CN113125341A - 基于多光谱成像技术的气体遥测方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种可对目标区域进行目标气体遥测的方法，包括：通过检测通道对所述目标区域进行光谱成像，采集第一图像，其中所述检测通道存在所述目标气体的光谱吸收；通过参考通道对所述目标区域进行光谱成像，采集第二图像，其中所述参考通道不存在所述目标气体的光谱吸收；和根据所述第一图像和所述第二图像，计算所述目标气体的分布参数。
Description
技术领域
本发明大致涉及遥测领域，尤其涉及一种基于多光谱成像技术的气体遥测方法和装置。
背景技术
目前，气体遥测技术被广泛应用于环境检测和工业应用等领域，现有气体遥测技术主要分为：基于可调谐激光吸收光谱(TDLAS)的遥测技术，基于红外傅里叶光谱(FTIR)的遥测技术。其中，TDLAS为主动式红外遥测技术，通过主动发射红外激光到目标检测区域，被目标物反射后由接收镜头接收，TDLAS技术通过分析回波光强的变化(激光波长被调制为重复扫描)，从而获得目标气体的吸收信息。FTIR遥测技术不需要主动照射光源，其通过接收望远镜头将视场内的环境光导入到傅里叶变换光谱仪中，通过光谱仪实现光谱信息提取，分析目标区域的光谱信息和参考的环境光信息做比对，提取光谱差异，从而获得目标区域的气体吸收信息。
现有技术存在以下缺点：
TDLAS遥测技术目前主要是单点测量，在成像型气体遥测中的应用主要表现为通过云台或动镜实现视场扫描，通过将扫描轨迹上的每一个测量点的测量结果拼接成图像，实现目标区域的被测气体浓度以伪彩图的形式呈现。每个测量点至少需要几十ms的测量时间，这样若要绘制出100x100像素的浓度伪彩图，需要至少几百秒的时间。云台或动镜存在机械损耗，其抗震和寿命均不长久。可调谐激光器的管芯温度需要进行精确的恒温控制，因此，很难恶劣的环境下进行长期工作。虽然接收光学系统中一般都会安装滤光片，但若接收视场内环境光过强，激光信号将会淹没在环境光噪声中，从而在环境光较强的应用中，有效遥测距离都会大大缩短。
FTIR遥测技术也是单点测量，所以，也需要转动的云台或转镜，这样机械转动带来的缺陷在FTIR成像型遥测技术中也是存在的。此外，FTIR技术还有以下缺点：傅里叶光谱仪对震动过于敏感，由于傅里叶光谱仪的核心是迈克尔逊干涉仪或改进型迈克尔逊干涉仪，震动会严重影响到干涉效果。傅里叶光谱仪进行光谱扫描所需的时间非常长，测量一次光谱图最快也需要几十微秒，所以完成一次二维扫描会非常耗时。傅里叶光谱仪体积大、笨重、和造价贵的缺点，导致该技术的应用面较窄，在工业等复杂场景下无法使用。
发明内容
有鉴于现有技术缺陷中的至少一个，本发明设计了一种通过对环境光(如太阳光)中多个波长通道进行成像，结合浓度反演算法，对不同光谱的像进行分析，从而获得目标气体浓度二维分布的遥测图片。
本发明提供一种可对目标区域进行目标气体遥测的方法，包括：
通过检测通道对所述目标区域进行光谱成像，采集第一图像，其中所述检测通道存在所述目标气体的光谱吸收；
通过参考通道对所述目标区域进行光谱成像，采集第二图像，其中所述参考通道不存在所述目标气体的光谱吸收；和
根据所述第一图像和所述第二图像，计算所述目标气体的分布参数。
根据本发明的一个方面，如果所述检测通道同时存在干扰气体的光谱吸收，所述参考通道不存在所述干扰气体的光谱吸收，所述方法还包括：通过干扰通道对所述目标区域进行光谱成像，采集第三图像，其中所述干扰通道存在所述干扰气体的光谱吸收，并且不存在所述目标气体的光谱吸收，
其中所述计算目标气体的分布参数的步骤包括：根据所述第一图像、所述第二图像以及所述第三图像，计算所述目标气体的分布参数。
根据本发明的一个方面，所述采集第一图像的步骤包括：通过所述检测通道中的第一滤光单元对来自所述目标区域的光束进行滤光，并采集所述第一图像，其中在所述第一滤光单元的通带范围内存在所述目标气体的光谱吸收；
所述采集第二图像的步骤包括：通过所述参考通道中的第二滤光单元对来自所述目标区域的光束进行滤光，并采集所述第二图像，其中在所述第二滤光单元的通带范围内不存在所述目标气体的光谱吸收。
根据本发明的一个方面，所述采集第三图像的步骤包括：通过干扰通道中的第三滤光单元对来自所述目标区域的光束进行滤光，并采集所述第三图像，其中在所述第三滤光单元的通带范围内存在所述干扰气体的光谱吸收，并且不存在所述目标气体的光谱吸收。
根据本发明的一个方面，所述方法还包括：通过一分束器将来自所述目标区域的光束进行分束，分束后的光束分别入射到所述第一滤光单元、第二滤光单元和第三滤光单元上，滤光后分别通过第一探测器阵列、第二探测器阵列和第三探测器阵列采集所述第一图像、第二图像和第三图像。
根据本发明的一个方面，通过一探测器阵列采集所述第一图像、第二图像和第三图像，其中所述探测器阵列中的每一个探测器单元上设置有所述第一滤光单元、第二滤光单元、和第三滤光单元中的一个。
根据本发明的一个方面，通过一探测器阵列采集所述第一图像、第二图像和第三图像，其中在所述探测器阵列的光路上游设置有可旋转的滤光片轮，所述滤光片轮上设置有第一滤光单元、第二滤光单元、和第三滤光单元。
根据本发明的一个方面，所述的方法还包括：在对目标区域进行目标气体遥测前，校准所述检测通道。
根据本发明的一个方面，所述校准所述检测通道的步骤包括：以所述参考通道为基准对所述检测通道进行逐像素的光强校准，使得所述检测通道获得的图像中每个像素点的光强值和所述参考通道获得的图像中对应像素点的光强值一致，从而获得所述检测通道的修正系数。
根据本发明的一个方面，所述的方法还包括：在对目标区域进行目标气体遥测前，校准所述检测通道和所述干扰通道，
其中所述校准所述检测通道和干扰通道的步骤包括：以所述参考通道为基准对所述检测通道和所述干扰通道进行逐像素的光强校准，使得所述检测通道和所述干扰通道分别获得的图像中每个像素点的光强值和所述参考通道获得的图像中对应像素点的光强值一致，从而获得所述检测通道和所述干扰通道的修正系数。
根据本发明的一个方面，所述目标气体的分布参数包括目标气体浓度的二维分布。
根据本发明的一个方面，所述目标气体浓度的二维分布根据下述公式得到：
上式中，
根据本发明的一个方面，其中使用太阳光、照明灯、路灯、或红外灯作为光源，用于所述光谱成像。
本发明还提供一种可对目标区域进行目标气体遥测的装置，包括：
探测器阵列，
第一滤光单元，所述第一滤光单元对来自所述目标区域的光束进行滤光后照射在所述探测器阵列上进行光谱成像，获得第一图像，其中，所述第一滤光单元的通带范围内存在所述目标气体的光谱吸收；
第二滤光单元，所述第二滤光单元对来自所述目标区域的光束进行滤光后照射在所述探测器阵列上进行光谱成像，获得第二图像，其中，所述第二滤光单元的通带范围内不存在所述目标气体的光谱吸收；
处理单元，所述处理单元耦接到所述探测器阵列，并配置成可根据所述第一图像和所述第二图像计算所述目标气体的分布参数。
根据本发明的一个方面，如果所述第一滤光单元的通带范围同时存在干扰气体的光谱吸收，所述第二滤光单元的通带范围不存在所述干扰气体的光谱吸收，所述装置还包括第三滤光单元，所述第三滤光单元对来自所述目标区域的光束进行滤光后照射在所述探测器阵列上进行光谱成像，获得第三图像，其中，所述第三滤光单元的通带范围内存在所述干扰气体的光谱吸收，不存在所述目标气体的光谱吸收，
其中所述处理单元配置成可根据所述第一图像、所述第二图像以及所述第三图像计算所述目标气体的分布参数。
根据本发明的一个方面，所述装置，还包括分束器，所述探测器阵列包括第一探测器阵列、第二探测器阵列和第三探测器阵列，所述分束器配置成可将来自所述目标区域的光束进行分束，分束后的光束分别入射到所述第一滤光单元、第二滤光单元和第三滤光单元上，滤光后分别通过第一探测器阵列、第二探测器阵列和第三探测器阵列采集所述第一图像、第二图像和第三图像。
根据本发明的一个方面，所述装置包括一个探测器阵列，所述探测器阵列上不同的探测器单元分别采集所述第一图像、第二图像和第三图像，其中所述探测器阵列中的每一个所述探测器单元上设置有所述第一滤光单元、第二滤光单元、和第三滤光单元中的一个。
根据本发明的一个方面，所述的装置还包括设置在所述探测器阵列的光路上游的可旋转的滤光片轮，所述滤光片轮上设置有第一滤光单元、第二滤光单元、和第三滤光单元，其中所述探测器阵列配置成可随着所述滤光片轮的旋转而采集所述第一图像、第二图像和第三图像。
根据本发明的一个方面，所述的装置还包括接收镜头，所述接收镜头配置成可接收来自所述目标区域的光束并会聚到所述探测器阵列上。
根据本发明的一个方面，所述的装置还包括摄像头，所述摄像头配置成可采集所述目标区域的图片，所述处理单元配置可在所述目标区域的图片上叠加所述目标气体的分布参数。
根据本发明的一个方面，所述目标气体的分布参数包括目标气体浓度的二维分布。
本发明的实施例具有以下优点：
1.一次曝光即可获得浓度二维分布信息，远远小于点扫描式所需的测量时间。
2.使用环境光作为光源，遥测距离不再受到发射光光功率的限制，因此，可以在远距离遥测仪应用中功耗更低。
3.由于使用环境光作为光源，所以不会因为环境光而增加测量噪声。
4.本发明机械零件少，无需额外的云台或动镜，结构简单，容易实现轻量化。此外没有激光器、没有光谱仪等对运行环境要求较高的零件，所以，本发明的应用范围更广。
5.本发明随着近红外和中红外面阵探测器的技术越来越成熟，价格和性能会越来越有优势。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了本发明所应用的一个场景的实例；
图2示出了多种气体在红外波段具有特征吸收；
图3示出了太阳光光谱图；
图4A和4B示出了1500nm～1750nm大气窗口下常见工业气体吸收谱线，其中图4A中示出了检测通道和参考通道，图4B中示出了检测通道、参考通道以及干扰通道；
图5示出了1900nm～2500nm大气窗口下常见工业气体吸收谱线；
图6示出了根据本发明一个实施例的一种可对目标区域进行目标气体遥测的方法；
图7A和7B分别示出了根据本发明一个实施例的第一图像和第二图像的示例；
图8A、8B和8C分别示出了根据本发明一个实施例的第一图像、第二图像和第三图像的示例；
图9示出了测量场景和浓度分布融合图；
图10示出了根据本发明一个实施例的一种可对目标区域进行目标气体遥测的装置的结构框图；
图11示出了根据本发明一个优选实施例的装置的示意图；
图12示出了根据本发明另一个优选实施例的装置的示意图；
图13示出了根据本发明另一个优选实施例的装置的示意图；和
图14示出了利用标准板进行通道校准的示意图。
具体实施方式
在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语"第一"、"第二"、"第三"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"、"第三"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语"安装"、"相连"、"连接"应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接:可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之"上"或之"下"可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征"之上"、"上方"和"上面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征"之下"、"下方"和"下面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术中气体遥测技术单点测量耗时过长等缺陷，本公开的发明人发现，通过对环境光中多个波长通道分别进行成像，结合浓度反演算法，对不同光谱的像进行分析，从而获得目标气体浓度二维分布的遥测图片。具体地，在环境光谱上选择不同的通道，包括检测通道、干扰通道和参考通道(如果检测通道内没有干扰气体吸收则只需检测通道和参考通道)，每个通道分别进行成像，对多个通道的数据进行处理，可直接得到目标气体的二维浓度分布，而不需要各点的单独测量和拼合，因此测量时间大大缩短。
图1示出了本发明所应用的一个场景的实例。如图1所示，在建筑物附近通常具有气体管道，用于输送天然气(主要成分是甲烷)等。当气体管道发生泄漏时，需要能够及时地发现并判断出待测气体泄漏，本发明的实施例有助于解决该技术问题。另外在一些场合中，除了待测气体之外还可能会存在干扰气体，例如居民住宅的烟囱中可能会排出二氧化碳，这些干扰气体可能是无害的，但是会对待测气体的检测造成影响。那么如何在具有干扰气体的环境中准确地判断出待测气体(目标气体)的存在，是本发明一个实施例所要解决的技术问题。
本发明的实施例利用了气体在不同波段中具有特征吸收的特性。图2示出了多种气体在红外波段具有特征吸收。如图2所示，气体分子在近红外到中红外波段有非常丰富的特征吸收，但由于太阳光谱分布和大气吸收的原因，地表的太阳光中基本上没有中红外光，如图3所示，所以，若需要用到中红外波段的光来进行气体测量，则需要额外使用红外灯进行照射。
以下详细描述根据本发明的用于进行气体遥测的方法和装置。
图6示出了根据本发明一个实施例的一种可对图1所示的目标区域进行目标气体遥测的方法100，目标气体例如为CH4。下面参考图1详细描述。
如图1所示，在步骤S101，通过检测通道对所述目标区域进行光谱成像，采集第一图像，其中所述检测通道存在所述目标气体的光谱吸收。
本领域技术人员容易理解，“检测通道”是一个广义的概念，例如可以通过滤光片实现，该滤光片的通带范围内包含有目标气体的光谱吸收。图7A示出了第一图像的示意图。其中由于所述检测通道存在所述目标气体的光谱吸收，因此第一图像中能够包括所述目标气体的光谱信息。
在步骤S102，通过参考通道对所述目标区域进行光谱成像，采集第二图像，其中所述参考通道不存在所述目标气体的光谱吸收。
类似于所述检测通道，参考通道也可以通过滤光片实现，该滤光片的通带范围内不存在所述目标气体的光谱吸收(并且优选地不存在目标区域其他环境气体的光谱吸收)。图7B示出了第二图像的示意图，其中由于采集第二图像的参考通道不存在目标气体的光谱吸收，因此在第二图像中不存在所述目标气体的光谱信息。例如当目标气体为CH4时，目标区域空气中含有的CO2作为环境气体，此时优选地使得参考通道不存在所述目标气体CH4的光谱吸收，也不存在环境气体CO2的光谱吸收。
在步骤S103，根据所述第一图像和所述第二图像，计算所述目标气体的分布参数。
后文将给出一个计算实例，其中将详细给出如何根据第一图像、第二图像来计算目标气体的分布参数。另外，所述目标气体的分布参数可以包括以下参数中的一个或多个：是否存在目标气体，目标气体浓度，以及目标气体的二维浓度分布等。
本领域技术人员容易理解，所述步骤S101和S102的顺序不用于限制本发明的保护范围，二者可以以任意的先后顺序进行，或者可以同时进行，这些都在本发明的保护范围内。
以CH4检测为例(即目标气体为CH4)，图4A示出了CH4和大气中的CO2和H2O在1500nm～1750nm附近的近红外吸收强度，图4A考虑了只有参考通道和检测通道的情况，此时参考通道波长范围例如为1550nm-1560nm(该波长范围无CH4及其他环境气体的光谱吸收)，检测通道波长范围例如选择为1660nm-1670nm(该波长范围包括CH4的光谱吸收)，通过检测通道获得第一图像，通过参考通道获得第二图像，根据第一图像、第二图像来计算目标气体的分布参数。
根据本发明的一个实施例，如果所述检测通道同时存在干扰气体的光谱吸收，例如CO2，那么此时可以确保所述参考通道不存在所述干扰气体的光谱吸收。在此情况下，所述方法100还包括通过干扰通道对所述目标区域进行光谱成像，采集第三图像，其中所述干扰通道存在所述干扰气体的光谱吸收，并且不存在所述目标气体的光谱吸收。此时，可以根据所述第一图像、所述第二图像以及所述第三图像，计算所述目标气体的分布参数。图8A、8B和8C分别示出了在存在干扰气体的情况下第一图像、第二图像和第三图像的一个实例。
本发明中，干扰气体是指在检测通道的波长范围内与目标气体存在光谱吸收交叠的其他气体。干扰气体例如可以是目标区域其他环境气体的至少一种，目标区域环境气体是指在目标区域范围内包括目标气体在内的所有气体的总体。
根据本发明的一个实施例，在采集第一图像、第二图像、第三图像时，可以采用相应的滤光单元或者滤光片来对来自目标区域的光线进行滤光。例如当采集第一图像时，在检测通道中设置有第一滤光单元，并且第一滤光单元的通带范围内至少存在所述目标气体的光谱吸收(以及可选的干扰气体的光谱吸收)，通过所述检测通道中的第一滤光单元对来自所述目标区域的光束进行滤光，采集所述第一图像，从而保证第一图像中包括有所述目标气体的光谱信号(以及可选的干扰气体的光谱信号)。在采集第二图像时，在参考通道中设置有第二滤光单元，并且第二滤光单元的通带范围内不存在所述目标气体的光谱吸收(以及其他环境气体的光谱吸收)，通过所述参考通道中的第二滤光单元对来自所述目标区域的光束进行滤光，采集所述第二图像，从而在第二图像中不存在所述目标气体(以及其他环境气体)的光谱信号。在采集第三图像时，在干扰通道中设置有第三滤光单元，并且所述第三滤光单元的通带范围内存在所述干扰气体的光谱吸收，但不存在所述目标气体的光谱吸收，通过干扰通道中的第三滤光单元对来自所述目标区域的光束进行滤光，采集所述第三图像，从而在第三图像中存在所述干扰气体的光谱信息，并且不存在所述目标气体的光谱信息。关于具体如何采集第一图像、第二图像和第三图像，下文将参考图11-图13详细描述。
同样以CH4检测为例，CH4和大气中的CO2和H2O在1500nm～1750nm附近的近红外吸收强度如图4B所示，其中，H2O和CO2是在地球大气中广泛存在的，CH4属于痕量气体，此外，1500nm～1750nm范围内O2、H2S、NH3、CO等气体没有吸收或吸收强度很弱。为了描述检测通道中目标气体受干扰气体影响的情况，例如可以选择检测通道波长范围为1645nm～1655nm(在该波长范围CO2与目标气体CH4存在光谱吸收交叠,CO2为干扰气体)、干扰通道为1600nm～1610nm(在该波长范围存在CO2的光谱吸收，不存在CH4光谱吸收)、参考通道为1550nm～1560nm，如图4B所示。同理，若需要测量NH3、CO、CH4也可以选择2100nm～2400nm的波长区间，如图5所示，由于这3种气体吸收区域存在部分交叠，可以通过创建各气体浓度和各滤光片通道的吸收总量的方程组来进行求解，滤光片通道种类越多，求解的精度越高。
另外，由于光源中的辐射光谱和环境中气体的吸收等影响，导致环境光中不同波长分量的光强可能不一样。例如，若空气湿度较大，那么某些波长就会有较强的水气吸收，从而，被水气吸收的波长光强将出现衰减。用于感测光信号的光电探测器自身的光谱响应曲线也不是平坦的，因此，面阵光电探测器在不同波长范围的响应也是不一样的，此外，探测器的工作温度也会影响到光谱响应。如上分析，即使没有目标气体吸收，不同通道所拍出的原始照片因光源、空气衰减、及探测器响应等原因还是会出现光强不一致的情况。因此在开始测量前，优选地进行各个检测通道的校准。通过通道校准，可以将不同通道间的光谱光强修正一致。例如在对目标区域进行目标气体遥测前，校准所述检测通道。下面描述根据本发明一个实施例的校准检测通道的方法。
在校准时，以所述参考通道为基准，对所述检测通道进行逐像素的光强校准，使得所述检测通道获得的图像中每个像素点的光强值和所述参考通道获得的图像中对应像素点的光强值一致，从而获得所述检测通道的修正系数。
如果所述目标区域还包括干扰气体的话，那么在对目标区域进行目标气体遥测前，可以校准所述检测通道和所述干扰通道。例如通过以下方法校准所述检测通道和干扰通道。
以所述参考通道为基准，对所述检测通道和所述干扰通道进行逐像素的光强校准，使得所述检测通道和所述干扰通道分别获得的图像中每个像素点的光强值和所述参考通道获得的图像中对应像素点的光强值一致，从而获得所述检测通道和所述干扰通道的修正系数。下文将对如何校准进行更详细的描述。通道校准可以通过标准板进行校准，标准板要求在各个通道的波长范围的反射率是固定已知的，为了方便校准过程，可采用各通道波长范围内的反射率基本相同的标准板进行校准，以参考通道为基准，检测通道和干扰通道所拍的照片需要进行逐像素的光强校准,校准算法将在下文描述。经过修正后，每一个通道的每个像素的光强值都和参考通道的对应像素的光强值一致，这样，参考通道就可以表征各通道在没有被气体吸收前的光强结果。各通道修正系数在后续测量过程中对各通道拍出的原始照片进行修正，得到光强校准后的各通道照片。
根据本发明实施例的方法，对目标区域进行拍照，所拍获得的不同通道照片如图8A、8B和8C所示(照片均经过强度修正)。检测通道照片包含的信息有背景环境、被测气体气团(本例为CH4)、干扰气体气团(本例为CO2)；参考通道所包含的信息只有背景环境；干扰通道所包含的信息有背景环境、干扰气体气团(本例为CO2)。
根据本发明的一个优选实施例，所述目标气体的分布参数包括目标气体浓度的二维分布。以下为各气体浓度二维分布的计算过程。
由Beer-Lambert定律可知，光透过气体后的吸收公式为：
公式1.
其中：
It为被气体吸收后的光强；
I0为气体吸收之前的光强；
αi为第i种气体吸收系数，与波长相关；
Ni为第i种气体浓度和气团厚度的乘积；
公式2.
针对本发明所述气体浓度的二维分布求解，Beer-Lambert公式可以表述为：
公式3：
上式，
结合图8A、8B和8C，分析干扰通道内干扰气体(CO2)浓度分布的计算过程如下：由于干扰通道内
所以干扰通道可以将公式3简化为公式4，通过将干扰通道照片和参考通道照片中的每一个像素点的光强值带入公式4，可以计算出干扰气体(CO2)的二维空间分布。
公式4：
利用参考通道获的干扰气体浓度分布信息后，就可以将干扰通道的浓度分布作为已知量带入到检测通道的计算公式种，这里注意区分不同通道的气体吸收系数
是不一样的。计算目标气体(CH4)的二维分布可以根据公式3获得，
是由检测通道照片和参考通道照片中的每一个像素点的光强值获得，
由上一步干扰通道测量获得，
和
分别为检测通道光谱通带范围内的干扰气体和目标气体的吸收系数，可以通过测量或理论计算出。这样公式3只有一个未知量，即目标气体二维分布矩阵
所以方程是可解的。
至此，就已经获得了干扰气体和目标气体的二维浓度分布信息了，为了更加直观的向用户展示二维浓度分布情况，可以通过伪彩图的方式将气体浓度分布通过颜色显示出来。在实际工程应用中，可以通过放置摄像头，将摄像头的视场调节为与检测通道、参考通道以及干扰通道一致，通过摄像头可以获得现实环境的照片，将气体分布的伪彩图叠加在摄像头拍摄的照片上，可以帮助用户准确获得气体分布的位置和浓度结果。显示结果如图9所示。
根据本发明的一个优选实施例，使用太阳光、照明灯、路灯、或红外灯作为光源，用于所述光谱成像。如图2所示，气体分子在近红外到中红外波段有非常丰富的特征吸收，但由于太阳光谱分布和大气吸收的原因，地表的太阳光中基本上没有中红外光，如图3所示，所以，若需要用到中红外波段的光来进行气体测量，则需要额外使用红外灯进行照射。
以上描述了根据本发明实施例的用于进行目标气体遥测的方法100。本领域技术人员容易理解，方法100不仅可用于识别出一种目标气体的分布参数，也可以识别出多种目标气体的分布参数。
图10示出了根据本发明一个实施例的一种可对目标区域进行目标气体遥测的装置200的结构框图，下面参考图10详细描述。
如图10所示，装置200包括多个滤光单元201、多个探测器阵列202以及处理单元203。图10中示出了具有三个滤光单元201，分别为第一滤光单元201-1、第二滤光单元201-2以及第三滤光单元201-3，分别对应于本发明上面实施例中所述的检测通道、参考通道和干扰通道。装置200可用于对例如图1所示的目标区域进行图像采集。其中，第一滤光单元201-1对来自所述目标区域的光束进行滤光后照射在所述探测器阵列202上进行光谱成像，获得第一图像，其中，所述第一滤光单元201-1的通带范围内存在所述目标气体的光谱吸收(以及可选的干扰气体的光谱吸收)。所述第二滤光单元201-2对来自所述目标区域的光束进行滤光后照射在所述探测器阵列202上进行光谱成像，获得第二图像，其中，所述第二滤光单元201-2的通带范围内不存在所述目标气体的光谱吸收(并且优选地不存在目标区域其他环境气体的光谱吸收)。所述第三滤光单元201-3对来自所述目标区域的光束进行滤光后照射在所述探测器阵列202上进行光谱成像，获得第三图像，其中，所述第三滤光单元201-3的通带范围内存在所述干扰气体的光谱吸收，不存在所述目标气体的光谱吸收。本领域技术人员理解，所述第三滤光单元201-3是可选的，也就是当第一滤光单元的通带范围不存在干扰气体的光谱吸收时，也可以不提供或者设置第三滤光单元201-3。例如，以CH4检测为例(即目标气体为CH4)，如图4A所示，考虑只具有参考通道和检测通道的情况，此时第一滤光单元的通带范围例如为1550nm-1560nm(该波长范围无CH4及其他环境气体的光谱吸收)，第一滤光单元的通带范围例如选择为1660nm-1670nm(该波长范围包括CH4的光谱吸收，不包括干扰气体的光谱吸收)。
同样以CH4检测为例，为了描述目标气体受干扰气体影响的情况，例如可以选择第一滤光单元201-1的通带波长范围为1645nm～1655nm、第三滤光单元201-3的通带波长范围为1600nm～1610nm、第二滤光单元201-2的通带波长范围为1550nm～1560nm。理论上，各通道滤光片通带越窄，气体的选择性越好，气体间的相互干扰就越小，测量精度也越高。例如可选择大约10nm带宽的滤光片，或者选择几个nm甚至零点几nm的滤光片来提高测量精度和选择性。
探测器阵列202设置在第一滤光单元201-1、第二滤光单元201-2和第三滤光单元201-3的下游，接收经过滤光的光束并感光，将光信号转换成电信号并传送给所述处理单元203。所述处理单元203配置成可执行如上所述的方法100，根据所述第一图像和所述第二图像(以及可选的第三图像)计算所述目标气体的分布参数。所述探测器阵列例如为面阵探测器，包括Si探测器、InGaAs探测器、InAs探测器、InAsSb探测器等。
另外，图10中所述探测器阵列202示为是多个分离的探测器阵列，本发明的保护范围不限于此，探测器阵列202也可以是一个集成的探测器阵列，下面将给出具体的实施例。
图11、图12和图13分别示出了所述装置200的三个实施例，下面分别参考附图详细描述。
如图11所示，所述装置200包括一个集成的探测器阵列202，所述探测器阵列202上例如包括多个探测器单元组成的面阵，不同的探测器单元分别采集所述第一图像、第二图像和第三图像，其中所述探测器阵列202中的每一个所述探测器单元上设置有所述第一滤光单元201-1、第二滤光单元201-2、和第三滤光单元201-3中的一个，每个探测器单元前面仅设置一种滤光单元。图11中，环境光由太阳或其他红外光源提供。另外如图11所示，所述装置200优选地还包括接收透镜204，用于将目标视场成像到所述探测器阵列202上。
所述第一滤光单元201-1、第二滤光单元201-2、和第三滤光单元201-3优选地按照一定规则排布在所述探测器单元的面阵上，例如如图11所示的，第一行为第一滤光单元201-1，第二行为第二滤光单元201-2，第三行为第三滤光单元201-3，依次循环。在此情况下，所述处理单元(图11中未示出)在所述探测器阵列的输出信号中，选择第1、4、7、10…行的输出信号作为第一图像，选择第2、5、8、11…行的输出信号作为第二图像，选择第3、6、9、12…行的输出信号作为第三图像。
可替换的，在每一行和每一列中，所述第一滤光单元201-1、第二滤光单元201-2、和第三滤光单元201-3依次排布。在此情况下，所述处理单元(图11中未示出)在所述探测器阵列的输出信号中，选择每一行中第1、4、7、10…列的输出信号作为第一图像，选择每一行中第2、5、8、11…列的输出信号作为第二图像，选择每一行中第3、6、9、12…列的输出信号作为第三图像。
所述处理单元进而可以根据所述第一图像、第二图像以及可选的第三图像来计算所述目标气体的分布参数。
在图12的实施例中，所述装置200还包括分束器205，目标视场内的光经过接收透镜204后被分束器分成多路光线(例如按一定光强比例进行分光)，每一路光线经过一种带通滤光片后成像到其后的面阵探测器上，每路滤光片的通带范围和所需测量的光谱通道相关。如图12所示，探测器阵列202包括第一探测器阵列202-1、第二探测器阵列202-2和第三探测器阵列202-3，所述分束器205将来自所述目标区域的光束进行分束，分束后的光束分别入射到所述第一滤光单元201-1、第二滤光单元201-2和第三滤光单元201-3上，滤光后分别通过第一探测器阵列202-1、第二探测器阵列202-2和第三探测器阵列202-3采集所述第一图像、第二图像和第三图像。在此情况下，第一探测器阵列202-1、第二探测器阵列202-2和第三探测器阵列202-3的输出可以直接用于生成第一图像、第二图像和第三图像，而无需进一步分割。
在图13所示的实施例中，所述装置200还包括设置在所述探测器阵列202的光路上游的可旋转的滤光片轮，所述滤光片轮上设置有第一滤光单元201-1、第二滤光单元201-2、和第三滤光单元201-3，其中所述探测器阵列202配置成可随着所述滤光片轮的旋转而采集所述第一图像、第二图像和第三图像。例如在第一时刻，所述滤光片轮的位置正好使得第一滤光单元201-1覆盖在所述探测器阵列202上，此时探测器阵列202输出的信号可用于生成第一图像；在第二时刻，所述滤光片轮的位置正好使得第二滤光单元201-2覆盖在所述探测器阵列202上，此时探测器阵列202输出的信号可用于生成第二图像；在第三时刻，所述滤光片轮的位置正好使得第三滤光单元201-3覆盖在所述探测器阵列202上，此时探测器阵列202输出的信号可用于生成第三图像。因此在此情况下，处理装置可以根据时间的不同来区分第一图像、第二图像和第三图像。
根据本发明的一个实施例，所述装置200还包括摄像头。摄像头可采集所述目标区域的图片，所述处理单元配置可在所述目标区域的图片上叠加所述目标气体的分布参数。在实际工程应用中，可以通过在本装置边上放置摄像头，将摄像头的视场和本装置调节一致，通过摄像头可以获得现实环境的照片，将气体分布的伪彩图叠加在摄像头拍摄的照片上，可以帮助用户准确获得气体分布的位置和浓度结果。显示结果如图9所示。
图14示出了如何校准各个检测通道的示意图。通道校准可以通过标准板进行校准，标准板要求在各个通道的波长范围的反射率是固定已知的，为了方便校准过程，可采用各通道波长范围内的反射率基本相同的标准板进行校准，以参考通道为基准，检测通道(第一滤光单元)和干扰通道(第三滤光单元)所拍的照片需要进行逐像素的光强校准,校准算法如公式5所示，公式6为公式5的矩阵表示。经过修正后，每一个通道的每个像素的光强值都和参考通道的对应像素的光强值一致，这样，参考通道就可以表征各通道在没有被气体吸收前的光强结果。各通道修正系数在后续测量过程中对各通道拍出的原始照片进行修正，得到光强校准后的各通道照片。另外，通道校准是在标准大气环境下进行，无目标气体泄漏。
公式5：[检测/干扰通道照片].*[检测/干扰通道修正系数]＝[参考通道照片]
公式6：
上述公式中，amn为测量/干扰通道获得的第一图像/第三图像的某一像素点的光强值，rmn为参考通道获得的第二图像中与第一/第三图像相对应(图11、图12、图13的对应关系有不同)的像素点的光强值；kmn即为测量/干扰通道获得的第一图像/第三图像的该像素点的光强修正系数，其中amn·kmn＝rmn，kmn即构成测量/干扰通道光强修正系数矩阵，进行逐像素的光强校准。
在此情况下，图8A、8B和8C的图像优选地是经过修正的图像。
本发明在上述实例的基础上，可以通过配置更多的波长通道，实现更多种气体遥测。本发明参考通道和其他通道间的波长间距越小越好，这样测量过程中环境光的光谱分布在各通道间的差异就越小(由于同一物体对不同波长的反射率有差异)，因此，测量结果就会越精确。
本发明适于测量大气中含量少，如CH4、H2S等这类泄漏会带来危险的气体，CH4是天然气主要成分易燃易爆，H2S是工业用气体对人有伤害。
以上描述了根据本发明的通过多光谱成像实现气体二维浓度遥测的装置和方法。本发明所述的多光谱成像的波长范围应该依据目标气体的吸收波长、干扰气体(可能不止一种)的吸收波长综合选择，若所选检测通道波长范围内只有目标气体存在吸收，那么就不需要建立干扰气体探测通道(即干扰通道)；若所选检测通道波长范围内存在其他干扰气体，那么就需要建立干扰气体探测通道。此外，还需要选择没有任何气体吸收的波长范围作为参考通道，用来表征没有被气体吸收的光强信息。以上各个检测通道的波长范围应该尽量靠近但没有交叠，各通道的波长范围越窄越好。本发明的通道间光强校准的方法，通过对标准板成像，获得不同光谱通道的光强信息，通过修正系数(二维矩阵)将各个通道的每个像素点的光强调节为和参考通道一致(公式6所示)，这样参考通道的光强就可以用来表征各个测量和干扰通道在气体未吸收情况下的光强。
本发明所述的Beer-Lambert吸收公式的矩阵表示方式，并以此为基础，推导出了干扰气体测量公式和目标气体的测量公式。
本发明所述的一种气体浓度二维分布的显示方式，本方式通过在本发明装置上安装摄像头获取到目标视场的照片，并以此照片为背景，叠加显示浓度分布的伪彩图层，背景照片视场应和气体浓度分布图重叠和对齐。
本发明的方法和装置具有以下优点：
1.一次曝光即可获得浓度二维分布信息，远远小于点扫描式所需的测量时间。
2.使用环境光作为光源，遥测距离不再受到发射光光功率的限制，因此，可以在远距离遥测仪应用中功耗更低。
3.由于使用环境光作为光源，所以不会因为环境光而增加测量噪声。
4.本发明机械零件少，无需额外的云台或动镜，结构简单，容易实现轻量化。此外没有激光器、没有光谱仪等对运行环境要求较高的零件，所以，本发明的应用范围更广。
5.本发明随着近红外和中红外面阵探测器的技术越来越成熟，价格和性能会越来越有优势。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，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。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (21)
1.一种可对目标区域进行目标气体遥测的方法，包括：
通过检测通道对所述目标区域进行光谱成像，采集第一图像，其中所述检测通道存在所述目标气体的光谱吸收；
通过参考通道对所述目标区域进行光谱成像，采集第二图像，其中所述参考通道不存在所述目标气体的光谱吸收；和
根据所述第一图像和所述第二图像，计算所述目标气体的分布参数。
2.根据权利要求1所述的方法，如果所述检测通道同时存在干扰气体的光谱吸收，所述参考通道不存在所述干扰气体的光谱吸收，所述方法还包括：通过干扰通道对所述目标区域进行光谱成像，采集第三图像，其中所述干扰通道存在所述干扰气体的光谱吸收，并且不存在所述目标气体的光谱吸收，
其中所述计算目标气体的分布参数的步骤包括：根据所述第一图像、所述第二图像以及所述第三图像，计算所述目标气体的分布参数。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述采集第一图像的步骤包括：通过所述检测通道中的第一滤光单元对来自所述目标区域的光束进行滤光，并采集所述第一图像，其中在所述第一滤光单元的通带范围内存在所述目标气体的光谱吸收；
所述采集第二图像的步骤包括：通过所述参考通道中的第二滤光单元对来自所述目标区域的光束进行滤光，并采集所述第二图像，其中在所述第二滤光单元的通带范围内不存在所述目标气体的光谱吸收。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述采集第三图像的步骤包括：通过干扰通道中的第三滤光单元对来自所述目标区域的光束进行滤光，并采集所述第三图像，其中在所述第三滤光单元的通带范围内存在所述干扰气体的光谱吸收，并且不存在所述目标气体的光谱吸收。
5.根据权利要求4所述的方法，还包括：通过一分束器将来自所述目标区域的光束进行分束，分束后的光束分别入射到所述第一滤光单元、第二滤光单元和第三滤光单元上，滤光后分别通过第一探测器阵列、第二探测器阵列和第三探测器阵列采集所述第一图像、第二图像和第三图像。
6.根据权利要求4所述的方法，其中通过一探测器阵列采集所述第一图像、第二图像和第三图像，其中所述探测器阵列中的每一个探测器单元上设置有所述第一滤光单元、第二滤光单元、和第三滤光单元中的一个。
7.根据权利要求4所述的方法，其中通过一探测器阵列采集所述第一图像、第二图像和第三图像，其中在所述探测器阵列的光路上游设置有可旋转的滤光片轮，所述滤光片轮上设置有第一滤光单元、第二滤光单元、和第三滤光单元。
8.根据权利要求1-7任一项所述的方法，还包括：在对目标区域进行目标气体遥测前，校准所述检测通道。
9.根据权利要求8所述的方法，所述校准所述检测通道的步骤包括：以所述参考通道为基准对所述检测通道进行逐像素的光强校准，使得所述检测通道获得的图像中每个像素点的光强值和所述参考通道获得的图像中对应像素点的光强值一致，从而获得所述检测通道的修正系数。
10.根据权利要求2-7任一项所述的方法，还包括：在对目标区域进行目标气体遥测前，校准所述检测通道和所述干扰通道，
其中所述校准所述检测通道和干扰通道的步骤包括：以所述参考通道为基准对所述检测通道和所述干扰通道进行逐像素的光强校准，使得所述检测通道和所述干扰通道分别获得的图像中每个像素点的光强值和所述参考通道获得的图像中对应像素点的光强值一致，从而获得所述检测通道和所述干扰通道的修正系数。
11.根据权利要求1-7中任一项所述的方法，其中所述目标气体的分布参数包括目标气体浓度的二维分布。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述目标气体浓度的二维分布根据下述公式得到：
上式中，
13.根据权利要求1-7所述的方法，其中使用太阳光、照明灯、路灯、或红外灯作为光源，用于所述光谱成像。
14.一种可对目标区域进行目标气体遥测的装置，包括：
探测器阵列，
第一滤光单元，所述第一滤光单元对来自所述目标区域的光束进行滤光后照射在所述探测器阵列上进行光谱成像，获得第一图像，其中，所述第一滤光单元的通带范围内存在所述目标气体的光谱吸收；
第二滤光单元，所述第二滤光单元对来自所述目标区域的光束进行滤光后照射在所述探测器阵列上进行光谱成像，获得第二图像，其中，所述第二滤光单元的通带范围内不存在所述目标气体的光谱吸收；
处理单元，所述处理单元耦接到所述探测器阵列，并配置成可根据所述第一图像和所述第二图像计算所述目标气体的分布参数。
15.根据权利要求14所述的装置，其中如果所述第一滤光单元的通带范围同时存在干扰气体的光谱吸收，所述第二滤光单元的通带范围不存在所述干扰气体的光谱吸收，所述装置还包括第三滤光单元，所述第三滤光单元对来自所述目标区域的光束进行滤光后照射在所述探测器阵列上进行光谱成像，获得第三图像，其中，所述第三滤光单元的通带范围内存在所述干扰气体的光谱吸收，不存在所述目标气体的光谱吸收，
其中所述处理单元配置成可根据所述第一图像、所述第二图像以及所述第三图像计算所述目标气体的分布参数。
16.根据权利要求14或15所述的装置，还包括分束器，所述探测器阵列包括第一探测器阵列、第二探测器阵列和第三探测器阵列，所述分束器配置成可将来自所述目标区域的光束进行分束，分束后的光束分别入射到所述第一滤光单元、第二滤光单元和第三滤光单元上，滤光后分别通过第一探测器阵列、第二探测器阵列和第三探测器阵列采集所述第一图像、第二图像和第三图像。
17.根据权利要求14或15所述的装置，其中所述装置包括一个探测器阵列，所述探测器阵列上不同的探测器单元分别采集所述第一图像、第二图像和第三图像，其中所述探测器阵列中的每一个所述探测器单元上设置有所述第一滤光单元、第二滤光单元、和第三滤光单元中的一个。
18.根据权利要求14或15所述的装置，还包括设置在所述探测器阵列的光路上游的可旋转的滤光片轮，所述滤光片轮上设置有第一滤光单元、第二滤光单元、和第三滤光单元，其中所述探测器阵列配置成可随着所述滤光片轮的旋转而采集所述第一图像、第二图像和第三图像。
19.根据权利要求14或15所述的装置，还包括接收镜头，所述接收镜头配置成可接收来自所述目标区域的光束并会聚到所述探测器阵列上。
20.根据权利要求14或15所述的装置，还包括摄像头，所述摄像头配置成可采集所述目标区域的图片，所述处理单元配置可在所述目标区域的图片上叠加所述目标气体的分布参数。
21.根据权利要求14或15所述的装置，其中所述目标气体的分布参数包括目标气体浓度的二维分布。
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