[发明专利]一种被动红外滤光成像稀疏光谱气体识别装置和方法

说明书

本发明公开了一种被动红外滤光成像稀疏光谱气体识别装置和方法，该方法包括如下步骤：设计宽带长通滤光片组；获取目标气体的稀疏光谱；基于SVM的稀疏光谱识别算法。本发明能够通过成像迅速判断泄漏源位置，同时可以对泄漏气体的种类进行识别，成本相对其他方法较为低廉、系统构成较简单，适用于未知气体目标的可视化识别和多种气体泄漏的监测，适用于石油化工领域、工业生产领域的有毒有害气体检测，以及军事领域的毒气检测。

技术领域

本发明涉及一种气体识别装置，尤其是一种被动红外滤光成像稀疏光谱气体识别装置，还涉及基于该装置的红外滤光成像稀疏光谱气体识别方法，属于分析检测领域。

背景技术

工业气体中包含种类丰富的易燃气体(如氨气、天然气等)和有毒气体(如二氧化硫、硫化氢等)，这些气体在石油工业(开采、运输、应用)、化工产业、电力工业等众多工业中有广泛的应用，气体泄漏成为时刻威胁生产和生活安全的重大隐患，远距离快速分类泄漏气体具有重要的意义。现有的成像气体种类识别技术中，按照实现的方法不同，可以分为分光式和高光谱式。

分光式气体种类识别方法采用滤光片搭载探测器，进行多波段成像，并从中分析得到多个波段的气体目标吸收光谱信息，从而实现气体种类的识别。分光式典型应用为法国Bertin的SecondSight泄漏气体成像系统，它采用滤光轮搭载6个不同透过率波段的滤光片，在工作时滤光轮不断转动获取不同波段的红外图像，并将获取的红外图像传输到计算机端，结合Bertin提供的实时处理分析软件获取气体吸收峰所在波段信息，并分析得出可能的气体种类。采用滤光轮进行分光获取光谱信息的还有加拿大Telops的MS-IR系列产品，采用滤光轮搭载8个不同波段的滤光片高速旋转，并采用制冷型红外探测器，具有更高的帧率。然而SecondSight和MS-IR系统成本昂贵，核心技术对我国封锁。现有技术公开了一种针对烯烃气体泄漏的监控系统及方法，采用了多个带通滤光片，成像时通过待测气体是否能通过带通滤光片来判断待测气体是否为烯烃气体。该方法仅针对烯烃类气体的探测和识别，且带通滤光片的使用对探测器有更高要求。

高光谱式气体种类识别方法采用傅里叶变换红外光谱技术(FTIR)，可以获取气体目标的高分辨率吸收光谱。高光谱式进行未知气体检测的典型应用为德国Bruker的RAPIDPlus系统，它同时搭载了两个镜头：一个是用于可见光成像的可见光镜头，另一个是用于获取红外波段能量信息的ZnSe镜头，其光谱分辨率可达到4cm^-1。Telops的Hyper-Cam系列产品采用迈克尔逊干涉仪获取目标的光谱特征，其光谱分辨率可以达到0.25cm^-1。美国的MESHInc.的产品iMCAD将FTIR光谱仪与红外相机、可见光相机集成在一起，在获取目标光谱后，将分析得到的目标信息叠加到红外图像和可见光图像上，使结果更加直观。然而，气体是不断运动的非静态目标，而通过FTIR技术获取气体光谱耗时较长，导致获取的气体光谱信息存在偏差，使得实际检测出来的气体吸收光谱出现误差，同时其昂贵的成本也并不适用于使用在常规的连续的在线气体监测。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种直观可视、简单快速的被动红外滤光成像稀疏光谱气体识别装置和方法，针对气体目标不能确定、或包含多种混合气体的情况下，实现对气体目标的探测，并对气体或混合气体的种类进行识别。

本发明针对待测目标气体，首先获取待测目标气体的吸收峰信息，根据f因子最优化原则设计红外宽带长通滤光片组，使待测气体的各吸收峰合理分布在各等效窄带内；将滤光片组结合被动式红外成像仪获取气体目标的红外宽带长通图像；对获取的图像差分处理，得到等效窄带图像；提取出各等效窄带图像中的气体区域和背景区域，利用φ因子提取算法得到该等效窄带上的气体吸收因子，并计算在探测器响应波段上的气体稀疏吸收光谱；利用稀疏光谱模拟算法，计算预设气体的模拟稀疏光谱，结合实验采集数据，利用支持向量机(SVM)训练多个适合不同气体的分类器，用于气体种类的判断。