而获取不同谱段的辐射特性信息。
3.根据权利要求1所述的化学气体红外多谱段成像遥感监测系统，其特征在于，所述监测模块将多个波段的辐射特性信息进行差分得到多个窄波段辐射信息，采用维纳估计算法进行光谱重建得到气体测量光谱，结合参考标准光谱数据库，采用相关系数法计算所述气体测量光谱与标准气体吸收光谱的相关系数，在相关系数大于设定阈值时判断出该气体类别，采取亮温法计算气体浓度。
4.一种化学气体红外多谱段成像遥感监测设备，其特征在于，所述设备包括：
遥感监测摄像头，包括转台体，以及安装在所述转台体上的红外相机、全景相机和可见光相机；所述红外相机上覆盖有滤光片轮，所述滤光片轮上围绕圆周方向间隔设置有多片滤光片，且所述滤光片轮在红外相机工作时进行旋转，以使得入射光分别通过不同的滤光片进入红外相机，从而获取不同谱段的辐射特性信息；
监测装置，与所述遥感监测摄像头通讯，用于根据当前观测区域气体在多个谱段的辐射特性信息重建得到气体测量光谱，判断气体类别和气体浓度；并且判断气体浓度是否超过预设阈值，是则将红外相机由步进扫描切换至该扫描方向的持续监测，并发送凝视成像指令给可见光相机对当前观测区域进行成像。
5.根据权利要求4所述的化学气体红外多谱段成像遥感监测设备，其特征在于，所述多个滤光片为六个，覆盖波段范围为8-12μm，各滤光片差值波长为200nm。
6.一种化学气体红外多谱段成像遥感监测摄像头，其特征在于，所述摄像头包括：转台体，以及安装在所述转台体上的红外相机、全景相机和可见光相机；所述红外相机上覆盖有滤光片轮，所述滤光片轮上围绕圆周方向间隔设置有多片滤光片，且所述滤光片轮在红外相机工作时进行旋转，以使得入射光分别通过不同的滤光片进入红外相机，从而获取不同谱段的辐射特性信息。
7.一种化学气体红外多谱段成像遥感监测方法，其特征在于，所述方法包括：
通过全景相机获取全景相机图像并显示；
通过红外相机在全景视场内步进扫描，获取当前观测区域气体在多个谱段的辐射特性信息；
根据当前观测区域气体在多个谱段的辐射特性信息，进行谱段差分得到多个窄波段辐射信息，进而光谱重建得到气体测量光谱，判断气体类别和气体浓度；并且判断气体浓度是否超过预设阈值，是则将红外相机由步进扫描切换至该扫描方向的持续监测，并启动可见光相机；否则继续步进扫描；
由可见光相机对当前观测区域进行成像。
8.根据权利要求7所述的化学气体红外多谱段成像遥感监测方法，其特征在于，所述获取当前观测区域气体在多个谱段的辐射特性信息，包括：
在红外相机上覆盖有滤光片轮，所述滤光片轮上围绕圆周方向间隔设置有多片不同波段的滤光片，且所述滤光片轮在红外相机工作时进行旋转，以使得入射光分别通过不同的滤光片进入红外相机，从而获取不同谱段的辐射特性信息。
9.根据权利要求7所述的化学气体红外多谱段成像遥感监测方法，其特征在于，所述根据当前观测区域气体在多个谱段的辐射特性信息重建得到气体测量光谱，包括：
将多个波段的辐射特性信息进行差分得到多个窄波段辐射信息，采用维纳估计算法进行光谱重建得到气体测量光谱，结合参考标准光谱数据库，采用相关系数法计算所述气体测量光谱与标准气体吸收光谱的相关系数，在相关系数大于设定阈值时判断出该气体类别，采取亮温法计算气体浓度。
10.根据权利要求7所述的化学气体红外多谱段成像遥感监测方法，其特征在于，所述红外相机在全景视场内步进扫描的角度为30度，每个扫描方向保持20秒。
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