本發(fā)明屬于氣體檢測，涉氣體泄漏的檢測與反演，尤其涉及一種氣體泄漏紅外成像濃度反演裝置與方法，即反演整個紅外成像儀視野內(nèi)的濃度分布。

背景技術(shù)：

1、氣體泄漏檢測技術(shù)在大氣污染治理、石油化工、工業(yè)過程監(jiān)控等領(lǐng)域具有廣泛且重要的應(yīng)用。比如，在石化等行業(yè)中就存在數(shù)量龐大且構(gòu)造復(fù)雜的甲烷氣體儲存或輸送設(shè)備，對這些設(shè)備的泄露情況進行有效監(jiān)測是保障安全生產(chǎn)的重要前提。

2、對于氣體泄漏，目前廣泛采用的是接觸式檢漏設(shè)備，設(shè)備的傳感器需要與檢測目標(biāo)氣體發(fā)生接觸才能發(fā)現(xiàn)泄露情況。然而一些泄漏點可能正在泄漏，但大多數(shù)潛在泄漏點還沒有發(fā)生泄漏，因此操作人員必須親自查看并檢測每個潛在泄漏點，這樣做的工作效率很低，還會對檢查人員的健康安全造成危害。此外，傳統(tǒng)的氣體泄漏檢測技術(shù)只能實現(xiàn)單點濃度測量，而針對甲烷氣體泄露檢測開發(fā)的氣體泄漏紅外成像技術(shù)，其通過利用紅外焦平面探測器對泄漏氣體進行成像，具有大范圍監(jiān)測，快速溯源的優(yōu)點，但卻無法實現(xiàn)對泄漏濃度的量化測量，無法為后續(xù)的事故評估與補救處置提供準確的態(tài)勢研判依據(jù)。

3、申請?zhí)枮?02010443190x的發(fā)明專利申請就公開了一種針對甲烷氣體泄露的紅外成像與濃度檢測裝置和方法，該裝置包括紅外熱像儀和激光甲烷檢測模塊，紅外熱像儀用于對所需監(jiān)測區(qū)域進行紅外成像，以發(fā)現(xiàn)甲烷氣體泄漏點；激光甲烷檢測模塊根據(jù)紅外成像發(fā)現(xiàn)的泄漏點進行對準，并測量甲烷濃度；在所述紅外熱像儀中嵌入所述激光甲烷檢測模塊，激光甲烷檢測模塊的激光束發(fā)射方向與紅外熱像儀的光軸方向調(diào)節(jié)為一致，兩者之間互相通訊實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。通過紅外熱像儀能夠?qū)Υ竺娣e視窗進行檢測以判斷視窗內(nèi)是否有天然氣泄漏，通過激光甲烷檢測模塊對甲烷泄漏點進行遠距離非接觸式測量并獲得準確的甲烷氣體濃度信息，將甲烷氣體泄露檢測紅外熱成像技術(shù)與激光甲烷檢測技術(shù)結(jié)合，同時實現(xiàn)了非接觸式的大面積快速搜索甲烷泄露點與甲烷氣體濃度定量檢測，實現(xiàn)了比現(xiàn)有單一檢測裝置更加高效和精確定量的全面檢測。

4、在上述紅外成像與濃度檢測裝置和方法的發(fā)明專利申請中，其雖然實現(xiàn)了甲烷泄露點與甲烷氣體濃度定量檢測。但是其只實現(xiàn)了單點的濃度測量，并沒有實現(xiàn)場景內(nèi)全面的大范圍濃度測量。同時，由于激光甲烷檢測模塊的激光束發(fā)射方向與紅外熱像儀的光軸方向調(diào)節(jié)為一致，這也將導(dǎo)致在有效距離內(nèi)，激光甲烷檢測模塊的觀測點與紅外圖像中心點的偏差過大，圖像中心檢測到的輻射值和tdlas檢測到的濃度值不對齊。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于：為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的無法實現(xiàn)大場景濃度測量、以及因激光甲烷檢測模塊的激光束發(fā)射方向與紅外熱像儀的光軸方向調(diào)節(jié)為一致導(dǎo)致在有效距離內(nèi)激光甲烷檢測模塊的觀測點與紅外圖像中心點的偏差過大、圖像中心檢測到的輻射值和tdlas檢測到的濃度值不對齊的技術(shù)問題，提供一種氣體泄漏紅外成像濃度反演裝置與方法。

2、本發(fā)明為了實現(xiàn)上述目的具體采用以下技術(shù)方案：

3、一種氣體泄漏紅外成像濃度反演裝置，包括氣體泄漏紅外成像儀、氣體可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜檢測儀；

4、氣體泄漏紅外成像儀用于對泄漏氣體進行成像，獲得場景內(nèi)輻射分布；

5、氣體可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜檢測儀用于采集場景內(nèi)泄漏點的氣體泄漏濃度；

6、氣體可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜檢測儀的光軸與氣體泄漏紅外成像儀的光軸存在夾角，且夾角不等于0；

7、還包括核心運算單元，核心運算單元用于根據(jù)場景內(nèi)的輻射分布和氣體泄漏濃度進行反演計算。

8、進一步地，夾角的計算公式為：

9、

10、其中，為氣體泄漏紅外成像儀的光心和氣體可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜檢測儀的光心之間的距離，為標(biāo)稱觀測距離。

11、進一步地，氣體泄漏紅外成像儀的光心和氣體可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜檢測儀的光心之間的距離小于氣體可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜檢測儀在標(biāo)稱觀測距離l產(chǎn)生的光斑的半徑。

12、進一步地，光斑的半徑的計算公式為：

13、

14、其中，表示激光束腰寬度，表示標(biāo)稱工況下的標(biāo)稱觀測距離，表示激光瑞利距離。

15、進一步地，還包括信號同步電路，信號同步電路用于控制氣體泄漏紅外成像儀、氣體可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜檢測儀同步進行數(shù)據(jù)采集。

16、進一步地，信號同步電路包括軟件同步采集和/或硬件同步采集；

17、軟件同步采集用于根據(jù)氣體泄漏紅外成像儀采集數(shù)據(jù)時的時間戳與氣體可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜檢測儀采集信號時的時間戳進行匹配；

18、硬件同步采集用于使用同步硬件時鐘觸發(fā)氣體泄漏紅外成像儀與氣體可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜檢測儀進行同步采集。

19、一種氣體泄漏紅外成像濃度反演方法，包括以下步驟：

20、步驟s1，采用氣體泄漏紅外成像濃度反演裝置進行泄漏檢測，當(dāng)存在泄漏時，執(zhí)行步驟s2；

21、步驟s2，利用氣體泄漏紅外成像濃度反演裝置中的氣體泄漏紅外成像儀采集在t時刻氣體泄漏的紅外圖像i；

22、步驟s3，利用氣體泄漏紅外成像濃度反演裝置中的氣體可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜檢測儀采集在t時刻泄漏區(qū)域的泄漏氣體濃度p；

23、步驟s4，調(diào)整氣體泄漏紅外成像濃度反演裝置的觀察視角，并獲得n個對應(yīng)圖像與濃度的數(shù)據(jù)對、、、…、；

24、步驟s5，建立氣體參數(shù)模型，并根據(jù)n個數(shù)據(jù)對擬合中心灰度偏差和濃度的關(guān)系，得到擬合參數(shù)；

25、中心灰度偏差通過對中心灰度值進行背景輻射減除得到。具體處理方式為：首先計算濃度到濃度的最小值，以及其對應(yīng)的中心輻射，則：

26、

27、再建立氣體參數(shù)模型如下：

28、

29、根據(jù)采集到的n個數(shù)據(jù)對，使用最小二乘法，擬合得到擬合參數(shù)k和b；

30、步驟s6，根據(jù)氣體參數(shù)模型、擬合參數(shù)，反演紅外圖像i所對應(yīng)的濃度分布p；

31、其中，表示第n次采集的圖像和tdlas采集到的濃度數(shù)據(jù)，表示氣體泄漏紅外成像儀圖像的中心坐標(biāo)。

32、進一步地，氣體泄漏紅外成像濃度反演裝置采用上述的氣體泄漏紅外成像濃度反演裝置。

33、進一步地，步驟s4中，在調(diào)整氣體泄漏紅外成像濃度反演裝置的觀察視角時，氣體泄漏紅外成像濃度反演裝置移動的范圍不超過氣體泄漏紅外成像儀的視場角。

34、進一步地，步驟s5中，中心灰度偏差和濃度的關(guān)系擬合算法為：

35、

36、步驟s6中，濃度分布p的計算方式為：

37、

38、其中，、均為擬合參數(shù)，表示圖像中（u，v）坐標(biāo)對應(yīng)的輻射值，表示最小濃度值對應(yīng)的輻射值。

39、本發(fā)明的有益效果如下：

40、1、本發(fā)明中，在光軸平行式，圖像中心對應(yīng)的點和tdlas測量點的距離為d；但本技術(shù)將氣體可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜檢測儀的光軸方向與氣體泄漏紅外成像儀的光軸方向不一致，兩個光軸方向之間存在夾角；引入夾角之后，（圖像中心對應(yīng)的點和tdlas測量點的距離）兩者距離為d，相比之前的距離d，距離d大幅減少，也即減少了有效距離內(nèi)激光甲烷檢測模塊的觀測點與紅外圖像中心點的偏差，減少了圖像中心對應(yīng)幅度值和tdlas檢測濃度的不對齊，更加適用于實現(xiàn)大場景濃度測量。此外，還設(shè)置有核心運算單元，核心運算單元可根據(jù)場景內(nèi)的輻射分布和氣體泄漏濃度進行反演計算，并最終獲取整個場景內(nèi)的濃度分布，從而能夠更加直觀地展示場景內(nèi)的氣體泄漏濃度的分布情況。

41、2、本發(fā)明中，還設(shè)置有信號同步電路，該信號同步電路通過可通過軟件同步、硬件同步等方式獲取同一時間點的氣體泄漏圖像（即氣體泄漏輻射情況）和泄漏濃度，使得后續(xù)反演時采用的氣體泄漏輻射數(shù)據(jù)和濃度數(shù)據(jù)之間具有關(guān)聯(lián)性；這種同步主要是為了保證紅外成像的時刻和tdlas的時刻盡可能接近，如果數(shù)據(jù)采集的時刻不接近，則tdlas采集到濃度和紅外成像中心對應(yīng)的幅度值不是關(guān)聯(lián)的，例如一個很大的tdlas檢測濃度可能對應(yīng)的沒有發(fā)生氣體泄漏的圖像的輻射值。

42、3、本發(fā)明中，在反演過程中，通過同步獲取的紅外圖像i、泄漏氣體濃度p進行擬合，得到中心灰度偏差與濃度之間的關(guān)系并根據(jù)兩者之間的關(guān)系進行反演，利用該方法可以實現(xiàn)對紅外圖像采集到的所有像素值進行泄漏濃度的反演，進而得到紅外拍攝場景內(nèi)所有點的泄露濃度值。