專(zhuān)利名稱(chēng)：基于寬波段非制冷焦平面探測(cè)器的氣體泄露成像檢測(cè)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于氣體檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于寬波段非制冷焦平面探測(cè)器的氣體泄露成像檢測(cè)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
有害氣體(例如液化天然氣、石油氣、乙烯、其它對(duì)生物體及環(huán)境有害的工業(yè)氣體及其液化體)的泄漏不僅污染環(huán)境，而且直接關(guān)系到社會(huì)的安定和人民生命財(cái)產(chǎn)的安全。因此，世界各國(guó)都非常重視快速有效的有害氣體泄漏遙測(cè)或檢測(cè)技術(shù)的研究和儀器研發(fā)。
傳統(tǒng)的氣體傳感器屬于點(diǎn)測(cè)量，只能對(duì)氣體的儲(chǔ)藏罐體、傳送管道等進(jìn)行定點(diǎn)的檢測(cè)，要完成整個(gè)檢測(cè)耗時(shí)耗力，難以實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)快速檢測(cè)。光譜檢測(cè)是一種快速有效的氣體泄漏非接觸檢測(cè)技術(shù)，但傳統(tǒng)檢測(cè)方法也屬于定點(diǎn)測(cè)量，難以適應(yīng)大范圍的動(dòng)態(tài)成像檢測(cè)。紅外光譜成像技術(shù)是實(shí)現(xiàn)氣體非接觸成像檢測(cè)的有效途徑，其不僅可探測(cè)多種化學(xué)氣體的光譜，還能對(duì)場(chǎng)景成像，但其價(jià)格非常昂貴(如加拿大TELOPS公司的便攜式紅外成像光譜輻射儀，最低配置也高達(dá)70萬(wàn)美元)，成像速度較慢。隨著各種成像傳感器技術(shù)的發(fā)展，近年來(lái)正在發(fā)展基于從紫外、可見(jiàn)光、近紅外、短波紅外、中波熱紅外到長(zhǎng)波熱紅外的多波段融合成像檢測(cè)方法，展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用前景，但降低其系統(tǒng)成本，是其應(yīng)用推廣需要解決的主要問(wèn)題。實(shí)際上，由于氣體泄漏部位相對(duì)背景輻射在溫度、輻射特性以及氣體流動(dòng)等方面的差異，國(guó)外利用中波或長(zhǎng)波制冷型焦平面探測(cè)器熱成像系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)對(duì)一些特定氣體泄露的非接觸式快速檢測(cè)，成為實(shí)用的氣體泄漏遙測(cè)手段，但其價(jià)格昂貴也限制了其應(yīng)用推廣。近年來(lái)，非制冷紅外焦平面探測(cè)器技術(shù)得到迅速的發(fā)展和推廣應(yīng)用，其可對(duì)工作波段內(nèi)溫度或輻射特性不同的目標(biāo)場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)快速的成像探測(cè)，而且其靈敏度也得到迅速提高，價(jià)格不斷下降。因此，利用非制冷焦平面探測(cè)器實(shí)現(xiàn)有害氣體泄露遙測(cè)具有技術(shù)上的可行性和市場(chǎng)需求的迫切性。近幾年，國(guó)內(nèi)已有人提出將非制冷焦平面探測(cè)器應(yīng)用于有害氣體的泄漏檢測(cè)，但其應(yīng)用方式卻局限于非制冷焦平面探測(cè)器的傳統(tǒng)工作波段(8 14微米)，也有人采用在通用紅外成像系統(tǒng)中增加單一窄帶濾光片的方式或采取增加或更改探測(cè)器之前的保護(hù)窗(紅外窗)的鍍膜的方式(專(zhuān)利公開(kāi)號(hào)CN102393375A)，將非制冷焦平面探測(cè)器限制于某個(gè)固定窄帶工作波段，這些都大大限制了該類(lèi)探測(cè)器在有害氣體泄漏檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用。雖然相對(duì)于制冷型有害氣體泄露成像檢測(cè)系統(tǒng)，上述應(yīng)用方式在單一種類(lèi)有害氣體的成像探測(cè)方面降低了產(chǎn)品成本，但是在大多數(shù)情況下，實(shí)際應(yīng)用需要探測(cè)多種類(lèi)的有害氣體，此時(shí)，如果采購(gòu)多套上述應(yīng)用方式的檢測(cè)系統(tǒng)必將成倍提高應(yīng)用成本。因此，有必要充分發(fā)揮非制冷焦平面探測(cè)器的性能和特點(diǎn)，利用一個(gè)有害氣體泄漏成像檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)寬波段多種類(lèi)有害氣體的檢測(cè)。
發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述傳統(tǒng)氣體檢測(cè)系統(tǒng)的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種基于寬波段非制冷焦平面探測(cè)器的氣體泄漏成像檢測(cè)系統(tǒng)，該檢測(cè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同種類(lèi)氣體泄漏的高靈敏度檢測(cè)，其實(shí)現(xiàn)成本低。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種基于寬波段非制冷焦平面探測(cè)器的氣體泄露成像檢測(cè)系統(tǒng)，其包括寬波段紅外光學(xué)鏡頭、窄波段濾光片切換裝置、寬波段非制冷焦平面探測(cè)器、圖像處理模塊、控制模塊和顯示器；上述各器件的位置關(guān)系為沿入射光的光路方向依次為寬波段紅外光學(xué)鏡頭、窄波段濾光片切換裝置、寬波段非制冷焦平面探測(cè)器；同時(shí)圖像處理模塊與寬波段非制冷焦平面探測(cè)器相連，顯示器與圖像處理模塊相連，控制模塊與窄波段濾光片切換裝置相連；所述寬波段紅外光學(xué)鏡頭對(duì)波長(zhǎng)為3 14微米的紅外光具有透過(guò)性；所述窄波段濾光片切換裝置上設(shè)有多個(gè)窄帶濾光片，每一窄帶濾光片的中心波長(zhǎng) 互不相同，且處于3 14微米之間； 所述控制模塊根據(jù)外部的輸入控制窄波段濾光片切換裝置動(dòng)作，使其上的選定的一窄帶濾光片位于入射光的光路上；所述寬波段非制冷焦平面探測(cè)器上的鍺窗口的鍍膜特性使其對(duì)3 14微米的光具有透過(guò)性，其用于對(duì)來(lái)自物方的、透過(guò)寬波段紅外光學(xué)鏡頭和位于光路上的窄帶濾光片的紅外光進(jìn)行成像，并將所成圖像傳輸給圖像處理模塊；所述圖像處理模塊對(duì)接收的圖像進(jìn)行非均勻性校正和細(xì)節(jié)增強(qiáng)處理，并將處理后的圖像傳輸給顯示器進(jìn)行顯示。有益效果本發(fā)明利用設(shè)有多個(gè)不同中心波長(zhǎng)的窄帶濾光片，對(duì)入射至寬波段非制冷焦平面探測(cè)器上紅外光的中心波長(zhǎng)進(jìn)行選取，其充分利用了非制冷焦平面無(wú)光譜選擇的特性，使得本發(fā)明可對(duì)不同種類(lèi)中心波長(zhǎng)的紅外光進(jìn)行探測(cè)，實(shí)現(xiàn)寬波段的檢測(cè)效果。


圖I為本發(fā)明基于寬波段非制冷焦平面探測(cè)器的氣體泄露成像檢測(cè)系統(tǒng)原理框圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。本發(fā)明的原理非制冷焦平面探測(cè)器是微米級(jí)微橋結(jié)構(gòu)的熱電探測(cè)器二維陣列，理論上其響應(yīng)無(wú)光譜選擇性，可以說(shuō)是全波段紅外探測(cè)器，對(duì)于氣體泄露檢測(cè)的種類(lèi)上較單一的中波或長(zhǎng)波制冷焦平面探測(cè)器具有優(yōu)勢(shì)。因此，本發(fā)明通過(guò)更換傳統(tǒng)非制冷焦平面探測(cè)器的鍺窗口，使其對(duì)中波波段(3飛微米)和長(zhǎng)波波段(8 14微米)具有透過(guò)性，即本發(fā)明采用的寬波段非制冷焦平面探測(cè)器對(duì)3 14微米的波具有透過(guò)性；本發(fā)明針對(duì)所要檢測(cè)的氣體種類(lèi)，利用窄波段濾光片切換裝置上不同中心波長(zhǎng)的窄帶濾光片對(duì)入射光進(jìn)行選取，使非制冷焦平面探測(cè)器工作在與所需檢測(cè)氣體的紅外吸收波段相對(duì)應(yīng)的窄波段上；采用適宜的氣體泄漏痕跡視覺(jué)顯示方法(如對(duì)氣體區(qū)域進(jìn)行彩色化渲染等)，提供適合人眼判斷的氣體泄漏視頻圖像，輸出到顯示器顯示。如圖I所示，本發(fā)明基于寬波段非制冷焦平面探測(cè)器的氣體泄露成像檢測(cè)系統(tǒng)，包括寬波段紅外光學(xué)鏡頭、窄波段濾光片切換裝置、寬波段非制冷焦平面探測(cè)器、圖像處理模塊、控制模塊和顯示器；上述各器件的位置關(guān)系為沿入射光的光路方向依次為寬波段紅外光學(xué)鏡頭、窄波段濾光片切換裝置、寬波段非制冷焦平面探測(cè)器；同時(shí)圖像處理模塊與寬波段非制冷焦平面探測(cè)器相連，顯示器與圖像處理模塊相連，控制模塊與窄波段濾光片切換裝置相連。成像背景所發(fā)出的輻射以及氣體吸收背景輻射后發(fā)射的輻射，分別通過(guò)寬波段紅外光學(xué)鏡頭和窄波段濾光片切換裝置上處于光路上的窄帶濾光片，最后在寬波段非制冷焦平面探測(cè)器成像，所成圖像經(jīng)過(guò)圖像處理模塊進(jìn)行處理最后在顯示器上顯示，供人眼觀察和判斷；如圖I中。寬波段紅外光學(xué)鏡頭對(duì)波長(zhǎng)為3 14微米的紅外光具有透過(guò)性；本實(shí)施例的寬波段紅外光學(xué)鏡頭采用對(duì)波段3 14微米具有高透過(guò)率的材料(如硫化鋅ZnS、硒化鋅ZnSe、鍺 Ge、鍺玻璃GeSeAs等)設(shè)計(jì)而成，其焦距可根據(jù)實(shí)際需要而定，無(wú)具體限制；較佳的選取其焦距為50mm，鏡頭后截距為10mm，這樣可以為窄波段濾光片切換裝置提供足夠空間。窄波段濾光片切換裝置上設(shè)有多個(gè)窄帶濾光片，每一窄帶濾光片的中心波長(zhǎng)互不相同，且處于3 14微米之間。本實(shí)施例中窄波段濾光片切換裝置的核心部件是一個(gè)由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的濾光片輪，濾光片輪上裝有六個(gè)窄帶濾光片，六個(gè)窄帶濾光片的中心波長(zhǎng)分別為3. 3微米、3. 5微米、4. 3微米、4. 7微米、10. 6微米和10. 9微米，分別可以實(shí)現(xiàn)對(duì)甲烷、甲醛、二氧化碳、一氧化碳、氨氣和乙烯等氣體的檢測(cè)；實(shí)際工作中，由控制模塊根據(jù)所要檢測(cè)的氣體種類(lèi)不同進(jìn)行選擇切換。濾光片的大小應(yīng)大于探測(cè)器的前端面并緊挨著寬波段非制冷焦平面探測(cè)器保護(hù)窗安裝，達(dá)到有效濾除雜散光的目的?？刂颇K根據(jù)外部的輸入控制窄波段濾光片切換裝置動(dòng)作(即切換)，使其上的某一窄帶濾光片位于入射光的光路上。寬波段非制冷焦平面探測(cè)器用于對(duì)來(lái)自物方的、透過(guò)寬波段紅外光學(xué)鏡頭和位于光路上的窄帶濾光片的紅外光進(jìn)行成像，并將所成圖像傳輸給圖像處理模塊。本實(shí)施例所述寬波段非制冷焦平面探測(cè)器是更換氧化釩非制冷焦平面探測(cè)器鍺窗口，使其透過(guò)波段由8^14微米(長(zhǎng)波紅外)波段拓展為3 14微米(中波+長(zhǎng)波紅外)波段，并且探測(cè)器的幀頻和積分時(shí)間可以通過(guò)外部控制電路調(diào)節(jié)。圖像處理模塊對(duì)接收的圖像進(jìn)行非均勻性校正和細(xì)節(jié)增強(qiáng)處理，并將處理后的圖像傳輸給顯示器進(jìn)行顯示。圖像處理模塊是以FPGA (Vertex-5)為核心的高速數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)，其主要完成四個(gè)方面的功能I、熱圖像自適應(yīng)非均勻性校正，針對(duì)寬波段光學(xué)設(shè)計(jì)條件下子波段切換后的熱圖像非均勻性變化的問(wèn)題，將傳統(tǒng)的對(duì)黑體輻射源進(jìn)行二點(diǎn)或多點(diǎn)的非均勻性標(biāo)定定標(biāo)校正CBNUC方法和基于場(chǎng)景的自適應(yīng)非均勻性校正SBNUC算法相結(jié)合，完成自適應(yīng)的熱圖像非均勻性校正，為后續(xù)處理提供保證。2、熱圖像數(shù)字細(xì)節(jié)增強(qiáng)，采用熱圖像數(shù)字細(xì)節(jié)增強(qiáng)算法，提升熱圖像中氣體泄漏的微弱痕跡，等效提高系統(tǒng)檢測(cè)靈敏度。3、氣體泄漏痕跡視覺(jué)顯示，采用適宜的氣體泄漏痕跡視覺(jué)顯示方法(如對(duì)氣體區(qū)域進(jìn)行彩色化渲染等)，提供適合人眼判斷的氣體泄漏視頻圖像。4、根據(jù)特定環(huán)境下系統(tǒng)成像質(zhì)量、氣體泄漏程度等實(shí)際情況，適當(dāng)調(diào)節(jié)探測(cè)器的幀頻和積分時(shí)間，更好的實(shí)現(xiàn)對(duì)場(chǎng)景和氣體目標(biāo)的成像。同時(shí)也可以將該處理后的圖像傳輸給外部的存儲(chǔ)器進(jìn)行存儲(chǔ)。

綜上所述，以上僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.基于寬波段非制冷焦平面探測(cè)器的氣體泄露成像檢測(cè)系統(tǒng)，其特點(diǎn)在于，包括寬波段紅外光學(xué)鏡頭、窄波段濾光片切換裝置、寬波段非制冷焦平面探測(cè)器、圖像處理模塊、控制模塊和顯示器；上述各器件的位置關(guān)系為沿入射光的光路方向依次為寬波段紅外光學(xué)鏡頭、窄波段濾光片切換裝置、寬波段非制冷焦平面探測(cè)器；同時(shí)圖像處理模塊與寬波段非制冷焦平面探測(cè)器相連，顯示器與圖像處理模塊相連，控制模塊與窄波段濾光片切換裝置相連； 所述寬波段紅外光學(xué)鏡頭對(duì)波長(zhǎng)為3 14微米的紅外輻射進(jìn)行成像； 所述窄波段濾光片切換裝置上設(shè)有多個(gè)窄帶濾光片，每一窄帶濾光片的中心波長(zhǎng)互不相同，且處于3 14微米之間； 所述控制模塊根據(jù)外部的輸入控制窄波段濾光片切換裝置動(dòng)作，使其上的選定的一窄帶濾光片位于入射光的光路上； 所述寬波段非制冷焦平面探測(cè)器上的鍺窗口鍍制的增透膜使寬波段非制冷焦平面探測(cè)器對(duì)3 14微米的紅外輻射具有響應(yīng)，其用于對(duì)來(lái)自物方的、透過(guò)寬波段紅外光學(xué)鏡頭和位于光路上的窄帶濾光片的目標(biāo)場(chǎng)景紅外輻射進(jìn)行成像，并將所成圖像傳輸給圖像處理模塊； 所述圖像處理模塊對(duì)接收的圖像進(jìn)行非均勻性校正和細(xì)節(jié)增強(qiáng)處理，并將處理后的圖像以視頻信號(hào)格式輸出，并傳輸給顯示器進(jìn)行顯示。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述氣體泄露成像檢測(cè)系統(tǒng)，其特點(diǎn)在于，所述寬波段紅外光學(xué)鏡頭采用硫化鋅、硒化鋅、鍺或鍺玻璃制成。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述氣體泄露成像檢測(cè)系統(tǒng)，其特點(diǎn)在于，所述多個(gè)窄帶濾光片為六個(gè)，六個(gè)窄帶濾光片的中心波長(zhǎng)分別為3. 3微米、3. 5微米、4. 3微米、4. 7微米、10. 6微米和10. 9微米。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述氣體泄露成像檢測(cè)系統(tǒng)，其特點(diǎn)在于，所述非均勻性校正為采用黑體輻射源進(jìn)行二點(diǎn)或多點(diǎn)的非均勻性標(biāo)定定標(biāo)校正CBNUC方法和基于場(chǎng)景的自適應(yīng)非均勻性校正SBNUC算法相結(jié)合。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述氣體泄露成像檢測(cè)系統(tǒng)，其特點(diǎn)在于，所述處理后的圖像進(jìn)一步傳輸給外部的存儲(chǔ)單元進(jìn)行存儲(chǔ)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述氣體泄露成像檢測(cè)系統(tǒng)，其特點(diǎn)在于，所述控制模塊進(jìn)一步控制圖像處理模塊選擇對(duì)應(yīng)的窄帶波段的非均勻性校正參數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明一種基于寬波段非制冷焦平面探測(cè)器的氣體泄露成像檢測(cè)系統(tǒng)，包括寬波段紅外光學(xué)鏡頭、窄波段濾光片切換裝置、寬波段非制冷焦平面探測(cè)器、圖像處理模塊、控制模塊和顯示器；上述各器件的位置關(guān)系為沿入射光的光路方向依次為寬波段紅外光學(xué)鏡頭、窄波段濾光片切換裝置、寬波段非制冷焦平面探測(cè)器；同時(shí)圖像處理模塊與寬波段非制冷焦平面探測(cè)器相連，顯示器與圖像處理模塊相連，控制模塊與窄波段濾光片切換裝置相連。本發(fā)明利用設(shè)有多個(gè)不同中心波長(zhǎng)的窄帶濾光片，對(duì)入射至寬波段非制冷焦平面探測(cè)器上紅外光的中心波長(zhǎng)進(jìn)行選取，使得本發(fā)明可對(duì)不同種類(lèi)中心波長(zhǎng)的紅外光進(jìn)行探測(cè)，實(shí)現(xiàn)寬波段的檢測(cè)效果。
文檔編號(hào)G01M3/04GK102798503SQ201210273638
公開(kāi)日2012年11月28日 申請(qǐng)日期2012年8月2日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月2日
發(fā)明者金偉其, 李家琨, 王霞, 徐超, 金明磊 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)