CN116026475A - 基于非制冷红外相机的气体预警和辐射校准系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供基于非制冷红外相机的气体预警和辐射校准系统及方法，系统包括：非制冷红外相机、带通滤光片、遮光快门、镜头，并通过对相机非均匀性校正、仪器内部自身辐射校正、电压值‑温度值转换，获取不同波段的温度数据，以进行系统辐射校准；采用了8‑14μm红外大气窗口波段，基于被动红外遥测原理，以自然物体为背景，无需额外光源；系统采用多个宽带滤光片获取气体的多光谱信息，根据多光谱信息对目标成分识别和预警。本发明解决了现有技术红外校准效果较差导致气体成像遥测精度偏低且需要使用主动光源的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及气体成像遥测探测领域，具体涉及基于非制冷红外相机的气体预警和辐 射校准系统及方法。
背景技术
危化气体的泄漏造成严重危害。危化气体的监测预警在工业生产、 应急处理、救援与防护中具有重要意义。
在现有的危化气体在线监测技术中，现场采样虽然灵敏度高，但需要人员进入危险 区，可能对操作人员造成身体伤害，且样品分析需耗费一定时间，无法满足在线监测需求。气体传感器虽然在工业管道中部署监测，但覆盖区域通常有限，无法适用于气体大 范围扩散场景。气体遥测技术可远距离对气体成分、区域分布、扩散态势进行在线预警，在实际应用中具有明显优势。
气体遥测成像按照采集原理的不同，分为高光谱气体成像、多光谱气体成像、气体热像检测技术。高光谱成像仪器主要利用FTIR(傅里叶变换红外)原理，采集气体的红外指纹光谱，对气体遥测识别和预警；FTIR灵敏度高，测量种类多达千种，检测距 离远，但需要性能较高的制冷型探测器，售价通常在百万人民币以上。多光谱气体成像 仪器采用滤光片或者静态分光结构，光谱分辨率较低，测量种类通常几十种，采用非制 冷焦平面探测器对气体成像，售价降低同时满足工业应用需求。气体热像检测通过检测 气体温度获取羽流图像，缺点是仅能够检测单种气体，如果检测另外气体需要更换前置滤光片，且气体预警需要人工观察。例如公开号为CN105044758A的现有专利文献《光 谱成像检测器》包括光电二极管阵列的一维多元件光电检测器，所述光电二极管阵列具 有第一上部行光电二极管像素和第二下部行光电二极管像素。光电二极管阵列是所述光 电检测器的一部分。闪烁器阵列包括第一上部行闪烁器像素和第二下部行闪烁器像素。 第一上部行闪烁器像素和第二下部行闪烁器像素分别与第一上部行光电二极管像素和第二下部行光电二极管像素光耦合。光电检测器也包括读取电子装置，所述读取电子装 置也是所述光电检测器的一部分。电迹线将光电二极管像素与读取电子装置互连。由该现有技术中的说明书部分可知，该现有的光谱成像检测器中安装的X射线管等的辐射源 由转动机架支承并随之转动，并且发出辐射。源准直器将发出辐射校准以形成大体为锥 形、扇形、楔形或其它形状的横穿检查区域的辐射束，可知现有技术中的光谱检测数据 易受仪器内部辐射干扰，导致检测精度偏低。
如图1及图2所示，加拿大Telops公司研发了HyperCam系列红外成像光谱仪，较 大的红外焦平面配合成像光谱结构，能够同时采集数万个空间位置的光谱信息，通过高 速并行分析处理算法，直接得到目标云团在二维平面上的空间分布，极大提升了红外遥 测技术的能力范围。
如图3及图4所示，针对红外波段单元探测器成像能力欠缺，而面阵探测器成本高昂且带宽有限的技术瓶颈，德国Bruker公司提出了扫描成像的技术途径，通过高速傅里 叶变换干涉仪模块和二维扫描机构的结合，在保证带宽范围的前提下，重构出单元探测 结果的空间分布，实现红外光谱分析结果的成像显示。代表性产品为该公司的SIGIS2。
近年来，采用非制冷探测器的多光谱成像技术快速发展，其具有可成像、可预警、价格适中的优点。
如图5及图6所示，法国Bertin公司的Second-Sight系列产品由一个覆盖待检测气体光谱特征的红外热成像仪和一个滤光模块组成，滤光模块装有参考滤光片和测量滤光片两种类型滤光片。Second-Sight系列产品使用384×272像素的非制冷红外焦平面探测器，工作在8～14μm的长波范围内，采用红外长通滤光片而不是传统光学气体检测中使用的窄带滤光片，提供了高红外传输，检测精度高，报警灵敏。其保留了摄像机的成像 功能，能对泄漏气体云团可视化。
如图7及图8所示，美国的Rebellion公司研制的GCI气体成像遥测系统，采用静 态分光技术获取气体多光谱信息，仪器通过视觉来在线识别和量化气体泄漏，检测距离 可达到1.6公里。该智能监控系统整合了一个先进的人工智能驱动软件平台，当检测到 气体泄漏、火灾或安全问题时，该平台会自动向工厂操作人员发出警报，并提供详细的 分析。GCI开发了专有的光谱成像技术和探测算法，精确定位泄漏源，应用于石化工业 方面的泄漏检测和监控。
如图9及图10所示，美国FLIR公司研究的Gas FindIR系列产品是基于气体分子 红外特征吸收的基础上，通过在红外焦平面阵列前添加透过率与气体分子键振动或转动 能量跃迁波长相一致的红外窄带通滤光片，并将红外焦平面阵列和窄带通滤光片共同制 冷减小系统内部红外辐射，实现气体的可视化测量。不同的气体红外特征吸收峰光谱不同，因此FLIR公司针对不同气体开发了不同型号的系列产品。例如工作光谱范围为 10.3～10.7um的GF304型号能对六氟化硫进行测量；工作光谱范围为3.2～3.4um的GF300 型号能对甲烷进行测量；工作光谱范围为4.52～4.76um的GF346型号能对一氧化碳进行测量等。
气体热像检测的缺点是同时只能对一种气体进行检测，图像显示结果还需人工判别，不具有预警功能，应用场景有限。
以上几种气体成像技术的优缺点对比如下：
表1不同技术分类及对比
公开号为CN113340425A的现有专利文献《一种面向星地激光通信的红外云成像仪系统》包括光学感应模块、通信控制模块、算法单元，光学感应模块由微波辐射热计相 机搭载广角镜头组成，通信控制模块利用微型计算机，采用服务器-客户端模式，算法 单元包括辐射定标算法模块和云的光学深度算法模块。该现有专利申请文献中披露的技 术方案利用场景遥感图像和实时的温度信息，通过焦平面阵列温度校正系数，得到修正后的相机稳定响应。通过实验室黑体辐射校准，将修正后的相机响应值转化为辐射值图 像。该现有技术中针对该系统所处位置上空视场获取的云红外灰度图像，经辐射定标出 理和光学深度算法分析，得到天空的红外辐射图像和云的光学深度数值分布图像，该方 法采用辐射标点原理仅解决图像检测及处理，无法排除系统设备内部产生的辐射干扰。
通过以上不同技术对比可以看到，多光谱气体成像技术在检测性能和价格方面较为 均衡，能够满足工业场景中危化气体在线检测需求，但目前相关技术主要被国外垄断，国内尚无成熟产品，亟需突破气体成像遥测技术和探测算法。
综上，现有技术红外校准效果较差导致气体成像遥测精度偏低且需要使用主动光源 的技术问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于如何解决现有技术红外校准效果较差导致气体成 像遥测精度偏低且需要使用主动光源的技术问题。
本发明是采用以下技术方案解决上述技术问题的：基于非制冷红外相机的气体预警 和辐射校准系统包括：
镜头，其设置于预置外部光线入射位置，用以收集外部气体反射入射光线，以进行气体成像；
不少于2个的滤光片，其装载于滤光片轮，用以通过旋转滤光片轮切换大气窗口波段，其中，大气窗口波段包括区间[8μm，14μm]，滤光片为带通滤光片；
非制冷红外相机，其安装于滤光片的外部气体反射入射光线方向上，用以获取红外 图像；
气体成像模块，用以利用红外图像获取一滤光片的单像素辐亮度，对两个单像素做 差，以得到辐亮度差，根据辐亮度差做比值处理得到目标多光谱特征，以预置逻辑处理长波端截止波长、目标短波端截止波长及参考滤光片短波端截止波长，以得到目标多光 谱表示数据；利用最小二乘法处理多光谱表示数据，以得到目标气体的气体浓度程长值，气体成像模块与滤光片及非制冷红外相机连接；
非均匀校正模块，用以在预置温度环境下，测量不少于2个的差异温度黑体，据以得到电压值，计算差异温度黑体的所有像素的平均值，利用斯特藩-玻尔兹曼定律计算 差异温度黑体的辐射出射度，以得到响应标准值及偏置标准值，对每个像素的偏置进行 校准，利用最小二乘法处理得到每个像素的偏置项校准值，以校准每个像素的响应，处 理差异温度黑体的温度平均值以及温度平均值，据以将像素的响应平移到标准值，以作为非均匀性校正结果，非均匀校正模块与非制冷红外相机连接；
温度校正模块，用以采集获取镜头温度和机芯温度，分别测量不少于2个温度黑体电压值，根据像素电压值及镜头机芯温度非线性模型处理像素的电压值、镜头温度、响应及机芯温度，并(9)利用最小二乘法计算机芯相关校正系数、镜头相关校正系数及预 置常数，据以得到温度校正结果，温度校正模块与非均匀校正模块连接；
遮光快门校正模块，用以转动遮光快门至镜头及滤光片之间的预置遮光位置，以测 量快门电压值，以外部测量电压值减去快门电压值，据以得到校正后电压值，遮光快门校正模块与温度校正模块连接；
辐射定标模块，用以将相机测量电压值转换为温度值，据以处理得到辐射定标系数， 将预设数目的黑体置于镜头的光线采集位置，测量系统稳定黑体电压值，提取黑体的黑 体区域像素，设定其余黑体的温度，以获取并处理差异温度电压平均值，据以获取辐射定标系数，以进行辐射校准，辐射定标模块与遮光快门校正模块连接。
本发明获取不同波长的红外图像，根据气体在不同波长的多光谱特征对其进行识别 分类。系统的辐射校准是将电压值转换为温度值。本发明针对仪器内部辐射变化、多光谱数据受到仪器内部辐射干扰，导致气体目标检测不出或者虚警系统的问题，采用非均 匀校正将各个像元的响应和偏置校准至同一数值，并对温度变化进行校正、并利用遮光快门配合校正模型得到辐射定标参数，实现了仪器辐射校准。
本发明通过对相机非均匀性校正、仪器内部自身辐射校正、电压值-温度值转换，获取不同波段的温度数据。系统具有成本较低、可成像、远距离遥测、无需主动光源、 多种气体同时监测的优点。同时，本发明采用了8-14μm红外大气窗口波段，基于被动 红外遥测原理，以自然物体为背景，无需额外光源。
在更具体的技术方案中，气体成像模块包括：
辐亮度处理单元，用于以下述逻辑处理获取某一滤光片的一个像素的辐亮度：
L＝∫[LBB(TB)τCloud+LBB(TCloud)(1-τCloud)]dλ
＝∫{[LBB(TB)-LBB(TCloud)]τCloud+LBB(TCloud)}dλ
式中，TB是背景物体温度；TCloud是云团温度；LBB是等效黑体辐亮度；τCloud是云团透过 率；
辐亮度做差单元，用以这两个不同的单像素的云团温度、浓度都相同，背景温度不同，对两个相邻的像素做差，据以得到辐亮度差，辐亮度做差单元与辐亮度处理单元连 接：
ΔL＝∫[LBB(TB1)-LBB(TB2)]τClouddλ；
多光谱特征单元，用以设目标滤光片的序号为n，参考滤光片的序号为m，以两者的辐亮度差的比值作为目标多光谱特征，多光谱特征单元与辐亮度做差单元连接：
多光谱表示单元，用于以下述逻辑处理长波端截止波长、目标短波端截止波长及参 考滤光片短波端截止波长，以得到目标多光谱表示数据，多光谱表示单元与多光谱特征单元连接：
式中，λC是系统的长波端截止波长；λact和λref是目标和参考滤光片的短波端截止波长；
程长值处理单元，用以测量不同的浓度程长值的气体，以回归得到系数a和b，据以通过下述最小二乘回归逻辑处理目标多光谱表示数据，据以得到浓度程长值，程长值 处理单元与多光谱表示单元连接：
C＝a+bηnm。
本发明采用多个宽带滤光片获取气体的多光谱信息，根据多光谱信息实现了目标成 分识别和预警。
在更具体的技术方案中，非均匀校正模块包括：
黑体电压值测量单元，用以在预置温度环境下，测量不少于2个的差异温度黑体，据以得到电压值U1,(i,j)和U2,(i,j)，其中，(i,j)表示第i行第j列；
响应偏置处理单元，用以计算差异温度黑体的所有像素的平均值
和
利用斯特藩-玻尔兹曼定律计算差异温度黑体的辐射出射度Φ1和Φ2，以得到响应标准值A及偏 置标准值B，响应偏置处理单元与黑体电压值测量单元连接；
黑体温度均值差值处理单元，用以对每个像素的偏置进行校准，以第一差异温度黑 体的温度平均值
作为第一标准值，据以处理得到像素(i,j)的电压值U1,(i,j)与第一差异 温度黑体的温度平均值
的第一差值ΔU1,(i,j)，以第二差异温度黑体的温度平均值
作为第二标准值，计算像素(i,j)的电压值U2,(i,j)与第二差异温度黑体的温度平均值
的第 二差值ΔU2,(i,j)，黑体温度均值差值处理单元与响应偏置处理单元连接；
偏置校准处理单元，用以利用最小二乘法处理第一差值ΔU1,(i,j)、第二差值ΔU2,(i,j)、 第一差异温度黑体的温度平均值
以及第二差异温度黑体的温度平均值
据以得到 每个像素的偏置项校准值，以校准每个像素的响应，偏置校准处理单元与黑体温度均值 差值处理单元连接；
响应平移单元，用以处理第一差异温度黑体的温度平均值
以及第二差异温度黑体的温度平均值
据以得到响应a作为标准值，以将像素(i,j)的响应平移到标准值， 以作为非均匀性校正结果，响应平移单元与偏置校准处理单元连接。
本发明直接以电压值显示的图像会因像素不同呈现不同灰度，并通过非均匀性校正 将像素的响应平移到标准值，改善了针对仪器内部偏置的辐射校准效果。
在更具体的技术方案中，响应偏置处理单元以下述逻辑计算差异温度黑体的辐射出 射度Φ1和Φ2，以得到响应标准值A及偏置标准值B：
在更具体的技术方案中，偏置校准处理单元以下述逻辑处理第一差值ΔU1,(i,j)、第二 差值ΔU2,(i,j)、第一差异温度黑体的温度平均值
以及第二差异温度黑体的温度平均值
据以得到每个像素的偏置项校准值，偏置校准处理单元与黑体温度均值差值处理单元连接：
，以校准每个像素的响应。
在更具体的技术方案中，响应平移单元以下述逻辑处理第一差异温度黑体的温度平 均值
以及第二差异温度黑体的温度平均值
据以得到响应a作为标准值，以将像素(i,j)的响应平移到标准值，响应平移单元与偏置校准处理单元连接：
在更具体的技术方案中，温度校正模块包括：
温度采集单元，用以分别设定不同的环境温度，系统稳定后，采集获取镜头温度和机芯温度；
电压测量单元，用以在同一温度下，分别测量不少于2个温度黑体电压值，电压测量单元与温度采集单元连接；
温度校正处理单元，用以根据下述像素电压值及镜头机芯温度非线性模型处理像素 (i,j)的电压值U(i,j)、镜头温度TC、响应及机芯温度Ts：
式中，下标s表示机芯，C表示镜头；a代表机芯相关校正系数；b代表镜头相关校 正系数；c为预置常数，(9)利用最小二乘法计算机芯相关校正系数、镜头相关校正系数及预置常数，据以进行温度校正，温度校正处理单元与温度采集单元及电压测量单元连 接。
本发明通过温度校正处理仪器内部的温度数据以及电信号数据，降低了红外相机接 收的电信号受到镜头温度和机芯温度的共同对电信号的干扰，避免了温度变化对遥测预 警的影响。
在更具体的技术方案中，遮光快门校正模块包括：
遮光快门，遮光快门设置于入射光线所在直线上，用以将遮光快门转至非制冷红外 相机的相机视场内，以测量快门电压值Ush，当需要测量外部辐射时，快门不遮挡视场；
电压数据处理单元，用于以外部测量电压值减去快门电压值：U'＝U-Ush，据以得到校正后电压值，电压数据处理单元与遮光快门连接。
本发明通过转动遮光拍门结合对电压数据的处理，降低了镜头温度变化、滤光片反 射的机芯温度对测量电压值的干扰，利用遮光快门实现对仪器内部辐射进行校正。
在更具体的技术方案中，辐射定标模块包括：
黑体电压值测量单元，用以将预设数目的黑体置于镜头的光线采集位置，设定黑体 的温度，据以测量系统稳定黑体电压值；
电压平均值处理单元，用以提取黑体的黑体区域像素，据以计算电压平均值U，电压平均值处理单元与黑体电压值测量单元连接；
黑体组处理单元，设定其余不少于2个黑体的温度，以循环执行黑体电压值测量单元及电压平均值处理单元对应的步骤，据以获取差异温度电压平均值，黑体组处理单元 与电压平均值处理单元连接；
辐射定标单元，根据下述校正模型处理差异温度电压平均值，据以获取辐射定标系 数，以进行辐射校准：
To＝d3U3+d2U2+d1U+d0。
在更具体的技术方案中，基于非制冷红外相机的气体预警和辐射校准方法包括：
S1、收集外部气体反射入射光线，以进行气体成像；
S2、旋转滤光片轮切换大气窗口波段，其中，大气窗口波段包括区间[8μm，14μ m]，滤光片为带通滤光片；
S3、以非制冷红外相机采集获取红外图像；
S4、利用红外图像获取一滤光片的单像素辐亮度，对两个单像素做差，以得到辐亮度差，根据辐亮度差做比值处理得到目标多光谱特征；以预置逻辑处理长波端截止波长、目标短波端截止波长及参考滤光片短波端截止波长，以得到目标多光谱表示数据；利用 最小二乘法处理多光谱表示数据，以得到目标气体的气体浓度程长值；
S5、在预置温度环境下，测量不少于2个的差异温度黑体，据以得到电压值，计算差异温度黑体的所有像素的平均值，利用斯特藩-玻尔兹曼定律计算差异温度黑体的辐 射出射度，以得到响应标准值及偏置标准值，对每个像素的偏置进行校准，利用最小二 乘法处理得到每个像素的偏置项校准值，以校准每个像素的响应，处理差异温度黑体的 温度平均值以及温度平均值，据以将像素的响应平移到标准值，以作为非均匀性校正结果；
S6、采集获取镜头温度和机芯温度，分别测量不少于2个温度黑体电压值，根据像素电压值及镜头机芯温度非线性模型处理像素的电压值、镜头温度、响应及机芯温度， 并(9)利用最小二乘法计算机芯相关校正系数、镜头相关校正系数及预置常数，据以得 到温度校正结果；
S7、转动遮光快门至镜头及滤光片之间的预置遮光位置，以测量快门电压值，以外部测量电压值减去快门电压值，据以得到校正后电压值；
S8、将相机测量电压值转换为温度值，据以处理得到辐射定标系数，将预设数目的黑体置于镜头的光线采集位置，测量系统稳定黑体电压值，提取黑体的黑体区域像素， 设定其余黑体的温度，以获取并处理差异温度电压平均值，据以获取辐射定标系数，以 进行辐射校准。
本发明相比现有技术具有以下优点：本发明获取不同波长的红外图像，根据气体在 不同波长的多光谱特征对其进行识别分类。系统的辐射校准是将电压值转换为温度值。本发明针对仪器内部辐射变化、多光谱数据受到仪器内部辐射干扰，导致气体目标检测 不出或者虚警系统的问题，采用非均匀校正将各个像元的响应和偏置校准至同一数值，并对温度变化进行校正、并利用遮光快门配合校正模型得到辐射定标参数，实现了仪器 辐射校准。
本发明通过对相机非均匀性校正、仪器内部自身辐射校正、电压值-温度值转换，获取不同波段的温度数据。系统具有成本较低、可成像、远距离遥测、无需主动光源、 多种气体同时监测的优点。同时，本发明采用了8-14μm红外大气窗口波段，基于被动 红外遥测原理，以自然物体为背景，无需额外光源。
本发明采用多个宽带滤光片获取气体的多光谱信息，根据多光谱信息实现了目标成 分识别和预警。
本发明直接以电压值显示的图像会因像素不同呈现不同灰度，并通过非均匀性校正 将像素的响应平移到标准值，改善了针对仪器内部偏置的辐射校准效果。
本发明通过温度校正处理仪器内部的温度数据以及电信号数据，降低了红外相机接 收的电信号受到镜头温度和机芯温度的共同对电信号的干扰，避免了温度变化对遥测预 警的影响。
本发明通过转动遮光拍门结合对电压数据的处理，降低了镜头温度变化、滤光片反 射的机芯温度对测量电压值的干扰，利用遮光快门实现对仪器内部辐射进行校正。本发明解决了现有技术红外校准效果较差导致气体成像遥测精度偏低且需要使用主动光源 的技术问题。
附图说明
图1为HyperCam成像光谱仪实物图；
图2为HyperCam成像光谱仪沼泽区甲烷探测结果示意图；
图3为SIGIS2样机工作示意图；
图4为SIGIS2扫描成像结果示意图；
图5为Second-Sight仪器实物图；
图6为Second-Sight仪器成像检测结果示意图；
图7为GCI仪器实物图；
图8为成像检测结果示意图；
图9为GF300仪器实物图；
图10为成像检测结果；
图11为本发明实施例1的目标滤光片和参考滤光片示意图；
图12为本发明实施例1的基于非制冷红外相机的气体预警和辐射校准系统结构示意图；
图13为本发明实施例1的辐射校准基本流程示意图；
图14为本发明实施例1的非均匀性校正具体流程示意图；
图15为本发明实施例1的温度校正具体流程示意图；
图16为本发明实施例1的遮光快门校正具体流程示意图；
图17为本发明实施例1的辐射定标具体流程示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明 一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在 没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本发明提供的基于非制冷红外相机的气体预警和辐射校准系统采用以下气体检测 原理：
如图11所示，按照气体特征波段不同，利用带通滤光片3将红外波段分割为不同波段。按照特征波段不同，分为目标滤光片和参考滤光片，目标滤光片覆盖目标特征波 段，参考滤光片无目标特征。
目标识别原理如下：
某一滤光片的一个像素获取的辐亮度为：
L＝∫[LBB(TB)τCloud+LBB(TCloud)(1-τCloud)]dλ
＝∫{[LBB(TB)-LBB(TCloud)]τCloud+LBB(TCloud)}dλ (1)
式中TB是背景物体温度；TCloud是云团温度；LBB是等效黑体辐亮度；τCloud是云团透过率。
假设这两个不同像素的云团温度、浓度都相同，背景温度不同，则两个相邻像素做差，得到辐亮度差：
ΔL＝∫[LBB(TB1)-LBB(TB2)]τClouddλ (2)
假设目标滤光片的序号为n，参考滤光片的序号为m，则两者比值为目标多光谱特征：
将式(2)代入式(3)，得到：
式中λC是系统的长波端截止波长；λact和λref是目标和参考滤光片的短波端截止波长。
目标气体的浓度程长值可以通过最小二乘回归得到：
C＝a+bηnm (5)
通过实验室内测量不同浓度程长值的气体，回归得到系数a和b即可计算气体浓度程长值。
如图12所示，本发明提供的基于非制冷红外相机5的气体预警和辐射校准系统包括：
系统结构如下图所示。镜头1作用是收集外部光线，并使物体清晰成像；遮光快门2的作用是测量仪器内部辐射，当需要测量仪器内部辐射时，遮光快门2转到镜头1和 带通滤光片3之间，当需要测量外部辐射时，遮光快门2不遮挡视场；带通滤光片轮4 装载数个带通滤光片3，通过旋转切换不同波段；非制冷红外相机5获取红外图像。
系统获取不同波长的红外图像，根据气体在不同波长的多光谱特征对其进行识别分 类。系统的辐射校准是将电压值转换为温度值。由于仪器内部辐射变化、多光谱数据受到仪器内部辐射干扰，导致气体目标检测不出或者虚警系统的辐射校准是测量过程的关键步骤。
如图13所示，本发明中的校准流程中，设定非制冷红外相机5的像素为M×N， 带通滤光片3个数为K。对于第k个带通滤光片3，系统按照如下流程辐射校准：
S1、非均匀线性校正；
S2、温度校正；
S3、遮光快门校正；
S4、辐射定标。
(1)非均匀性校正
非制冷红外相机5的每个像元的响应和偏置都各不相同，直接以电压值显示的图像 会因像素不同呈现不同灰度。非均匀性校正是将各个像元的响应和偏置校准到同一数值。
测量两个黑体温度电压值，获取响应和偏置的标准值。
如图14所示，在本实施例中，非均匀性校正的步骤S1还包括如下步骤：
S11、在室内常温环境下，测量两个不同温度的黑体，得到电压值U1,(i,j)和U2,(i,j)，其中(i,j)表示第i行第j列。
S12、计算所有像素的平均值
和
根据斯特藩-玻尔兹曼定律计算两个温度下的黑体辐射出射度Φ1和Φ2，代入公式
计算得到A和B作为响应和偏置的标准值。
S13、对每个像素的偏置进行校准。
过程如下：
以黑体温度1的平均值
作为标准值，计算像素(i,j)的电压值U1,(i,j)与
的差值 ΔU1,(i,j)；以黑体温度2的平均值
作为标准值，计算像素(i,j)的电压值U2,(i,j)与
的差值ΔU2,(i,j)；利用最小二乘法，计算每个像素偏置项校准值：
对每个像素的响应进行校准。
以平均值计算的响应a作为标准值，将像素(i,j)的响应平移到标准值，即：
(2)温度校正
非制冷红外相机5接收的电信号受到镜头温度和机芯温度的共同作用，引起电信号 的灵敏度和暗电流变化，需要对温度变化进行校正。
像素(i,j)的电压值U(i,j)与镜头温度TC和机芯温度Ts的非线性模型如下：
式中下标s表示机芯，C表示镜头1；a代表机芯有关的校正系数；b代表镜头1有 关的校正系数；c是常数。
如图15所示，温度校正的步骤S2还包括如下步骤：
S21、分别设定不同的环境温度，系统稳定后，获取镜头温度和机芯温度；
S22、在同一温度下，分别测量3个温度黑体电压值。
S23、根据非线性模型(9)，利用最小二乘法计算系数a，b，c。
(3)遮光快门校正
仪器内部辐射变化(如镜头1的温度变化、带通滤光片3反射的机芯温度)导致测量电压值变化，利用遮光快门2对仪器内部辐射进行校正。
如图16所示，在本实施例中，遮光快门校正的步骤S3还包括如下步骤：
S31、将快门转到相机视场内，测量快门电压值Ush；
S32、外部测量值减去快门数值，U'＝U-Ush得到校正后的电压值。
(4)辐射定标
经过上述校正过程后，辐射定标将非制冷红外相机5测量电压值转换为温度值。辐射定标校正模型为：
To＝d3U3+d2U2+d1U+d0 (10)
如图17所示，辐射定标的校正步骤S4还包括如下步骤：
S41、将黑体放置在仪器前端，设定黑体温度，待系统稳定后，测量黑体电压值；
S42、选取黑体区域像素，计算电压平均值U；
S43、设定其它2个不同黑体温度，重复步骤前述步骤S41及S42；
S44、根据辐射定标校正模型计算得系数d。
综上，本发明获取不同波长的红外图像，根据气体在不同波长的多光谱特征对其进 行识别分类。系统的辐射校准是将电压值转换为温度值。本发明针对仪器内部辐射变化、 多光谱数据受到仪器内部辐射干扰，导致气体目标检测不出或者虚警系统的问题，采用 非均匀校正将各个像元的响应和偏置校准至同一数值，并对温度变化进行校正、并利用遮光快门配合校正模型得到辐射定标参数，实现了仪器辐射校准。
本发明通过对相机非均匀性校正、仪器内部自身辐射校正、电压值-温度值转换，获取不同波段的温度数据。系统具有成本较低、可成像、远距离遥测、无需主动光源、 多种气体同时监测的优点。同时，本发明采用了8-14μm红外大气窗口波段，基于被动 红外遥测原理，以自然物体为背景，无需额外光源。
本发明采用多个宽带滤光片获取气体的多光谱信息，根据多光谱信息实现了目标成 分识别和预警。
本发明直接以电压值显示的图像会因像素不同呈现不同灰度，并通过非均匀性校正 将像素的响应平移到标准值，改善了针对仪器内部偏置的辐射校准效果。
本发明通过温度校正处理仪器内部的温度数据以及电信号数据，降低了红外相机接 收的电信号受到镜头温度和机芯温度的共同对电信号的干扰，避免了温度变化对遥测预 警的影响。
本发明通过转动遮光拍门结合对电压数据的处理，降低了镜头温度变化、滤光片反 射的机芯温度对测量电压值的干扰，利用遮光快门实现对仪器内部辐射进行校正。本发明解决了现有技术红外校准效果较差导致气体成像遥测精度偏低且需要使用主动光源 的技术问题。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对 本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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；而这些修改或 者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.基于非制冷红外相机的气体预警和辐射校准系统，其特征在于，所述系统包括：
镜头，其设置于预置外部光线入射位置，用以收集外部气体反射入射光线，以进行气体成像；
不少于2个的滤光片，其装载于滤光片轮，用以通过旋转所述滤光片轮切换大气窗口波段，其中，所述大气窗口波段包括区间[8μm，14μm]，所述滤光片为带通滤光片；
非制冷红外相机，其安装于所述滤光片的所述外部气体反射入射光线方向上，用以获取红外图像；
气体成像模块，用以利用所述红外图像获取一所述滤光片的单像素辐亮度，对两个所述单像素做差，以得到辐亮度差，根据所述辐亮度差做比值处理得到目标多光谱特征；以预置逻辑处理长波端截止波长、目标短波端截止波长及参考滤光片短波端截止波长，以得到目标多光谱表示数据，利用最小二乘法处理所述多光谱表示数据，以得到目标气体的气体浓度程长值，所述气体成像模块与所述滤光片及所述非制冷红外相机连接；
非均匀校正模块，用以在预置温度环境下，测量不少于2个的差异温度黑体，据以得到电压值，计算所述差异温度黑体的所有像素的平均值，利用斯特藩-玻尔兹曼定律计算所述差异温度黑体的辐射出射度，以得到响应标准值及偏置标准值，对每个像素的偏置进行校准，利用最小二乘法处理得到每个所述像素的偏置项校准值，以校准每个所述像素的响应，处理所述差异温度黑体的温度平均值以及温度平均值，据以将所述像素的响应平移到所述标准值，以作为非均匀性校正结果，所述非均匀校正模块与所述非制冷红外相机连接；
温度校正模块，用以采集获取镜头温度和机芯温度，分别测量不少于2个温度黑体电压值，根据像素电压值及镜头机芯温度非线性模型处理所述像素的电压值、所述镜头温度、所述响应及所述机芯温度，并(9)利用最小二乘法计算所述机芯相关校正系数、所述镜头相关校正系数及所述预置常数，据以得到温度校正结果，所述温度校正模块与所述非均匀校正模块连接；
遮光快门校正模块，用以转动所述遮光快门至所述镜头及滤光片之间的预置遮光位置，以测量快门电压值，以外部测量电压值减去所述快门电压值，据以得到校正后电压值，所述遮光快门校正模块与所述温度校正模块连接；
辐射定标模块，用以将相机测量电压值转换为温度值，据以处理得到辐射定标系数，将预设数目的黑体置于所述镜头的光线采集位置，测量系统稳定黑体电压值，提取所述黑体的黑体区域像素，设定其余所述黑体的温度，以获取并处理差异温度电压平均值，据以获取所述辐射定标系数，以进行辐射校准，所述辐射定标模块与所述遮光快门校正模块连接。
2.根据权利要求1所述的基于非制冷红外相机的气体预警和辐射校准系统，其特征在于，所述气体成像模块包括：
辐亮度处理单元，用于以下述逻辑处理获取某一滤光片的一个像素的辐亮度：
L＝∫[LBB(TB)τCloud+LBB(TCloud)(1-τCloud)]dλ
＝∫{[LBB(TB)-LBB(TCloud)]τCloud+LBB(TCloud)}dλ
式中，TB是背景物体温度；TCloud是云团温度；LBB是等效黑体辐亮度；τCloud是云团透过率；
辐亮度做差单元，用以这两个不同的所述单像素的云团温度、浓度都相同，背景温度不同，对两个相邻的所述像素做差，据以得到辐亮度差，所述辐亮度做差单元与所述辐亮度处理单元连接：
ΔL＝∫[LBB(TB1)-LBB(TB2)]τClouddλ；
多光谱特征单元，用以设目标滤光片的序号为n，参考滤光片的序号为m，以两者的辐亮度差的比值作为所述目标多光谱特征，所述多光谱特征单元与所述辐亮度做差单元连接：
多光谱表示单元，用于以下述逻辑处理长波端截止波长、目标短波端截止波长及参考滤光片短波端截止波长，以得到目标多光谱表示数据，所述多光谱表示单元与所述多光谱特征单元连接：
式中，λC是系统的长波端截止波长；λact和λref是目标和参考滤光片的短波端截止波长；
程长值处理单元，用以测量不同的所述浓度程长值的气体，以回归得到系数a和b，据以通过下述最小二乘回归逻辑处理所述目标多光谱表示数据，据以得到所述浓度程长值，所述程长值处理单元与所述多光谱表示单元连接：
C＝a+bηnm。
3.根据权利要求1所述的基于非制冷红外相机的气体预警和辐射校准系统，其特征在于，所述非均匀校正模块包括：
黑体电压值测量单元，用以在预置温度环境下，测量不少于2个的差异温度黑体，据以得到电压值U1,(i,j)和U2,(i,j)，其中，(i,j)表示第i行第j列；
响应偏置处理单元，用以计算所述差异温度黑体的所有像素的平均值
和
利用斯特藩-玻尔兹曼定律计算所述差异温度黑体的辐射出射度Φ1和Φ2，以得到响应标准值A及偏置标准值B，所述响应偏置处理单元与所述黑体电压值测量单元连接；
黑体温度均值差值处理单元，用以对每个像素的偏置进行校准，以第一差异温度黑体的温度平均值
作为第一标准值，据以处理得到所述像素(i,j)的电压值U1,(i,j)与所述第一差异温度黑体的温度平均值
的第一差值ΔU1,(i,j)，以第二差异温度黑体的温度平均值
作为第二标准值，计算所述像素(i,j)的电压值U2,(i,j)与所述第二差异温度黑体的温度平均值
的第二差值ΔU2,(i,j)，所述黑体温度均值差值处理单元与所述响应偏置处理单元连接；
偏置校准处理单元，用以利用最小二乘法处理所述第一差值ΔU1,(i,j)、所述第二差值ΔU2,(i,j)、所述第一差异温度黑体的温度平均值
以及所述第二差异温度黑体的温度平均值
据以得到每个所述像素的偏置项校准值，以校准每个所述像素的响应，所述偏置校准处理单元与所述黑体温度均值差值处理单元连接；
响应平移单元，用以处理所述第一差异温度黑体的温度平均值
以及所述第二差异温度黑体的温度平均值
据以得到响应a作为标准值，以将所述像素(i,j)的响应平移到所述标准值，以作为非均匀性校正结果，所述响应平移单元与所述偏置校准处理单元连接。
4.根据权利要求3所述的基于非制冷红外相机的气体预警和辐射校准系统，其特征在于，所述响应偏置处理单元以下述逻辑计算所述差异温度黑体的辐射出射度Φ1和Φ2，以得到响应标准值A及偏置标准值B：
5.根据权利要求3所述的基于非制冷红外相机的气体预警和辐射校准系统，其特征在于，所述偏置校准处理单元以下述逻辑处理所述第一差值ΔU1,(i,j)、所述第二差值ΔU2,(i,j)、所述第一差异温度黑体的温度平均值
以及所述第二差异温度黑体的温度平均值
据以得到每个所述像素的偏置项校准值，所述偏置校准处理单元与所述黑体温度均值差值处理单元连接：
，以校准每个所述像素的响应。
6.根据权利要求1所述的基于非制冷红外相机的气体预警和辐射校准系统，其特征在于，所述响应平移单元以下述逻辑处理所述第一差异温度黑体的温度平均值
以及所述第二差异温度黑体的温度平均值
据以得到响应a作为标准值，以将所述像素(i,j)的响应平移到所述标准值，所述响应平移单元与所述偏置校准处理单元连接：
7.根据权利要求1所述的基于非制冷红外相机的气体预警和辐射校准系统，其特征在于，所述温度校正模块包括：
温度采集单元，用以分别设定不同的环境温度，系统稳定后，采集获取镜头温度和机芯温度；
电压测量单元，用以在同一温度下，分别测量不少于2个温度黑体电压值，所述电压测量单元与所述温度采集单元连接；
温度校正处理单元，用以根据下述像素电压值及镜头机芯温度非线性模型处理所述像素(i,j)的电压值U(i,j)、所述镜头温度TC、所述响应及所述机芯温度Ts：
式中，下标s表示机芯，C表示镜头；a代表机芯相关校正系数；b代表镜头相关校正系数；c为预置常数，(9)利用最小二乘法计算所述机芯相关校正系数、所述镜头相关校正系数及所述预置常数，据以进行温度校正，所述温度校正处理单元与所述温度采集单元及所述电压测量单元连接。
8.根据权利要求1所述的基于非制冷红外相机的气体预警和辐射校准系统，其特征在于，所述遮光快门校正模块包括：
遮光快门，所述遮光快门设置于入射光线所在直线上，用以将所述遮光快门转至所述非制冷红外相机的相机视场内，以测量快门电压值Ush，当需要测量外部辐射时，快门不遮挡视场；
电压数据处理单元，用于以外部测量电压值减去所述快门电压值：U'＝U-Ush，据以得到校正后电压值，所述电压数据处理单元与所述遮光快门连接。
9.根据权利要求1所述的基于非制冷红外相机的气体预警和辐射校准系统，其特征在于，所述辐射定标模块包括：
黑体电压值测量单元，用以将预设数目的黑体置于所述镜头的光线采集位置，设定所述黑体的温度，据以测量系统稳定黑体电压值；
电压平均值处理单元，用以提取所述黑体的黑体区域像素，据以计算电压平均值U，所述电压平均值处理单元与所述黑体电压值测量单元连接；
黑体组处理单元，设定其余不少于2个所述黑体的温度，以循环执行所述黑体电压值测量单元及所述电压平均值处理单元对应的步骤，据以获取差异温度电压平均值，所述黑体组处理单元与所述电压平均值处理单元连接；
辐射定标单元，根据下述校正模型处理所述差异温度电压平均值，据以获取所述辐射定标系数，以进行辐射校准：
To＝d3U3+d2U2+d1U+d0。
10.基于非制冷红外相机的气体预警和辐射校准方法，其特征在于，所述方法包括：
S1、收集外部气体反射入射光线，以进行气体成像；
S2、旋转所述滤光片轮切换大气窗口波段，其中，所述大气窗口波段包括区间[8μm，14μm]，所述滤光片为带通滤光片；
S3、以非制冷红外相机采集获取红外图像；
S4、利用所述红外图像获取一所述滤光片的单像素辐亮度，对两个所述单像素做差，以得到辐亮度差，根据所述辐亮度差做比值处理得到目标多光谱特征；以预置逻辑处理长波端截止波长、目标短波端截止波长及参考滤光片短波端截止波长，以得到目标多光谱表示数据；利用最小二乘法处理所述多光谱表示数据，以得到目标气体的气体浓度程长值；
S5、在预置温度环境下，测量不少于2个的差异温度黑体，据以得到电压值，计算所述差异温度黑体的所有像素的平均值，利用斯特藩-玻尔兹曼定律计算所述差异温度黑体的辐射出射度，以得到响应标准值及偏置标准值，对每个像素的偏置进行校准，利用最小二乘法处理得到每个所述像素的偏置项校准值，以校准每个所述像素的响应，处理所述差异温度黑体的温度平均值以及温度平均值，据以将所述像素的响应平移到所述标准值，以作为非均匀性校正结果；
S6、采集获取镜头温度和机芯温度，分别测量不少于2个温度黑体电压值，根据像素电压值及镜头机芯温度非线性模型处理所述像素的电压值、所述镜头温度、所述响应及所述机芯温度，并(9)利用最小二乘法计算所述机芯相关校正系数、所述镜头相关校正系数及所述预置常数，据以得到温度校正结果；
S7、转动所述遮光快门至所述镜头及滤光片之间的预置遮光位置，以测量快门电压值，以外部测量电压值减去所述快门电压值，据以得到校正后电压值；
S8、将相机测量电压值转换为温度值，据以处理得到辐射定标系数，将预设数目的黑体置于所述镜头的光线采集位置，测量系统稳定黑体电压值，提取所述黑体的黑体区域像素，设定其余所述黑体的温度，以获取并处理差异温度电压平均值，据以获取所述辐射定标系数，以进行辐射校准。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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