CN111272687B - 一种基于红外多光谱成像的危险气体实时检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及红外多光谱气体检测领域，提供一种基于红外多光谱成像的危险气体实时检测装置，包括沿通道1的入射光光路依次排列的第一宽波段红外光学镜头、设有n个窄波段滤光片和步进电机的窄波段滤光片切换装置、宽波段非制冷焦平面探测器，沿通道2的入射光光路依次排列的第二宽波段红外光学镜头、红外分束器、n个特定波段非制冷焦平面探测器，及与每个探测器相连的图像处理模块、与步进电机相连的控制模块；图像处理模块用于将通道2输出的图像部分替换为通道1输出的图像并对替换后的图像多光谱成像得图像
对一个周期内通道1输出的图像多光谱成像得图像Bk，将
Bk融合，输出图像
本发明能够提高危险气体检测的精度和效率。
Description
技术领域
本发明涉及红外多光谱气体检测技术领域，特别是涉及一种基于红外多光谱成像的危险气体实时检测装置。
背景技术
在很多的工业现场，需要用到或产生危险气体(诸如甲烷、液化天然气、乙烯等对生物体和生态环境有害的工业气体及其液化体)，而危险气体的泄漏不仅关系到环境污染，而且直接关系到人民安全和社会稳定，所以一套能够快速检测、定位、成像和定量危险气体种类和危险气体浓度的可视化帧检装备显得十分重要。
红外吸收光谱技术是检测危险气体的关键技术之一，该技术利用气体分子对红外光的吸收作用实施探测，具有灵敏度高、精度高、调校周期长、寿命长选择性好等优点。常用的红外吸收光谱技术是多光谱成像、高光谱成像和超光谱成像。目前，多光谱成像或高光谱成像大体来讲有两种方法，一种为分光法，一种为滤光片法。其中，分光法，从实现技术上又分为光栅分光、棱镜分光、干涉分光等；而滤光片从技术上有镀膜滤光片、声光可调滤光片、液晶可调滤光片等。两种技术方法的差别在于：滤光片法通常是扫光谱维，在不同的时间点得到不同中心波长的单光谱图像，其生成的图像在时间上是断续的；分光法通常是扫空间维，一次性同时得到待测环境的多张单光谱图像以生成目标视频，主要有二维光栅分光成像技术和多CCD成像(CCD前加不同波长滤光片，然后做成同轴光路)。总的来说，影像加光谱是三维信息，而CCD是个二维器件，用一个二维器件采集三维信息，要么如同分光法一样牺牲分辨率，要么如同滤光片法一样做扫描牺牲时间。
如图1所示，为现有技术中基于滤光片法的危险气体检测装置的结构示意图。其中，即使滤片轮的旋转速度再快，设备也无法同时获得八张照片，使设备的实时性降低，同时对于气体快速变换的场景，将会出现采集到的图像数据本身与实际气体分布不符的问题。该种装置存在明显的缺陷和不足：(1)利用机械装置切换滤光片，使得装置无法同时获得某场景各红外子波段的单光谱图像，使得利用多光谱成像检测气体的精确度降低，尤其是在极端条件下，气体的分布快速变化，将使得装置采集到的红外场景辐射数据失去意义，使得输出的视频缺乏实时性和准确性；(2)利用滤光片进行波段截取，需要用到宽波制的红外传感器，相较于特定波段的红外传感器，其精度上存在不足。
如图2所示，为现有技术中基于分光法的危险气体检测装置的结构示意图。其中，常红外分束器主要有三种：(1)由两个三角形玻璃棱镜制成，使用聚酯、环氧树脂或聚氨酯类粘合剂在基体上胶合在一起。调整树脂层的厚度，使得通过一个“端口”(即，立方体的面)入射的光的(一定波长)的一半被反射，另一半由于全部内反射而被继续传输。(2)使用半镀银镜，在一片玻璃或塑料上，涂上透明且薄的金属涂层，现在通常为铝蒸气沉积铝。控制沉积物的厚度，使得以45度角入射并且不被涂层吸收的光的部分(通常为一半)被透射，其余部分被反射。(3)二向色镜像棱镜组件，其使用二向色光学涂层将入射光束分成多个光谱不同的输出光束。应用红外分束器的方法进行多光谱成像，虽然可以同时得到某一个场景不同红外子波段的单光谱图像，但此方法也有明显的缺点：(1)分光法利用红外分束器将全光谱图像分为多个单光谱图像，使得采集到的单光谱图像失真，相应的，最终输出的视频流精度将会大幅度降低；(2)利用分光法进行多光谱成像，需要快速处理多张单光谱图像进行成像，这对图像处理单元的处理能力有较高的要求。
可见，现有的危险气体检测装置采用二维器件采集三维信息，要么如同分光法一样牺牲分辨率，要么如同滤光片法一样扫描牺牲时间。迫切需要一种能够在控制成本合理的条件下，解决该两种方法之间的矛盾，以实时高精度检测危险气体的装置。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于红外多光谱成像的危险气体实时检测装置，能够实时输出目标场景红外辐射的高精度的视频流，提高危险气体检测的精度和效率。
本发明的技术方案为：
一种基于红外多光谱成像的危险气体实时检测装置，其特征在于：包括位于通道1的第一检测装置、位于通道2的第二检测装置、图像处理模块、控制模块、显示模块，所述通道1与通道2平行；
所述第一检测装置包括沿通道1的入射光光路方向依次排列的第一宽波段红外光学镜头、窄波段滤光片切换装置、宽波段非制冷焦平面探测器；
所述第二检测装置包括沿通道2的入射光光路方向依次排列的第二宽波段红外光学镜头、红外分束器、n个特定波段非制冷焦平面探测器；
所述第一宽波段红外光学镜头、第二宽波段红外光学镜头均对波长为0.75～15微米的红外辐射具有透过性；
所述窄波段滤光片切换装置包括滤片轮，所述滤片轮上沿周向均匀设置有n个窄波段滤光片，所述n个窄波段滤光片的中心波长互不相同且处于0.75～15微米之间，所述滤片轮的中心处连接有步进电机；所述控制模块与所述步进电机相连，所述控制模块用于控制所述步进电机带动所述滤片轮旋转，每次旋转使一个窄波段滤光片位于第一宽波段红外光学镜头透过的目标场景红外辐射的出射光路上；
所述红外分束器用于将第二宽波段红外光学镜头透过的目标场景红外辐射分束为n束窄波段的红外辐射；
所述宽波段非制冷焦平面探测器、每个特定波段非制冷焦平面探测器均与所述图像处理模块相连，所述图像处理模块与所述显示模块相连；
所述宽波段非制冷焦平面探测器对波长为0.75～15微米的红外辐射具有响应，所述宽波段非制冷焦平面探测器用于对位于第一宽波段红外光学镜头透过的目标场景红外辐射的出射光路上的窄波段滤光片透过的目标场景红外辐射进行成像，并将所成图像传输给所述图像处理模块；
第i个特定波段非制冷焦平面探测器位于第i束窄波段的红外辐射的出射光路上，第i束窄波段的红外辐射的波长在第i个特定波段非制冷焦平面探测器的工作波段内，第i个特定波段非制冷焦平面探测器用于对第i束窄波段的红外辐射进行成像，并将所成图像传输给所述图像处理模块；
所述图像处理模块用于对接收到的图像
{xi|i＝1,2,…,n}进行处理，包括：
以相邻两个成像时间点之间的时间间隔为采样周期，对{xi|i＝1,2,…,n}进行采样，得到离散图像
其中，
为宽波段非制冷焦平面探测器在第k个周期内的第t个成像时间点对第t个窄波段滤光片透过的目标场景红外辐射进行成像得到的数字图像，滤片轮旋转一周为一个周期，成像时间点为窄波段滤光片位于第一宽波段红外光学镜头透过的目标场景红外辐射的出射光路上时的时间点，xi为第i个特定波段非制冷焦平面探测器输出的连续图像，
为第i个特定波段非制冷焦平面探测器在第k个周期内的第t个成像时间点对第i束窄波段的红外辐射进行成像得到的数字图像；
将
中的图像
用
进行替换，得到替换后的图像
对
进行多光谱成像得到图像
对
进行多光谱成像得到图像Bk；
对图像
Bk进行图像融合，得到第k个周期内的第t个成像时间点的合成图像
将图像
传输给所述显示模块；
所述显示模块用于对接收到的图像
进行实时显示。
进一步的，所述基于红外多光谱成像的危险气体实时检测装置，还包括数据存储模块、声光报警模块、无线通讯模块；
所述宽波段非制冷焦平面探测器、每个特定波段非制冷焦平面探测器均与所述数据存储模块相连，所述图像处理模块与数据存储模块、控制模块相连，所述控制模块与声光报警模块、无线通讯模块相连；
所述图像处理模块还用于对图像
进行危险气体泄漏与否的识别，并在识别出危险气体泄漏时计算危险气体泄漏源点的位置、危险气体的浓度与分布，并将危险气体泄漏与否的识别结果、危险气体泄漏源点的位置、危险气体的浓度与分布传输给数据存储模块、控制模块；
所述控制模块还用于在危险气体泄漏时输出报警信号给所述声光报警模块、无线通讯模块，并同时将危险气体泄漏源点的位置、危险气体的浓度与分布传输给无线通讯模块；
所述声光报警模块用于在接收到报警信号时进行声光报警；
所述无线通讯模块用于在接收到报警信号时将从控制模块接收到的数据发送给现场操作人员；
所述数据存储模块用于对从宽波段非制冷焦平面探测器、每个特定波段非制冷焦平面探测器接收到的图像、从图像处理模块接收到的数据进行存储。
本发明的有益效果为：
本发明通过在两个通道上分别设置滤光片切换装置、红外分束器，利用图像处理模块先用滤光片法得到的高分辨率图像替换部分由分光法得到的数字图像并对替换后的图像进行多光谱成像得到图像
然后对一个周期内滤光片法得到的图像进行多光谱成像得到高分辨视频图像Bk，并通过对图像
Bk进行图像融合，实时输出目标场景红外辐射的高精度的视频流，减小了分光法存在的图像分辨率低对危险气体检测精度的影响，提高了危险气体检测的精度和效率，兼顾了基于滤光片法和基于分光法的危险气体检测装置的优点。
本发明还能够对不同中心波长的红外光进行探测，实现对快速变化的多种危险气体的实时高精度检测，并发出警报和保存气体泄漏事故数据，有利于快速进行消防应急处理和后续的事故原因分析。
附图说明
图1为现有技术中基于滤光片法的危险气体检测装置的结构示意图。
图2为现有技术中基于分光法的危险气体检测装置的结构示意图。
图3为本发明的基于红外多光谱成像的危险气体实时检测装置的结构示意图。
图4为具体实施方式中本发明的图像处理模块的图像处理过程示意图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步描述。
如图3所示，本发明的基于红外多光谱成像的危险气体实时检测装置，包括位于通道1的第一检测装置、位于通道2的第二检测装置、图像处理模块、控制模块、显示模块，所述通道1与通道2平行。
所述第一检测装置包括沿通道1的入射光光路方向依次排列的第一宽波段红外光学镜头、窄波段滤光片切换装置、宽波段非制冷焦平面探测器；
所述第二检测装置包括沿通道2的入射光光路方向依次排列的第二宽波段红外光学镜头、红外分束器、n个特定波段非制冷焦平面探测器。
所述第一宽波段红外光学镜头、第二宽波段红外光学镜头均对波长为0.75～15微米的红外辐射具有透过性。
所述窄波段滤光片切换装置包括滤片轮，所述滤片轮上沿周向均匀设置有n个窄波段滤光片，所述n个窄波段滤光片的中心波长互不相同且处于0.75～15微米之间，所述滤片轮的中心处连接有步进电机；所述控制模块与所述步进电机相连，所述控制模块用于控制所述步进电机带动所述滤片轮旋转，每次旋转使一个窄波段滤光片位于第一宽波段红外光学镜头透过的目标场景红外辐射的出射光路上。
所述红外分束器用于将第二宽波段红外光学镜头透过的目标场景红外辐射分束为n束窄波段的红外辐射。
所述宽波段非制冷焦平面探测器、每个特定波段非制冷焦平面探测器均与所述图像处理模块相连，所述图像处理模块与所述显示模块相连。
所述宽波段非制冷焦平面探测器对波长为0.75～15微米的红外辐射具有响应，所述宽波段非制冷焦平面探测器用于对位于第一宽波段红外光学镜头透过的目标场景红外辐射的出射光路上的窄波段滤光片透过的目标场景红外辐射进行成像，并将所成图像传输给所述图像处理模块。
第i个特定波段非制冷焦平面探测器位于第i束窄波段的红外辐射的出射光路上，第i束窄波段的红外辐射的波长在第i个特定波段非制冷焦平面探测器的工作波段内，第i个特定波段非制冷焦平面探测器用于对第i束窄波段的红外辐射进行成像，并将所成图像传输给所述图像处理模块。
本实施例中，n＝4。将宽波段红外光学镜头采集到的目标场景红外辐射利用两个通道采取不同的方法获取单光谱图像，再对其进行综合处理。其中，通道1为单轴通道，以滤光片组旋转一周为一个周期，一个周期内，滤光片切换装置每切换一次，相应滤光片位于第一宽波段红外光学镜头透过的目标场景红外辐射的出射光路上，该滤光片透过的红外辐射入射到宽波段非制冷焦平面探测器，生成该滤光片通过波段的单光谱图像。红外分束器将第二宽波段红外光学镜头透过的目标场景红外辐射分束为4束窄波段的红外辐射，将每束窄波段的红外辐射同时分别入射至对应的特定波段非制冷焦平面探测器，同时生成多个不同波段的实时高位宽数字图像。
如图4所示，所述图像处理模块用于对接收到的图像
{xi|i＝1,2,…,n}进行处理，包括：
以相邻两个成像时间点之间的时间间隔为采样周期，对{xi|i＝1,2,…,n}进行采样，得到离散图像
其中，
为宽波段非制冷焦平面探测器在第k个周期内的第t个成像时间点对第t个窄波段滤光片透过的目标场景红外辐射进行成像得到的数字图像，滤片轮旋转一周为一个周期，成像时间点为窄波段滤光片位于第一宽波段红外光学镜头透过的目标场景红外辐射的出射光路上时的时间点，xi为第i个特定波段非制冷焦平面探测器输出的连续图像，
为第i个特定波段非制冷焦平面探测器在第k个周期内的第t个成像时间点对第i束窄波段的红外辐射进行成像得到的数字图像；
将
中的图像
用
进行替换，得到替换后的图像
对
进行多光谱成像得到图像
对
进行多光谱成像得到图像Bk；
对图像
Bk进行图像融合，得到第k个周期内的第t个成像时间点的合成图像
将图像
传输给所述显示模块；
所述显示模块用于对接收到的图像
进行实时显示。
可见，本发明通过在两个通道上分别设置滤光片切换装置、红外分束器，利用图像处理模块先用滤光片法得到的高分辨率图像替换部分由分光法得到的数字图像并对替换后的图像进行多光谱成像得到图像
然后对一个周期内滤光片法得到的图像进行多光谱成像得到高分辨视频图像Bk，并通过对图像
Bk进行图像融合，实时输出目标场景红外辐射的高精度的视频流，减小了分光法存在的图像分辨率低对危险气体检测精度的影响，提高了危险气体检测的精度和效率，兼顾了基于滤光片法和基于分光法的危险气体检测装置的优点。
本实施例中，本发明的基于红外多光谱成像的危险气体实时检测装置，还包括数据存储模块、声光报警模块、无线通讯模块；
所述宽波段非制冷焦平面探测器、每个特定波段非制冷焦平面探测器均与所述数据存储模块相连，所述图像处理模块与数据存储模块、控制模块相连，所述控制模块与声光报警模块、无线通讯模块相连；
所述图像处理模块还用于对图像
进行危险气体泄漏与否的识别，并在识别出危险气体泄漏时计算危险气体泄漏源点的位置、危险气体的浓度与分布，并将危险气体泄漏与否的识别结果、危险气体泄漏源点的位置、危险气体的浓度与分布传输给数据存储模块、控制模块；
所述控制模块还用于在危险气体泄漏时输出报警信号给所述声光报警模块、无线通讯模块，并同时将危险气体泄漏源点的位置、危险气体的浓度与分布传输给无线通讯模块；
所述声光报警模块用于在接收到报警信号时进行声光报警；
所述无线通讯模块用于在接收到报警信号时将从控制模块接收到的数据发送给现场操作人员；
所述数据存储模块用于对从宽波段非制冷焦平面探测器、每个特定波段非制冷焦平面探测器接收到的图像、从图像处理模块接收到的数据进行存储。
可见，本发明还能够对不同中心波长的红外光进行探测，实现对快速变化的多种危险气体的实时高精度检测，并发出警报和保存气体泄漏事故数据，有利于快速进行消防应急处理和后续的事故原因分析。
本实施例中，图像处理模块、控制模块集成在以ARM11为核心的高速数字处理系统中。此外，图像处理模块还可以集成在以FPGA为核心的高速数字处理系统中，根据实际需求进行选择。
图像处理模块对图像Dt k进行危险气体泄漏与否的识别，主要完成三个方面的功能：(1)采用热图像数字细节增强算法，以放大热图像中气体泄漏的微弱迹象，等效提高系统检测灵敏度。(2)泄漏气体可视化，采用适宜的气体泄漏痕迹视觉可视化方法(如对气体区域进行彩色化渲染等)，以产生利于人眼判断的气体泄漏图像。(3)根据不同环境下场景成像质量、气体泄漏程度等情况，适当调节探测器的积分时间，更好地实现对场景和目标气体的成像。
显然，上述实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。上述实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。基于上述实施例，本领域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，也即凡在本申请的精神和原理之内所作的所有修改、等同替换和改进等，均落在本发明要求的保护范围内。
Claims (1)
1.一种基于红外多光谱成像的危险气体实时检测装置，其特征在于：包括位于通道1的第一检测装置、位于通道2的第二检测装置、图像处理模块、控制模块、显示模块，所述通道1与通道2平行；
所述第一检测装置包括沿通道1的入射光光路方向依次排列的第一宽波段红外光学镜头、窄波段滤光片切换装置、宽波段非制冷焦平面探测器；
所述第二检测装置包括沿通道2的入射光光路方向依次排列的第二宽波段红外光学镜头、红外分束器、n个特定波段非制冷焦平面探测器；
所述第一宽波段红外光学镜头、第二宽波段红外光学镜头均对波长为0.75～15微米的红外辐射具有透过性；
所述窄波段滤光片切换装置包括滤片轮，所述滤片轮上沿周向均匀设置有n个窄波段滤光片，所述n个窄波段滤光片的中心波长互不相同且处于0.75～15微米之间，所述滤片轮的中心处连接有步进电机；所述控制模块与所述步进电机相连，所述控制模块用于控制所述步进电机带动所述滤片轮旋转，每次旋转使一个窄波段滤光片位于第一宽波段红外光学镜头透过的目标场景红外辐射的出射光路上；
所述红外分束器用于将第二宽波段红外光学镜头透过的目标场景红外辐射分束为n束窄波段的红外辐射；
所述宽波段非制冷焦平面探测器、每个特定波段非制冷焦平面探测器均与所述图像处理模块相连，所述图像处理模块与所述显示模块相连；
所述宽波段非制冷焦平面探测器对波长为0.75～15微米的红外辐射具有响应，所述宽波段非制冷焦平面探测器用于对位于第一宽波段红外光学镜头透过的目标场景红外辐射的出射光路上的窄波段滤光片透过的目标场景红外辐射进行成像，并将所成图像传输给所述图像处理模块；
第i个特定波段非制冷焦平面探测器位于第i束窄波段的红外辐射的出射光路上，第i束窄波段的红外辐射的波长在第i个特定波段非制冷焦平面探测器的工作波段内，第i个特定波段非制冷焦平面探测器用于对第i束窄波段的红外辐射进行成像，并将所成图像传输给所述图像处理模块；
所述图像处理模块用于对接收到的图像
{xi|i＝1,2,…,n}进行处理，包括：
以相邻两个成像时间点之间的时间间隔为采样周期，对{xi|i＝1,2,…,n}进行采样，得到离散图像
其中，
为宽波段非制冷焦平面探测器在第k个周期内的第t个成像时间点对第t个窄波段滤光片透过的目标场景红外辐射进行成像得到的数字图像，滤片轮旋转一周为一个周期，成像时间点为窄波段滤光片位于第一宽波段红外光学镜头透过的目标场景红外辐射的出射光路上时的时间点，xi为第i个特定波段非制冷焦平面探测器输出的连续图像，
为第i个特定波段非制冷焦平面探测器在第k个周期内的第t个成像时间点对第i束窄波段的红外辐射进行成像得到的数字图像；
将
中的图像
用
进行替换，得到替换后的图像
对
进行多光谱成像得到图像
对
进行多光谱成像得到图像Bk；
对图像
Bk进行图像融合，得到第k个周期内的第t个成像时间点的合成图像
将图像
传输给所述显示模块；
所述显示模块用于对接收到的图像
进行实时显示；
所述基于红外多光谱成像的危险气体实时检测装置还包括数据存储模块、声光报警模块、无线通讯模块；
所述宽波段非制冷焦平面探测器、每个特定波段非制冷焦平面探测器均与所述数据存储模块相连，所述图像处理模块与数据存储模块、控制模块相连，所述控制模块与声光报警模块、无线通讯模块相连；
所述图像处理模块还用于对图像
进行危险气体泄漏与否的识别，并在识别出危险气体泄漏时计算危险气体泄漏源点的位置、危险气体的浓度与分布，并将危险气体泄漏与否的识别结果、危险气体泄漏源点的位置、危险气体的浓度与分布传输给数据存储模块、控制模块；
所述控制模块还用于在危险气体泄漏时输出报警信号给所述声光报警模块、无线通讯模块，并同时将危险气体泄漏源点的位置、危险气体的浓度与分布传输给无线通讯模块；
所述声光报警模块用于在接收到报警信号时进行声光报警；
所述无线通讯模块用于在接收到报警信号时将从控制模块接收到的数据发送给现场操作人员；
所述数据存储模块用于对从宽波段非制冷焦平面探测器、每个特定波段非制冷焦平面探测器接收到的图像、从图像处理模块接收到的数据进行存储。
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