专利名称：一种激光照射红外成像气体探测仪器的制作方法
一种激光照射红外成像气体探测仪器发明领域本发明涉及到一种利用红外技术探测气体的仪器，更确切的说是利用气体对红外光线吸 收的原理来探测气体的方法和仪器。
背景技术：
在工业技术中应用了各种气体，在制冷领域中采用气体作为工作物质，在电气设备中大 量的利用六氟化硫。在工业生产中会生产各种气体，如石油化工领域中的需要生产乙烯，甲 烷等各种气体。如果这些气体的泄漏会造成一定的经济损失甚至损坏，石化气体的生产和运 输中如果石油气体的泄漏会给企业造成经济损失，甚至会发生危险引起火灾。工业技术中工 作气体的泄漏会造成设备工作状态错误对这些气体进行检测具有很大实际应用价值。现有技术中提到了一种气体检测方法，它是利用激光照射成像的技术来实现气体检测。 这种技术在美国专利4555627和6690472中都提到了这类技术。美国专利4555627的提到技 术已经被美国LSI公司(Laser imaging systems Inc)实现，美国专利6690472对专利4555627 的技术进行了近一步的改进。所有当前现有技术中提到的成像系统都利用了8-12微米的制冷 型的红外探测器，这类探测器采用锑镉汞晶体材料，并需要斯特林类型的制冷机，成本很高。 美国专利4555627提出了采用单元碲镉汞探测器，目前随着技术的发展探测器已经由单元发 展为线列以至于面阵器件。对于这些器件，制冷型的红外探测器的价格很高，这限制了该技 术的应用。如果釆用非制冷型的红外探测器取代制冷型红外探测器就会大幅度的降低成本， 但是非制冷型的红外探测器的灵敏度要远远低于制冷型探测器。发明内容针对上面提到的一些问题，本发明提出采用非制冷红外探测器，并利用采用本发明所提 到的红外图像处理技术，来提高气体探测设备。在通常情况下，现有技术中所提到的气体对于红外相机来说是不可见的，这些气体通常 对特定波长的光具有强烈的吸收。采用激光照射红外相机的视场，如果没有待探测的气体的 存在，整个视场会被均匀的照亮，红外相机会探测到背景红外辐射以及照射激光。如果存在 待探测的气体，激光会被强烈的吸收，从而在图像上表现的比没有气体存在的区域要暗。总 之通过分析图像能够发现待探测气体的存在。如果气体含量很低或者探测器的灵敏度较低， 如采用非制冷型红外探测器，或者噪声的存在，导致存在气体吸收的图像通过肉眼进行判别 会变得比较困难。因此本发明提出用于判别图像的硬件以及相关算法。在通常的情况下，存在的气体是运动的，如气体泄漏，而其它部分是静止的，最起码是 相对静止的。从图像成像本身来考虑，图像的噪声出现是随机的，气体出现的部位在图像中 的位置是相对确定的。根据所成的图像的这些基本原理，本发明提出了对红外相机成图像进 行处理以便于操作人员进行判读图像的算法，及相关的硬件。本发明的目的是采用气体成像的运动判别来提高探测气体存在的灵敏度。前已经述及噪 声是不相关的而信号是相关的，另外还有一点噪声点通常是孤立的，单一噪声点在图像中所 占有的像素数量很少。相对噪声而言信号是集中的占有相当多的像素。噪声出现的位置是随 机的，而由于气体吸收所形成的图像在不同的帧间具有很强的相关性。这是因为气体所形成 的气流运动变化是连续的，即使受到外部气流的影响其变化也是连续的。因此对图像进行运 动检测能够有效的提高探测气体的灵敏度。本发明的另外一个目的是通过对激光照射红外成像进行局部极小值判定提高图像识别能
力。根据BAGI技术的原理，存在待探测气体的部位会对红外吸收从而成像时形成一个响应局 部极小区域。因此通过检测成像的极小值区域能够提高探测气体的灵敏度。本发明的第三个目的是，综合前两个目的获得对气体自动探测的方法。前两个目的所提 到的方法可以单独使用能够提高探测灵敏度，如果综合考虑两者则能够进一歩提高系统的探 测灵敏度。
图1,激光红外成像系统原理框图 图2梯度极小区域寻找方法示意图 图3算法的一种实现方式 图4二次信号处理板原理框图具体实施例本发明的硬件构成部分，如附图1所示，红外激光器14所发射的红外激光光线13发射 到待观测的目标11，红外相机15接收到待观测目标11来的红外辐射12。然后红外相机产生 由红外探测器所探测到的红外图像，产生的红外图像数据流18经过二次图像处理d电路16 到显示17。本发明所涉及到的硬件主要包括二次图像处理电路，这里之所以称为二次信号处 理电路的原因是红外相机本身也具有图像处理电路主要来实现红外探测器的信号采集以及成 像的一些操作，—次图像处理电路的功能是用来实现本发明所提出的算法功能。二次信号处 理电路也可以集成到红外相机中的成像电路中。所叙述的二次图像处理电路，是用于实现所叙述的算法的实现。这一电路通常有中央处 理器和相关的外围配套电路组成。所叙述的中央处理电路可以是数字信号处理器，A賜， PowerPC以及其它的嵌入式图像处理芯片。外围电路的作用是用于协助中央处理电路实现算 法的功能，通常包括存储器，接口电路以及板上电源管理芯片等组成。这些硬件电路有机的 结合来实现算法的功能输出处理后的图像。二次信号处理板的原理框图，如图4所示。红外 传感器15输出的图像序列首先通过输入接口 41，输入接口的作用是用于把传感器的输入信 号转换为二次信号处理板能够处理的信号，例如如果传感器输入的为模拟信号，二次信号输 入接口单元41就要实现数模转换，信号调理。如果输入信号为数字信号，它要实现信号调理 的功能。数字图像处理器43采集输入信号接口的数据，并可以把数据存储到存储器42中去。 数字图像处理器43用于实现图像的处理功能。输出信号接口 44是用于把处理好的信号输出 的接口，它的输出可以用于后续处理或者用于后续的显示。控制器45的功能是实现用户的操 作或者同实现二次信号处理板同系统的其它部分的通讯。作为本发明的一个优选实施例，数 字信号处理器采用美国TI公司的TMS320DM64系列芯片，存储器采用SDRAM存储器，控制器 采用单片机来实现。对于红外相机输出序列的运动检测，本发明认为可以实现运动检测的方法可以是采用常 用的数字图像处理的方法。如采用，背景图像剪影法，时间序列差分法等一些常用的方法。 背景图像剪影法是目前运动分割中最常用的一种方法，它是利用当前图像与背景图像的差分 来检测出运动区域的一种技术。时间序列差分方法是在连续的图像序列中两个或三个相邻帧 间采用基于像素的时间差分并且阈值化来提取出图像中的运动区域。除了这些方法，还存在 很多运动检测的方法。对选用图像运动检测方法要满足能够完成实时检测的需要，并且这些 图像运动检测方法各有优缺点，并对用于激光红外成像系统具有不同的特点。采用时间序列 差分算法通常对静止成像或者低速运动的成像具有较好的效果，如果采用背景图像剪影方法 需要成像传感器配合，需要首先对背景进行成像，或者以及预先采集了红外图像。作为本发 明的一个优选实施例，采用时间序列差分算法。
在激光照射下所气体所成的图像，相对于背景来说其局部灰度级要相对低，其视觉表现为 气体存在区域的图像要相对暗，气体边沿通常会表现为局部灰度突变。在图像的二维数据中， 这些表现为一个极小值区间。局部极小区间可以采用通常的图像分割算法，阈值分割技术，微 分算子边缘检测，区域增长技术，聚类分割技术。也可以采用形态学中的腐蚀与膨胀的算法， 以及其它常用的算法。作为一个实施例，如图二所示，本发明提出了一种适合激光红外成像系统的梯度极小区域寻找方法，首先寻找图像中其中一个极小值点(:c。j。)，对应的图像灰 度值为/(x。，y。)，然后以该极小值为中心，对其相邻元素做梯度运算，如对相邻点(JC。,")()的梯度为/1 = — /"，y。)。然后再以相邻的元素对周边做梯度运算，如此类推，当梯度值发生突变时就是极小区域 边沿，将这些边沿连接起来就得到了局部极小区域。本发明所叙述的算法可以包括以下几个步骤，局部最小区域判定，运动检测，以及运动 相关的判定，这些步骤不一定以固定的顺序完成。算法经过这几个步骤后，最后由波门给出 气体存在位置的提示。如附图3所示一种结合上述算法的实施例，图像输入后先进行运动识 别，然后进行局部极小值判定，综合以上结果最终通过波门的方式在图像中给出气体存在的 区域。经过仿真和硬件实现表明，本发明能够有效的提高系统的检测灵敏度。
权利要求
1、一种用于探测气体的激光红外成像仪器，包括用于照射待成像部位的红外激光器、用于完成红外探测器信号采集形成原始的红外成像信号的红外相机、以及二次信号处理电路，其特征在于所述的二次信号处理电路包括用于处理所产生的图像信号的数字信号处理器、用于存储处理的数据的存储器、用于完成同红外相机的接口的外围接口电路，它用于实现图像处理方法。
2、 根据权利要求1所述的激光红外成像仪器，其特征在于所述的图像处理方法是对所采集的 红外图像进行局部极小值区域检测。
3、 根据权利要求1所述的激光红外成像仪器，其特征在于所述的图像处理方法是对所得到图 像进行局部运动检测。
4、 根据权利要求1所述的激光红外成像仪器，其特征在于所述的图像处理方法是对所得到图 像进行局部运动检测，然后进行局部极小值区域检测。
5、 根据权利要求2所述的激光红外成像仪器，其特征在于所述的局部极小值区域检测方法为 梯度极小区域寻找方法，该方法首先找到图像的极小值，然后以极小值为中心同周边相邻 像素求得梯度突变点，进一步确定图像的极小区域。
6、 根据权利要求3所述的激光红外成像仪器，其特征在于所提到的运动检测方法可以是背景图像剪影法。
7、 根据权利要求3所述的激光红外成像仪器，其特征在于所提到的运动检测方法可以是时间 序列差分法。
8、 根据权利要求1所述的激光红外成像仪器，其特征在于所述的图像处理方法实现平台为以 数字图像处理芯片为核心的数字信号处理电路。
全文摘要
本发明涉及到一种利用红外技术探测气体的仪器，更确切的说是利用气体对红外光线吸收的原理来探测气体的方法。本发明利用气体的特征吸收的原理，采用特定波长的激光对成像部位进行照射。由于气体吸收会使图像局部变暗，以及红外成像的特点进行对红外成像仪器采集的红外图像进行处理，近而给出气体可能存在的区域，同时方法又考虑到了系统的可实现性。
文档编号G01N21/35GK101131353SQ20061011169
公开日2008年2月27日 申请日期2006年8月23日 优先权日2006年8月23日
发明者董珍时 申请人:董珍时