CN110823373B - 用于voc气体泄漏的中波红外双色成像监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于VOC气体泄漏的中波红外双色成像监测系统，其通过在中波红外焦平面探测器的焦平面上集成封装与VOC光谱匹配的微滤光片阵列以及红外双色图像差分处理，使得整体结构紧凑，定位快捷准确，灵敏度提升。本发明包括中波红外光学镜头、中波红外双色焦平面探测器和中波红外双色图像处理模块；沿入射光路方向依次为中波红外光学镜头、中波红外双色焦平面探测器、中波红外双色图像处理模块；所述中波红外双色焦平面探测器的焦平面上为集成封装的微滤光片阵列，所述中波红外双色焦平面探测器为制冷型或非制冷型中波双色红外焦平面探测器。

Description

用于VOC气体泄漏的中波红外双色成像监测系统

技术领域

本发明涉及一种VOC气体泄漏监测系统，具体用于石化行业中的VOC气体泄漏的监测。

背景技术

石化行业作为国民经济的支柱产业，为社会发展提供必要的石油能源和化工产品，但同时也属于重点工业污染源。其中大气污染以无组织排放形式为主，污染物主要为种类繁多的高浓度挥发性有机气体VOC，给生态环境和人体健康带来极大危害。如何能够快速地监测到VOC气体泄漏的存在，有效地评估泄漏气体在空间中的分布状态和扩散趋势，准确地定位气体泄漏源，以便相关部门和人员迅速采取有效措施，防止重大气体泄漏事故的发生己经成为迫切需要解决的问题。

传统VOC气体传感器由于接触性原理，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红外波段大多具有特征吸收光谱，因此，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VOC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，难以适应大范围的动态检测。

近年来，气体泄漏红外成像监测技术以其高效率、远距离、大范围、动态直观等显著优势而成为世界各国的研究热点，也逐渐成为气体泄漏监测的重要手段。气体泄漏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。气体泄漏激光主动式红外成像检测技术，由于激光等辐射源的存在，系统体积和重量一般较大，安全性相对较低，受限于激光光源，可检测的光谱范围有限，可检测的气体种类少，随着距离变远，信号迅速变弱，且目前应用的系统大多需要借助扫描机构，系统相对复杂。VOC气体泄漏被动式红外成像监测技术，具有显著的远距离探测能力，可检测的光谱范围大，可检测的气体种类多，系统不需要背景反射，无需辐射源，结构相对简单，多采用阵列式探测器，可直接成像定位，但被测气体和背景之间必须存在相对温差，信噪比差，需要特殊的光学结构优化和图像增强等处理技术。常用的典型VOC气体泄漏被动式成像监测技术主要分为简单热成像监测技术、多光谱成像监测技术和高光谱成像监测技术。简单红外成像VOC监测技术通过在红外光学系统中增加与VOC气体红外光谱相匹配的窄带滤光片来实现，该技术手段降低了监测系统的信噪比，从而降低VOC气体成像监测系统的灵敏度。多光谱成像技术和高光谱成像技术可获得VOC气体的精细光谱，但价格昂贵、扫描时间长、实时性差、且体积较大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种用于VOC气体泄漏的中波红外双色成像监测系统，其针对上述传统VOC气体泄漏监测技术存在泄漏位置定位困难、灵敏度低、体积大的问题，通过在中波红外焦平面探测器的焦平面上集成封装与VOC光谱匹配的微滤光片阵列以及红外双色图像差分处理，使得整体结构紧凑，定位快捷准确，灵敏度提升。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

用于VOC气体泄漏的中波红外双色成像监测系统，其特征在于，

包括中波红外光学镜头、中波红外双色焦平面探测器和中波红外双色图像处理模块；

沿入射光路方向依次为中波红外光学镜头、中波红外双色焦平面探测器、中波红外双色图像处理模块；

所述中波红外双色焦平面探测器的焦平面上集成封装微滤光片阵列，所述中波红外双色焦平面探测器为制冷型或非制冷型中波红外双色焦平面探测器；

所述微滤光片阵列中的微滤光片单元按光谱滤光特性分为两类；其中第一类是截止边在3.3-3.7μm范围内的长波通滤光片；另一类是在3-5μm范围内的红外增透滤光片；

在3-5μm范围内的红外增透滤光片包括探测器像元未集成封装微滤光片的结构形式。

作为本发明的一种优选实施方式：所述微滤光片阵列的排布模式为网格式、隔行式、隔列式三种排布模式中的任何一种。

作为本发明的一种优选实施方式：

所述微滤光片阵列的网格式排布模式中，单个微滤光片与中波红外焦平面探测器像元的结构尺寸相同；

所述微滤光片阵列的隔行式排布模式中，单行微滤光片与中波红外焦平面探测器的单行像元的高度尺寸相同；

所述微滤光片阵列的隔列式排布模式中，单列微滤光片与中波红外焦平面探测器的单列像元的宽度尺寸相同。

作为本发明的一种优选实施方式：所述微滤光片阵列的实现工艺分两种方式：

第一种，在红外基底材料上镀膜中波红外增透的滤光膜，形成中波红外增透的红外基底；在红外基底上，制作微滤光片阵列；

第二种，在红外焦平面像元上，直接制作微滤光片阵列。

作为本发明的一种优选实施方式：

微滤光片阵列的集成封装结构中：

对于网格式微滤光片阵列，单个微滤光片与中波红外焦平面的单个像元对齐；对于隔行式微滤光片阵列，单行微滤光片与中波红外焦平面的单行像元对齐；对于隔列式微滤光片阵列，单列微滤光片与中波红外焦平面的单列像元对齐。

作为本发明的一种优选实施方式：

所述中波红外双色图像处理模块通过中波红外双色图像处理方法进行数据处理：所述中波红外双色图像处理方法包括如下步骤：

(1)从中波红外双色图像中解构出两幅中波红外图像；

(2)对两幅中波双色图像分别进行非均匀校正处理；

(3)在两幅中波红外双色图像的差分图像中定位VOC气体泄漏的位置；

(4)结合VOC泄漏气体的形状，在两幅中波红外双色图像的平均图像中检测并标记出VOC泄漏气体区域。

本发明有益效果是：

本发明公开的一种用于VOC气体泄漏的中波红外双色成像检测系统，解决现有VOC气体泄漏监测系统存在泄漏位置定位困难、灵敏度低、体积大的问题。该系统包括中波红外光学镜头、中波红外双色焦平面探测器、中波红外双色图像处理模块。通过在中波红外焦平面探测器的焦平面上集成封装与VOC吸收光谱相匹配的微滤光片阵列，构成中波红外双色焦平面探测器。本发明利用中波红外光学镜头对入射的红外辐射进行聚焦，利用长波双色焦平面探测器实时获取两幅红外图像，通过中波红外双色图像处理模块完成对VOC气体的定位监测；中波红外焦平面探测器的焦平面上集成封装与VOC光谱匹配的微滤光片阵列以及红外双色图像差分处理。本发明公开的用于VOC气体泄漏的中波红外双色监测系统具有结构紧凑、小型化、高灵敏度、快速定位泄漏位置的优点。

附图说明

图1为本发明的一种具体实施方式的结构原理示意图；

图2-1为本发明的微滤光片阵列的第1种布局方式；

图2-2为本发明的微滤光片阵列的第2种布局方式；

图2-3为本发明的微滤光片阵列的第3种布局方式；

图3为本发明的中波红外双色图像处理方法的流程图。

附图标记说明：

101：场景的红外辐射，102：中波红外光学镜头，103：中波红外双色焦平面探测器，104：微滤光片阵列，105：中波红外焦平面，106：中波红外双色图像处理模块。

图2-1～2-3中：I、III、V表示：截止边在3.3-3.7μm范围内的带阻滤光片；II、IV、VI表示：截止边在3.3-3.7μm范围内的全通微滤光片。

具体实施方式

下面结合附图及实施例描述本发明具体实施方式：

如图所示，其示出了本发明的具体实施方式，本发明针对传统VOC气体泄漏监测技术存在泄漏位置定位困难、灵敏度低、体积大的问题，本发明通过在中波红外双色焦平面探测器的焦平面上集成封装与VOC光谱匹配的微滤光片阵列构成以及红外双色图像差分处理，提供一种用于VOC气体泄漏的中波红外双色成像监测系统。

如图所示，本发明公开的系统包括中波红外光学镜头102、中波红外双色焦平面探测器103、中波红外双色图像处理模块106；上述各器件的位置关系为：沿入射光路方向依次为中波红外光学镜头102、中波红外双色焦平面探测器103、中波红外双色图像处理模块106。

所述中波红外双色焦平面探测器103，由中波红外焦平面探测器103的焦平面105上集成封装微滤光片阵列104构成，其中中波红外双色焦平面探测器103为制冷型或非制冷型中波红外双色焦平面探测器。

所示微滤光片阵列104包括网格式(如图2-1)、隔行式(如图2-2)、隔列式(如图2-3)三种排布方式。其中，对于网格式排布模式，单个微滤光片与中波红外焦平面探测器的单个像元的结构尺寸相同；对于隔行式排布模式，单行微滤光片与中波红外焦平面探测器的单行像元的高度尺寸相同；对于隔列式排布模式，单列滤光片与中波红外焦平面探测器的单列像元的宽度尺寸相同。

所述微滤光片阵列104的微滤光片单元按光谱滤光特性分为两类；其中第一类是截止边在3.3-3.7μm范围内的长波通红外滤光片；另一类是在3-5μm范围内的红外增透滤光片。所述在3-5μm范围内的红外增透滤光片包括探测器像元未集成封装微滤光片的结构形式。

所述微滤光片阵列104的集成封装过程中，对于网格式微滤光片阵列，微滤光片与中波红外双色焦平面探测器焦平面的像元中心对齐；对于隔行式微滤光片阵列，单行微滤光片与中波红外双色焦平面探测器焦平面的单行像元对齐；对于隔列式微滤光片阵列，单列微滤光片与中波红外双色焦平面探测器焦平面的单列像元对齐。

所述中波红外双色图像处理模块的中波红外双色图像处理方法包括如下步骤：

步骤1：从中波红外双色图像中解构出两幅中波红外图像；

步骤2：对两幅中波红外图像分别进行非均匀校正处理；

步骤3：在两幅中波红外图像的差分图像定位VOC气体泄漏的位置；

步骤4：结合VOC泄漏气体的形状，在两幅中波红外图像的平均图像中检测并标记出VOC泄漏气体区域。

综上：

本发明通过在中波红外双色焦平面探测器的焦平面上集成封装与VOC光谱匹配的微滤光片阵列以及红外双色图像差分处理，提供一种用于VOC气体泄漏的中波红外双色成像监测系统。本发明提供的VOC气体泄漏监测系统具有结构紧凑、小型化、高灵敏度、非接触式、快速定位泄漏位置的优点。

如图所示，入射辐射101经过中波红外光学镜头102，聚焦于中波红外双色焦平面探测器103的焦平面上，并且中波红外双色焦平面探测器103可输出两幅红外图像，该两幅红外图像经中波红外双色图像处理模块106处理后，在场景红外图像中标记出VOC气体泄漏的区域；上述各器件的位置关系为：沿入射光路方向依次为中波红外光学镜头102、中波红外双色焦平面探测器103、中波红外双色图像处理模块106。

所述中波红外双色焦平面探测器103，由中波红外双色焦平面探测器的焦平面105上集成封装微滤光片阵列104构成。

所述中波红外双色图像处理模块106包含的中波红外双色图像处理方法包括如下步骤：

步骤1：从红外双色图像中解构出两幅中波红外图像；

步骤2：对两幅中波红外图像分别进行非均匀校正处理；

步骤3：在两幅中波红外图像的差分图像中定位VOC气体泄漏的位置；

步骤4：结合VOC泄漏气体的形状，在两幅中波红外图像的平均图像中检测并标记出VOC泄漏气体区域。

上面结合附图对本发明优选实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化，这些变化涉及本领域技术人员所熟知的相关技术，这些都落入本发明专利的保护范围。

不脱离本发明的构思和范围可以做出许多其他改变和改型。应当理解，本发明不限于特定的实施方式，本发明的范围由所附权利要求限定。

Claims (5)

1.用于VOC气体泄漏的中波红外双色成像监测系统，其特征在于，

包括中波红外光学镜头、中波红外双色焦平面探测器和中波红外双色图像处理模块；

沿入射光路方向依次为中波红外光学镜头、中波红外双色焦平面探测器、中波红外双色图像处理模块；

所述中波红外双色焦平面探测器的焦平面上集成封装微滤光片阵列，所述中波红外双色焦平面探测器为制冷型或非制冷型中波红外双色焦平面探测器；

所述微滤光片阵列中的微滤光片单元按光谱滤光特性分为两类；其中第一类是截止边在3.3-3.7μm范围内的长波通滤光片；另一类是在3-5μm范围内的红外增透滤光片；

在3-5μm范围内的红外增透滤光片包括探测器像元未集成封装微滤光片的结构形式。

2.根据权利要求1所述的用于VOC气体泄漏的中波红外双色成像监测系统，特征在于，长波通滤光片和红外增透滤光片的排布模式为网格式、隔行式、隔列式三种排布模式中的任何一种。

3.根据权利要求2所述的用于VOC气体泄漏的中波红外双色成像监测系统，其特征在于，

所述微滤光片阵列的网格式排布模式中，单个微滤光片与中波红外焦平面探测器像元的结构尺寸相同；

所述微滤光片阵列的隔行式排布模式中，单行滤光片与中波红外焦平面探测器的单行像元的高度尺寸相同；

所述微滤光片阵列的隔列式排布模式中，单列滤光片与中波红外焦平面探测器的单列像元的宽度尺寸相同。

4.根据权利要求1所述的用于VOC气体泄漏的中波红外双色成像监测系统，其特征在于：所述微滤光片阵列的实现工艺分两种方式：

第一种，在红外基底材料上镀膜中波红外增透滤光膜，形成中波红外增透的红外基底；在红外基底上，制作微滤光片阵列；

第二种，在红外焦平面像元上，直接制作微滤光片阵列。

5.根据权利要求2或3所述的用于VOC气体泄漏的中波红外双色成像监测系统，其特征在于：微滤光片阵列的集成封装结构中：

对于网格式微滤光片阵列，单个微滤光片与中波红外焦平面的单个像元对齐；对于隔行式微滤光片阵列，单行微滤光片与中波红外焦平面的单行像元对齐；对于隔列式微滤光片阵列，单列微滤光片与中波红外焦平面的单列像元对齐。

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