CN112161947A - 减少由改变至少一环境特征引起的漂移的方法 - Google Patents

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Abstract

一种减少由改变至少一环境特征引起的漂移的方法，包含将自场景的辐射通过成像形成光学部件聚焦至检测器的第一区域，以产生第一像素信号，所述成像形成光学部件定位在第一外壳体积内；定位辐射源靠近所述成像形成光学部件；从所述辐射源投射辐射至所述检测器的第二区域，以产生第二像素信号，所述检测器的第一区域及第二区域是非重叠区域，在所述场景的辐射聚焦在所述检测器的第一区域上的持续时间内，从所述辐射源的辐射连续投射至所述检测器的第二区域；及基于预定函数修改所述第一像素信号，以产生修改像素信号，所述预定函数定义通过变化环境特征引起第二像素信号的变化及第一像素信号的变化之间的关系。本发明可以克服现有技术中的缺点。

Description

减少由改变至少一环境特征引起的漂移的方法
本申请为申请号201680016666.3(PCT申请号为PCT/IL2016/050204)、 申请日2016年2月23日、发明名称“用于气体及火焰检测与成像及测量 的单一装置及其漂移校正方法”的分案申请。
交互引用相关申请文件
本申请是2015年12月30日提交的美国专利申请第14/983,570号的部 分连续申请。本申请主张2015年3月19日提交的美国临时专利申请第 62/135,183号的优先权，其中的公开内容通过引用并入本文。与本申请相关 在2015年11月24日提交的美国专利申请第14/949,906号及美国专利申请 第14/949,909号，其中的全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明是涉及一种红外光辐射的检测、成像及测量。
背景技术
处理爆炸或易燃气体以及蒸汽的开采，生产或储存的工业厂房，例如不 同种类的燃料(如甲烷、乙烷等)、氢气、乙炔等，都处于不定期的事故危险 之中。爆炸可能引起火灾，因此爆炸本身及随之而来的火灾都有固有的危险。 此外，火灾可能由多种多样的原因引起，而当发生在这些工厂中时，这种火 焰本身可能引起爆炸。危害人员及设备的危险性，造成的损害可能是在最坏 的情况下人身伤亡以及工厂所有者造成巨大的经济损失。
此外，所讨论的气体的释放对环境有负面影响。因此，世界各地引入了 监管法律，对早期发现火灾及防治过度释放这类材料的公司不予尽职调查的 公司施加监督标准及重罚。
爆炸的可能性随着气体浓度的增加而增加。因此，在过去几十年中，大 量的气体浓度测量装置及火灾检测仪器已被开发并用于开采、生产及储存设 备。直到最近才部署了本地检测器(用于气体)，或非成像IR(红外光)及UV(紫 外光)检测器(用于火焰)。如果气体存在但物理上不符合检测器的位置(移动时 的路径)，这种气体检测器可以容易地错过目标气体。这是由于使用接触方法， 如与气体的化学反应。在火灾检测的情况下，监视器基于不提供被监视的场 (即场景)的成像的单个检测器。因此，显示器无法提供有关火灾位置及大小 的必要信息。
目前的工业仪器不允许检测、识别及定位，由于初期火灾引起的爆炸性 气体或蒸汽云和及焰的浓度、大小及预后信息。因此，目前的仪器不能满足 在恶劣环境(通常在室外)远程操作的额外要求，并且由于来自其他可能的红 外光源(如太阳反射、焊接电弧、卤素灯等)的信号而导致的最小误报。这些 检测仪器提供的警报可能被工厂经营者有效地用于通过一些可能的行动来防 止人身伤害和损失。这种行为的一例子可能是部分或全部工厂关闭，消防部 门参与的要求或其他预防或纠正措施。
此外，只有在对检测器信号有贡献的环境辐射变化(主要是环境温度改变) 的情况下，才能使用这种红外光成像装置来定量地测量场景的每个像素的辐 射度。这是因为来自场景的红外光辐射的定量测量是基于检测器信号及待测 辐射之间的数学关系的事实。这种关系取决于测量期间的环境状态，因此只 有在测量过程中环境状态及环境状态如何影响所述关系时才能进行定量场景 测量。由检测器组件感测到的环境辐射主要来自成像装置的光学组件及外壳 (除了要监视的场景像素之外)，并且是环境温度的直接函数。如果这种辐射 在时间上发生变化，则会引起信号漂移，从而改变其与要测量的相应场景辐 射的关系，并引入不准确性。
这导致的不准确性阻碍了这种装置的使用，特别是在它们必须提供待监 测气体的定量信息的情况下，并且必须在长时间内无人监视地用于监视目的， 例如用于监视，在工业设施及设施中的场景。
用于执行漂移校正的已知方法被称为非均匀性校正(Non-UniformityCorrection,NUC)。NUC校正检测器电子偏移，并通过频繁使用由相机制造 商提供的开闭快门来部分校正检测器壳体温度漂移。这种NUC程序是众所 周知的，并广泛应用于基于微测热计探测器的仪器中。用于NUC的快门是 可移动的部件，因此，当监视大型装置中的气体泄漏时，希望减少这种部件 的开口和关闭的数量，这要求仪器每天使用，无需维护或重新校准。快门的 频繁打开及关闭(通常每隔几分钟或几小时进行一次)需要很高的维护费用。
为了减少使用NUC技术时的快门操作量，由检测器制造商开发了用于 校正由连续的快门开口之间发生的检测器壳体温度变化引起的信号漂移的方 法，称为盲像素方法。已知的盲像素方法依赖于成像装置的检测器阵列的几 个组件仅暴露于放置在检测器壳体中的黑体辐射源，而不暴露于场景辐射(即 对场景产生盲点)。然而，这样的方法只能考虑及补偿源于检测器阵列本身的 外壳附近的环境温度变化，而不是用于在成像装置的光学器件或外壳附近产 生的变化。这是因为通常在检测器外壳及光学器件和器件外壳的其余部分之 间存在温度梯度。因此，已知的盲像素方法可能不能令人满意地补偿具有大 和/或复杂光学器件的成像装置中的环境辐射变化，例如具有需要至少两个光 学透镜的中间焦平面的光学器件，以及具有反射和/或折射表面的光学器件， 用于将辐射部分地通过光学透镜朝向检测器和/或部分地直接朝向检测器引 导，如下所述。
发明内容
本发明涉及能够从远距离检测及成像碳氢化合物气体及/或燃烧材料的 火焰的被动电光仪器(即装置)，区分两种类型的材料，并用于校正由环境变 化而导致信号漂移。
使用相同装置的碳氢化合物气体及火焰的检测、成像及测量具有比用于 两种类型的事件中的每一种使用专用红外光成像器的其它方法的确定的成本 优势。所述解决方案需要的仪器更少，更少的安装及更少的维护，从而降低 成本。将红外光辐射成像及测量技术结合在单一设备中是适合这种努力的候 选者，因为烃气体及火焰都具有适当范围的光谱吸收及发射特征，如本公开 的后续部分将讨论的。
除了其他优点之外，本公开的装置的关键优点是它们提供事件诊断的能 力，而无需人为干预，因此除了上述应用之外，还可以将其用作连续监控的 固定安装，并可作为定期工厂维护及修理的手持式仪器。
根据本发明的教导的一个实施例，提供了一种用于成像来自一场景的辐 射的装置，所述辐射包含分离的至少一第一波长区域及至少一第二波长区域， 所述场景包含一第一材料及一第二材料中的至少一个，所述第一材料在所述 第一波长区域具有光谱特性，所述第二材料在所述第二波长区域具有光谱特 性，所述装置包含：(a)来自所述场景的辐射的一检测器，所述检测器具有 多个第一检测器组件、多个第二检测器组件及整合在所述第一检测器组件及 第二检测器组件上的一滤波设备，所述滤波设备具有多个第一滤波组件及多 个第二滤波组件，所述第一滤波组件及第二滤波组件的每一个具有相应的一 通带及一阻带，所述第一波长区域位于所述多个第一滤波组件的所述通带及 所述多个第二滤波组件的所述阻带内，及所述第二波长区域位于所述多个第 二滤波组件的通带及所述多个第一滤波组件的阻带内；(b)一成像形成光学 部件，用于在所述检测器上形成所述场景的一成像，所述辐射通过小于约1.5 的一光圈数同步成像到所述多个第一检测器组件及多个第二检测器组件，在 所述多个第一检测器组件上的成像辐射具有在所述第一波长区域中的辐射， 及在所述多个第二检测器组件上的成像辐射具有在所述第二波长区域中的辐射；及(c)一电子电路，电性耦合至所述检测器，所述电子电路配置为：(i)从 每个相应的检测器组件产生一像素信号，每个像素信号包含与通过第一材料 及第二材料中的每一个来吸收或发射在相应波长区域中的辐射相关的信息； 及(ii)基于产生的像素信号来确定所述第一材料及第二材料的存在或不存 在。
任选地，所述滤波设备是通过在所述检测器的一表面沉积一基板来整合， 所述基板包含所述多个第一滤波组件及所述多个第二滤波组件。
任选地，所述滤波设备是通过掺杂所述多个第一检测器组件及所述多个 第二检测器组件来整合，使所述多个第一检测器组件在所述第一波长区域中 对辐射敏感，及所述多个第二检测器组件在所述第二波长区域中对辐射敏感。
任选地，第一波长区域包括在3.15及3.5微米之间的辐射波长，第二波 长区域包括在4.3及4.6微米之间的辐射波长。
任选地，所述多个第一滤波组件及多个第二滤波组件被配置，使所述多 个第一滤波组件的每个滤波组件相邻于所述多个第二滤波组件的至少一相应 滤波组件。
任选地，所述检测器包含分离的多个第一连续检测器区域及多个第二连 续检测器区域，所述第一检测器区域具有所述多个第一检测器组件，及所述 第二检测器区域具有所述多个第二检测器组件。
任选地，所述多个第一滤波组件的每个滤波组件对准所述多个第一检测 器组件的一相应检测器组件，及所述多个第二滤波元的每个滤波组件对准所 述多个第二检测器组件的一相应检测器组件。
任选地，所述装置还包含：(d)辐射引导设备，用于将来自场景的视觉场 域的辐射通过成像形成光学部件引导到检测器上，使得辐射通过小于等于的 光圈数分开成像到第一及第二多个检测器组件上约1.5。
任选地，辐射导向设备包括基本上平行于装置的光轴定位的反射表面。
任选地，辐射导向设备包括第一及第二基本上楔形的部件。
任选地，(d)不同于所述场景的一辐射源，所述成像形成光学部件从所 述辐射源投射至所述多个第三检测器组件上，其中所述电子电路还配置为： (iii)对于所述多个第三检测器组件中的每个检测器组件产生通过所述成像 形成光学部件从所述辐射源投射一第二像素信号至所述多个第三检测器组件 上；及(iv)根据一预定函数来修改从所述多个第一检测器组件及多个第二检 测器组件产生的各个相应的像素信号，用以产生一相应修改像素信号，所述 预定函数定义通过一变化环境特征引起由所述多个第一检测器组件及多个第 二检测器组件产生在一相应第二像素信号的一变化及所述相应像素信号的一 变化之间的一关系。
另外还提供了根据本发明的教示的实施例，一种用于从一场景成像辐射 的装置，所述辐射包含分离的至少一第一波长区域及至少一第二波长区域， 所述场景包含一第一材料及一第二材料中的至少一个，所述第一材料在所述 第一波长区域具有光谱特性，所述第二材料在所述第二波长区域具有光谱特 性，所述装置包括：(a)从所述场景辐射的一检测器，所述检测器具有多个 检测器组件，每一检测器组件具有一第一检测器区域及一第二检测器区域， 所述第一检测器器区域中的每一个在所述第一波长区域中对辐射敏感，所述第二检测器区域中的每一个在所述第二波长区域中对辐射敏感；(b)一成像 形成光学部件，用于在所述检测器上形成所述场景的一成像，所述辐射通过 小于约1.5的一光圈数同步成像到所述多个检测器组件上，使得在每个所述 第一检测器区域上的成像辐射具有在所述第一波长区域中的辐射，及在每个 所述第二检测器区域上的成像辐射具有在所述第二波长区域中的辐射；及(c) 一电子电路设备，电性耦合至所述检测器，所述电子电路设备配置为：(i)从 每个相应的检测器组件产生一像素信号，每个像素信号包含与通过第一材料 及第二材料中的每一个来吸收或发射在相应波长区域中的辐射相关的信息； 及(ii)基于产生的像素信号来确定所述第一材料及第二材料的存在或不存 在。
任选地，所述电子电路设备包含一第一电子电路及一第二电子电路，所 述第一电子电路是电性耦合至所述第一检测器组件区域，所述第二电子电路 是电性耦合至所述第二检测器组件区域。
任选地，所述第一电子电路配置用以从每个相应第一检测器组件区域产 生一像素信号，及所述第二电子电路配置用以从每个相应第二检测器组件区 域产生一像素信号。
任选地，第一波长区域包括在3.15及3.5微米之间的辐射波长，第二波 长区域包括在4.3及4.6微米之间的辐射波长。
任选地，所述检测器包含多个第二检测器组件，所述装置还包含：(d)不 同于所述场景的一辐射源，所述成像形成光学部件从所述辐射源投射至所述 多个第二检测器组件上，其中所述电子电路设备还配置为：(iii)对于所述多 个第二检测器组件中的每个检测器组件产生通过所述成像形成光学部件从所 述辐射源投射一第二像素信号至所述多个第二检测器组件上；及(iv)根据一 预定函数来修改从所述多个第一检测器组件区域及多个第二检测器组件区域 产生的各个相应的像素信号，用以产生一相应修改像素信号，所述预定函数 定义通过一变化环境特征引起由所述多个第一检测器组件区域及多个第二检 测器组件区域产生在一相应第二像素信号的一变化及所述相应像素信号的一 变化之间的一关系。
另外还提供了根据本发明的教导的实施例，一种用于从一场景成像辐射 的装置，所述辐射包含分离的至少一第一波长区域及至少一第二波长区域， 所述场景包含一第一材料及一第二材料中的至少一个，所述第一材料在所述 第一波长区域具有光谱特性，所述第二材料在所述第二波长区域具有光谱特 性，所述装置包括：(a)从所述场景辐射的一检测器；(b)一静态滤波设备， 包含一第一滤波器及一第二滤波器，每个滤波器具有相应的一通带及一阻带， 所述第一波长区域位于所述第一滤波器的所述通带及所述第二滤波器的所述 阻带内，及所述第二波长区域位于所述第二滤波器的所述通带及所述第一滤 波器的所述阻带内；(c)一成像形成光学部件，用于在所述检测器上形成所 述场景的一成像，所述辐射通过小于约1.5的一光圈数同步成像到所述检测 器的多个像素的一第一子集及一第二子集，在所述检测器的像素的所述第一 子集上的所述成像辐射具有在所述第一波长区域中的辐射，及在所述检测器 的像素的第二子集上的所述成像辐射具有在所述第二波长区域中的辐射；及 (d)一电子电路，电性耦合至所述检测器，所述电子电路配置为：(i)从每个 相应的检测器组件产生一像素信号，每个像素信号包含与通过第一材料及第 二材料中的每一个来吸收或发射在相应波长区域中的辐射相关的信息；及(ii) 基于产生的像素信号来确定所述第一材料及第二材料的存在或不存在。
任选地，第一波长区域包括在3.15及3.5微米之间的辐射波长，第二波 长区域包括在4.3及4.6微米之间的辐射波长。
任选地，所述检测器包含分离的一第一检测器区域及一第二检测器区域， 所述第一检测器区域具有检测器像素的所述第一子集，及所述第二检测器区 域具有检测器像素的所述第二子集，而且所述装置还包含：(e)一辐射引导 设备，用于将来自所述场景的视觉的一场域通过所述成像形成光学部件引导 辐射至所述检测器上，使得所述辐射通过小于约1.5的所述光圈数被分别成 像至所述第一检测区域及第二检测器区域上。
任选地，所述辐射引导设备包含一反射表面，定位为基本上与所述装置 的光轴平行。
任选地，第一滤波器设置在第一检测器区域附近，并且第二滤波器设置 在第二检测器区域附近。
任选地，第一滤波器是介于第一检测器区域及成像形成光学部件之间的 第一板，并且第二滤光器是介于第二检测器区域及成像光学部件之间的第二 板。
任选地，所述第一波长区域及所述第二波长区域在电磁波谱的中波红外 区域中，及所述检测器在所述第一波长区域及第二波长区域内对辐射敏感。
任选地，所述辐射引导设备包含多个第一基本楔形部件及多个第二基本 楔形部件。
任选地，第一滤波器设置在第一楔形部件的第一表面或第二表面中的一 个上，并且第二滤波器设置在第二楔形部件的第一表面或第二表面中的一个 上。
任选地，第一楔形部件的第一表面是第一楔形部件与成像形成光学部件 的最接近的表面，并且第二楔形部件的第一表面是第二楔形部件的最接近的 表面关联成像形成光学部件，并且所述第一楔形部件的所述第二表面是所述 第一楔形部件与所述场景的最接近的表面，并且所述第二楔形部件的所述第 二表面是所述第二楔形部件的最接近表面。
任选地，所述第一滤波器及所述第二滤波器中的每一个包含多个滤波组 件，所述多个滤波组件被配置，使得所述第一滤波器的多个滤波组件中的每 个滤波组件与所述第二滤波器的多个滤波组件中的至少一个相应滤波组件相 邻。
任选地，所述第一材料及第二材料的存在或不存在的一指示是基于从所 述检测器的像素的第一子集及第二子集产生的所述像素信号之间的差异。
任选地，第一种材料是碳氢化合物气体云，第二种材料是火焰。
任选地，电子电路还被配置为：(iii)如果存在碳氢化合物气体云，则基 于至少一部分像素信号提供烃气体云的路径浓度分布的测量。
另外，还提供了根据本发明的教导的实施例，一种用于从一场景成像辐 射的装置，所述辐射包含分离的至少一第一波长区域及至少一第二波长区域， 所述场景包含一第一材料及一第二材料中的至少一个，所述第一材料在所述 第一波长区域具有光谱特性，所述第二材料在所述第二波长区域具有光谱特 性，所述装置包括：(a)从所述场景辐射的一检测器；(b)一滤波设备，包含 一第一滤波器及一第二滤波器，所述滤波器中的每一个具有相应的一通带及 一阻带，所述第一波长区域位于所述第一滤波器的所述通带及所述第二滤波 器的所述阻带内，及所述第二波长区域位于所述第二滤波器的所述通带及所 述第一滤波器的所述阻带内；(c)一成像形成光学部件，用于通过小于约1.5 的一光圈数在所述检测器上形成所述场景的一成像；(d)一机构，用于定位 相对于所述成像形成光学部件的所述滤波设备，使得所述辐射通过所述第一 滤波器及所述第二滤波器中的每一个交替地成像至所述检测器相应的像素 上；及(e)一电子电路，电性耦合至所述检测器，所述电子电路配置为：(i)从 每个检测器像素产生相应的一像素信号，用于通过所述第一滤波器及第二滤 波器来成像所述辐射的每个交替，所述像素信号包含与通过第一材料及第二 材料中的每一个来吸收或发射在相应波长区域中的辐射相关的信息；及(ii) 基于产生的像素信号来确定所述第一材料及第二材料的存在或不存在。
任选地，第一波长区域包括在3.15及3.5微米之间的辐射波长，第二波 长区域包括在4.3及4.6微米之间的辐射波长。
任选地，所述第一滤波器及第二滤波器中的每一个包含多个滤波组件， 所述多个滤波组件被配置，使得所述第一滤波器的多个滤波组件的每个滤波 组件与所述第二滤波器的多个滤波组件中的至少一个相应滤波组件相邻。
任选地，所述第一材料是碳氢化合物气体云，所述第二材料是火焰，并 且其中所述电子电路还被配置为：(iii)如果存在所述烃气体云，则提供所述 烃气体云的路径浓度分布的测量值，基于至少一部分像素信号。
任选地，第一及第二波长区域在电磁波谱的中波红外区域中，并且检测 器对第一和第二波长区域中的辐射敏感。
任选地，对于所述场景的每个相应像素，所述第一材料及第二材料的存 在或不存在的指示是基于从通过所述第一滤波器成像所述辐射而产生像素信 号的一少数子集的平均，及从通过所述第二滤波器成像的所述辐射而产生像 素信号的一少数子集的平均。
根据本发明的教示的实施例还提供一种当从一场景成像辐射时减少由改 变至少一环境特征引起的漂移的方法，所述辐射包含分离的至少一第一波长 区域及至少一第二波长区域，所述方法包含：(a)将来自一场景的辐射通过 一成像形成光学部件聚焦至一检测器的一第一区域上，用以产生至少第一像 素信号，所述成像形成光学部件定位在一第一外壳体积内；(b)定位一辐射 源靠近所述成像形成光学部件；(c)从所述辐射源投射辐射至所述检测器的 一第二区域，用以产生一第二像素信号，所述检测器的第一区域及第二区域是非重叠区域，而且在所述场景的辐射聚焦在所述检测器的第一区域上的持 续时间内，从所述辐射源的辐射连续投射至所述检测器的第二区域上；及(d) 部分基于一预定函数修改所述第一像素信号，用以产生一修改像素信号，所 述预定函数定义通过至少一变化环境特征引起第二像素信号的一变化及第一 像素信号的一变化之间的一关系。
任选地，所述方法还包含：(e)基于所述预定函数确定由改变的环境特 征引起的所述第一像素信号的变化，其中通过从所述第一像素信号中减去确 定的所述第一像素信号的变化，来产生所述修改像素信号。
任选地，所述预定函数是基于所述第二像素信号的变化及由变化的环境 特征引起的第一像素信号的变化之间的相关性。
任选地，所述方法还包含：(e)确定所述相关性，其中在执行步骤(a)之 前执行所述相关性的确定。
任选地，所述辐射源为一黑体辐射源，且所述检测器及所述成像形成光 学部件定位在一腔室内，所述腔室具有一调节腔室温度，且所述相关性的验 证通过以下进行确认：(i)当在一恒定温度及不同腔室温度的一范围内成像所 述黑体辐射源时，形成由所述第一检测器区域的每个像素提供信号的一第一 组；(ii)在所述不同腔室温度中的每一个通过所述第二检测器区域的多个像 素提供信号的一第二组；及(iii)验证所述信号的第一组及第二组之间的一相 关性。
任选地，所述辐射源为一黑体辐射源，且所述检测器及所述成像形成光 学部件定位在一腔室内，所述腔室具有一调节腔室温度，且所述相关性的一 确认包含：(i)在一第一腔室温度测量所述第一像素信号的一第一读数，及在 一后续腔室温度测量所述第一像素信号的一后续读数；(ii)从所述第一像素 信号的所述后续读数减去所述第一像素信号的第一读数，用以定义一第一组； 及(iii)在所述第一腔室温度测量所述第二像素信号的一第一读数，在所述后 续腔室温度测量所述第二像素信号的一后续读数，及从所述第二读数减去所 述第一读数，用以定义一第二组。
任选地，所述第一像素的修改包含：(i)在一第一时间实例测量所述像素 信号的一第一读数，及在一后续时间实例测量所述第一像素信号的一随后读 数；(ii)在所述第一时间实例测量所述第二像素信号的一第一读数，及在所 述后续时间实例测量所述第二像素信号的一随后读数；及(iii)从盲像素信号 的随后读数减去盲像素的第一读数，用以定义一第三组。
任选地，其中所述第一像素信号的修改还包括：(iv)根据所述第一组及第 二组之间的相关性，基于所述第三组修改所述第一像素信号的后续读取。
任选地，相关性的确定还包括：(iv)显示作为第二组的函数的第一组。
任选地，相关性的确定进一步包括：(iv)将第一组显示为第三组的函数， 第三组由第一室温度和随后的室温定义。
任选地，所述至少一环境特征包含环境温度。
任选地，所述方法还包括：(e)用滤波器对来自场景的辐射进行滤波，使 得所述检测器的第一区域上的所成像的辐射包括在相应波长区域之一中的辐 射。
任选地，所述方法还包括：(f)将滤光器定位在成像形成光学部件和第二 光学部件之间的中间焦平面处，用于将来自场景的辐射引向检测器。
任选地，所述辐射源定位在所述第一外壳体积内。
任选地，所述辐射源定位在所述成像形成光学部件及一第二光学部件之 间的一中间焦点平面，用于将来自所述场景的辐射引导至所述检测器。
另外，还提供了根据本发明的教导的实施例，一种用于在对来自场景的 辐射进行成像时减少由至少一个变化的环境特征引起的漂移的装置，所述辐 射包括至少一个单独的第一和第二波长区域，所述装置包括：(a)来自场景的 辐射及来自辐射源的辐射的检测器，所述检测器包括单独的第一及第二检测 器区域；(b)一种光学系统，包括用于将来自场景的辐射及辐射源的辐射源连 续聚焦到检测器上的成像光学部件，所述成像光学部件通过光圈数形成在第 一检测器区域上形成场景的图像，小于约1.5的数量，以及将辐射源的辐射 投射到第二检测器区域上，光学系统定位在第一封闭体积内；(c)不同于场景 的辐射源，所述辐射源定位成靠近所述光学系统；及(d)电耦合到所述检测器 的电子电路，被配置为：(i)从第一检测器区域上的成像辐射产生至少第一像 素信号；(ii)从由成像形成光学部件投影的辐射源产生第二像素信号到第二检 测器区域上；(iii)根据预定函数修改第一像素信号以产生修改的像素信号， 所述预定函数定义第二像素信号的变化与由至少一个变化环境特征引起的第 一像素信号的变化之间的关系。
任选地，所述电子电路还被配置为：(iv)基于所述预定功能确定由所述至 少一个变化环境特征引起的所述第一像素信号的变化，以及(v)从所述第一像 素信号中减去所确定的所述第一像素信号的变化。
任选地，所述光学系统还包括第二光学部件及用于将辐射源基本上定位 在中间焦平面上的机构，所述中间焦平面位于第二光学部件和成像光学部件 之间。
任选地，所述装置还包括：(e)用于对来自所述场景的辐射进行滤波的滤 波器，使得所述检测器的所述第一区域上的成像的辐射包括在相应波长区域 之一中的辐射。
任选地，所述光学系统还包括第二光学部件及用于将滤光器基本上定位 在中间焦平面上的机构，中间焦平面位于第二光学部件和成像光学部件之间。
附图说明
本发明仅通过示例的方式参照附图进行描述，其中：
图1是甲烷气体的光谱吸收率的一曲线图。
图2是乙烷气体的光谱吸收率的一曲线图。
图3是丙烷气体的光谱吸收率的一曲线图。
图4是各种燃烧气体及液体燃料的火焰的红外光辐射的一光谱图。
图5是纸板及木材的红外光辐射的一光谱图。
图6是燃料火焰的频率含量的一曲线图。
图7是氢火焰的辐射的一光谱图；
图8是显示根据本发明的实施例用于检测及成像来自两个分离的波长区 域中的场景的辐射的装置的示例性的一侧视图。
图9A是显示根据本发明的实施例用于使用棋盘图案滤波装置来检测及 成像来自两个不同波长区域的场景的装置的示例性的一侧视图。
图9B是显示图9A的装置来自场景的辐射的检测及成像在没有移动部件 的情况下完成的替代配置的示例性的一侧视图。
图10是用于使用图9A及9B装置的配置来执行来自场景的辐射的检测 及成像的棋盘图案滤波装置的一示意图。
图11是根据本发明的实施例的图10的棋盘图案滤波装置的替代配置的 一示意图。
图12及13根据本发明的实施例显示对应于单个场景像素的检测器像素 组的一示意图。
图14是显示根据本发明的实施例用于检测及成像来自两个分离的波长 区域中的场景的辐射而不移动部分且具有楔形结构的装置的示例性的一侧视 图。
图15是显示通过图14的装置从场景穿过入射光及场景背景的示例性的 一侧视图。
图16是显示根据本发明的实施例的检测器及形成在检测器上的成像的 示例性的一正视图。
图17是显示根据本发明的实施例具有用于检测及成像来自两个分离的 波长区域中的场景的辐射而不具有移动部分的反射镜的装置的示例性的一侧 视图。
图18A及18B是显示根据本发明的实施例图14的装置的滤波方案的示 例性的一侧视图。
图19A及19B是显示根据本发明的实施例图14及17的装置的滤波替代 方案的示例性的一侧视图。
图20是根据本发明的实施例耦合至检测器阵列的成像采集电子的一框 图。
图21A是显示根据本发明的实施例具有棋盘图案的滤波器基板的检测器 阵列的一等距爆炸图。
图21B是与图21A对应的一俯视图。
图21C及21E是显示具有图21A及21B的滤波器基板的交替图案配置 的检测器阵列的一等距爆炸图。
图21D及21F是对应图21C及21F的一侧视图。
图22A-22C是显示根据本发明的实施例具有对第一波长区域敏感的第一 组检测器组件和对第二波长区域敏感的第二组检测器组件的检测器的配置的 示例性的一正视图。
图23是显示根据本发明具有检测器组件阵列的检测器，其中每个检测器 组件包括对第一波长区域敏感的第一子组件及对第二波长区域敏感的第二子 组件的示例性的一正视图。
图24是耦合至图23的检测器阵列的两组成像采集电子装置的一框图。
图25是显示根据本发明的实施例的用于漂移校正的装置的示例性的一 侧视图。
图26是显示图25的装置的检测器阵列的示例性的一前视图。
图27是显示根据本发明的实施例的用于漂移校正的替换装置的示例性 的一侧视图。
图28A是显示图27的装置的检测器阵列的示例性的一正视图。
图28B是显示根据本发明的实施例的盲像素及成像像素的示例性的一前 视图。
图29是根据本发明实施例的用于验证相关性的一流程图。
图30是根据本发明的实施例的用于确定相关性的一流程图。
图31是根据本发明的实施例的用于漂移校正的一流程图。
图32A及32B显示用于执行图29的流程图的步骤的曲线的示例。
具体实施方式
参考附图及所附描述可以更优选地理解根据本发明的装置的原理及操 作。
在详细解释本发明的至少一实施例之前，应当理解，本发明在其应用中 不一定受到以下描述中阐述的构件和/或方法的构造细节和/或方法的限制和/ 或在附图和/或示例中示出。本发明能够以其他实施方式或以各种方式实践或 执行。
本发明是用于检测及成像碳氢化合物气体及/或燃烧材料的火焰的装置。 所述装置从一定距离执行检测及成像，并且可以区分两种类型的事件(即碳氢 化合物气体及燃烧材料的火焰)。所述装置还可校正由于设备周围环境变化而 导致的信号漂移。
如示例所示，图1-3显示在2800至3200个波数(cm-1)范围内的1(ppm)x(米) 甲烷(以反向透射率T的Log10为单位)，乙烷及丙烷的吸收率(相当于3.125 至3.57微米范围)。
要注意的是，上述乙烷及丙烷以及其他较长链烷烃、丁烷、戊烷及己烷 的吸收率在3.3至3.5微米之间，而甲烷在3.15至3.5微米的较宽范围内吸 收。还要注意的是，这些气体中没有一种吸收4.3至4.6微米范围内的红外 辐射，其中火焰产生大量的辐射。
由于各种液体燃料如正庚烷、无铅、喷射、柴油等引起的火焰的典型发 射光谱如图4所示。约2.7微米的特征是由于火焰中热水分子的自发射，而 4.3至4.7微米的特征是由于火焰中的热二氧化碳(CO2)气体。
纸板及木材的类似红外光谱如图5所示。由于水(由于二氧化碳接近2.7 微米，而水及4.5微米)的强烈特征与图4的液体燃料的火焰相似。
这种火焰也会以特征频率闪烁。在3至5微米范围及8至14微米范围内， 正庚烷火焰及其他燃料火焰作为时间的函数的辐射测量显示总发射能量的 90％随频率分量高达5.5Hz而变化。使用足够快的摄像头来收集这些信息， 可能会增加液体燃料火焰的检测概率。图6显示正庚烷火焰的频率含量。
要注意的是，在3至5微米范围内，与燃料火焰发射相比，氢火焰发射 非常小。在4.3至4.6微米范围内，特别小得多，其中由液体燃料引起的火 焰显示出特别大的排放。
碳氢化合物气体的吸收率数据可供公众使用，例如美国华盛顿州 Richland的太平洋西北国家实验室是高分辨率数据。火焰发射光谱及时间/ 频率行为已经通过系统(CISystems)的SR 5000N光谱仪测量，所述系统是能 够测量物体的自发射光谱的仪器，以光谱辐射度为单位(瓦特/((球面度)x(平方 米)x(μ))或光谱辐射强度，单位为瓦特/((球面度)x(μ))。
为了本公开的目的，如下文将描述的，总结图1-7中呈现的光谱数据是 有用的。
碳氢化合物气体吸收光谱在甲烷中具有3.15及3.5微米之间的显着特 征，在其他物质中具有3.3及3.5微米之间。这些气体中没有一种在4.3至 4.6微米范围内具有吸收，其中燃烧的火焰(除了氢气)具有强的自发射特征。 作为示例，以图6中的正庚烷为代表的火焰示出了包含高达5.5Hz的频率分 量的红外光发射的时间行为。
本公开的装置适用于工业场合，并且对于室内及室外使用都是特别有价 值的，并且当在高于危险量的情况下发现爆炸性气体时，在工厂中提供警报， 或者当在设备的视野内的空间中发生火灾时。所述装置优选地基于在1至4.5 微米光谱范围内敏感的成像相机(即，由检测器组件阵列组成的检测器)，其 中烃气体及火焰都具有强光谱吸收或辐射特征。1至4.5微米光谱范围包括 电磁光谱的近红外光(NIR)，短波红外光(SWIR)及中波红外光(MWIR)区域的 部分。如将进一步讨论的，检测器阵列还可以对电磁波谱的长波红外光(LWIR) 区域中的辐射敏感。所述装置的组件包括用于从场景收集所述IR辐射的光学 器件，许多替换的光谱红外辐射滤波方法，以及特别设计用于从所得到的像 素提取检测所需信息，实时成像及事件识别的合适算法信号。
1.本公开的装置的一般组件：
中心组件是在光谱范围内对红外光辐射敏感的照相机(即，检测器阵列)， 优选地在3及4.6微米之间，用收集光学器件构建以从场景接收这种辐射并 且通过两个带重新对相机上的辐射进行图像一个覆盖范围为3.15及3.5微 米，一个覆盖4.3及4.6微米的范围。本领域众所周知，可以检测并成像插 入背景及摄像机之间的气体云，并且测量其路径浓度(依照(ppmvolume)×(米)为 单位)，假设背景温度不同于云温度，并且通过所谓的带内滤波器(在气体的 吸收波长范围内发射辐射，在我们的情况下为3.15至3.5微米)及所谓的带外滤波器来比较从检测器阵列产生的信号(在气体的吸收波长范围外发射辐 射)：在这种情况下，取决于背景及云之间的温差是否分别为负或正，两个信 号之间的差异为正或负。类似地，从上述图4中可以看出，发射4.3至4.6 微米辐射的滤波器相对于燃烧燃料，甲烷及固体材料的燃烧是带内的，而3.15 至3.5滤波器是带外的，相对于相同的火焰(信号将在前者中更高，在后一个 光谱范围内更小)。以这种方式，如果相机像素通过使用下述分裂图像方法连 续或同时地暴露于两个滤波片，则可以实现烃类气体和火焰的检测和识别。 对于每个像素，通过两个滤波器的适当信号差异将提供关于所述装置是否暴 露于火焰(大及正)或碳氢化合物气体的指示(根据背景对象温度差异，小得多 且为正或负)。
在本发明中以下特征在实施变得很重要，即使原则上只是可选的。
在相机中使用的检测器阵列优选是未冷却或热电冷却的PbSe(硒化铅)， 代替在相同光谱范围内敏感的其它更昂贵的低温冷却检测器，例如InSb(锑化 铟)阵列。现今PbSe探测器正在商业化。例如，美国佛罗里达州桑福德(Sanford) 及玛丽湖(Lake Mary)的圣约翰斯光学系统(St.Johns Optical Systems)提供了 由美国诺斯罗普·格鲁门公司(Northrop Grumman)开发的这种探测器，新西 兰红外技术公司(NIT)是西班牙马德里的一家公司，提供多种PbSe阵列探测 器。
或者，在相机中使用的检测器阵列可以是Quantum Well InfraredPhotodetector(QWIP)型阵列。使用这种QWIP型阵列需要制造检测器阵列， 使得所得到的波长灵敏度在适当的光谱范围内，如下面将更详细描述的。
除了带内带外比较之外，信号的时间或频率分析可以用在装置的数学算 法中，以更好地区分气体云及火焰事件之间，以及火焰和其他红外光源，产 生较低的误报率。事实上，火焰在可能有助于识别的特征频率下闪烁。
这种PbSe检测器阵列对电磁波谱的MWIR区域的辐射敏感。或者，微 辐射热计型阵列可用于对电磁光谱的LWIR区域的辐射敏感。
2a.气体测量：
在下面的部分中，示出了如何在连续暴露于带内和带外波长范围内的像 素中测量气体的(ppmvolume)×(米)如何通过测量这两个范围内的辐射差。
已知的是，通过测量两种不同波长的气云的背景的红外自发射，可以检 测空气中的气体的存在，如果背景气体和气体不在相同的温度下，气体被吸 收，而气体不被吸收。在两个波长w0(未被吸收)及wG(被气体吸收)之间到达 测量仪器的辐射差R可以用背景辐射度B表示，气体温度TG(通常等于空气 温度，我们假设通过测量已知)及吸收波长的气体透过率tG如下：
R＝B-B*tG-(1-tG)*Pl(TG，wG)＝(1-tG)*{B-Pl(TG，wG)} (1)
其中P1(TG,wG)是温度TG及波长wG的普朗克函数。在等式(1)中使用二 简化式，对于这个解释而言并不重要，因为相关的现象可以在更一般的情况 下进行校准：i)假设大气透射率为1，及ii)进出气体吸收带的背景辐射度 相等。
从等式(1)可以看出，在B等于P1(TG,wG)的情况下，辐射差R等于零， 而与tG的值无关，在这种情况下，不能推断信息数量tG。然而，如果B与 P1(TG,wG)不同，则可以如下求解tG的等式(1)：
Figure BDA0002702048660000201
等式(2)右侧的所有参数是已知的：B是已知的，因为它以非吸收波长 w0或在不存在气体的波长wG中测量，P1是已知的，因为TG被测量并且wG是已知的，并且R被测量。因此，tG从等式(2)已知。如果wG的文献中已知 被监测的特定气体的分子吸收率AG，那么tG给出了云中平均气体体积浓度 乘以云本身的厚度或云的所谓浓度乘以长度(或路径浓度)值的乘积的量度。 事实上，由兰伯特-比尔法则(Lambert-Beer law)如下：
Figure BDA0002702048660000211
其中l是云的路径长度或厚度，n是在云中测量的气体的平均体积浓度， 两者都对应于正在检查的特定像素。然后可以将等式(3)反转以产生所讨论的 特定像素的乘积nl的值：
Figure BDA0002702048660000212
如果(2)中的tG被测量为小于1，则(4)中的nl是有限的，并且在所讨论的 像素的区域中存在nl(ppmvolume)×(米)的量的气体。
2b.火焰测量：
在场景的像素中存在火焰而不是气体云的情况下，当暴露于滤波器w0时并且高，检测器像素信号Sflame暴露于滤波器wG时几乎为零。这是由于二 个滤波器4a和4b的带通来定义，以及如图4所示的火焰发射光谱的形状。 通过二个滤波器4a及4b测量的信号的差异，或者仅仅是w0信号(从滤波器 4b)，表示相应场景像素中存在或不存在火焰。
在以下部分中，装置的各种实施例将呈现不同的光学及滤波配置，以实 现先前讨论的气体浓度测量及火焰检测功能。应注意的是，这些实施例的光 学部件及滤波部件通常保持在可被认为是封闭体积的光学外壳，滤波器壳体 内等，用于保持光学及滤波部件的位置及取向。
3a.连续曝光带内及带外滤波：
图8描绘用于检测及成像碳氢化合物气体及火焰(即，场景80)的装置 10-1的实施例。所述装置10-1包括位于检测器阵列1前面的物镜2(即收集 光学器件)及包含两个滤波器(第一滤波器4a及第二滤波器4b)的两位置滤波 器保持器或轮3，在物镜2前方或物镜2与检测器阵列1之间。以wG为中心 的第一滤波器4a是带内为3.15及3.5微米之间或3.3及3.5微米之间的带内 气体滤波器，或者在3.15及3.5微米之间的优化范围。以w0为中心的第二滤 波器4b是通带在4.3及4.6微米之间的带外气体滤波器。所述第一滤波器 4a(即以wG为中心的滤波器)也用作带外火焰滤波器；而第二滤波器4b(即， 以w0为中心的滤波器)也用作带内火焰滤波器。滤波器支架或轮交替光学列 表中的两个滤波片，连续地将检测器暴露于两个不同的光谱范围。仅示出视 觉场域(field of view,FOV)的中心，顶部及底部像素的主要光线。滤波器4a 及4b可以由多透镜系统设计交替地放置在透镜2及检测器阵列1之间或透镜 之间。
要注意的是，如图8所示的装置10-1的配置可以优选地被设计成具有物 镜2的大数值孔径，以利用最佳可能的检测器灵敏度(或低光圈值(f值)，其 通常保持为接近至1，特别是当使用非制冷红外光探测器阵列时)。因此，所 述装置10-1的物镜2的光圈值优选小于1.5，并且尽可能接近1(f/1.5以下)。 可以使用不同的配置，使用二向色分束器将入射光束分成两个波束，以在两 个波长中分离地进行滤波，并且可以使用两个分离的检测器，但是由于附加 的检测器成本将更昂贵。除了二向色滤波器之外，还可以使用附加的光束组 合器及斩波器来进一步类似的配置来将设计限制到单阵列检测器，但是在这 种情况下，需要与检测器框架捕获率同步地在两个波长之间切换的斩光器是 一个低可靠性运动部分。这些最后两个配置需要更复杂的光学组件，以避免 在检测器处降低聚焦光学器件的数值孔径并降低器件灵敏度。
要注意的是，场景80的整帧成像依次仅暴露于两个带通滤波器4a及4b 中的一个。通过采集至少两个框架来实现气体或火焰检测及成像所需的信息， 同时两个过滤器4a及4b通过保持器或轮3的旋转或平移连续定位在光学系 列中，同步地使得通过一个过滤器(4a或4b)来获取每个帧。无论是为了获得 更高的信噪比还是出于任何其他原因，可以根据需要重复暴露于两个滤波器4a及4b的顺序多次。序列也可以通过一个滤波器的几个帧，然后通过另一 个滤波器而不是交替的帧组成几个帧。
成像采集电子50电耦合至检测器阵列1，用于处理来自检测器阵列1的 输出，以便产生及记录对应用于对场景80成像的检测器组件(即，像素)的信 号。成像采集电子50包括电子电路，其产生与检测器组件相关联的每个像素 的对应像素信号。由于辐射被成像在多个检测器组件上，所以成像采集电子 50产生多个对应的像素信号。
如图20所示，成像采集电子50优选地包括电耦合至处理器54的模数转 换模块(digital conversion module,ADC)52。处理器54耦合至如存储器等的存 储介质56。ADC52将来自检测器组件的模拟电压信号转换为数字信号。处 理器54被配置为执行用于确定及/或指示气体云路径浓度分布及/或火焰的存 在或不存在的计算及算法，以及基于从ADC52接收的数字信号，如2a及 2b所述成像及测量气体云路径浓度分布及/或火焰。
处理器54可以是任何数量的计算机处理器，包括但不限于微处理器， ASIC、DSP、状态机及微控制器。这样的处理器包括或可以与存储程序代码 或指令集的计算机可读介质通信，所述程序代码或指令集在由处理器执行时 使处理器执行动作。计算机可读介质的类型包括但不限于能够向处理器提供 计算机可读指令的电子、光学、磁性或其他存储或传输装置。
装置10-1的上述部件位于由装置10-1的内壁30限定的壳体内。此外， 检测器阵列1优选地保持在检测器壳体12内，所述检测器壳体12又位于装 置10-1的壳体内。因此，所述内壁30可以被认为是用于保持光学部件及检 测器阵列1的位置及取向的外壳体积。
3b.通过图案过滤曝光进行带内及带外的滤波：
图9A及9B描绘了装置10-2及10-2'的不同配置，其中是设备10-1的替 代实施例，使用将检测器的像素的曝光切换至两个带通滤波器的替代方法， 通过“图案化滤波”以波长wG和w0为中心。这种方法既可以静态地实现(具有 一定程度上的空间分辨率的损失，如下所述)或者通过光学滤波装置的移动来 动态地实现。在下一种情况下，振幅的幅度要远远小于3a的方法，并且可以 使用像压电振荡器那样更简单及更便宜的电动机来代替如上所述的旋转或平 移电动机来执行。
参考图10，棋盘图案化滤波器4被实现为光学滤波装置。所述过光器4 可以用作图8的两个滤波器4a及4b的替代物，并且可以被放置在中间焦平 面(图9A)中，场景的图像平面，然后在检测器上重新成像阵列，或接近或尽 可能靠近检测器平面本身(图9B)。对于装置10-2，在图9A中示例性地显示 棋盘图案化滤波器4在中间焦平面中的定位。所述装置10-2的透镜系统包括 物镜2及重新成像光学透镜9(即重新成像光学器件)，它们一起构成收集光学 器件7。对于装置10-2'，在图9B中示意性地描绘棋盘图案化滤波器4在检 测器平面上的定位。板上的正方形的尺寸与检测器像素的尺寸光学匹配，并 且每个正方形被涂覆，使得特定方形对应于滤波器4a及4b中的一个或另一 个。
在图10中，白色正方形(4a-1,4a-2，...，4a-N)对应于第一滤波片4a(即， 以wG为中心的滤波片)。每个白色正方形(4a-1,4a-2，...，4a-N)表示第一滤波 片4a的单个组件(即以wG为中心的滤波片)。类似地，对角线阴影的正方形 (4b-1，4b-2，...，4b-N)对应于第二滤波器4b(即，以w0为中心的滤波器)。 每个斜对阴影线表示第二滤波器4b的单个组件(即以w0为中心的滤波器)。 第一及第二滤波器4a及4b的组件占据整个检测器平面。滤波器4相对于检 测器平面沿着水平或垂直方向振荡正方形的长度(即振幅)。这连续地将每个检测器像素暴露给一个或另一个带通滤波器。与检测器帧采集同步(即成像采 集电路50)执行振荡，以便提供用于执行上述2a及2b部分中描述的气体测 量和火焰检测所需的场景信息，如由处理器56的图像采集电子设备50。
图10所示的滤波器组合可以替代地以以wG及w0为中心的组件的交替行 或列来实现，而不是棋盘，如图11所示。在图11所示的过滤器4的实施中， 过滤器4的运动相对于检测器平面处于垂直方向。运动幅度等于一平方的长 度，如前所述。
可以注意的是，可以设想许多其它类似的配置，例如图11中交替的条带 排列成列而不是行。在这种情况下，运动相对于检测器平面处于水平方向。
在图10及图11所示的非限制性示例配置中，示出了总共2N个滤波器 组件，其中第一及第二滤波器中的每一个具有N个滤波器组件。
如图10及11所示的棋盘或条纹配置也可以在如上所述的中间焦平面上 或者非常接近检测器平面的情况下是静态的，使得每个正方形或行正好与每 个像素或行进行空间对准的像素。如上所述，图9B中示例性地示出了装置 10-2'的这种配置。在这种情况下，由于一个场景像素现在由至少两个或四个 (或更多个)检测器像素构成，空间分辨率或视场减小。为了获得关于气体或 火焰存在的信息，将与任一带通滤波器相对应的检测器像素的信号相加在一 起并对其进行平均。
信号的和及平均可由处理器54执行。因此，整个场景80被成像到检测 器1上。相邻检测器像素经由成像采集电子50产生与通过滤波器4a及4b 中的每一个滤波的场景80的相同部分相对应的信号。
在图12中，显示一组四个检测器像素，其对应于单个场景像素。对通过 白色正方形(即，对应于以wG为中心的滤波器的4a-1和4a-2)滤波的像素的 信号被平均以获得场景像素的带内信号。类似地，通过对角线阴影的正方形 (即，对应于以w0为中心的滤波器的4b-1及4b-2)滤波的像素的信号被平 均以获得场景像素的带外信号。在这种配置中，场景像素的数量相对于检测 器平面在垂直和水平方向都减小了2倍。
在图13中，显示一组对应于单个场景像素的两个检测器像素。在这种配 置中，不需要平均，并且场景像素的数量仅相对于检测器平面在垂直方向上 减少了2倍。
应当理解，如图10及11所示的棋盘图案化滤波器实现方式可以分别与 图9A及9B中所示的装置10-2及10-2'中的每一个一起使用。此外，装置10-2 及10-2'的物镜2可以被设计成具有与数字孔径相同的大数值孔径(即，f/1.5 或更小并且尽可能靠近f/1)的装置10-1。
类似于装置10-1，装置10-2及10-2'的部件定位在由各个装置10-2及10-2' 的内壁30限定的壳体内。也类似于设备10-1，各个设备10-2及10-2'中的每 一个的检测器阵列1优选地保持在检测器壳体12内。
3c.通过分割成像楔形配置进行带内及带外滤波：
图14显示使用被称为“分割成像楔形”配置的光学配置的装置10-3的实 施例。右侧的物体(背景90的场景80)通过两个楔形部件(5及6)及物镜2在 检测器平面上成像，使得场景80和背景90的两个图像形成在检测器阵列1 的表面的两半(第一半1a和第二半部1b)上，如图16所示。场景80及背景 90同时成像在检测器平面的两半上，形成两个相同的图像。两个图像分别通 过以wG及w0为中心的两个带通滤波器形成，分别实现为涂层4a及4b，使 得每个场景像素通过带内和带外滤波器被测量两个不同的检测器像素在同一 时间。
楔形部件5及6与物镜2一起构成收集光学器件7。最优选地，装置10-3 的检测器阵列1是对电磁波谱的MWIR区域中的辐射敏感的PbSe型阵列。
装置10-3具有不需要滤波器移动并且同时获取带内及带外信号的优点。 这可以改善由于气体云运动引起的两个信号之间的潜在漂移。缺点是检测器 区域被利用可以用相同的物镜光学组件获得并且没有楔形的视场的一半。类 似于图8的装置10-1及图9A、9B的装置10-2及10-2'。装置10-3包括用于 产生数字信号并用于执行用于确定及/或指示气体云路径浓度分布及/或火焰 的存在或不存在的计算及算法的成像采集电子50，以及成像和测量气体云路 径浓度分布及/或火焰。
来自场景80的相同的红外光辐射被成像在两个检测器区域1a及1b中的 每一个上，其中检测器的每个区域在不同的波长范围内成像场景80。
图15描绘从场景80至检测器阵列1的入射光线42a-42f及44a-44f的穿 越。场景80与装置之间的虚线表示如图15所示的场景80与装置之间的距离 未按比例绘制。通常，场景80与装置之间的距离远大于装置本身的尺寸，并 且通常在数十或数百米的量级上。此外，虚线表示两束光线42a、42d及44a， 44d均源于整个场景，而不是来自场景的一半。
应注意的是，尽管在图15中仅示出了四个入射光线42a、42d及44a， 44d(这些边界射线限定了由平面所限定的横截面的平面中的装置10-3的视场 纸张)，应当显而易见的是，存在来自场景80的附加的类似的入射光线，并 遵循如上所述的类似于光线的遍历路径。平行于页面平面的射线分量会被楔 形物偏转，而垂直于它的那些射线分量不会发生偏转。因此，参考入射光线 42a、42d及44a、44d隐含地应用于在视场内从场景80发出的所有类似的入 射光线。
物镜2在穿过楔形部件5及6之后将辐射聚焦在检测器阵列1上，以形 成场景80及背景90的两个同时且分离的成像，每个成像形成在检测器的一 半上表面。这样，来自场景80及其背景90的辐射被单独成像并同时成像到 检测器区域1a及1b上。
具有背景90的场景80在没有移动部件的情况下由装置10-3成像，同时 保持检测器阵列1处的高数值孔径及低光圈值(f/1.5或更小)。这是通过将 第一及第二楔形部件5及6中的每一个沿着装置10-3的光轴定位在与物镜2 最小的固定距离d处来实现的。将与物镜2相距足够大的楔形部件5及6与 上述偏转角度结合使得能够保持检测器阵列1处的低光圈值(高数值孔径)。 这对应于装置10-3的高光学收发量。结果，来自场景的相同的辐射被楔形部 件5及6偏转至物镜2，并通过光圈值收集光学器件7被成像在检测器区域 1a及1b上，可以保持关闭至1(f/1)，而不必减小焦距f或增加孔径直径D。 因此，提供这种高光学收发量的最小距离d可以大致下限为：
Figure BDA0002702048660000281
其中D是物镜的孔径直径，θ是物镜的垂直视场。具有大的数值孔径(低 光圈值)提供了检测器阵列1对来自场景80的辐射的更高的灵敏度，并且对 来自装置10-3的内壁，收集光学器件7，及光学部件本身。作为将楔形部件 5及6定位在距离d处的结果，楔形部件5及6的垂直视场大约是物镜2的 上述垂直视场的一半。
楔形部件5及6优选地围绕光轴对称地定位，使得它们各自定位在离物 镜2相同的距离d处，并且每个都相对于光轴定位成相同的角度。这样的设 计确保了通过物镜2从楔形部件5及6将相同量的辐射成像在检测器区域1a 及1b上。
如前所述，成像到第一检测器区域1a上的来自场景80的辐射仅包括波 长范围之一。来自场景80的成像到第二检测器区域1b上的辐射仅包括波长 范围中的另一个。这通过将滤光片4a及4b定位在光学列表中来实现。
在图14-16所示的示例性实施例中，来自第一检测器区域1a上成像的场 景80的辐射，仅包括来自气体滤波器4a的带内辐射(即，以wG为中心的滤 波器)，以及来自在第二检测器区域1b上成像的场景80仅包括来自火焰滤波 器4b的带内辐射(即，以w0为中心的滤波器)。因此，第一滤波器4a对在第 一波长范围之外的频谱范围(即，以wG为中心的滤波器的阻带)进行滤波，而 第二滤波器4b滤除第二波长范围外的光谱范围内的辐射(即，阻带的滤波器 以w0为中心)。因此，由第一检测器区域1a上要成像的第一楔形部件5引导 的来自场景80的辐射仅包括来自气体过滤器4a的带内辐射，以及来自场景 80的辐射，通过要被成像在第二检测器区域1b上的第二楔形部件6引导， 仅包括来自气体过滤器4a的带内辐射。
如前所述，如图16所示，检测器阵列1的表面被分割平面8分成两个上 述区域。图14包括笛卡尔坐标系XYZ(Cartesian coordinate systemXYZ)的非限制 性示例性表示，其中检测器平面是平行于YZ平面。因此，分割平面8平行 于Z轴并且光轴平行于X轴。楔形部件5及6在XY平面中是楔形的。
在图14及图15所示的装置10-3的实施例中，滤光器4a及4b不一定是 来自收集光学器件7的光学组件，而是第一楔形的第一表面5a上的涂层部件 5及第二楔形部件6的第一表面6a。所述第一表面5a是最靠近物镜2的第一 楔形部件5的表面。同样地，第一表面6a是最靠近物镜2的第二楔形部件6 的表面。
此外，第一楔形部件5的第二表面5b及第二楔形部件6的第二表面6b 可以涂覆有抗反射涂层。第二表面5b及6b是最靠近场景80的楔形部件5 及6的相应表面。抗反射涂层提供了装置对来自场景80的辐射的增加的灵敏 度。
现在参考图18A-18B及19A，滤波器4a及4b的替代位置。类似于图14 及15的实施例，滤波器4a及4b被实现为涂层，但是在图18A中，涂层位 于第一楔形部件5的第二表面5b上。类似地，在图18B中，涂层位于第二 楔形部件6的第二表面6b上。在图19A中，涂层位于第一及第二检测器区 域1a及1b上或附近。具体来说，第一滤波器4a被实施为第一检测器区域1a上或附近的涂层，并且第二过滤器4b被实现为第二检测器区域1b上或附 近的涂层。
现在参考图19B，滤波器4a及4b的替代实施例。在图19B中，滤波器 4a及4b被实现为定位在相应的检测器区域1a及1b的前方或直接邻接的固 定板。
在图18A及18B所示的过滤器替代方案中，第一表面5a及6a可涂覆有 抗反射涂层。在图19A及19B所示的滤波器替代方案中，两个楔形部件5及 6的第一及第二表面优选地涂覆有抗反射涂层。还应注意，为了说明的清楚， 图14,15,18A-1B及19A-19B中用于实现过滤器4a及4b的涂层及板的厚度被 严重地夸大。
类似于装置10-1,10-2及10-2'，装置10-3的部件定位在由装置10-3的内 壁30限定的壳体内。也类似于装置10-1,10-2及10-2'，检测器阵列1优选地 保持在检测器壳体12内。
3d.通过分割成像镜像配置进行带内及带外滤波：
可以通过使用反射镜9而不是前面部分(3c部分)中描述的两个楔形部件 5及6来获得装置10-3的类似结果。这种装置10-4在图17中示例性地显示。 在图17中，反射镜9相对于相机系统(即，检测器阵列1)定位，使得反射镜 9的反射表面垂直于纸(XY平面)并平行于光轴(X轴)。要注意的是，图17中 也使用了图14中使用的相同笛卡尔坐标系XYZ。
尽管在附图中未显示，但是装置10-4还包括类似于装置10-1,10-2及10-2' 的实施例的成像采集电子50，以及用于产生数字信号及执行计算的10-3， 以及用于确定及/或指示气云路径浓度分布及/或火焰的存在或不存在的算 法，以及成像及测量气体云路径浓度分布及/或火焰。此外，虽然图中未显示， 但是装置10-4的部件也位于由装置10-4的内壁限定的壳体内，并且检测器 阵列1优选地保持在检测器壳体内，类似于装置10-1,10-2,10-2'及10-3。要 注意的是，物镜2及两个滤光片4a及4b可以位于收集光学器件的光学外壳(未示出)中，所述收集光学器件又位于内壁30内。
图17另描绘了从场景80到检测器阵列1的入射光线42a-42f及44a-44d 的穿越，类似于图15所示的射线穿越。图17中所示的光线的遍历特性通常 类似于图15所示的光线的遍历特性，除非另有明确说明，并且将通过类似的 方式理解。此外，装置10-4及装置10-4的物镜2的视场的定义通常类似于 关于装置10-3提供的定义，并且也将通过类似地理解。
两个滤波器4a及4b放置在两个束束分离的平面上(即，在物镜的孔径直 径和物镜的垂直视场的最小距离d处，3c，如图15及17所示)，或直接覆盖 检测器的每个相应区域，类似于图19A及19B所示的配置。
通过如上所述相应地定位过滤器4a及4b，装置10-4在检测器阵列1处 保持较低的f值(f/1.5或更小)，类似于装置10-3的光圈数。
要注意的是，图17中描绘的不同于图15所示的光线穿过的光线的特定 属性缺少通过第二过滤器4b的附加反射光线。具体而言，只有第一束光线 (42a及42d)在通过第一滤光器4a及物镜2之前被反射镜9反射，而第二束 光线(44a及44c)根本不被反射并直接通过第二滤光器4b及物镜2。换句话说， 反射镜9相对于4b的垂直上下方向使穿过滤光器4a的光线反转，结果，形 成在检测器阵列1上的场景80的两个成像彼此相对。
3e.通过检测器阵列的专门处理暴露于带内及带外滤波：
如上所述，呈现不同的光学及滤波配置，用于将检测器像素暴露于以波 长wG和w0为中心的两个带通滤波器。在这些配置中，使用棋盘图案的模式 滤波技术，或者替代以wG和w0为中心的组件交替的行或列。滤波结果也可 以通过在检测器阵列的制造期间的专门处理来实现。
图21A-21D描绘这种检测器阵列110的实施例的若干非限制性实现。检 测器阵列110被处理使得对场景辐射敏感的检测器表面被沉积到预处理滤波 器基底40上。为了说明的目的，检测器阵列110被描绘为包括对场景敏感的 表面110a辐射。滤波器基板40具有以波长wG和w0为中心的两个带通滤波 器的适当光谱特性。过滤基材40优选根据3b部分所述的图案进行预处理(即 制造)。具体来说，滤波器基板40可以以棋盘图案(图10)来实现，以wG和w0(图11)为中心的组件的交替行，或以wG和w0(未示出)为中心的组件的交替 列。因此，滤波器基板组件40a-1，40a-2，...，40a-N，40b-1,40b-2，...，40b-N 中的每一个覆盖检测器阵列110的各个组件。
预处理的过滤器基板40可以根据任何合理的技术制造，例如，由M.T. Rodrigo等人技术描述“多晶非冷却PbSe红外检测器在干涉滤波器上的集成 工艺技术”，SPIEProceedings Vol。5251，p。97，2004。
图21A是沉积到预处理过滤器基底40上的所得到的检测器表面110a的 分解图，其中过滤器基底40具有棋盘图案。图21B是沉积到预处理过滤器 基底40上的检测器表面110a的顶视图，其中过滤器基底40具有棋盘。
图21C是沉积到预处理过滤器基底40上的所得检测器表面110a的分解 图，其中过滤器基底40具有以wG和w0为中心的组件的交替行。图21D是 沉积到预处理过滤器基板40上的检测器表面110a的侧视图，其中过滤器基 板40具有以wG和w0为中心的组件的交替行。
或者，滤波器基板40可以被实现为使得滤波器基板40以wG为中心的 组件及检测器阵列110的表面的另一半均匀地覆盖检测器阵列110的一半， 并以以w0为中心的组件均匀地覆盖。在这种实现中，检测器阵列110可以被 认为具有与前面所述的装置10-3及10-4的检测器阵列类似的两个分开的相 等尺寸的检测器区域。显而易见的是，两个检测器区域被光轴的平面有效地 分开。
图21E及21F分别是这种实施方案的分解图及侧视图。如图21A-21D所 示，检测器表面110a被沉积到预处理的过滤器基底40上。
要注意的是，在图21A-21F中，类似于图10及11，白色方块40a-1， 40a-2，...，40a-N对应于以wG为中心的滤波器组件，并且对角线阴影的正方 形40b-1,40b-2，...，40b-N对应于以w0为中心的滤波器组件。
图21E及21F所示的检测器阵列110的实施方案优选地用作器件10-3(部 分3c)和10-4(部分3d)的分离图像配置的检测器阵列1及滤波器4a及4b的 替代物。图21A-21D所示的检测器阵列110实施方式优选地用作器件10-2' 的检测器阵列1和成像化滤波器4的替代(部分3b)。还应注意，为了说明的 清楚，在图21A-21F中，检测器表面及滤波器基板的厚度被严重夸大。
另外，在上述检测器阵列110的实施方式中，滤波器基板40应相对于检 测器表面沉积，使得以wG和w0(40a-1，40a-2，...，40a-N，40b-1,40b-2，...， 40b-N)匹配各个检测器组件的形状、间距及位置。
在图21A-21F所示的检测器阵列110的实施例的非限制性实现中，示出 了总共2N个滤波器组件，其中每个波长区域(wG和w0)具有N个滤波器组件。
检测器阵列110实施例的上述非限制性实施例需要特殊加工和制造的过 滤器基板。因此，可能希望完全避免专门的制造和这种过滤器的使用。因此， 可以制造检测器阵列，使得大约一半的各个检测器组件(即，像素)对波长wG敏感，而其他大约一半的检测器组件对波长w0敏感。换句话说，检测器阵列 被制造成使得一半检测器像素对于与带内光谱范围相对应的光谱范围内的波 长敏感，另一半检测器像素对于对应于带外光谱范围。两种不同的灵敏度可 以例如通过以两种不同的化学计量掺杂检测器阵列的半导体材料来实现。要 注意的是，除了掺杂之外，可以进行附加的处理，以确保两个合成的光谱范 围具有最小的光谱重叠或者没有光谱重叠。
图22A-22C描绘检测器阵列120的一个实施例的几个非限制性实施方 式，其中一半检测器组件对波长wG敏感，另一半检测器组件对波长w0敏感。 类似于图10及11，在这种实现中，白色正方形表示被掺杂以对波长 wG(120a-1,120a-2，...，120a-M)敏感的检测器像素，并且对角线阴影的正方 形表示检测器被掺杂以对波长w0(120b-1,120b-2，...，120b-M)敏感的像素。
检测器半导体材料可以被掺杂，使得所得到的检测器像素以棋盘图案(图 22A)排列，对wG和w0(图22B)敏感的交替行的检测器像素，对wG和w0敏 感的检测器像素的交替列或者一半检测器像素对wG均匀敏感，另一半检测 器像素对w0均匀敏感(图22C)。要注意的是，如图21E及21F的实现，图22C 的实现被用作器件10-3(3c段)和10-4(3c段)的分割图像配置的检测器阵列1 和滤波器4a及4b的替代。
在图22A-22C所示的检测器阵列120的实施例的非限制性实现中，描绘 了总共2M个检测器像素(即，检测器组件)，其中检测器像素的M对于wG敏感，检测器像素的M对w0敏感。
或者，可以制造检测器阵列，使得各个检测器组件对wG和w0中的波长 敏感。参见图23，这种检测器阵列130的实施例。检测器阵列130包括多个 检测器组件130a，130b，...，130N。每个检测器组件包括两个子组件(第一 组子组件130a-1,130b-1，...，130N-1及第二组检测器子组件130a-2,130b-2，...， 130N-2)第一组检测器子组件130a-1,130b-1，...，130N-1对wG敏感，并且第 二组检测器子组件130a-2,130b-2，...，130N-2对w0敏感。如图24所示，代 替如先前所述将检测器阵列耦合到单个成像采集电子50，图23的检测器阵 列130耦合到两组成像采集电子。(第一图像采集电子50a和第二图像采集电 路50b)。具体而言，第一成像采集电子50a耦合到第一组子组件 130a-1,130b-1，...，130N-1，并且第二成像采集电子50b耦合到第二组子组 件130a-2,130b-2，...，130N-2。
在图23所示的检测器阵列130的非限制性示例实施例中，显示总共2N 个检测器子组件，其中N个检测器子组件对wG敏感，并且检测器子组件的 N敏感到w0。类似于图10及11，白色检测器子元素表示对 wG(130a-1,130b-1，...，130N-1)敏感的检测器子组件，并且对角线阴影检测 器子组件表示检测器对w0(130a-2,130b-2，...，130N-2)敏感的子元素。
因此，各个检测器组件的输出由适当的图像采集电子器件处理，以便产 生和记录对应于用于对场景80成像的检测器组件(即，像素)的信号。结果， 可以针对波长敏感度wG和w0重建来自成像在检测器阵列130上的场景的辐 射。
如图23所示，检测器子组件被示出为矩形形状，其中对wG敏感的子组 件相对于检测器平面位于对w0敏感的对应子元素的左侧。要注意的是，尽管 图23描绘了相对于检测器平面在垂直方向上大致为矩形的检测器子组件形 状，但是检测器子组件也可以相对于检测器平面在水平方向上大致为矩形。 因此，检测器组件的检测器子组件可以相对于检测器平面在垂直方向上大致 为矩形，而相邻检测器组件的检测器子组件在水平方向上可相对于检测器平 面大致为矩形。
此外，单个检测器组件的相对左右垂直定位可以不同于相邻检测器组件 的检测器子组件的相对定位。例如，奇数行中的每个检测器组件可以具有对 位于对w0敏感的相应检测器子组件左侧的wG敏感的检测器子组件，并且偶 数行中的每个检测器组件可以具有检测器子，对位于w0敏感的各个检测器子 元素右侧的wG敏感的元素。因此，可以形成垂直的矩形棋盘图案。类似地， 如果使用相对于检测器平面在水平方向上通常为矩形的检测器子组件，则单 个检测器组件的相对上下水平定位可以不同于相邻检测器的检测器子组件的相对定位元素以形成水平矩形棋盘图案。
这里要注意的是，可以使用不同的检测器子组件形状，只要两组检测器 子组件具有不同的光谱响应(即，一组子元素对wG敏感，元素对w0很敏感)。 优选地，单个检测器组件的检测器子组件具有大致相同的尺寸，以便将检测 器组件均匀地划分成大致相等面积的两个检测器子组件。还要注意，在实践 中，单个检测器组件的两个子组件之间可能存在间隙，然而为了清楚起见， 在图23中没有示出间隙。
这里要注意的是，用语“检测器子组件”也可以被解释为“检测器组件区 域”，“检测器组件区域”，“检测器组件区域”及“检测器组件区域”。例如，检 测器子组件130a-1和130a-2也可以被称为检测器组件130a的第一区域 130a-1和检测器组件130a的第二区域130a-2。
注意，图23的检测器阵列130的实现优选地用作器件10-2'的检测器阵 列1和图案化滤波器4的替代(3b段)。还要注意，这里对每组成像采集电子 50a及50b的结构，部件及操作的描述通常类似于成像采集电子50的描述， 并且将通过类似于此来理解。
4.漂移校正：
对于上面在第3a-3d部分中讨论的装置10-1,10-2,10-2'，10-3及10-4的 每个实施例以及这些实施例与检测器组合时的变化及在3e段中讨论的滤波 组合，围绕这些装置的环境温度的变化导致来自装置的内壁30，光学外壳和 光学部件本身的辐射的发射随时间变化。这种辐射的辐射被称为不需要的辐 射。不想要的辐射又导致成像像素信号中的漂移，并且错误地导致根据适当 的算法由设备测量的场景图像的每个像素的气体路径浓度或火焰测量。
在本说明书的后续部分中，将介绍3a-3e段中讨论的装置10-2及10-4 的变型，以便解释本发明的漂移校正方法。这些装置的每个变型还进一步操 作以减少不想要的辐射的影响，以便确保先前描述的成像，检测和测量功能 的准确性。换句话说，这些装置的每个变化是可操作的，以允许对由不想要 的辐射引起的信号漂移的补偿。理想地，信号漂移降低装置可操作以将信号 漂移减少至可忽略的量，从而基本上校正漂移的影响，使得所述装置可提供 准确的结果。因此，当应用于成像像素信号的漂移时，用语“校正”，“补偿” 和“缩小”在本文中可互换使用。
要注意的是，尽管仅提供了装置10-2及10-4的变化，但是这些作为用 于提供关于本公开的漂移校正方法的说明的非限制性示例，并且可以对装置 10-1，10-2'及10-3来实现类似的结果。
将要讨论的，每个装置的成像采集电子50进一步被配置为对生成的场景 像素信号应用校正，以便减少由内壁30内发出的辐射引起的所产生的场景像 素信号中的漂移，光学外壳(即收集光学器件)和光学部件本身。
现在参考图25，根据本公开的实施例的用于减少信号漂移的装置100-2。 应当理解，除非另有明确说明，否则装置100-2的结构和操作的描述大体类 似于装置10-2的结构和操作，并且将通过类似地理解。装置100-2的两个具 体特征与装置10-2不同。首先，将装置100-2的检测器阵列1分成两个分离 的检测器区域(第一检测器区域1a及第二检测器区域1b)。第二检测器区域 1b的面积显着小于或不通常大于第一检测器区域1a的面积，并且可以可视 化为条带(或条带的一部分，或中心部分或区域1b内的单个像素)延伸穿过检 测器平面的顶部或底部(即，对场景辐射敏感的检测器阵列的表面)。
图26是检测器1的前视图，显示其中第二检测器区域1b是穿过检测器 平面的顶部延伸的条带的实施方式。第二检测器区域1b也可以形成为如图 26所示的矩形或短形矩形，并且沿着图26所示的区域放置在任何地方。
回到图25，装置100-2以与装置10-2相同的方式对场景进行成像，同时 将表面60(例如黑体辐射源)发射的红外辐射投射到第二检测器区域1b上。如 将在本公开的随后部分中更详细地讨论的，温度探测器62放置在表面60附 近或内部。表面60是静止的(与由电动机3驱动的两个交替过滤器相反)并且 与过滤器4的一部分良好的热接触并且在光学部件附近，使得表面60的温度 可以被假定为始终接近光学器件的温度，并且紧跟设备壁30和收集光学器件 7的温度，其接着受(并且通常特别是当用于户外条件，接近)环境温度。
要注意的是，替代地，表面60可以与装置内壁30直接放置在良好的热 接触中。换句话说，第二检测器区域1b的检测器组件的信号不携带来自场景 的信息，而是携带关于设备的内壁30和收集光学器件7的自发射辐射的信息。 因此，第二检测器区域1b的像素信号可由装置100-2算法和电子装置用于校 正由改变的环境引起的第一检测器区域1a的信号的不期望的改变，而不是相 应的区域的场景。第二检测器区域1b的像素被称为“盲像素”。此外，可以定 位挡板或挡板(如果需要)，以防止来自场景的辐射到达第二检测器区域1b。
上述说明构成了与装置10-2不同的装置100-2的第二具体特征，即将黑 体辐射源60包括在光学组件附近并且在装置100-2的内壁30内。黑体辐射 源60被定位成使得黑体辐射源60发射仅投射到第二检测器区域1b上的辐 射，导致如先前所提到的盲像素以产生信号，如下面将更详细讨论的那样用 于减少来自场景的信号的漂移，由于情况及光学自发的变化。从黑体辐射源 60到检测器阵列1的入射光线64a-64d的穿越如图25所示。为了图25中的 完整性也示出了入射光线42a-42f从场景穿过检测器阵列1。为了清楚起见， 来自黑体辐射源60的入射光线用虚线箭头描绘，而来自场景的入射光线用实 线箭头描绘。
黑体辐射源60可以放置在装置100-2内的各种位置。优选地，黑体辐射 源60被放置在物镜2和再成像光学透镜9之间的装置100-2的中间焦平面处， 最优选地与滤光器4或滤光器保持器接触。在将成像装置100-2中的黑体辐 射源60放置在仅在第二检测器区域1b上投射的辐射以产生盲像素信号的任 何位置。
在图25所示的成像装置100-2的非限制性实现中，黑体辐射源60被定 位成使得来自黑体辐射源60的辐射被引导通过再成像光学透镜9到第二检测 器区域1b位于检测器平面的顶部。要注意的是，除了黑体辐射源60之外， 附加的黑体辐射源可以被放置在围绕光轴的对称位置，使得来自附加黑体辐 射源的辐射通过再成像透镜9投影到第三检测器位于检测器平面的底部(即， 相对于第二检测器区域1b处于对称位置的条带或部分条带)。
现在参见图27，根据本公开的实施例的用于减少信号漂移的装置100-4。 应当理解的是，除非另有明确说明，否则装置100-4的结构及操作的描述通 常类似于装置10-4的结构和操作，并且将通过类似地理解。与装置100-2类 似，装置100-4的两个特定特征与装置10-4不同。首先，将装置100-4的检 测器阵列1划分为三个独立的检测器区域(第一检测器区域1a，第二检测器 区域1b和第三检测器区域1c)。第三检测器区域1c的面积显着地小于或通常 不大于其他两个检测器区域的面积，并且可以被视为沿着Z轴延伸穿过检测 器平面的中心的条带(即，对场景辐射敏感的探测器阵列)。
图28A是检测器1的前视图，显示其中第三检测器区域1c是跨过检测 器平面的中心延伸的条带的实施方式，并且是图16所示的检测器阵列的描绘 的变型。
回到图27，装置100-4以与装置10-4相同的方式对场景进行成像，同时 将由表面60(例如黑体辐射源)发射的红外辐射投影到第三检测器区域1c上。 如将在本公开的随后部分中更详细地讨论的，温度探测器62放置在表面60 附近或内部。表面60与装置的收集光学组件良好地热接触并且处于收集光学 器件的附近，使得类似于装置100-2，表面60的温度可以被认为是在任何时 候接近收集光学器件(即物镜2和过滤器4a和4b)的温度，并且紧跟设备壁 30的温度，而这些温度又受到(并且通常特别是在室外条件下使用，接近于) 环境温度。
换句话说，第三检测器区域1c的检测器组件的信号不携带来自场景的信 息，而是携带关于装置和内壁30的收集光学器件的自发射辐射的信息。因此， 第三检测器区域1c的像素信号可以由装置100-4算法和电子装置用于校正由 变化的环境引起的检测器区域1a及1b的信号的不期望的改变，而不是相应 的场景区域。类似于装置100-2的上述描述，第三检测器区域1c的像素被称 为“盲像素”，并且可以定位(如果需要)挡板或挡板以防止来自场景的辐射到 达第三检测器区域1c。
上述说明构成了与装置10-4不同的装置100-4的第二具体特征，即将黑 体辐射源60包括在成像装置100-4的收集光学器件内。黑体辐射源60沿着 两个滤光器4a及4b之间的光轴定位，使得黑体辐射源60发射仅投射到第三 检测器区域1c上的辐射，导致如先前所提到的盲像素，以产生信号，如将在 下面更详细地讨论的，由于情况变化和光学自发射而被用于减少来自场景的 信号的漂移。
由于黑体辐射源60沿着两个滤光器4a及4b之间的光轴定位，所以来自 黑体辐射源60的主入射光线64穿过物镜2的中心并且不被物镜2偏转，允 许入射光线64到达检测器阵列14的中心，如图27所示。
黑体辐射源60在成像装置100-4内的放置是由辐射被物镜2投影到仅第 三检测器区域1c上以产生盲像素信号的。
现在将参考装置100-2及100-4来呈现用于减少信号漂移的方法。在本 段中，列枚举100-X被用于指代装置100-2及100-4中的一个或两者。在用 于信号漂移校正的特定处理步骤对于装置100-2或100-4之一是唯一的情况 下，将使用特定装置100-2或100-4的列举。减少及/或校正所产生的场景像 素信号中的漂移的过程被应用于所有场景像素信号。为了清楚起见，将参考 以单个场景像素信号中的漂移校正为例来说明该过程，并以相同的方式应用 于所有其他像素。
各个光学部件，光学外壳(当存在时)和装置100-X的内壁30之间的空间 被假设为温度TE，温度通常接近并受到环境温度的影响装置100-X操作。结 果，源自各个光学部件和光学外壳的辐射量是温度TE的直接函数。
由于黑体辐射源60或器件100-2的情况下的源放置在器件100-X内并且 与器件100-X良好的热接触，光学部件、光学外壳及壁30，假设黑体辐射源 60(TBB)的温度相同或温度TE(即TBB及TE相关)的函数相同。TBB可以通过放置 在黑体辐射源60附近或内部的温度探针62来测量。
来自场景区域的测量场景像素信号S可以表示为两个信号项，第一信号 项SO和第二信号项SS的和。第一信号项SO是对应于来自光学部件，光学外 壳和装置100-X的壁30的辐射的信号贡献。第二信号项SS是由于源自在所 讨论的像素上成像的场景的对应区域的辐射而对S的信号贡献。因此，场景 像素信号S是将来自设备壁30的辐射计环境，光学部件和光学外壳以及来自 场景的辐射的组合的结果，被成像到与之相关联的检测器区域上盲目像素 (即，装置100-2的第一检测器区域1a，以及装置100-4的两个检测器区域1a 和1b)。
由于黑体辐射源60被假设为处于温度TE的直接函数的温度，所以由黑 体辐射源60发射的辐射代表源自光学部件、光学外壳、器件壁的辐射30及 环境。因此，可以假设盲像素信号SB也是由于源自环境，光学部件和光学壳 体的辐射对场景像素信号的贡献的良好表示。
由于来自光学部件和光学外壳的辐射是温度TE的直接函数的结果，第 一信号项SO(如果上述假设是正确的)也是温度TE的直接函数。这可以以数学 方式表示为SO＝f1(TE)，其中f1(·)是函数。
类似地，由于盲像素信号SB被假设为对应于源自光学部件和光学壳体的 辐射的像素信号贡献的良好表示，盲像素信号SB也可以被认为是壁30，环 境和光学系统温度TE的直接函数。这可以在数学上表示为SB＝f2(TE)，其中 f2(·)也是函数。
因此，由于第一信号项SO和盲像素信号SB都是相同工作温度TE的函数， 所以可以想到在第一信号项SO和盲像素信号SB之间可能存在相关性。随着 知识的相关性(如果存在)，可以从盲像素信号SB和SB的时间变化来确定第一 信号项SO和SO的时间变化(以下称为“场景像素信号漂移”)。因此，在上述假 设中，为了防止气体及/或火焰量的计算误差，可以消除和校正由于环境状况 引起的场景像素信号S的时间或漂移的变化。
在本文档的上下文中，用语“相关性”在应用于变量或实体集之间的关系 时通常是指变量集合或实体之间的一对一关系。这样，第一信号项SO和盲像 素信号SB之间的相关性指示在设备100-X的任何温度下第一信号项SO和盲 像素信号SB之间的一对一关系。所述相关性由受控测量的序列确定。受控测 量的顺序在装置100-X在现场操作之前执行，并且可以被认为是在该设备的 制造中要执行的校准程序或过程。为了本公开的目的，当来自场景的辐射被 检测器阵列1成像时，装置100-X被认为处于操作阶段，并且生成的成像像 素信号中的漂移通过技术被主动减少，该技术稍后将被描述。
回想一下假设黑体辐射源60处于温度TE的直接函数的温度。根据所述 假设，假设盲像素信号SB由于源自光学部件和光学外壳的辐射而是像素信号 贡献的良好表示。在确定第一信号项SO和盲像素信号SB之间的相关函数之 前，首先需要验证上述假设的实际情况。在验证之后，可以确定第一信号项 SO(场景像素信号漂移)的时间变化与盲像素信号SB时间变化之间的相关函 数。验证过程和确定相关函数的过程通常通过实验进行。实际上，只有对时 间上的成像像素信号进行漂移或不需要的改变才能进行校正，因此只需要在SO、SB的差异或时间期间的变化之间进行相关性的验证和确定过程到环境温 度变化。
现在参见图29，用于验证环境温度，黑体辐射源60(或装置100-2的情 况下的源)的温度与盲像素信号之间的相关性是否存在的程序600的流程图 SB。在步骤601中，将装置100-X放置在温度受控的环境中，例如具有可控 和可调节的温度的温度室，并且以固定温度TF将装置100-X指向外部黑体源， 使得不与盲像素相关联的检测器区域的场景像素(即，装置100-2的第一检测 器区域1a和装置100-4的两个检测器区域1a及1b)暴露于来自外部黑体的不 变的辐射。这样的外部黑体源代替场景。在步骤602中，将温度室的温度设 定为初始温度T0。通过允许适当的时间间隔通过温度室和成像装置100-X的 温度分别稳定到温度T0和TE。
一旦温度稳定，在步骤604中通过温度探测器62测量TBB(其可以实际上 等于TE)。在步骤606中，通过成像采集电子50测量盲像素信号SB。因此， 分别在步骤604及606中在温度T0测量盲像素信号SB和TBB。
在步骤608中，将温度室的温度设定为不同的温度T1。类似于步骤602， 通过允许适当的时间间隔通过，使温度室和装置100-X的温度分别稳定到温 度T1和新的温度TE。一旦温度稳定下来，在步骤610中，通过温度探测器 62测量TBB。在步骤612中，通过成像采集电子50测量盲像素信号SB。因此， 在步骤610和612中，分别在腔室温度T1测量盲像素信号SB和TBB。
所述程序可以在感兴趣的室的温度范围内继续，如决定步骤613所示。 对于每个选择的室温度，如上述步骤604,606,610及612中那样测量盲像素 信号SB和TBB和TE。
在步骤614中，通过分析所得到的测量来验证环境温度，盲像素信号SB和黑体辐射源60的温度(或器件100-2的情况下的源)之间的相关性的存在。 例如，来自步骤604及610的盲像素信号SB测量可以绘制为在步骤602和 608中建立的操作温度TE的函数。类似地，相对于在步骤602及608中建立 的工作温度TE的范围，可以对来自步骤606及612的TBB测量进行绘制或另 外可视化。图32A及32B中描绘了用于执行步骤614的绘图的示例。
首先参考图32A，描绘了操作温度(TE)，盲像素信号(SB)和黑体辐射源温 度(经由温度探头62测量的TBB)的测量曲线的示例。图32A所示的曲线旨在 用作说明性示例，并且不应被视为在过程600的范围或实现中的限制。
要注意的是，图32A中的x轴被指定为“时间(t)”，因为随着时间(t)的变 化，工作温度(TE)的变化应该是明显的。还要注意的是，图32A所示的示例 图包括两个y轴。第一个y轴(图32A左侧所示)被指定为“温度”，对应于工 作温度(TE)和黑体辐射源温度(TBB)。第二y轴(图32A右侧所示)被指定为“信 号计数”，并且是对应于盲像素信号(SB)的ADC 52的测量输出。
如果三个实体TE，TBB和SB之间存在线性(或任何其他一对一)关系，则 上述讨论的假设被认为是有效的，因此温度TE，TBB，及盲像素信号SB。
现在参考图32B，可以通过交替绘制图32A所示的测量结果来显示这种 线性关系的识别。显而易见的是，图32B所示的示例图示出黑体辐射源温度 (TBB)和盲像素信号(SB)信号计数对温度TE，如前所述，温度TE是环境温度。 因此，图32B中的x轴被指定为“环境温度”。如图32A所示，图32B还包括 两个y轴。第一个y轴(如图32B的左侧所示)被指定为“温度”，对应于黑体 辐射源温度(TBB)。第二个y轴(如图32B右侧所示)被指定为“信号计数”，并且是对应于盲像素信号(SB)的ADC 52的测量输出。
类似于图32A所示的曲线，图32B中所示的曲线旨在用作说明性示例， 并且不应被视为在程序600的范围或实现中的限制。如图32B所示的说明性 示例中可以清楚地看到的，在三个实体TE，TBB和SB之间存在非零斜率(其是 一对一关系的示例)的线性关系，因此意味着这三个实体是相关的。
现在参考图30，用于确定场景像素信号的漂移及盲像素信号SB之间的 相关性的程序700的流程图由于环境温度的变化而改变。类似于程序600， 在执行程序700之前，将装置100-X放置在温度室中。装置100-X还指向在 装置100-X的操作期间表示及模拟场景的红外辐射源，最方便地是在已知和 固定温度下的黑体源。黑体源可以位于温室内或温室外，并由装置100-X通 过红外透明窗测量。在程序700中，通过成像采集电子50进行场景像素信号 S和盲像素信号SB的测量。
在步骤701(类似于上述步骤601)，装置100-X被保持在温度室中，并指 向被设定为固定温度TF的外部黑体源。在步骤702中，将温度室的温度设定 为初始温度T0。通过等待适当的时间段，使腔室和装置100-X在温度T0下 稳定。在步骤704中，在装置100-X的温度在T0达到稳定之后测量成像像素 信号S和盲像素信号SB。
在步骤706中，将温度室的温度设定为新的温度T1，将外部黑体维持在 温度T。通过等待适当的时间段，使腔室及装置100-X在温度T1下稳定。在 步骤708中，在装置100-X的温度在T1达到稳定之后测量场景像素信号S和 盲像素信号SB。
在步骤710中，从步骤708中测量的成像像素信号S中减去在步骤704 中测量的成像像素信号S。步骤710的结果由于温度室的温度的变化而产生 成像的像素信号的时间漂移。同样在步骤710中，在步骤708中测量的盲像 素信号SB中减去在步骤704中测量的盲像素信号SB。
与过程600类似，程序700可以在感兴趣的室温度范围内继续，如决策 步骤712所示。对于每个新选择的室温度(第三、第四等)，从在当前选择的 温度下测量的成像像素信号S中减去在步骤704中测量的成像像素信号S， 并且在步骤704测量的盲像素信号SB从在相同选定温度下测量的盲像素信号 SB中减去。可以对成像装置的所需操作范围内的所有温度执行所述程序。
在步骤714中，将在步骤710中获得的场景像素中得到的差异绘制为在 每个室温度下获得的盲像素差异的函数。在步骤716中，通过分析在步骤714 中获得的图的结果来确定相关函数。可以使用诸如曲线拟合，最小二乘法或 其它合适方法的数值方法来进一步促进相关函数的确定。
显而易见的是，所得到的相关函数可被内插及外推，以涵盖在程序600 和700的执行期间未测量的操作温度范围。在步骤718中，在步骤716中确 定的相关函数存储在耦合到处理器54的存储器中，例如存储介质56。
要注意的是，在执行程序600及700期间使用的典型环境温度变化可以 取决于各种因素，例如，当在操作阶段中装置100-X的位置以及装置100-X 的预期特定用途时，X在运营阶段。例如，当装置100-X用于工业设备中的 监视和用于气体泄漏及/或火焰存在的设施时，在程序600及700的执行期间 发生的温度变化通常在几十度的范围内。
作为由程序700确定的相关函数的结果，在装置100-X的操作期间，可 以在环境温度变化的同时实时补偿所测量的场景像素信号的信号漂移。在图 31中详细描述了在装置100-X的操作期间信号漂移的补偿及/或校正过程。
现在参考图31，当装置100-X在现场操作时，用于校正由环境温度变化 引起的成像像素信号S中的信号漂移的程序800的流程图。在步骤802-814 中，装置100-X在现场可操作并且在工业环境中自动且无需人为干预来监视 场景。
在步骤802中，在初始时刻t0测量并存储场景像素信号S。在时间t0测 量的场景像素可以存储在存储介质56中或存储在耦合到处理器54的临时存 储器中。在步骤804中，在相同的初始时间t0测量盲像素信号SB。在步骤806 中，在初始时间t0之后的后续时间tS测量场景像素信号S.在步骤808中， 在相同的后续时间tS测量盲像素信号SB。
在步骤810中，从步骤808中测量的盲像素信号SB中减去在步骤804中 测量的盲像素信号SB。在步骤810中，根据程序700中确定及存储的信号差 的相关函数确定在测量时间t0和tS(由于环境温度的变化)之间发生的场景像 素信号的漂移。步骤810中场景像素信号漂移的确定是通过从步骤808中测 量的盲像素信号减去步骤804中测量的盲像素信号来实现。所得到的盲像素 信号测量的差异被代入在程序700中确定的信号差的相关函数中以确定场景 像素信号的漂移。
在步骤812中，通过从其中减去在步骤810中确定的漂移值来修改在步 骤806测量的场景像素信号S。
在步骤814中，在步骤812中修改的场景像素信号用于评估在相应场景 区域中是否存在感兴趣的气体及/或火焰，并且如果气体存在则计算气体路径 浓度分布，以及成像和测量气体云路径浓度分布和/或火焰。显而易见的是， 可以根据需要重复步骤806-814，以便用于检测气体和/或气体的气体及/或火 焰和路径浓度的场景像素信号的装置100-X的附加测量。这由决定步骤816 示出。因此，如果需要额外的场景像素信号测量，则程序800返回到步骤 806(在新的后续时间tS)。如果不需要额外的场景像素信号测量，则处理在步骤818结束。
要注意的是，作为在操作阶段中的装置100-X的结构及操作的结果，来 自黑体源60(或装置100-2的情况下的源)的辐射被投影到与盲像素(即，装置 100-2的第二检测器区域1b和装置100-4的第三检测器区域1c)，连续地将来 自场景的辐射聚焦到与盲像素不相关的检测器区域的持续时间(即，装置 100-2的第一检测器区域1a及装置100-4的两个检测器区域1a及1b)。这是 该程序所必需的，并且导致在操作阶段中快门打开及关闭的频率降低，并且 更准确地确定和量化存在于场景中的相关气体。
要注意的是，用于校正成像像素信号中的漂移的盲像素信号通常是优选 地，与位于相关联的成像像素的上方或下方的盲像素相关联的盲像素信号。 换句话说，用于校正成像像素信号中的漂移的盲像素信号优选地是与最接近 与被成像像素信号相关联的检测器组件的位置的检测器组件相关联的盲像素 信号。例如，关于装置100-4，如图28B所示，盲像素1c-1用于校正成像像 素1b-1中的漂移。类似地，盲像素1c-2用于校正成像像素1a-1中的漂移。 应当理解，类似的技术可以用于装置100-2。
如上所述，参考对单个成像像素信号的漂移的校正来说明上述处理 600,700及800。如前所述，可以对每个成像像素信号执行相同的处理，并且 可以并行执行。用于校正漂移的过程可以通过已知的方法来补充，例如NUC， 以便进一步减少及校正信号漂移的影响。作为通过上述处理600,700及800 的漂移校正的结果，补充的NUC方法以降低的频率执行。补充NUC方法的 操作频率通常在每小时一次至每天一次的范围内。
应当理解的是，上述描述仅旨在用作示例，并且在所附权利要求中限定 的本发明的范围内，许多其它实施例是可能的。

Claims (10)

1.一种当从一场景成像辐射时减少由改变至少一环境特征引起的漂移的方法，所述辐射包含分离的至少一第一波长区域及至少一第二波长区域，所述方法包含步骤：
(a)将来自一场景的辐射通过一成像形成光学部件聚焦至一检测器的一第一区域上，用以产生至少第一像素信号，所述成像形成光学部件定位在一第一外壳体积内；
(b)定位一辐射源靠近所述成像形成光学部件；
(c)从所述辐射源投射辐射至所述检测器的一第二区域，用以产生一第二像素信号，所述检测器的第一区域及第二区域是非重叠区域，而且在所述场景的辐射聚焦在所述检测器的第一区域上的持续时间内，从所述辐射源的辐射连续投射至所述检测器的第二区域上；及
(d)部分基于一预定函数修改所述第一像素信号，用以产生一修改像素信号，所述预定函数定义通过至少一变化环境特征引起第二像素信号的一变化及第一像素信号的一变化之间的一关系。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述方法还包含步骤：
(e)基于所述预定函数确定由改变的环境特征引起的所述第一像素信号的变化，其中通过从所述第一像素信号中减去确定的所述第一像素信号的变化，来产生所述修改像素信号。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述预定函数是基于所述第二像素信号的变化及由变化的环境特征引起的第一像素信号的变化之间的相关性。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：所述方法还包含步骤：
(e)确定所述相关性，其中在执行步骤(a)之前执行所述相关性的确定。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于：所述辐射源为一黑体辐射源，且所述检测器及所述成像形成光学部件定位在一腔室内，所述腔室具有一调节腔室温度，且所述相关性的验证通过以下进行确认：
(i)当在一恒定温度及不同腔室温度的一范围内成像所述黑体辐射源时，形成由所述第一区域的每个像素提供信号的一第一组；
(ii)在所述不同腔室温度中的每一个通过所述第二区域的多个像素提供信号的一第二组；及
(iii)验证所述信号的第一组及第二组之间的一相关性。
6.如权利要求3所述的方法，其特征在于：所述辐射源为一黑体辐射源，且所述检测器及所述成像形成光学部件定位在一腔室内，所述腔室具有一调节腔室温度，且所述相关性的一确认包含：
(i)在一第一腔室温度测量所述第一像素信号的一第一读数，及在一后续腔室温度测量所述第一像素信号的一后续读数；
(ii)从所述第一像素信号的所述后续读数减去所述第一像素信号的第一读数，用以定义一第一组；及
(iii)在所述第一腔室温度测量所述第二像素信号的一第一读数，在所述后续腔室温度测量所述第二像素信号的一后续读数，及从所述第二读数减去所述第一读数，用以定义一第二组。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于：所述第一像素的修改包含：
(i)在一第一时间实例测量所述像素信号的一第一读数，及在一后续时间实例测量所述第一像素信号的一随后读数；
(ii)在所述第一时间实例测量所述第二像素信号的一第一读数，及在所述后续时间实例测量所述第二像素信号的一随后读数；及
(iii)从盲像素信号的随后读数减去盲像素的第一读数，用以定义一第三组。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述至少一环境特征包含环境温度。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述辐射源定位在所述第一外壳体积内。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述辐射源定位在所述成像形成光学部件及一第二光学部件之间的一中间焦点平面，用于将来自所述场景的辐射引导至所述检测器。
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