CN111929275B - 一种振镜成像的激光遥测仪及气体浓度信息成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种振镜成像的激光遥测仪及气体浓度信息成像方法，涉及利用光学手段测量的技术领域，能够用于整合实景信息和浓度信息。激光遥测仪包括摄像头、驱动电路、激光器、准直透镜、振镜、光学接收系统、信号处理电路和显示系统，驱动电路控制激光器发射激光，激光透过准直透镜后，经过振镜反射并透过气体达到物体表面，光学接收系统接收物体表面漫反射的激光，信号处理电路将其转换成浓度信息，显示系统将摄像头的画面信息和浓度信息重合显示。激光遥测仪可以利用每个像素点内的浓度信息绘制观测到的气团形状，另外还可以利用差值计算方法提升气体浓度画面的刷新速度。该遥测仪及成像方法还具有精度高、形象直观、刷新速度快等优点。
Description
技术领域
本发明涉及利用光学手段测量的技术领域，尤其是一种振镜成像的激光遥测仪及气体浓度信息成像方法。
背景技术
激光遥测设备是指利用主动发出的激光检测气体浓度的设备。其中激光甲烷遥测仪采用可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS),可以对一定距离内的甲烷气体进行检测。激光甲烷遥测仪不需要将探头置于有燃气的环境中，而是由设备发出激光光束，激光穿越管道或者设施上方空间，射到另一端的物体上，被物体反射回至接收器，进而被转换成电信号，这些信号用来分析甲烷的浓度，激光甲烷遥测仪可达到极高的检测精度，这一波长的光只被甲烷吸收，因此只对甲烷有反应，不受其他气体的影响，大大提高了检测的准确性。使用激光甲烷遥测仪，操作人员不用置身危险环境当中，所以保护了检测人员的安全，也可远距离对架空管道巡检，提高检测效率，所以激光甲烷遥测仪在目前天然气泄漏检测行业中广泛的被使用。根据激光甲烷遥测仪的技术特点，激光甲烷遥测仪只能测量激光经过路径上的气体浓度，而激光光束通常是一个很小尺寸，激光甲烷遥测仪在查找泄漏的过程中通常需要用手移动设备，让设备发出的激光逐渐扫过可疑的泄漏点，直到激光扫过泄漏的甲烷气团，才能根据泄漏气团判断泄漏点，这样利用激光甲烷遥测仪大面积查找泄漏点的时候，尤其是待测范围面积较大时工作效率低。
另外，红外气云成像设备，它包含一套红外成像镜头、一个能响应红外光的传感器，以及计算气体浓度的算法，它的原理是利用自然界反射的红外光，通过红外镜头和红外传感器成像，当接收到的红外光经过所测气团时，经过气团的光线会被所测气体吸收，相对其他未被吸收的光线这些气体吸收的光线光强度较弱，通过分析光强对比度最终测量气团所在的位置，这种设备可以测量多种气体，但是其利用自然界的被动红外光线测量，受到自然界环境的影响很大，同时由于测量原理是根据光强差计算浓度，所以测量精度很低，一般精度最高的只能达到100ppm﹒m，而利用激光原理精度可以达到5ppm﹒m。
为了适应不同的检测环境，提高气体检测效率，保证测量精度，需要对现有的遥测仪设备，及气体浓度测量方法做进一步的改进。
发明内容
现有的激光遥测设备或红外成像设备，在使用时存在监测范围和监测精度的矛盾，或者监测效率与使用范围的矛盾，本申请提供了一种振镜成像的激光遥测仪及气体浓度信息成像方法，能够直观的观测气团形状，提高范围内气体探测的效率，提高测量精度，并且具有较快的画面刷新速度，其具体技术方案如下。
一种振镜成像的激光遥测仪，包括摄像头、驱动电路、激光器、准直透镜、振镜、光学接收系统、信号处理电路和显示系统，所述摄像头和显示系统相连，摄像头获取背景画面信息；所述驱动电路和激光器相连，激光器发射的激光透过准直透镜整光后照射至所述振镜，所述振镜调整激光的出射方向；所述激光穿过气体并垂直于物体的表面出射，所述光学接收系统接收物体表面反射的激光，信号处理电路将光信号转换为电信号并得到气体浓度信息；所述显示系统合并显示背景画面和浓度信息。
优选的是，激光器为可调谐半导体激光器，激光器的封装形式为TO封装或蝶形封装，所述准直透镜为非球面透镜。
优选的是，振镜为二维振镜，包括第一电机、第一反射镜、第二电机和第二反射镜，所述第一电机和第一反射镜沿第一方向同轴布置，第一反射镜绕第一方向转动；所述第二电机和第二反射镜沿第二方向同轴布置，第二反射镜绕第二方向转动。
一种振镜成像激光遥测仪的气体浓度信息成像方法，利用上述的一种振镜成像的激光遥测仪，步骤包括：
A.激光器发射激光，激光经过准直透镜后转变点光束；
B.点光束经过振镜反射调整激光出射方向，设定时间间隔调整激光出射方向沿设定的路径扫描；
C.激光穿过探测空间并沿探测区域内设定的路径重复扫描，光学接收系统感应物体表面发生漫反射的激光，光学接收系统将光信号传输至信号处理电路；
D.信号处理电路将光信号转换为电信号，并计算漫反射的激光对应位置处的气体浓度，信号处理电路将探测空间内的气体浓度信息传输至显示系统；
E.显示系统接收到来自摄像头的背景画面信息，显示系统将气体浓度信息叠加至背景画面信息中，并实时刷新包含气体浓度信息的画面。
还优选的是，振镜反射的激光依次照射在探测区域形成光斑，设定的扫描路径为S形扫描，探测区域内扫描一次形成的光斑数量为振镜成像的激光遥测仪的分辨率。
还优选的是，振镜切换照射光斑位置的速度为1毫秒，信号处理电路记录每个光斑的位置信息及浓度信息。
还优选的是，光学接收系统包括1个主镜或者多个分镜；探测区域的范围小于摄像头的画面范围，探测区域为矩形或圆形。
还优选的是，振镜通过跨像素扫描的方式沿设定的扫描路径扫描，并利用差值平均法计算跳过的像素点浓度。
进一步优选的是，显示系统将气体浓度信息与颜色的深浅对应表示，显示系统将颜色对应的浓度信息画面叠加到摄像头的实时画面中。
进一步优选的是，显示系统接收的浓度信息中，当任一位置的浓度大于浓度上限时，显示系统发出浓度报警信息。
本发明提供的一种振镜成像的激光遥测仪及气体浓度信息成像方法有益效果包括：
(1)振镜成像的激光遥测仪利用振镜完成对探测区域内的全面扫描，从而提升探测效率，并且结合摄像头和显示系统实现气体浓度信息和摄像头实时画面的叠加，从而直观的、形象的观测气团形状；另外激光遥测仪还通过不断刷新画面提高测量精度和时效性，实现对探测区域的有效预警。
(2)振镜成像激光遥测仪的气体浓度信息成像方法，利用了激光遥测仪的结构特点，把摄像头和激光扫描相结合，从而既保证了监测精度又扩大了监测范围；将实际场景和浓度监测信息结合，并将浓度信息与颜色对应，从而直观的观测气体的分布情况。
(3)该方法中还可以通过设置扫描区域和扫描路径提升振镜成像的激光遥测仪的分辨率，并且还可以通过跨像素扫描的方式和差值平均法计算减小测量数据的波动，提升含有浓度信息的画面刷新速度。
附图说明
图1是振镜成像的激光遥测仪示意图；
图2是振镜结构示意图；
图3是探测区域的扫描路径示意图；
图4是背景画面范围和探测区域范围的示意图；
图5是另一背景画面范围和探测区域范围的示意图
图6是振镜成像的激光遥测仪探测原理示意图；
图7是光学接收系统的原理示意图；
图8是光学接收系统的变形例示意图；
图9是光学接收系统的另一变形例示意图；
图中：
1-摄像头，2-驱动电路，3-激光器，4-准直透镜，5-振镜，6-光学接收系统，7-信号处理电路，8-显示系统，9-第一电机，10-第一反射镜，11-第二电机，12-第二反射镜，13-光斑，14-扫描路径，15-探测区域，16-背景画面，17-管道，18-气体；19-反射面，20-激光路径，21-第一分镜，22-第二分镜，23-视场。
具体实施方式
结合图1至图9所示，对本发明提供的一种振镜成像的激光遥测仪及气体浓度信息成像方法具体实施方式进行说明。
一种振镜成像的激光遥测仪具体包括摄像头1、驱动电路2、激光器3、准直透镜4、振镜5、光学接收系统6、信号处理电路7和显示系统8。摄像头1和显示系统8相连，摄像头1能够获取背景画面信息，并将画面信息传输至显示系统。驱动电路2和激光器3相连，并控制激光器发射激光。激光器3发射的激光透过准直透镜4整光后照射至振镜，振镜5调整激光的出射方向；其中激光通过准直透镜后转变为角度发散的激光。激光穿过气体并垂直于物体的表面出射，激光在物体表面发生漫反射，光学接收系统6接收物体表面反射的激光，信号处理电路7将光信号转换为电信号并得到气体浓度信息。显示系统8处理合并显示背景画面和浓度信息，根据气体浓度信息可以判断气团的形状从而方便找出发生气体泄露的位置。
其中激光器3为可调谐半导体激光器，激光器的封装形式为TO封装或蝶形封装，准直透镜为非球面透镜，准直透镜将光源整合为发散角很小的点光源。振镜5为二维振镜，包括第一电机9、第一反射镜10、第二电机11和第二反射镜12，第一电机9和第一反射镜10沿第一方向同轴布置，第一反射镜10绕第一方向转动，第二电机11和第二反射镜12沿第二方向同轴布置，第二反射镜12绕第二方向转动。经过准直透镜4的光源照射到第一反射镜上，经过第一反射镜后反射至第二反射镜，随后光源垂直于物体表面出射。振镜5控制光源动态扫描物体表面的探测区域，振镜5通过第一电机和第二电机控制反射镜转动，其中包括固定第一反射镜仅第二反射镜转动，实现线性扫描；或者固定第二反射镜仅第一反射镜转动，实现线性扫描，或者第一反射镜和第二反射镜同时转动，在平面内按照设定的路径扫描。
一种振镜成像激光遥测仪的气体浓度信息成像方法，利用上述的一种振镜成像的激光遥测仪，步骤包括：
A.激光器发射激光，激光经过准直透镜后转变点光束。
B.点光束经过振镜反射调整激光出射方向，设定时间间隔调整激光出射方向沿设定的路径扫描。
C.激光穿过探测空间并沿探测区域内设定的路径重复扫描，光学接收系统感应物体表面发生漫反射的激光，光学接收系统将光信号传输至信号处理电路。
D.信号处理电路将光信号转换为电信号，并计算漫反射的激光对应位置处的气体浓度，信号处理电路将探测空间内的气体浓度信息传输至显示系统。
E.显示系统接收到来自摄像头的背景画面信息，显示系统将气体浓度信息叠加至背景画面信息中，并实时刷新包含气体浓度信息的画面。
其中，振镜反射的激光依次照射在探测区域形成光斑，可以设定扫描路径为S形扫描，探测区域内扫描一次形成的光斑数量为振镜成像的激光遥测仪的分辨率。具体是激光形成的光斑如图3所示，在振镜的控制下，激光从上方第一行的左端开始依次向右，到达右端后转移至下一行，再依次进行顺序扫描，当完成探测区域内的扫描后，再倒序扫描，如此往复，在设定的时间内完成探测区域内的扫描。
振镜切换照射光斑位置的速度为1毫秒，信号处理电路记录每个光斑的位置信息及浓度信息。激光遥测仪的时间工作流程大致为：振镜成像激光遥测仪的图像显示画面1秒钟刷新一次，振镜的分辨率可以为1000次每秒，首先激光器和信号处理电路的时钟统一，激光器发射激光，同时控制振镜按照1豪秒之后振动到下一个点的速度扫描，信号处理电路计算第一个1豪秒内的气体浓度，并且保存下来这个浓度信息以及这个点位于振镜扫描路径中的位置信息，第2豪秒振镜控制激光移动到下一个点，同时信号处理电路计算并保存第2豪秒内的浓度信息，以及这个点位于振镜扫描路径中的位置信息。1秒之后振镜控制激光光束完成探测区域内1000个点的扫描，信号处理电路也计算出了各个相对应位置的浓度信息，然后通过显示系统把1秒内的浓度信息画面叠加到摄像头的实时画面当中，同时激光器、振镜和信号处理电路开始下一秒的扫描探测。
在上述的扫描过程中，单个完整的浓度信息画面刷新时间为1秒，在试验过程中发现，目前采用的1豪秒时间间隔是一个相对实现稳定测量的时间，当把现在激光跳动时间由1豪秒改为0.5豪秒时，设备采集在0.5豪秒内采集的数据少了一半，经过锁相放大之后的浓度信息波动比原来1豪秒的浓度信息波动大很多，所以在目前条件下采用缩短单个像素扫描时间的方法提高完整画面刷新速度的方法会造成测量数据的波动变大，反而不利于提高设备的精度。为了在不影响数据的前提下提高刷新速度，由原来逐个扫描视场内的1000的点像素改为扫描500个点像素。在激光扫描视场大小不变的前提下，采用跨像素扫描的方法，即扫描第一个像素点之后，跳过第二的像素点，直接测量第三个像素点，按照此方法可以在0.5秒内就完成1000个像素点的跨步像素扫描，得到500个点的浓度信息，在信号处理电路处理过程中，利用差值平均法计算已经跳过的没有浓度信息的像素点浓度，然后利用这个方法计算出1000个像素点的浓度信息和位置信息，并且在显示屏中每0.5秒刷新一次画面。振镜通过跨像素扫描的方式沿设定的扫描路径扫描，并利用差值平均法计算跳过的像素点浓度，该方法不局限于0.5秒的处理方案，可以是每间隔两个或者多个像素点测量一个浓度信息，从而进一步提升刷新速度。
探测区域的范围小于摄像头的画面范围，通常振镜扫描的角度约为所配置摄像头角度的三分之一到二分之一之间，并且探测区域位于摄像头画面范围的中间，如图4和图5所示，探测区域为矩形或圆形。振镜通过跨像素扫描的方式沿设定的扫描路径扫描，并利用差值平均法计算跳过的像素点浓度。显示系统可以将气体浓度信息与颜色的深浅对应表示，显示系统将颜色对应的浓度信息画面叠加到摄像头的实时画面中。显示系统接收的浓度信息中，当任一位置的浓度大于浓度上限时，浓度上限可以根据具体的气体危险性进行设置，显示系统发出浓度报警信息。
光学接收系统可以包括1个主镜或者多个分镜，其中光学接收系统可以采用直径D100毫米的主镜，其接收的激光信号可以满足使用要求，但是同时接收到了自然环境中的杂散太阳光，这部分光远远高于接收到的激光信号，通常这部分太阳光强度在几十微瓦，这就对信号的精度和检测距离有较大影响。在光学接收系统的另一变形例中，如图8所示，可以使用两个分镜，采用两个直径60毫米的分镜，单个分镜接收到的激光强度能满足检测要求，但是单个分镜接收到的太阳光要比直径100毫米的光学系统小四倍，从而有利于数据处理，能提高信号的信噪比，提高检测精度。在激光扫描过程中，当激光在第一分镜的区域内扫描时，设备利用第一分镜回传的激光信号处理气体浓度；当激光在第二分镜的区域内扫描是，设备利用第二分镜回传的激光信号处理气体浓度，其中两个分镜的视场有重合的区域，只需要统一激光振镜和数据处理的时序和位置信号，采用任何一个光学接收系统回传的信号都可以。同理，在光学接收系统的另一变形例中，如图9所示，可以采用四个直径为50毫米的分镜，从而进一步的提高信号的信噪比，提高检测精度。
另外，该一种振镜成像的激光遥测仪可以用于管道气体泄露的监测现场、煤矿瓦斯监测巷道等现场中监测预警，也可以在研究气体扩散等试验研究当中。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种振镜成像激光遥测仪的气体浓度信息成像方法，所述振镜成像激光遥测仪包括摄像头、驱动电路、激光器、准直透镜、振镜、光学接收系统、信号处理电路和显示系统，所述摄像头和显示系统相连，摄像头获取背景画面信息；所述驱动电路和激光器相连，激光器发射的激光透过准直透镜整光后照射至所述振镜，所述振镜调整激光的出射方向；所述激光穿过气体并垂直于物体的表面出射，所述光学接收系统接收物体表面反射的激光，信号处理电路将光信号转换为电信号并得到气体浓度信息；所述显示系统合并显示背景画面和浓度信息；所述准直透镜为非球面透镜；所述振镜为二维振镜，包括第一电机、第一反射镜、第二电机和第二反射镜，所述第一电机和第一反射镜沿第一方向同轴布置，第一反射镜绕第一方向转动，所述第二电机和第二反射镜沿第二方向同轴布置，第二反射镜绕第二方向转动；所述光学接收系统包括一个主镜或者多个分镜；探测区域的范围小于摄像头的画面范围，所述探测区域为矩形或圆形；
所述成像方法包括如下步骤：
A.激光器发射激光，激光经过准直透镜后转变点光束；
B.点光束经过振镜反射调整激光出射方向，设定时间间隔调整激光出射方向沿设定的路径扫描；
C.激光穿过探测空间并沿探测区域内设定的路径重复扫描，光学接收系统感应物体表面发生漫反射的激光，光学接收系统将光信号传输至信号处理电路；
D.信号处理电路将光信号转换为电信号，并计算漫反射的激光对应位置处的气体浓度，信号处理电路将探测空间内的气体浓度信息传输至显示系统；
E.显示系统接收到来自摄像头的背景画面信息，显示系统将气体浓度信息叠加至背景画面信息中，并实时刷新包含气体浓度信息的画面；
所述振镜反射的激光依次照射在探测区域形成光斑，设定的扫描路径为S形扫描，探测区域内扫描一次形成的光斑数量为振镜成像的激光遥测仪的分辨率；所述振镜切换照射光斑位置的速度为1毫秒，信号处理电路记录每个光斑的位置信息及浓度信息；所述振镜通过跨像素扫描的方式沿设定的扫描路径扫描，并利用差值平均法计算跳过的像素点浓度；所述显示系统将气体浓度信息与颜色的深浅对应表示，显示系统将颜色对应的浓度信息画面叠加到摄像头的实时画面中。
2.根据权利要求1所述的一种振镜成像激光遥测仪的气体浓度信息成像方法，其特征在于，所述激光器为可调谐半导体激光器，激光器的封装形式为TO封装或蝶形封装。
3.根据权利要求1所述的一种振镜成像激光遥测仪的气体浓度信息成像方法，其特征在于，所述显示系统接收的浓度信息中，当任一位置的浓度大于浓度上限时，显示系统发出浓度报警信息。
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