一種超光譜紅外成像氣體監(jiān)測裝置及其監(jiān)測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于環(huán)境監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于超光譜紅外成像技術(shù)的氣體種 類識(shí)別系統(tǒng)及氣體種類監(jiān)測識(shí)別方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著大氣污染問題的加劇，環(huán)境問題越來越受到人們的關(guān)注，快速、準(zhǔn)確地預(yù)測出 大氣污染氣體，對環(huán)境保護(hù)有著巨大的作用。目前，在大氣監(jiān)測中通常采用定點(diǎn)取樣的方 法，但這種方法所獲得的數(shù)據(jù)，僅能反映取樣點(diǎn)很小范圍內(nèi)的空氣污染程度，因而在氣體實(shí) 時(shí)監(jiān)測中受到限制。
[0003] 隨著近年來光譜測量技術(shù)和紅外成像技術(shù)的發(fā)展，采用超光譜紅外成像技術(shù)為實(shí) 時(shí)監(jiān)測大范圍氣體污染物的成分變化及分布情況提供了可能。這種技術(shù)相對于傳統(tǒng)的頂點(diǎn) 取樣方法相比具有很大的優(yōu)勢：a)遠(yuǎn)距離對氣體排放物進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測；b)無需繁瑣的取樣 過程；c)能監(jiān)控氣體羽焰的動(dòng)態(tài)分布，從而判斷氣體污染區(qū)域及擴(kuò)散趨勢。
[0004] 目前基于超光譜紅外成像技術(shù)的氣體監(jiān)測技術(shù)還處于發(fā)展階段，不同的氣體種 類，或者同種氣體但是不同濃度所輻射的紅外光譜都會(huì)有差異，輻射的光譜信號(hào)經(jīng)過遠(yuǎn)距 離的大氣傳輸，會(huì)受到空氣中的粒子的吸收和散射等影響，最終測量得到的光譜數(shù)據(jù)會(huì)存 在極大的誤差。雖然目前已經(jīng)開發(fā)出一些基于超光譜紅外成像技術(shù)的氣體監(jiān)測系統(tǒng)，例如 文獻(xiàn) Remote Sensing of Gases by Hyperspectral Imaging: Results of Measurements in the Hamburg Port Area中介紹了 Bruker公司開發(fā)的一款HYGAS高光譜成像儀，其可以 識(shí)別常見危險(xiǎn)氣體，但是這種沒有充分考慮氣體濃度對于測量光譜的影響，其精度還不夠 高，并且不能對氣體濃度進(jìn)行測量，因此難以滿足氣體濃度監(jiān)測的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的之一是為了解決目前氣體監(jiān)測領(lǐng)域所存在的問題，提供一種基于超 光譜紅外成像技術(shù)的氣體監(jiān)測系統(tǒng)及氣體監(jiān)測識(shí)別方法，該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)地監(jiān)測氣體羽焰 的動(dòng)態(tài)變化，識(shí)別氣體種類，估測氣體濃度。
[0006] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種超光譜紅外成像氣體監(jiān)測裝 置，包括用于采集場景中的紅外輻射超光譜數(shù)據(jù)的紅外成像光譜儀、用于采集場景的紅外 輻射信號(hào)的紅外熱像儀、用于采集場景中的可見光圖像的可見光成像系統(tǒng)、用于對紅外成 像光譜儀采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的圖像處理系統(tǒng)以及對最終的光譜識(shí)別結(jié)果和可見光圖像 融合后顯示的綜合顯示控制系統(tǒng)，所述的紅外成像光譜儀、紅外熱像儀以及可見光成像系 統(tǒng)分別和圖像處理系統(tǒng)連接，所述的綜合顯示控制系統(tǒng)分別和紅外成像光譜儀、紅外熱像 儀、可見光成像系統(tǒng)以及圖像處理系統(tǒng)相連，所述的綜合顯示控制系統(tǒng)顯示系統(tǒng)的輸出圖 像數(shù)據(jù)以及氣體識(shí)別結(jié)果，并給操控人員提供相應(yīng)的操控界面。
[0007] 所述的一種超光譜紅外成像氣體監(jiān)測裝置，其可見光成像系統(tǒng)為可見光攝像機(jī)。
[0008] 本發(fā)明的目的之二是提供上述監(jiān)測裝置的監(jiān)測方法。
[0009] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種超光譜紅外成像氣體監(jiān)測裝置 的監(jiān)測方法，包括如下步驟： I 數(shù)據(jù)庫訓(xùn)練階段 a) 、紅外熱像儀將采集的紅外圖像輸入到圖像處理系統(tǒng)； b) 、可見光成像系統(tǒng)將采集的可見光圖像輸入到圖像處理系統(tǒng)； c) 、圖像處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)紅外圖像和可見光圖像亞像素級(jí)別的配準(zhǔn)，并采用通用融合算 法實(shí)現(xiàn)紅外圖像和可見光圖像的融合，生成偽彩色圖像； d) 、圖像處理系統(tǒng)將步驟c)獲得的偽彩色圖像進(jìn)行分割，提取氣體分布區(qū)域，計(jì)算氣 體分布區(qū)域的統(tǒng)計(jì)特征值，并將結(jié)果輸入到綜合顯示控制系統(tǒng)； e) 、綜合顯示控制系統(tǒng)根據(jù)分割結(jié)果控制紅外成像光譜儀采集氣體分布區(qū)域輻射的紅 外光譜信號(hào)以及背景輻射的紅外光譜信號(hào)，并將兩者的差分信號(hào)輸入到圖像處理系統(tǒng)中； f) 、圖像處理系統(tǒng)先利用非線性插值的方法降低超光譜數(shù)據(jù)的噪聲，再利用子空間波 段選擇和主成分分析相結(jié)合的技術(shù)實(shí)現(xiàn)光譜特征的提取； g) 、重復(fù)步驟a)至步驟f)，對不同的氣體種類和氣體濃度進(jìn)行紅外圖像、可見光圖像 以及紅外光譜數(shù)據(jù)的采集，對多種不同氣體以及濃度進(jìn)行多次重復(fù)試驗(yàn)，使得數(shù)據(jù)庫中記 錄大量的氣體的紅外和可見光融合的圖像數(shù)據(jù)以及氣體的紅外輻射光譜數(shù)據(jù)； II 氣體監(jiān)測階段 h) 、紅外熱像儀將采集的紅外圖像輸入到圖像處理系統(tǒng)； i) 、可見光成像系統(tǒng)將采集的可見光圖像輸入到圖像處理系統(tǒng)； j) 、圖像處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)紅外圖像和可見光圖像亞像素級(jí)別的配準(zhǔn)，并采用通用融合算 法實(shí)現(xiàn)紅外圖像和可見光圖像的融合，生成偽彩色圖像； k) 、圖像處理系統(tǒng)將步驟j)獲得的偽彩色圖像進(jìn)行分割，提取可疑氣體分布區(qū)域，同 時(shí)還計(jì)算氣體分布區(qū)域的統(tǒng)計(jì)特征值，并將結(jié)果輸入到綜合顯示控制系統(tǒng)； l) 、綜合顯示控制系統(tǒng)根據(jù)分割結(jié)果控制紅外成像光譜儀采集對可疑氣體分布區(qū)域輻 射的紅外光譜信號(hào)以及背景輻射的紅外光譜信號(hào)，并將采集到的信號(hào)輸入到圖像處理系統(tǒng) 中； m) 、圖像處理系統(tǒng)先利用非線性插值的方法降低超光譜數(shù)據(jù)的噪聲，再利用子空間波 段選擇和主成分分析相結(jié)合的技術(shù)實(shí)現(xiàn)光譜特征的提取； n) 將步驟k)獲得的統(tǒng)計(jì)特征以及步驟m)獲得的光譜特征和數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行對 比，當(dāng)相似度大于設(shè)定的閾值則認(rèn)為該數(shù)據(jù)庫中相似像素所對應(yīng)的氣體品種和氣體濃度為 最終的探測結(jié)果。
[0010] 本發(fā)明的有益效果在于：采用可見光成像、紅外成像、以及紅外高光譜探測等多傳 感器相結(jié)合的方法，有效提升了有害氣體分布區(qū)域探測的速度和氣體品種識(shí)別的精度，與 傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室分析手段相比，本發(fā)明結(jié)構(gòu)緊湊穩(wěn)定，實(shí)時(shí)性較強(qiáng)，能過在多種平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)有 害氣體的遠(yuǎn)距離監(jiān)測。
【附圖說明】
[0011] 圖1是本發(fā)明的原理示意圖。
[0012] 各附圖標(biāo)記為：1 一紅外成像光譜儀，2-紅外熱像儀，3-可見光成像系統(tǒng)，4一圖 像處理系統(tǒng)，5-綜合顯示控制系統(tǒng)。
【具體實(shí)施方式】
[0013] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0014] 由圖1所示，本發(fā)明公開了一種超光譜紅外成像氣體監(jiān)測裝置，包括用于采集場 景中的紅外輻射超光譜數(shù)據(jù)的紅外成像光譜儀1、用于采集場景的紅外輻射信號(hào)的紅外熱 像儀2、采集場景中的可見光圖像用于觀察的可見光成像系統(tǒng)3、用于對紅外成像光譜儀1 采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理(主要包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、光譜重建、光譜特征提取以及光譜識(shí)別）的圖 像處理系統(tǒng)4以及對最終的光譜識(shí)別結(jié)果和可見光圖像融合后顯示的綜合顯示控制系統(tǒng) 5,作為一種具體實(shí)施例，所述的可見光成像系統(tǒng)3為可見光攝像機(jī)，所述的紅外成像光譜 儀1、紅外熱像儀2以及可見光成像系統(tǒng)3分別和圖像處理系統(tǒng)4連接，所述的綜合顯示控 制系統(tǒng)5分別和紅外成像光譜儀1、紅外熱像儀2、可見光成像系統(tǒng)3以及圖像處理系統(tǒng)4 相連，所述的綜合顯示控制系統(tǒng)5顯示系統(tǒng)的輸出圖像數(shù)據(jù)以及氣體識(shí)別結(jié)果，并給操控 人員提供相應(yīng)的操控界面。
[0015] -種如權(quán)利要求1所述的超光譜紅外成像氣體監(jiān)測裝置的監(jiān)測方法，包括如下步 驟： I 數(shù)據(jù)庫訓(xùn)練階段 a)、紅外熱像儀2將采集的紅外圖像輸入到圖像處理系統(tǒng)4。
[0016]b)、可見光成像系統(tǒng)3將采集的可見光圖像輸入到圖像處理系統(tǒng)4。
[0017]c)、圖像處理系統(tǒng)4結(jié)合相位相關(guān)技術(shù)和四次曲線擬合實(shí)現(xiàn)紅外圖像和可見光圖 像亞像素級(jí)別的配準(zhǔn)，并采用通用融合算法實(shí)現(xiàn)紅外圖像和可見光圖像的融合，生成偽彩 色圖像。其中亞像素配準(zhǔn)采用基于相位相關(guān)和多項(xiàng)式擬合的方案，包含以下兩步： 對待配準(zhǔn)的紅外圖像A和可見光圖像/2進(jìn)行理想低通濾波； 假設(shè)紅外圖像A和可見光圖像/2滿足的相位差為（x。，^)，兩幅圖像的傅里葉變換分 別為和根據(jù)公式
采用四次曲線擬合的方式求出A、/V q、4、q、a2、4、4、并最終求得等式右邊 最大時(shí)對應(yīng)的（X。，7。)，這就是紅外圖像A和可見光圖像/2之間的亞像素位移量。
[0018]d)、圖像處理系統(tǒng)4將步驟c)獲得的偽彩色圖像進(jìn)行分割，提取氣體分布區(qū)域，同 時(shí)還計(jì)算氣體分布區(qū)域的統(tǒng)計(jì)特征值，并將結(jié)果輸入到綜合顯示控制系統(tǒng)5。
[0019]e)、綜合顯示控制系統(tǒng)5根據(jù)分割