场景上的气体的检测的制作方法

本申请主张于2016年9月15日提交并且题为“broadrangegasilluminationandimaging”的62/395,367号美国临时专利申请的优先权和权益，该美国临时专利申请通过引用整体并入本文。

本公开总地涉及使用ir检测器和照明系统来检测和可视化气体或逃逸气体的热成像技术。

背景技术：

场景的热图像或红外(ir)图像常常用于监测、检查和/或维护的目的，例如用于监测工业厂房处的气体泄漏。通常，热成像设备(例如以温度记录设备或红外ir相机的形式)设置有ir检测器来采集表示从所观测的真实世界场景中发射的红外辐射的红外(ir)图像数据值。可以在采集之后在热成像设备或计算设备(比如平板计算机、智能电话、笔记本或台式计算机)中的显示器上显示和分析所采集的ir图像。热成像设备可以用于检测气体并产生观测到的真实世界场景的气体图像的视觉表示，例如从而在内置lcd上或外部计算设备上将气体泄漏可视化为相机取景器上的烟雾状图像，从而允许使用者看到或可视化难以捕捉的气体排放。对于许多气体，吸收红外辐射的能力取决于辐射的波长。换句话说，它们对ir辐射的透明度随红外辐射的波长而变化。可能存在使得一些气体显得基本不透明的ir波长(由于被那些气体吸收)，而其他ir波长使得那些气体显得基本透明(由于光很少或没有被那些气体吸收)。存在包含许多物质的红外吸收数据(也称为吸收光谱)的物理性质数据库。为了确定气体的红外吸收光谱，将样品放置在ir光谱仪中，并且在不同波长下测量红外辐射的吸收度(或透射率)。所得吸收数据通常表示为图表，也称为光谱或气体光谱。当从观测到的真实世界场景发射ir辐射并由热成像设备采集为ir图像时，可以将气体检测为与ir图像中不包含气体的区域相关的ir图像中包含气体的区域。其原因在于，根据气体存在与否，来自观测到的真实世界场景的ir辐射将受到不同衰减。衰减的这种差异取决于所观测的真实世界场景与热成像设备之间的路径中的气体分子量或气体分子浓度。能够检测到的最小气体浓度或最小气体量很大程度上取决于热成像设备的灵敏度。

一些常规热成像设备使用将相机限制为在窄光谱范围内运行的滤波器，窄光谱范围表示待检测气体具有高吸收度处的吸收波长，从而选择性地增强对气体的检测和可视化，例如气体泄漏。一些常规的热成像设备还使用允许滤波器、光路和ir传感器在低温下运行的ir传感器冷却装置，从而改善热成像设备的灵敏度。

然而，常规系统的问题在于，热成像设备的灵敏度可能太低而不能检测到某一浓度的气体。常规系统的另一个问题在于，其较为复杂、尺寸相对较大、相对较重、具有较高的制造成本并增加了总功耗，这在便携式单元的情况下导致减少的使用时间，例如当依靠电池运行时。常规系统的另一个问题在于，滤波器适用于特定波长，并且不能用于具有变化的气体吸收度或红外辐射透射率的宽范围的气体。

因此，需要解决常规系统的问题，以降低的复杂性、尺寸、重量、制造成本和/或总功耗来改善气体成像时的气体浓度灵敏度，例如用于在没有导致高成本和重量增加的硬件重新配置的情况下对宽范围的气体进行成像。

技术实现要素：

本公开涉及用于照明、成像、量化和/或可视化气体的方法、热成像设备和非暂时性计算机可读介质。特别地，以降低的复杂性、尺寸、重量、制造成本和/或总功耗提供了改善的气体成像时的气体浓度灵敏度，例如用于在没有导致高成本和重量增加的硬件重新配置的情况下对宽范围的气体进行成像。

此外，本公开的实施例使得能够检测气体，并且进一步地，根据一些实施例，使用这样的低复杂性、尺寸、重量、制造成本和/或总功耗的ir成像系统来量化所检测的气体。

本发明的方面使得能够使用具有一个或多个未冷却检测器的热成像设备来检测和量化气体，从而提供廉价、低复杂性但高质量的气体检测和量化。

根据实施例，提供了一种检测气体的方法，该方法包括：通过可控照明系统，利用包括红外(ir)波长范围内的辐射的光来对场景进行照明；控制照明系统发射处于第一波长λ1和第二波长λ2的光，使得对于所述第一波长和所述第二波长中的每一个，在时间段τ内将相等量的辐射能量发射到场景上，第一波长对应于气体的第一吸收水平，第二波长对应于气体的第二吸收水平；通过热成像设备的ir检测器来采集被所述第一波长λ1的光照明的场景的第一ir图像和被所述第二波长λ2的光照明的场景的第二ir图像；和比较所述第一ir图像和所述第二ir图像，以确定在所述第一ir图像和/或所述第二ir图像中是否表示出至少一种特定气体的特性。

根据实施例，用于检测从场景中的背景反射的所述第一波长和所述第二波长内的辐射的ir检测器适配为：在场景中不存在气体的情况下生成高输出信号电平；和由于在所述第一波长和/或所述第二波长内的辐射的吸收，在场景中存在气体的情况下生成低输出信号电平。

根据实施例，该方法还包括：控制照明系统关闭场景的照明；采集未照明场景的第三ir图像；和比较所述第一ir图像、所述第二ir图像和所述第三ir图像，以确定所述第一ir图像和/或所述第二ir图像中是否表示出特定气体的特性。

根据实施例，通过脉宽调制来控制照明系统，使得对于所述第一波长和所述第二波长中的每一个，在时间段τ期间发射基本相等量的能量，并且其中，时间段τ选择为对应于热成像设备的ir检测器的时间常数。

根据实施例，该方法还包括按照ir检测器的输出信号的指示来量化场景中存在的气体。

根据实施例，该方法还包括基于所述第一ir图像和所述第二ir图像量化气体。

根据实施例，该方法还包括通过以下步骤量化场景中存在的气体：确定场景中存在的气体的气体浓度长度(gcl)；确定与场景中存在的气体相关联的长度；和使用gcl和与气体相关联的长度来计算气体的浓度。

根据实施例，提供了一种用于检测气体的系统，该系统包括：可控照明系统，其配置为利用包括红外(ir)波长范围内的辐射的光对场景进行照明；控制单元，其配置为控制照明系统发射处于第一波长λ1和第二波长λ2的光，使得对于所述第一波长和所述第二波长中的每一个，在时间段τ内将相等量的辐射能量发射到场景上，第一波长对应于气体的第一吸收水平，第二波长对应于气体的第二吸收水平；和热成像设备，其配置为通过ir检测器来采集被所述第一波长λ1的光照明的场景的第一ir图像和被所述第二波长λ2的光照明的场景的第二ir图像；其中，系统配置为比较第一ir图像和第二ir图像，以确定在所述第一ir图像和/或所述第二ir图像中是否表示出至少一种特定气体的特性。

根据实施例用于检测从场景中的背景反射的所述第一波长和所述第二波长内的辐射的热成像设备的ir检测器配置为：在场景中不存在气体的情况下生成高输出信号电平；和由于在所述第一波长和/或所述第二波长内的辐射的吸收，在场景中存在气体的情况下生成低输出信号电平。

根据实施例，该系统还配置为：配置为控制照明系统关闭场景的照明；采集未照明场景的第三ir图像；和比较所述第一ir图像、所述第二ir图像和所述第三ir图像来确定在所述第一ir图像和/或所述第二ir图像中是否表示出特定气体的特性。

根据实施例，通过脉宽调制来控制照明系统，使得对于所述第一波长和所述第二波长中的每一个，在时间段τ期间发射基本相等量的能量，并且其中，时间段τ选择为对应于热成像设备的ir检测器的时间常数。

根据实施例，该系统还配置为按照ir检测器的输出信号的指示来量化场景中存在的气体。

根据实施例，该系统还配置为基于所述第一ir图像和所述第二ir图像量化气体。

根据实施例，该系统还配置为通过以下步骤量化场景中存在的气体：确定场景中存在的气体的气体浓度长度(gcl)；确定与场景中存在的气体相关联的长度；和使用gcl和与气体相关联的长度来计算气体的浓度。

根据实施例，第一波长λ1能够被第一气体吸收，而第二波长λ2能够被第二气体吸收。

根据实施例，第一波长λ1对选择的气体具有低吸收值，并且第二波长λ2对选择的气体具有高吸收值。

根据实施例，该系统配置为至少通过基于所述第一ir图像和所述第二ir图像生成差值图像来比较所述第一ir图像和所述第二ir图像。

根据实施例，系统配置为至少通过基于所述第一ir图像、所述第二ir图像和所述第三ir图像生成差值图像来比较所述第一ir图像和所述第二ir图像。

根据实施例，提供了一种用于检测气体的热成像设备，该设备包括可控照明系统；以及红外(ir)成像系统、存储器和处理器，其适配为执行所描述的方法中任一项所述的步骤和功能。

根据实施例，一种用于通过可控照明系统和热成像设备来检测气体的计算机可读介质，其包括存储在其上的用于执行所述方法中的任一项的非暂时性信息；和/或配置为控制处理器/处理单元执行根据所描述的方法中的任一项所述的任意步骤或功能的非暂时性信息。

根据实施例，一种用于通过可控照明系统和热成像设备来检测气体的计算机程序产品，其包括代码部分，该代码部分适配为控制处理器执行根据所描述的方法中的任一项所述的任意步骤或功能。

本发明的范围由权利要求来限定，这些权利要求通过引用并入本节。通过考虑以下对一个或多个实施例的详细描述，将向本领域技术人员提供对本发明实施例的更完整的理解以及对其附加优点的实现。将参照首先将简要描述的附图的图页。

附图说明

将通过示例性实施例并参考所附权利要求来进一步解释本发明，其中：

图1示出根据本公开的一个或多个实施例的包括红外(ir)成像系统和照明系统的热成像设备的示意图，其中，照明系统包括激光发射器、激光发射器冷却单元和反馈系统。

图2a示出根据本公开的一个或多个实施例的检测气体的方法的流程图。

图2b示出根据本公开的一个或多个实施例的用于检测和/或量化所观测的真实世界场景中存在的气体的方法的流程图。

图3a和图3b示出根据本发明的一个或多个实施例的说明示例性气体吸收光谱的曲线图。

图3c和图3d示出根据本发明的一个或多个实施例的说明光发射器控制电流的示例性幅值和脉冲宽度的曲线图。

图4a是示出根据本公开的一个或多个实施例的具有由热成像设备观测到的气体现象的真实世界场景的示例的示意图。

图4b是示出根据本公开的一个或多个实施例的使用照明系统和热成像设备的真实世界场景中的发射光的反射的示例的示意图。

图5a示出根据本发明的一个或多个实施例的图2b的框290的子框的流程图。

图5b示出根据本发明的一个或多个实施例的用于生成查找表的方法的流程图。

图6a示出根据本发明的一个或多个实施例的气室的示意图。

图6b示出根据本发明的一个或多个实施例的图6a的气室、热成像设备以及发射穿过气室到热成像设备的检测器元件上的一个或多个光束的光源/光发射器的示意图。

图7a示出根据本发明的一个或多个实施例的用于解决饱和图像/信号的问题的方法的流程图。

图7b示出根据本发明的一个或多个实施例的用于自动光束尺寸调整的方法的流程图。

图8a示出根据本发明的一个或多个实施例的说明如何通过热成像设备的照明系统来检测并补偿发射光波长的漂移或偏移的示例的照明系统的示意图。

图8b示出根据本发明的一个或多个实施例的说明如何在热成像设备的照明系统的校准期间检测发射光波长的漂移或偏移的示例的示意图。

图8c示出根据本发明的一个或多个实施例的说明如何在热成像设备的照明系统的运行期间检测发射光波长的漂移或偏移的示例的示意图。

图9a示出根据本公开的一个或多个实施例的说明如何通过具有棱镜形式的光束弯曲器的照明系统来检测并补偿发射光波长的漂移或偏移的示例的照明系统的示意图。

图9b示出根据本发明的一个或多个实施例的说明如何通过使用惠更斯-菲涅耳原理或光栅方程式来检测发射光波长的漂移或偏移的示例的示意图。

通过参照以下的详细描述来最佳地理解本发明的实施例及其优点。应当理解，相同的附图标记用于标识在一个或多个附图中示出的相同元件。

具体实施方式

介绍

热成像设备，比如包括红外(ir)成像系统的红外(ir)相机，经常用于各种应用中，比如监视和检查或监控各种物体，例如工业设施和建筑物。这样的热成像设备通常配置为采集包括ir图像数据值的帧的红外(ir)图像，该ir图像数据值表示从所观测的真实世界场景发射的红外辐射。具有ir成像系统的ir相机通常采用透镜，该透镜运行为将所接收的辐射引导到红外(ir)检测器上，该检测器适配为提供所观测的真实世界场景的视角的图像。

这种ir相机的运行通常使得红外能量经由包括透镜的红外光学器件而被接收并引导到ir检测器元件上。每个检测器元件对所接收的红外辐射或热能作出响应。可以通过扫描检测器的行和/或列的模拟值或者在一些实施例中扫描模数转换值来采集ir图像数据值的帧，以获得ir图像。在这样的ir图像中，与每个检测器元件相关联的ir图像数据值被称为ir图像中的ir图像像素，其具有相关联的行和列索引。

热成像设备还可用于对在所观测的真实世界场景中出现的气体进行检测或成像。这可以通过以一个或多个采集的ir图像的形式或基于一个或多个采集的ir图像生成气体图像(本文也称为气体表示图像)来执行。然而，常规热成像设备的灵敏度可能不足以观测到低浓度的气体。该问题的常规解决方案是添加与特定气体或物质的红外辐射的吸收波长或透射波长相对应的滤波器。为了进一步改善灵敏度，常规系统可以配置为冷却热成像设备内部的检测器、滤波器和红外辐射路径。

可以通过借助于照明系统对所观测的真实世界场景进行照明，来实现对气体浓度的改善的灵敏度，这将允许生成改善的气体表示图像。于是照明系统适配为通过在感兴趣的气体或多种气体的吸收波长内和在热成像设备能够检测的波长范围内的光或辐射来发射和照明场景。在实施例中，照明系统可以适配为更具体地通过热成像设备中包括的ir检测器的可检测波长范围内的光或辐射来发射和照明场景。吸收波长是基于关系获得或推导出的，该关系指示对于ir辐射或光的各种波长，一种或多种感兴趣的气体对红外辐射的吸收或透射值。照明系统所发射的光从所观测的场景反射回来，从而增加从所观测的真实世界场景中的物体发射的辐射。由于红外辐射被所观测的真实世界场景与热成像设备之间存在的气体不同地衰减，因此可以在一个或多个ir图像中检测由热成像设备采集的ir图像中的描绘了存在气体的区域的区段，并且可以生成气体表示图像。

在本文描述的实施例中，气体图像被理解为包括气体图像数据值的帧(也称为气体图像像素)，其表示在所观测的真实世界场景的背景与观测真实世界场景的热成像设备之间的、在真实世界场景中存在的气体分子量或气体分子的浓度，其中，气体图像数据值具有相关联的行和列索引。

本发明的实施例可以用于量化检测到的气体，例如用于确定气体泄漏中的气体量。量化信息可以用于确定气体泄漏的潜在问题的紧急性以及需要采取什么措施(如果有的话)。根据一些实施例，这种对紧急性或要采取的动作的确定是自动的。例如，可以将量化信息与一个或多个预设警报级别、查找表中的值等进行比较。替换地或附加地，可以使得热成像设备的使用者或稍后查看所采集的数据的人能够通过系统来进行确定，该系统在集成到、连接到或通信地耦合到热成像设备的显示器上或在用于稍后查看和解释热成像设备所采集的数据的外部设备的显示器上向使用者呈现量化信息的视觉表示或其他合适的反馈。

照明系统和热成像设备

图1示出了例如红外ir相机形式的热成像设备110的一个或多个实施例的示意图，热成像设备110包括红外(ir)成像系统113，红外(ir)成像系统113配置为采集ir图像数据值形式的红外(ir)图像，该ir图像数据值表示从观测的真实世界场景发射的红外辐射。热成像设备110还包括照明系统119，照明系统119配置为将光形式(特别是具有表示气体的吸收波长的波长)的电磁辐射发射到所观测的真实世界场景上。在实施例中，照明系统119可以与热成像设备110集成，或者照明系统119可以配置为能够可通信地耦合到热成像设备110的分离单元。

照明系统119的一个或多个实施例包括光发射器193，该光发射器193配置为响应于经由初级输出器191和经由次级输出器197接收到控制信号而发射光，所述初级和次级输出器被包括在光发射器193或照明器119中。例如，照明系统119的光发射器193可以是激光发射器。光发射器193的初级输出器配置为将从光发射器193发射的光的至少一些或一部分或大部分引导到所观测的真实世界场景上。例如，可以经由初级输出器191发射在光发射器193中或针对光发射器193生成的光或输出功率的大约99％或更多。

例如光束弯曲器194的形式的光束分配器配置为接收光束并以取决于光束的波长的角度衍射或折射光束。次级输出器197配置为将从光发射器193发射的光的至少一些或减少的部分作为光束引导到光束弯曲器194上。例如，可以经由次级输出器197发射在光发射器193中或针对光发射器193生成的光或输出功率的大约1％或更少。在实施例中，在照明系统的反馈系统中使用从次级输出器发射的光来确定发射器193所发射的激光的波长。红外(ir)辐射值读出电路190耦合到ir检测器阵列192或包括ir检测器阵列192，ir检测器阵列192配置为接收来自光束弯曲器194的衍射或折射光束。ir读出电路190配置为采集一组ir辐射值，该组ir辐射值包括来自ir检测器阵列192的一个或多个阵列元件的表示在ir检测器阵列192处接收的衍射或折射光束的一个或多个值。控制单元195通信地耦合到光发射器193和ir读出电路190。控制单元195配置为基于由读出电路190采集的ir辐射值生成并调整控制信号，以控制由光发射器193发射的光的波长。在实施例中，控制单元195还可以配置为控制或者接通或断开光发射器。

在实施例中，控制单元195配置为基于表示该组采集的ir辐射值中的衍射或折射光束的一个或多个阵列元件值的空间位移来调整控制信号，以校正光发射器193所发射的光的波长漂移。在这样的实施例中，基于对参考阵列元件值位置与表示所采集的该组ir辐射值中的衍射或折射光束的一个或多个阵列元件值的阵列元件值位置的比较来确定空间位移。参考阵列元件值位置可以在照明系统119的校准期间确定，并且对应于具有目标波长的衍射或折射光束的阵列元件值位置。照明系统119还可以包括存储器装置180，存储器装置180通信地耦合到控制单元195并且配置为存储参考阵列元件值位置。

在实施例中，光发射器193所发射的光的波长响应于控制信号的幅值而变化。控制单元195可以配置为通过确定控制信号的幅值来调整控制信号以控制波长。控制单元195还可以配置为通过基于该组采集的ir辐射值的信号强度调整控制信号来控制光发射器193所发射的光的输出功率。光束弯曲器194可以是配置为将以各自取决于光束波长的角度光束分割并衍射成多个衍射光束的衍射光栅。在这样的实施例中，ir检测器阵列192可以配置为接收多个衍射光束中的至少一个。在其他实施例中，光束弯曲器194可以是配置为以取决于光束波长的角度折射光束。

照明系统119的实施例还包括冷却单元196，冷却单元196通信地耦合到控制单元195并且配置为响应于冷却单元控制信号而向光发射器193提供冷却。例如，冷却单元196包括附接或热耦合到光发射器193的装置，并且配置为基于例如以控制电流形式接收到的控制信号来维持光发射器193的特定操作温度。在这样的实施例中，光发射器193所发射的光的波长响应于提供给光发射器193的冷却而改变。由控制单元195调整的控制信号可以包括在冷却单元控制信号中。包括这样的冷却单元的实施例可以解决以下问题：在照明系统的运行期间，比如环境温度和设备中的内部热生成的运行条件可能改变，从而导致所发射的激光波长的漂移或偏移。控制单元195的控制信号可以适配为基于经由光发射器的次级输出器所发射的光来运行以控制反馈控制回路中的漂移或偏移。这将结合图8来进一步解释。包括这种冷却单元的实施例还可以解决例如当光发射器196是激光发射器时出现的问题，即在特定操作温度下，照明系统119的激光发射器可能仅被控制在预定光波长跨度内。通过控制冷却单元196并从而控制光发射器193的操作温度并同时控制激光发射器，可以选择性地控制光波长跨度。

在另外的示例中，光发射器193可以是能够发射电磁辐射或光(例如表示气体的吸收波长并且优选处于电磁光谱的红外部分中的波长)的激光器、灯或发光二极管(led)形式的光源。例如，这样的光可以由比如量子级联激光器qcl的激光器来发射。在照明系统119的实施例中，控制信号是控制电压或控制电流。例如，量子级联激光器qcl形式的光发射器可以通过修改激光器驱动电压或激光器驱动电流来调相、稳定和调谐。

在照明系统119的实施例中，红外(ir)辐射值读出电路190和/或ir检测器阵列192包括在照明系统119的红外(ir)成像系统中。这样的ir成像系统配置为采集ir图像中的一组ir辐射值，该ir图像包括表示在ir检测器阵列处接收到的衍射或折射光束的一个或多个像素的形式的阵列元件值。在这样的实施例中，控制单元195配置为基于所采集的ir图像生成并调整控制信号，以控制光发射器193所发射的光的波长。通过该ir成像系统生成红外(ir)图像，其中一个或多个像素表示在ir检测器阵列处所接收的采集的衍射或折射光束。如上所述，在这样的实施例中，控制单元195配置为基于所采集的ir图像生成并调整控制信号，以控制光发射器193所发射的光的波长。控制单元195使用在ir图像上表示的检测到的光束的位置来调整控制信号，使得其控制光发射器193发射具有如本文所述的受控波长的光。例如，基于将所述ir传感器上的一个或多个折射或衍射激光束的空间位置识别为所采集的ir图像中的空间像素位移，来向控制单元195提供反馈。

初级输出器191可以包括对照明光学系统的选择，该照明光学系统可选地设置有对透镜、变焦调节功能、扩束器功能和/或聚焦功能(其适于将照明光引导到所观测的真实世界场景上)的选择。在一个或多个实施例中，照明系统119的初级输出器191可以可选地还包括扩束器伺服马达198，其通信地耦合到控制单元195并且配置为响应于从照明系统控制单元195接收的束宽度控制信号而调整发射到所观测的真实世界场景上的光的分布。

ir成像系统113包括红外ir检测器1132，例如微测辐射热计焦平面阵列。在实施例中，ir检测器1132是未冷却的ir检测器。ir成像系统设有红外(ir)光学系统1131，例如包括配置为将光引导到红外ir检测器1132上的透镜、变焦功能和/或聚焦功能。ir检测器1132配置为提供ir图像数据值的信号帧形式的ir图像，ir图像数据值表示从所观测的真实世界场景发射的红外辐射。ir成像系统113布置为将ir图像数据值的信号帧传送到处理器112，处理器112通信地耦合到ir成像系统113和照明系统119。处理器112可以布置为执行本文中所描述的步骤或功能中的任一项。

处理器112可以例如经由通信接口116通信地耦合到照明系统119的控制单元195。这样的通信接口116配置为从外部单元或内部单元向处理器112发送信号、数据值或参数和/或从处理器112接收来自外部单元或内部单元的信号、数据值或参数。外部单元的示例是单独配置的照明系统119或比如个人计算机(pc)等的计算设备。为了通过热成像设备110来控制照明系统119，处理器112和/或照明系统配置为传送适配为操作照明系统119的信号、数据和/或参数。存储器115通信地耦合到处理器112并且配置为存储能够从处理器接收和/或取回的数据值和/或参数。

在实施例中，处理器112配置为操作照明系统119以在各自不同的时间将具有第一波长λ1的光和具有第二波长λ2的光发射到所观测到的真实世界场景上。此外，处理器112配置为操作ir成像系统110，以分别在具有第一波长λ1的光和具有第二波长λ2的光被发射到所观测的真实世界场景上时采集所观测的真实世界场景的第一ir图像和第二ir图像。在其他实施例中，照明器中的处理器可以配置为控制热成像设备，或者分离的处理器可以配置为控制照明器和热成像设备。这根据本文公开的一个或多个实施例来使用，以基于例如从通过具有第一波长λ1的光照明的场景的第一ir图像和通过具有第二波长λ2的光照明的第二ir图像生成的一个或多个差值图像来生成气体表示图像。在这样的实施例中，处理器112还配置为基于第一和第二采集的ir图像来检测所观测的真实世界场景中存在的气体。

热成像设备110还可以包括显示器118，显示器118配置为从处理器112接收信号并将所接收的信号显示为例如热成像设备110的使用者可访问的显示图像。热成像设备110可以包括输入设备117，输入设备117配置为接收来自使用者的输入或指示，例如接收来自使用者的指示ir图像中的感兴趣的局部区域的命令。显示器118可以与使用者输入设备117集成，使用者输入设备117配置为从处理器112接收信号，并将接收到的信号显示为显示图像，并接收来自使用者的输入或指示，例如通过应用触摸屏功能来将使用者输入信号传送到所述处理器112。

热成像设备110的一个或多个实施例还可以包括可见光(vl)成像系统114，其配置为采集表示从所观测的真实世界场景发射的可见光的可见光(vl)图像数据值。vl图像数据值可以与所述ir图像基本同时采集。vl成像系统设置有可见光(vl)检测器1142和配置为将可见光引导到vl检测器1142上的光学系统1141。光学系统1141可以例如包括透镜、变焦功能和聚焦功能。vl检测器1142可以例如包括数字电荷耦合设备(ccd)或互补金属氧化物半导体(cmos)有效像素传感器，其配置为提供表示从所观测的真实世界场景发射的可见光的vl图像数据值的信号帧形式的vl图像。vl成像系统114还布置为将vl图像数据值的信号帧传送到处理器112。

在一个或多个实施例中，vl成像系统114可以适配为采集除可见光波长之外或代替可见光波长的其他非热波长的电磁辐射。例如，vl成像系统114可以配置为采集近红外(nir)光、短波红外(swir)光、紫外(uv)光或除了可见光之外或代替可见光的其他非热光。对于这种实施例，vl成像系统114可以表示非热成像系统，其包括响应于非热辐射的非热光学系统(由vl光学系统1141表示)和非热检测器(由vl检测器1142表示)。例如，电子倍增ccd(emccd)传感器、科学cmos(scmos)传感器、增强型电荷耦合器件(iccd)传感器以及以上讨论的基于ccd和基于cmos的传感器和/或其他合适的传感器可以用来实现非热检测器(由vl检测器1142表示)以检测nir光、swir光和/或其他非热光。

在实施例中，热成像设备110和/或照明系统119配置为使得来自照明系统119的控制单元195的控制信号包括具有幅值和宽度的信号脉冲。在这样的实施例中，从照明系统119的光发射器193发射的光的波长响应于控制信号脉冲的幅值而变化。从照明系统119的光发射器193发射的光的输出功率响应于控制信号脉冲的幅值和宽度而变化。照明系统119的控制单元195配置为确定光发射器发射具有第一波长λ1的光和具有第二波长λ2的光的信号脉冲的幅值和宽度，随着幅值增大以改变发射光的波长时，控制电流脉冲的宽度减小以保持所发射的光的基本相同的输出功率。这解决了例如在具有激光发射器的实施例中以及在如下时刻可能发生的问题，在该时刻，通过增加或减少控制信号(呈通过光发射器的控制电流的形式)来控制照明系统119，以发射具有第一波长λ1的激光然后发射具有第二波长λ2的激光。通过增加或减少控制电流来将照明系统的激光照明器控制为不同波长，从而也将改变激光强度。例如，当基于在具有不同波长的照明期间采集的两个图像来生成差值图像或气体表示图像时，这可能是重要的，其中，即使不存在气体，两个图像也可能由于光发射器193的输出功率变化而具有不同的强度。在解决该问题的实施例中，激光控制电流可以通过特定幅值以及脉冲宽度来进行脉冲调制，从而在热成像设备的积分时间常数τ的时间跨度内多次有效接通和关断激光发射器。在一个示例中，热成像设备110中的测辐射热计检测器的积分时间常数τ在8-15毫秒的范围内。这样的实施例允许控制和维持输出功率，使得辐射的强度和检测到的ir图像数据值的强度可以或多或少地保持恒定。从而改善了通过这样的热成像设备110和照明系统119来生成气体代表图像的灵敏度。

采集的ir图像、采集的vl图像或组合的ir/vl图像可以在采集之后显示在显示器上，或者显示在热成像设备中，或者显示在比如平板计算机、膝上型计算机或台式计算机的计算设备中，以便使使用者能够分析结果。

在一个或多个实施例中，热成像设备110中所包括的ir成像系统113配置为采集多个连续ir图像作为ir图像流，比如具有给定帧速率的视频。类似地，在一个或多个实施例中，所述热成像设备110中所包括的vl成像系统114配置为采集多个连续vl图像作为vl图像流，比如具有给定帧速率的视频。

在一个或多个实施例中，热成像设备110还包括显示器118，显示器118配置为从处理器112接收信号并将所接收的信号显示为显示图像，以例如提供给热成像设备110的使用者。在一个或多个实施例中，热成像设备110还包括配置为接收来自使用者(例如指示ir图像中的目标局部区域的使用者)的输入或指示的输入设备117。在一个示例性实施例中，显示器118与使用者输入设备117集成，使用者输入设备117配置为从处理器112接收信号，将所接收的信号显示为显示图像，接收来自使用者的输入或指示(例如通过应用触摸屏功能)并且向所述处理器/处理单元112发送使用者输入信号。

在一个或多个实施例中，热成像设备110还适配为手持式热成像设备110或固定安装式监控型热成像设备110。在一个或多个实施例中，热成像设备110配置为集成有ir成像系统和vl成像系统114的一个设备。在一个或多个实施例中，热成像设备110配置为两个物理上分离的设备，即包括ir成像系统113的第一设备和包括照明系统119的第二设备，照明系统119在实际环境中通信地耦合并向基本相同的所观测的真实世界场景上发射光并采集该场景。存储器115可以集成到第一设备或第二设备中的一个中，或者存储器115可以集成到物理上分离的存储器设备(图中未示出)中，所述第一设备和第二设备通信地耦合到该物理上分离的存储器设备。

在一个或多个实施例中，热成像设备110配置为采集表示从所观测的真实世界场景发射的红外辐射的红外(ir)图像数据值，并且接着进一步通过应用预定ir温度校准数据参数来校正或校准所采集的数据值，以映射和缩放所采集的数据值，从而用于单独地或者与vl图像相结合地显示为ir或热图像，根据本领域中已知的方法。

图2a示出了流程图，其示出使用图1中示出并在此描述的设备的一个或多个实施例来检测气体的方法的一个或多个实施例，该方法包括：

在框210处，通过可控照明系统，利用包括红外(ir)波长范围内的辐射的光来对场景进行照射。

在框220处，控制照明系统以对应于气体的第一吸收水平的第一波长λ1和对应于气体的第二吸收水平的第二波长λ2来发射光，使得对于所述第一和第二波长中的每一个，在时间段τ上将相等量的辐射能量发射到场景上。在实施例中，这例如通过利用脉宽调制控制光发射器来实现，使得对于所述第一和第二波长中的每一个，在时间段τ期间发射基本相等量的能量。在实施例中，第一波长λ1可以被具有所选择的第一气体的特性的第一吸收水平的第一气体吸收，并且第二波长λ2可以被具有所选择的第二气体的特性的第二吸收水平的第二气体吸收。在实施例中，第一波长λ1对所选择的气体具有低吸收值；并且第二波长λ2对所选择的气体具有高吸收值。

在框230处，通过热成像设备的ir检测器来采集场景的ir图像，ir检测器适配为在不存在气体的情况下产生高输出信号电平并且在场景中存在气体的情况下产生低输出信号电平。在实施例中，用于检测从场景中的背景反射的所述第一和第二波长内的辐射的ir检测器适配为生成：在场景中不存在气体的情况下的高输出信号电平；和由于在所述第一和/或第二波长内的辐射的吸收，在场景中存在气体的情况下的低输出信号电平。

在实施例中，该方法包括采集通过所述第一波长λ1的光来照明的场景的第一ir图像，采集通过所述第二波长λ2的光来照明的场景的第二ir图像，并且比较所述第一和第二ir图像以确定在所述第一和第二ir图像中是否表示出特定气体的特性。在实施例中，如下面进一步解释的，比较包括生成一个或多个差值图像，以确定气体的存在和/或生成具有所描绘的场景中存在的气体的表示的图像。

图2b示出了流程图，其示出使用图1中示出并在此描述的设备的一个或多个实施例来检测气体的方法的一个或多个实施例，该方法包括：

在框240处，通过控制光发射器将第一波长λ1的光发射到场景的第一部分上，来照明所观测的场景的第一部分。

在框250处，采集第一ir图像，该图像包括表示从场景的第二部分所发射的ir辐射的ir图像数据值，其中，真实世界场景的第二部分至少部分地与场景的第一部分重叠。如本公开中所描述的，从场景的一部分发射的ir辐射不限于从场景中的背景和/或物体/物质发射的ir辐射，而是可以根据例如ir辐射源(ir光发射器)的存在和/或场景中可以反射和/或透射ir辐射的物体/物质(例如气体)的存在而包括反射和/或透射的ir辐射。

在各种实施例中，对应于由根据本文所描述的实施例中的任一者的热成像设备所采集的ir图像的信号sn可以描述或近似为：

对于整数n：0＜n≤n

sn＝respn*wbgn+soffn(公式1)

其中，wbgn是从所观测到的真实世界场景中的背景发射的能量；respn是热成像设备对从背景(wbgn)发射的能量的响应或响应度；并且soffn是偏移值。

n是待处理的图像中的像素的数量或图像的像素的所选子集。换句话说，可以使用公式1来计算所述n个像素中的每一个，即整个图像或图像的所选子集的信号。在其余的方程中，为了更容易阅读，省略了索引n。然而，与图像/信号相关的每个方程可以应用于一个或多个像素，即应用于图像的每个像素，或者图像的所选子集中的每个像素。

在一些实施例中，如图4b的示例所示，热成像设备440包括配置为将第一波长λ1的光发射到真实世界场景40(也称为场景40)上的光发射器460。从光发射器460发射到场景40的背景410上的光的方向由虚线箭头420a指示。假设在所观测的真实世界场景中存在气体，如图4b中的气体云或区域a1所示，所述具有发射能量的发射光可以穿过所观测的真实世界场景中的气体，在背景410上反射，并且在到达热成像设备440中包括的ir成像系统450的一个或多个ir检测器或ir检测器元件之前再次穿过气体云a1。到达ir成像系统450的反射光由虚线箭头420b指示。根据这些实施例，对应于由热成像设备采集的ir图像并且包括波长λ1的发射和/或反射光的信号sgas1可以被描述或近似为：

sgas1＝resp*(τgas*wbg+(1-τgas)*wgas+(τgas(λ1))²*wlight(λ1)+soff)

(公式2)

其中，wlight(λ1)是从背景反射的波长为λ1的光；而τgas是所使用的ir成像系统配置来检测的波长范围内的光的透射率。术语(1-τgas)*wgas是气体的发射辐射，并且(τgas(λ1))是所研究的气体对于具有波长λ1的光的透射率。

在框260处，通过控制光发射器将第二波长λ2的光发射到所观测的真实世界场景的所述第三部分上，对所述观测的真实世界场景的第三部分进行照明，所述第三部分至少部分地与真实世界场景的第一和第二部分重叠。例如，在一个或多个实施例中，第二波长λ2可以选择为对于特定物质或气体具有红外辐射的局部高吸收值或最大吸收值的波长。在一个或多个实施例中，为了找到一种或多种指定的气体和波长而研究场景，并且可以选择波长λ1和λ2，使得：λ1包括在所研究的一种或多种气体的吸收波长光谱中，而λ2不包括在所述一种或多种气体的吸收波长光谱中。

在一个或多个实施例中，照明系统控制器可以配置为控制光发射器在将1)第一波长λ1与2)第二波长λ2的光发射到所观测的真实世界场景的相同部分的动作之间切换，或根据本文所呈现的其他实施例，在1)发射第一波长λ1的光、2)发射第二波长λ2的光和3)不发射任何光的动作之间切换。

在框270，采集包括表示从观测到的真实世界场景的第二部分发射的ir辐射的ir图像数据值的第二ir图像。

因此，根据一个或多个实施例，热成像设备可以配置为采集以下图像：当光发射器将第一波长(λ1)的光发射到观测到的真实世界场景上时的图像sgas1，以及当光发射器将第二波长(λ2)的光发射到观测到的真实世界场景上时的图像sgas2。信号sgas2类似于信号sgas1，不同之处在于，λ2波长的光由光发射器发射到场景上并在ir图像中采集。因此，sgas2可以被描述或近似为：

sgas2＝resp*(τgas*wbg+(1-τgas)*wgas+(τgas(λ2))²*wlight(λ2)+soff)(公式3)

其中，wlight(λ2)是从背景反射的波长为λ2的光，而τgas(λ2))是所研究的气体对于波长为(λ2)的光的透射率。在一个或多个实施例中，可以接连采集图像sgas1和sgas2，例如作为一系列采集的图像帧中的连续图像。

在框280处，根据本文所述的任意方法实施例，基于第一和第二ir图像来检测观测到的真实世界场景中存在的气体。

如本文所述，在一个或多个实施例中，波长λ1不包括在待检测气体的吸收光谱中，而波长λ2包括在待检测气体的吸收光谱中。因此，可以通过方法实施例检测气体，该方法实施例包括找到在发射包括在吸收光谱中的波长λ2的光期间采集的图像sgas2和在发射不包括在吸收光谱中的波长λ1的光期间采集的图像sgas1之间的预定关系。气体可以进一步通过方法实施例来检测，该方法实施例包括找到在发射包括在吸收光谱中的波长为λ2的光期间采集的图像sgas2与图像sgas0之间的预定关系。这种关系的实施例可以表示为差值图像d或配额/透射因子k，这将在下面进一步描述。

在一个或多个实施例中，差值图像的生成包括控制光发射器不将光发射到场景的所述第一部分上；使用ir成像系统采集包括从场景的所述第二部分发射的ir辐射的第三ir图像，其中，第三ir图像表示从场景的背景发射的ir辐射的贡献；和在基于第一ir图像和第二ir图像生成差值图像之前，分别从第一ir图像和第二ir图像中减去第三ir图像，如在此进一步描述的。根据这些实施例的方法可以包括控制发光器不发射任何光/不被关闭，并且可以进一步包括使用热成像设备在发光器不发射任何光或不被关闭的同时采集第三ir图像(下文中也称为图像sgas0)。相应地，在实施例中，照明系统控制器可以配置为控制光发射器不发射任何光/被关闭，并且热成像设备可以配置为在光发射器不发射任何光或被关闭时采集图像sgas0。

如果在所观测的真实世界场景中存在气体，则对应于由热成像设备采集的ir图像的信号sgas0可以被描述或近似为：

sgas0＝resp*(τgas*wbg+(1-τgas)*wgas+soff)(公式4)

其中，τgas是气体的透射因子，并且(1-τgas)*wgas是气体的发射辐射。然后，当不执行使用集成在热成像设备中、连接到热成像设备或耦合到热成像设备的光发射器对观测到的真实世界场景的附加照明时，图像sgasa对应于背景辐射的贡献。

在一个或多个实施例中，图像/信号sgas1与图像/信号sgas2之间的关系定义为配额或透射因子k，其中，已经从图像/信号sgas1和图像/信号sgas2中分别去除了表示背景辐射的贡献的信号sgas0，因此，消除了由背景辐射和/或来自所观测的真实世界场景中的物体的辐射而引入的可能被解释为气体相关信息的任意噪声，由此进一步改善了气体的检测和量化。通过使用三个或更多个图像用于气体检测，由ir成像系统引入的噪声也被不同程度地减少，因为由于光学现象引起的图像劣化/噪声引入通过多于两个图像的融合被补偿/减少。

使用放大因子gaink来调整图像/信号电平，k可以被定义为：

其也可以被写为：

在热成像设备的生产中或在热成像设备的使用期间，在校准中确定应用于发射光以控制输出信号电平的放大因子gaink。在所观测的真实世界场景中不存在气体的条件下(对于所有波长τgas＝1)，或者使用其中已知不存在气体的采集图像的一部分来执行校准，并且在这些情况下调整gaink使得k＝1，这意味着gaink可以被描述为：

这给出了关系

在框290处，基于第一和第二ir图像量化在所观测的真实世界场景中存在的所检测的气体。下面描述用于量化所观测的真实世界场景中存在的气体的实施例。在实施例中，对所观测的真实世界场景中存在的任意气体的量化包括估计/计算所观测的真实世界场景中存在的气体的量。处理器112可以配置为估计/计算所观测的真实世界场景中存在的气体量。

在一个或多个实施例中，检测到的气体的量化包括基于所述第一ir图像和所述第二ir图像生成差值图像、气体图像和/或配额/透射因子，其中，所述差值图像、气体图像和/或配额/透射因子指示场景中存在的气体；和基于所述生成的差值图像、气体图像和/或配额/透射因子来量化存在于真实世界场景中的所检测的气体。如果在检测框280中已经基于所述第一ir图像和所述第二ir图像生成了差值图像、气体图像和/或配额/透射因子，则相同的差值图像、气体图像和/或配额/透射因子可以用于量化，由此不需要在该框中执行这种差值图像、气体图像和/或配额/透射因子的新的生成。

在以下进一步描述的一些实施例中，基于气体浓度长度gcl来估计和/或计算所观测的真实世界场景中存在的气体浓度η。术语gcl在本公开中被理解为真实世界场景中存在的气体的浓度(在浓度测量单元中，例如ppm)乘以场景中包括检测气体的物理区域的长度(在长度测量单元中，例如米)，如从测量设备(例如，从热成像设备的检测器)朝向所观测的真实世界场景的背景的方向所看到的。

图3a和图3b示出了示例性气体的吸收光谱的曲线图。图3b中的曲线图是图3a中的曲线图的一部分的放大图。在曲线图中，x轴上的波长值相对于y轴上的吸收值绘出。气体对于第一波长λ1310具有低吸收值，第一波长λ1310例如至少可以是该气体的局部最小吸收值。通过来自照明系统119具有第一波长λ1的照明光对气体进行照明将导致气体对照明光的低吸收。此外，气体对于第二波长λ2320具有高吸收值，第二波长λ2320例如至少可以是该气体的局部最大吸收值。用来自照明系统119的具有第二波长λ2的照明光对气体进行照明将导致气体对照明光的高吸收。

在如本文所述的一个或多个实施例中，操作照明系统119包括控制光发射器193将具有第一波长λ1或具有第二波长λ2的光发射到真实世界场景上。可以基于由控制单元195获得的作为波长数据值的设定点和以光发射器193的特性为基础的控制信号关系，来控制发射光的波长。在实施例中，控制信号关系可以描述发射光的波长和作为控制信号提供给光发射器193的光发射器控制电流之间的关系。

指示发射波长的设定点的波长数据值可以例如由照明系统195的控制单元195从处理器获得或传送到照明系统195的控制单元195，或从照明系统119的存储器180取回。在一个或多个实施例中，控制单元195或处理器112基于例如以吸收光谱形式的控制信号关系来确定波长数据值。控制信号关系可以作为查找表(lut)存储在照明系统119的存储器180或热成像设备110的存储器115中。查找表lut可以例如包括值对，该值对包括一个或多个波长值和一个或多个吸收值，优选与控制信号参数，例如控制电流或本文描述的任何其他控制信号参数相关。

对于许多气体，吸收红外辐射的能力取决于辐射的波长。换句话说，其对来自例如激光的ir辐射的透明度随着辐射的波长(例如通过照明光)而变化。可能存在气体由于吸收而基本不透明的ir波长。存在包括许多物质的红外吸收数据的物理性质数据库。为了确定气体的红外吸收光谱，将样品放置在红外光谱仪中，并在不同波长下测量红外辐射的吸收或透射率。所得的吸收数据通常表示为曲线图，也称为吸收光谱，其可以用于控制信号关系。这样的曲线图通常表示为沿x轴的光吸收值，其表示光波长值，如图3a-3b所示，然而，可以以类似的方式使用光透射值。

在包括产生气体表示图像的实施例中，控制光发射器193发射第一波长λ1和第二波长λ2，使得其对应于用于特定气体(例如，在气体成像中作为检测目标的气体)的红外辐射的吸收波长。在实施例中，基于利用不同照明光条件采集的第一ir图像和第二ir图像来生成气体表示图像。可以基于第一ir图像和第二ir图像来生成气体表示图像作为差值图像，其中，第一ir图像的ir图像数据值减去第二ir图像的ir图像数据值。

在实施例中，第一图像可以表示在第一波长λ1处具有低程度的光吸收(例如局部最小吸收)的气体现象。此外，第二图像可以表示在第二波长λ2处具有高程度的光吸收(例如局部最大吸收)的气体现象。在这样的实施例中，低吸收波长和高吸收波长之间的关系以及对应的ir图像可以被组合使用以检测特定气体的更复杂的吸收特性。通过包括用于多种气体的第一和第二波长，可以检测到宽范围的气体。

在其他实施例中，第一图像可以再次表示在第一波长λ1下具有低程度的光吸收的气体现象，例如正常空气(例如，大气空气)。第二图像可以表示在第二波长λ2处具有高程度的光吸收的气体现象，例如在特定波长处的局部最大吸收，其是特定气体的典型特性。

本公开的实施例方法包括采集通过第一波长λ1的光来照明的场景的第一ir图像，采集通过第二波长λ2的光来照明的场景的第二ir图像，以及比较第一和第二ir图像以确定在第一和第二ir图像中是否表示出特定气体的特性。在实施例中，比较包括基于第一和第二ir图像生成差值图像，例如通过从所述第一ir图像的数据值中减去所述第二ir图像的数据值。

在实施例中，基于ir图像生成气体表示图像可以包括将表示图像数据值的气体确定或设置为等于指定的ir图像数据值，使得可以在存在气体时通过解释强度差异来将采集的ir图像解释为气体表示图像。通过具有表示出特定气体或物质的低吸收的第一波长的光并且随后通过具有特定气体或物质的高吸收的第二波长的光来照明所观测到的真实世界场景，可以改善强度的差异并且因此改善热成像设备的灵敏度。在实施例中，差值图像或气体表示图像的生成可进一步包括控制或关闭所发射的光并采集第三ir图像。由于第三图像表示当场景未被主动照明时由观测到的真实世界场景中的物体发射的红外能量，因此可以通过从第一和第二ir图像中减去第三ir图像的数据值来改善强度的差异或增量，并因此改善对低气体浓度成像的灵敏度。本公开的方法实施例包括控制照明器关闭场景的照明，采集非照明场景的第三ir图像，以及比较所述第一、第二和第三ir图像以确定在所述第一和/或第二ir图像中是否表示出特定气体的特性。比较可以例如包括基于所述第一、所述第二和所述第三ir图像生成差值图像。

如图1所示的热成像设备和照明器的操作的示例性实施例通常如下。

处理器112向照明系统控制单元195发送第一波长控制值作为控制信号。照明系统控制单元195配置为基于所述激光发射器冷却单元控制电流控制激光发射器冷却单元196冷却所述激光发射器193，控制或者接通或关断所述光发射器，并且控制光发射器在初级输出器处发射具有第一波长λ1的激光。第一波长例如被选择为对应于特定选定气体的红外辐射的局部最小吸收波长。

照明系统119因此将具有第一波长λ1的光发射到所述真实世界场景上。包括从观测到的真实世界场景反射的具有第一波长λ1的光和由所观测的真实世界场景中的物体发射的红外能量的红外能量经由所述红外光学系统1131接收，并被引导到ir检测器元件1132上。每个检测器元件响应于所接收的红外辐射或热能，并生成作为数据值被采集的输出信号。例如，可以通过扫描检测器的所有行和列来采集红外(ir)图像数据值的帧形式的第一ir图像，并且在一些实施例中，可以进行模数转换以获得采集的第一ir图像，其中与每个检测器元件相关联的数据值被称为具有相关联的行和列索引的ir图像像素。

处理器112还向照明系统控制单元195发送第二波长控制值作为控制信号，照明系统控制单元195配置为控制激光发射器冷却单元196基于所述激光发射器冷却单元控制电流对所述激光发射器193进行冷却，以控制光发射器在初级输出器处发射具有第二波长λ2的激光，第二波长λ2表示针对所述气体的红外辐射的局部最大吸收波长。照明系统119因此发射具有第二波长λ2的光。第二波长例如被选择为对应于针对所选气体的红外辐射的局部最大吸收波长。

照明系统119因此将具有第二波长λ2的光发射到所述真实世界场景上。包括从所观测的真实世界场景反射的具有第二波长λ2的光和由观测到的真实世界场景中的物体发射的红外能量的红外能量经由所述红外光学系统1131接收，并被引导到ir检测器元件1132上。以类似的方式采集红外(ir)图像数据值的帧形式的第二ir图像。

然后，处理器112可以进一步基于指示气体存在的所述第一ir图像和所述第二ir图像生成差值图像作为气体表示图像。在适配为补偿背景辐射的其他实施例中，以类似的方式控制热成像设备110和照明系统119，以基于波长控制值控制或关闭光发射器。当关闭照明时采集第三ir图像，然后由处理器112基于指示气体存在的所述第一ir图像、所述第二ir图像和所述第三ir图像生成差值图像作为气体表示图像。在一个示例中，这可以通过从所述第一ir图像中减去所述第二ir图像和所述第三ir图像的图像数据值来执行。以此方式，可以通过减去由所述第三图像的图像数据值表示的、由观测到的真实世界场景中的物体发射的红外能量，来进一步改善表示图像数据值的差值图像，其指示从具有第二波长λ2的反射光中减去从观测到的真实世界场景反射的具有第一波长λ1的光。

图3c和图3d示出了图示如本文所述的一个或多个实施例的曲线图，其中照明系统119的控制单元195配置为通过包括具有可控幅值和宽度的信号脉冲的控制信号来操作。例如，如图3c和图3d所示，针对第一波长λ1，利用第一激光器控制电流幅值i1330和第一激光器控制电流脉冲宽度331来控制包括激光器的光发射器193。针对第二波长λ2，利用第二激光控制电流幅值i2340和的第二激光控制电流脉冲宽度341来进一步控制激光发射器。基于描述控制脉冲特性和光发射器的波长特性之间的关系的用于脉冲控制的控制信号关系来分别选择、生成和/或确定第一幅值和第二幅值和脉冲宽度，以使得光发射器能够发射可控波长的光。在实施例中，冷却单元控制电流幅值和冷却单元控制电流脉冲宽度可以可选地以类似的方式确定，从而使得光发射器能够以可控操作温度发射光，从而以可控波长发射光。

在实施例中，通过脉宽调制来控制照明系统，使得对于所述第一和第二波长中的每一个，在时间段τ期间发射基本相等量的能量，其中时间段τ被选择为对应于热成像设备的ir检测器的时间常数。当照明系统的光发射器可以在例如mhz(兆赫)频率范围内的高频下脉冲，并且ir检测器的时间常数τ小(也称为慢，通常小于100hz，例如60-70hz)时，ir检测器对脉冲进行积分，使得来自ir检测器的输出信号是平坦的。这具有以下效果：ir检测器在不存在气体的情况下(即当没有或很少的发射光被气体吸收时)感知处于高水平的所接收的辐射信号。

因此，当使用具有不需要冷却到低温温度的检测器的热成像系统时，包括如本文所述的照明(例如通过激光发射器)的实施例能够实现具有改善的灵敏度的气体成像，例如微型测辐射热计。这导致复杂性、尺寸、重量、制造成本和总功耗降低。

在图3c中所示的示例中示出了基于用于第一波长λ1的脉冲控制的控制信号关系的激光控制电流幅值和激光控制电流脉冲宽度，其中在时间常数τ期间，激光控制电流幅值被确定为i1并且脉冲宽度被确定为无限∞或连续。下图示出了基于用于波长λ2的脉冲控制的控制信号关系的激光器控制电流幅值和激光器控制电流脉冲宽度的另一示例，其中激光器控制电流幅值被确定为i2并且脉冲宽度被确定为近似τ/14，即时间常数τ除以14。

图3d的上图示出了基于用于第一波长λ1的脉冲控制的控制信号关系的激光器控制电流幅值330和激光器控制电流脉冲宽度331的另一示例，其中激光器控制电流幅值330被确定为i1并且脉冲宽度331被确定为近似τ/10，即时间常数τ除以10。下图3d为示出了基于用于第二波长λ2的脉冲控制的控制信号关系来确定激光器控制电流幅值340和激光器控制电流脉冲宽度341的另一示例，其中，激光器控制电流幅值340被确定为i2并且脉冲宽度341被确定为大约τ/14，即时间常数τ除以14。较低的控制电流幅值i1可以例如在时间常数τ期间保持连续，如图3c的上图所示。然后，控制电流脉冲宽度值可以计算为：

其中，占空比是一个周期的百分比，例如τ，其中激光器是有效的。因此，60％的占空比意味着在一个周期期间信号在60％的时间是接通的并且在40％的时间是断开的。占空比可以被划分为具有特定脉冲宽度的若干脉冲或活动周期，例如如图3c和图3d的图底部所示的七个脉冲。在图3d的图上部所示的示例中，较低的控制电流幅值i1用五个脉冲进行脉冲，其中，第一控制电流脉冲宽度可以计算为：

例如τ/10。

类似地，第二控制电流脉冲宽度可以计算为：

例如τ/14。

气体的选择

在一个或多个实施例中，基于气体吸收波长和/或气体的红外辐射的吸收特性来选择照明波长。在实施例中，使用本文公开的方法和系统检测和量化的一种或多种气体包括但不限于以下的选择：乙酸，丙酮，乙腈，丙烯醛，丙烯酸，丙烯腈，乙酸戊酯，苯胺，苯，氯甲酸苄酯，2，6-二叔丁基对甲酚(bht)，1-溴-3-氯丙烷，丁二烯，丁烷，1-丁烯，1，3丁二烯，正丁醇，2-丁醇，叔丁醇，乙酸丁酯，乙酸正丁酯，氯，氯苯，异丙基苯，环己酮，异氰酸环己酯，r-12/二氯二氟甲烷，二乙二醇，r-22/二氟氯甲烷，二甲基二硫醚，二甲基乙酰胺，二甲基甲酰胺，二甲基硫醚，二甲基亚砜，环氧氯丙烷，乙烷，乙醇，乙烯，2-乙基-1，3-己二醇，乙酸乙酯，丙烯酸乙酯，氰基乙酸乙酯，乙基酯，乙基己醇，丙烯酸乙基己酯，丙烯酸2-乙基己酯，乙烯，二氯乙烯，环氧乙烷，乙酸乙酯，乙苯，r-21/氟二氯甲烷，甲醛，乙二醇醚，哈龙1301/溴三氟甲烷，庚烷，n-庚烷，己烷，正已烷，六亚甲基二异氰酸酯(hdi)，肼，盐酸，氯化氢，异戊二烯，异丙醇，异戊醇，异丙醚，二异丙胺，二正丙胺，马来酸酐，mdi(亚甲基二苯基二异氰酸酯)，甲烷，甲硫醇，甲醇，甲基氯，甲基二硫醚，甲基乙基酮，甲基硫醇，甲基硫醚，甲基叔丁基醚，二氯甲烷，mibk，mek，单乙醇胺，pdc，戊烷，1-戊烯，苯酚，光气，2-(1-甲氧基)丙基乙酸酯，2-丙烯醛，正丙醇，丙烷，1-丙烯，2-丙烯酸，丙烯，环氧丙烷，正丙基乙酸酯，正丙胺，辛烷支化(又名异辛烷或2，2，4三甲基戊烷)，甲醇钠，苯乙烯，四氢呋喃，叔丁基正乙酸酯，叔甲基邻甲酸甲酯，甲苯，甲苯二胺，三乙醇胺，三乙胺，三氟乙酸，三氟乙酸酐，三羟甲基丙烷，乙酸乙烯酯，氯乙烯，二甲苯。

生成气体表示图像

本公开包括用于生成气体表示图像的各种实施例。如本公开中所描述的，所观测的真实世界场景由照明系统通过第一波长的光来照明，该第一波长的光指示针对气体的红外辐射的吸收波长。然后可以采集一个或多个ir图像，可以基于图像信号电平来检测气体的出现，并且可选地使用伪着色技术将其作为气体表示图像呈现给使用者。如所解释的，由照明系统发射的光将被反射回ir成像系统，并且使得包括气体的区域例如以更高的对比度出现在所生成的气体表示图像中。

在一个或多个实施例中，气体表示图像可以是例如通过对ir图像数据值进行平均或内插的一个或多个ir图像的缩放版本，如本领域技术人员将理解的。在一个或多个实施例中，气体表示图像的生成可以进一步包括对气体表示图像进行滤波，例如通过低通滤波、高通滤波、带通滤波或本领域技术人员将理解的任意其他滤波。

在一个或多个实施例中，气体表示图像的生成还可以包括生成对比度增强气体表示图像，其中，对比度增强气体表示图像的生成包括：采集所观测的真实世界场景的可见光vl图像；将气体表示图像和vl图像对准；通过提取vl图像的高空间频率内容来处理vl图像，例如通过使用空间滤波器对vl图像进行高通滤波；和将所提取的采集vl图像和气体表示图像的高空间频率内容组合成对比度增强的气体表示图像。

在一个或多个实施例中，将所采集的vl图像和所提取的气体表示图像的高空间频率内容组合为对比度增强的气体表示图像包括仅使用来自处理后的vl图像的亮度分量y，从而增加气体表示图像中的对比度。

在一个或多个实施例中，将采集的vl图像和气体表示图像的提取的高空间频率内容组合为对比度增强的气体表示图像包括将采集的vl图像的提取的高空间频率内容的亮度分量与气体表示图像的亮度分量组合。结果，气体表示图像的颜色或灰度分量没有改变，并且保持了原始气体调色板的性质，同时期望的对比度被添加到对比度增强的气体表示图像。在处理和显示的所有阶段保持气体表示图像调色板是有益的，因为可以在整个过程中保持表示图像数据值的气体，从而便于为使用者解释对比度增强的气体表示图像。

信号表示中的ir图像

在以信号表示描述ir图像的实施例中，信号sn对应于由根据本文所描述的实施例中的任一者的热成像设备采集的ir图像。

在实施例中，热成像设备可以配置为采集以下图像。在光发射器将第一波长(λ1)的光发射到所观测的真实世界场景上的同时采集图像sgas1，并且在光发射器将第二波长(λ2)的光发射到所观测的真实世界场景上的同时采集图像sgas2。信号sgas2类似于信号sgas1，不同之处在于λ2波长的光由光发射器发射到场景上并在ir图像中采集。因此，sgas1和sgas2可以分别描述或近似为上述公式2和3。

图像sgas1和sgas2优选地被接连采集，例如作为一系列采集的图像帧中的连续图像。采集在时间上接近的图像的原因是所描绘的真实世界场景将不会从图像到图像显著改变。

在一个或多个实施例中，气体表示图像的生成包括基于所述第一ir图像和所述第二ir图像生成差值图像、气体表示图像和/或配额/透射因子，其中，所述差值图像、气体表示图像和/或配额/透射因子指示场景中存在气体。

在一个或多个实施例中，波长λ1可以表示待检测气体的较低吸收值，而波长λ2可以表示待检测气体的较高吸收值。因此，可以通过方法实施例来检测气体，该方法实施例包括找到在发射波长λ2的光期间所采集的图像sgas2和在发射波长λ1的光期间采集的图像sgas1之间的预定关系。还可以通过方法实施例来检测气体，该方法实施例包括找到在发射包括在吸收光谱中的波长λ2的光期间所采集的图像sgas2与未指示气体的图像sgas0之间的预定关系。这种关系的实施例可以表示为差值图像d或配额/透射因子k，这将在下面进一步描述。

在一些实施例中，通过从图像sgas1中减去图像sgas2来生成差值图像d：

d＝sgas2-sgas1(公式9)

在一些实施例中，通过从图像sgas2中减去图像sgas1来生成差值图像d：

d＝sgas1-sgas2(公式10)

在一个或多个进一步实施例中，可以将放大因子gaind施加到光发射器193以用于调整发射光的效应，并且因此还影响所采集的图像/信号的电平。在实施例中，光发射器193因此配置为根据放大因子gaind来发射光，该放大因子例如由照明系统控制器195来控制。根据或基于放大因子gaind，光发射器193可以配置为接通或断开，或者发射光的效应可以被调整。放大因子gaind可以例如为降低光发射器193的输出效应的阻尼滤波器。

使用放大因子gaind，上面的公式9可以被重写为：

d＝resp*(gaind*τgas(λ2)²*wlight(λ2)-τgas(λ1)²*wlight(λ1))(公式11)

在热成像设备的生产中或在热成像设备的使用期间，在校准中确定应用于发射光以控制输出信号电平的放大因子gaind。在所观测的真实世界场景(τgas＝1)中不存在气体的条件下或者使用已知不存在气体的采集图像的一部分来执行校准。放大因子gaind在这些情况下被调整为d＝0，这意味着gaind可以描述为：

通过校准热成像设备，可以获得更精确的测量和计算。

如果在所观测的真实世界场景中存在气体，并且气体对于波长λ1和λ2具有不同的吸收，则差值图像d对于其所有的计算值/像素将不为0。换句话说，在这种情况下，差值图像d将包括关于检测到的气体和检测到的气体相对于观测到的真实世界场景的位置的信息。

可以通过从差值图像中减去(静态)另一ir图像形式的背景信息来获得改善的差值图像。因此，在改善的差值图像中仅存在气体表示信息，由此可以更容易地从差值图像中检测到所观测的真实世界场景中存在的任何气体，或者在差值图像的视觉表示中观测者更容易地看到任何气体。

量化所检测的气体

图4a示出了具有气体的所观测的真实世界场景40的示例，该气体包括长度为d1的区域a2，如从根据本公开的各种实施例的热成像设备形式的测量设备430的方向上来观察且朝向所观测的真实世界场景40的背景410来看，该长度从包括区域a2的气体的一个外端到区域a2的相对外端。从测量设备430朝向背景410的方向由虚线箭头420指示。如果场景40中存在的气体的浓度η是已知的，则气体浓度长度(gcl)因此可以计算为：

gcl＝η×d1(公式13)

其中，d1以米或其他合适的测量单位表示。或者，如果已知气体浓度长度(gcl)，则可以将浓度η计算为：

在一些实施例中，由热成像设备的操作者使用输入装置将长度d1的值输入系统。在一些实施例中，由外部处理设备的操作者使用外部处理设备的输入设备输入长度值d1。在一些实施例中，使用集成在热成像设备中、连接到热成像设备或通信地耦合到热成像设备的距离测量装置(例如测距仪)来测量长度d1。在一些实施例中，使用图像处理方法基于采集的图像数据来确定长度d1。处理器112可以配置为对采集的图像数据执行图像处理以确定长度d1。

一些实施例包括从热成像设备的输入设备接收指示到在所观测的真实世界场景中检测到的气体的距离的使用者输入信息，以及基于到气体云的输入距离和采集的图像数据来估计在所观测的真实世界场景中检测到的包括气体云/气体的区域的长度d1，如图4a所示。处理器112可以配置为从输入设备接收指示到在所观测的真实世界场景中检测到的气体的距离的使用者输入信息，并且基于到气体云的输入距离和所采集的图像数据来估计在所观测真实世界场景中检测到的气体云的长度d1。

此外，如果可以确定检测到的气体以其移动的速度(v)，则除了确定气体浓度η之外或者作为其替代，还可以根据以下公式从gcl导出气流(gf)，其中d是差值图像信号：

一个或多个方法实施例包括基于gcl和速度v的值来计算gf，例如使用公式15的关系。在实施例中，处理器112配置为例如使用公式15的关系基于gcl和速度v的值来计算gf。

在一些实施例中，该方法包括通过图像处理操作来估计速度v，其中，图像处理操作可以包括检测气体图案并在所采集的ir图像帧序列中跟踪气体图案。

通过gcl与k之间的关系确定gcl的技术

根据本公开的一个或多个实施例，图5a是图2b的框290的子框的流程图，其中，透射因子/配额k被转换为gcl值。图5a的方法包括：

在框510处，计算k的值。

在框520处，基于在框510处计算的k的值来确定gcl值。

框510可以包括根据本文中所描述的实施例中的任一者计算k的值。例如，可以使用公式8来计算透射因子/配额k，其中，已经在热成像设备的生产或操作期间的校准中确定了放大因子gaink，如结合公式7所描述的。

替代地，在一个或多个实施例中，例如可以使用公式5至8以不同的方式计算k。在这样的示例中，框510还包括使用查找表或其他预先存储的信息，从集成在热成像设备中、连接到热成像设备或通信地耦合到热成像设备的存储器或数据库中取回所研究的气体对于期望波长λi(例如，第一波长λ1和第二波长λ2)的一个或多个透射系数τ(λi)的值。在这些实施例中，可以在热成像设备的生产和/或校准中进行一个或多个透射系数τ(λi)的计算。在各种实施例中，如下文进一步讨论的，可以根据图5b的实施例中的任一者来计算一个或多个透射系数τ(λi)的值。

如果由光发射器发射的光束是窄的，例如在激光发射器的情况下，则可以使用比尔定律根据以下公式导出波长λi的τ(λi)：

τ(λi)＝exp(-α(λi)*gcl)(公式16)

其中，α(λi)是所研究的气体对于波长λi的吸收系数。

在包括使用公式16的实施例中，基于在框510中计算的k的值确定gcl值的框520可进一步包括从与热成像设备集成、连接或通信地耦合到热成像设备的存储器或数据库中，从查找表或其他预先存储的信息中取回所研究的气体对于期望波长(例如，第一波长λ1和第二波长λ2)的一个或多个吸收系数α(λi)的值。在这些实施例中，可以在热成像设备的生产和/或校准中执行使用公式16的一个或多个透射系数τ(λi)的计算。在实施例中，根据上文所呈现的实施例中的任一者来计算一个或多个透射系数τ(λi)的值。

然后公式8可以被重新公式化为：

从而基于gcl和k之间的关系来呈现gcl值。

框520的这些实施例的优点在于，所提出的gcl的确定在计算上是廉价的，并且因此可以在热成像设备的操作期间执行，甚至实时地执行。另外或作为替代，也可以在热成像设备或外部处理设备中的后处理中执行计算。

在一些实施例中，基于k值确定gcl值的框520包括从查找表或其他预定义描述取回gcl值，该预定义描述包括一个或多个gcl值与对应k值之间的关系或映射。

基于k值确定gcl值包括从查找表或其他预定义描述(包括一个或多个gcl值与对应k值之间的关系或映射)中取回gcl值的实施例的优点在于，gcl的确定在计算上是非常低廉的，这是由于其仅需要映射到预先存储的数据库等中并从其取回值，并且甚至可以实时地在热成像设备的操作期间执行。另外或作为替代，也可以在热成像设备或外部处理设备中的后处理中执行计算。另一个优点是可以确定包括任意类型的光发射器的热成像设备执行根据这些实施例的gcl。

本文中所描述的方法实施例的总体优点在于，使用由未冷却检测器采集的图像数据来实现气体的量化，且因此允许使用低复杂性且廉价的热成像设备。

图5b示出了根据本公开的一个或多个实施例的用于生成包括对应于k的gcl值的一个或多个值之间的关系或映射的查找表或其他预先计算的信息的方法的流程图。在图5b的方法中，根据各种实施例，使用气室构造来估计/计算一个或多个透射因子/配额k与对应的gcl值之间的所存储关系，如例如图6a和图6b中所示。

在图6a中，示出了包括气体容器610的气室600，气体容器610在容器的相应相对端具有窗口620。气室600的容器610可以例如填充有已知浓度的预定气体(known_gas_concentration)。从而，包括在气室600中的气体的gcl值(gclgas_cell)可以根据以下公式通过将已知气体浓度乘以气室容器的已知长度(length_of_gas_cell_container)来计算：

gclgas_cell＝(known_gas_concentration)*(length_of_gas_cell_container)(公式18)

图5b的方法可以在热成像设备的生产期间或操作期间执行，该方法包括：

在框530处，确定gclgas_cellgclgas_cell可以使用公式18来确定。

在框540处，计算一个或多个透射系数τ(λi)的值。在实施例中，一个或多个波长λi的一个或多个透射系数τ(λi)的值使用结合图6a描述的气室600来计算。可以根据下面描述的公式19来计算一个或多个透射系数τ(λi)的值。

图6b示出了用于确定透射系数τ(λi)的系统60的示意图，该系统60包括：气室600，对应于图6的气室600；光源/光发射器640，例如对应于本公开中描述的任何光发射器，其中光发射器640配置为发射一个或多个光束650；以及热成像器件630，例如对应于本公开中描述的任何热成像器件，其中热成像器件630配置为接收从光发射器640发射的一个或多个光束650。光发射器640可配置为经由气室600将一个或多个光束650发射到热成像设备630的检测器元件上，并且气室600的窗620可以配置为透射所选择的波长范围的辐射或光，所选择的波长范围对应于热成像设备630的检测器元件能够检测的波长。

可以使用系统60根据以下推导出τ(λ1)和τ(λ2)：

用于确定透射τ(λi)的系统60的配置是这样的系统可以如何配置的非限制性示例。其他配置也是可能的。例如，热成像设备和光源可以放置在气室的同一侧上，借此反射表面放置在气室的相对侧上。对于不同的配置，公式19必须相应地进行调整。

在框550处，基于一个或多个透射系数τ(λi)的值中的每一个来计算k的对应值。在一个或多个实施例中，可以根据已结合用于各种实施例的框290和图5a描述的用于确定k的各种技术中的任一种来估计/计算k，使用气室容器610代替所观测的气体云。在一个实施例中，根据公式8计算k。

在框560，存储每个gcl的计算值与对应的k的计算值之间的关系。

可以通过任意方式使用不同长度的气室600和不同浓度的气体来执行框530、540和550处的动作，从而在框560中生成查找表或包括用于gcl的一个或多个值与对应的k值之间的关系或映射的其他描述。

如上文针对框290所述，根据一个或多个实施例，热成像设备110可以配置为基于第一和第二ir图像对检测到的存在于所观测的真实世界场景中的气体进行量化。在一个或多个实施例中，集成在热成像设备110中的处理器112，或者连接到、通信地耦合到热成像设备110或配置为从热成像设备110接收图像数据的外部处理器，配置为通过执行结合框290而描述的框、计算或功能中的任一者或全部来对所检测的气体执行量化。

光发射器稳定

热成像设备所采集的图像/信号在不同的时间实例进行采集，这将在所计算的任意差值图像中引起噪声，因为所观测的真实世界场景将从一个时间实例到下一个时间实例发生微小改变。将在用于气体检测和/或量化的采集图像之间可能由变化的真实世界场景所引起的差值最小化的一种方式是如上所述地近距连续采集图像，例如采集为一系列图像帧的连续图像。这里，所采集的图像之间的时间差值可能取决于热成像设备的帧速率。如先前所提及的，信号可以在多个图像上以任意合适数量的图像进行积分。在一些实施例中，用于生成差值图像d和/或配额/透射因子k的图像序列(用于气体的检测和/或量化)可以重复若干次，并且从而可以在更多数量的图像上对信号进行积分。

根据一个或多个实施例，可以控制光发射器接通和关断以及在不同波长之间切换，例如λ1和λ2，但是也可以应用任意合适数量的不同波长。在一些实施例中，控制光发射器接通和关断，和/或在不同波长之间切换，使得光发射器的光发射与热成像设备对图像的采集同步。

具体地，对于一个或多个实施例，照明系统控制器可以适配为：控制光发射器在热成像设备适配为采集包括具有波长λ1的光的ir图像sgas1的时间期间发射具有波长λ1的光；在热成像设备适配为采集包括具有波长λ2的光的ir图像sgas2的时间期间，控制光发射器发射具有波长λ2的光；和/或控制光发射器在热成像设备适配为采集表示真实世界场景的背景的ir图像sgas0的时间期间关断而不发射任何光。

在一些实施例中，光发射器配置为能够以显著高于热成像设备的帧速率的速率在波长之间切换或接通和关断。因此可以采集设定了在气体检测和/或量化中使用的连续图像的接近程度的极限的热成像设备的热成像设备的帧速率，并且还可以采集同步设置。

光发射器的光发射与图像采集的同步是有利的，因为其确保光发射器在采集图像时正确地打开或关闭，并且如果被打开，则其被控制来发射预期波长或波长间隔的ir光。因此获得了可靠的测量。

在一些实施例中，可以通过稳定光发射器束来减小差值图像d或配额/透射因子k中的噪声，借此控制光发射器以例如在典型制造工艺或光发射器所允许的程度上对所观测的真实世界场景的一部分进行照明。在一些实施例中，处理器配置为以本领域已知的任意方式稳定光发射束。

图像/信号电平的调整

在公式5至8、11和12中，已经公开了用于调整所采集的图像/信号的电平的放大因子/增益。替代地或另外地，可以通过例如调整光发射器参数(例如输入电流和/或温度)和/或控制光发射器在采集图像/信号期间用某一波长的光照明所观测的真实世界场景的时间量来获得此类调整。

在一些实施例中，集成在热成像设备中、连接到热成像设备、通信地耦合到热成像设备或配置为从热成像设备接收数据的处理器，配置为基于放大因子或增益来调整比如输入电流和/或温度的光发射器参数，和/或控制光发射器在采集图像或辐射信号期间通过某一波长的光照明所观测的真实世界场景的时间量。

采集图像的替代实施例

在本文公开的实施例中，采集了多个连续图像/信号。这意味着如果所观测的真实世界改变或者如果热成像设备在两个所采集的图像/信号之间移动，则可能在所采集的图像/信号中并且因此在基于所采集的图像/信号的测量或计算中引入噪声/干扰。为了解决该问题，在一些实施例中，热成像设备包括两个ir检测器，这两个ir检测器包括ir检测器元件和分束器，分束器配置为透射第一波长(例如λ1)的光并且反射第二波长(例如λ2)的光，其中，分束器和ir检测器定位为使得分束器将第一波长的光透射到两个ir检测器中的第一ir检测器上并且将第二波长的光反射到第二波长的ir检测器上。在实施例中，控制光发射器以显著快于/高于热成像设备的ir成像系统的帧速率的速率在第一波长和第二波长之间切换，这意味着第一和第二ir检测器可以同时接收由单个光源发射的两个波长的光。在实施例中，照明控制器配置为控制光发射器在不同波长之间切换。因此，第一和第二ir检测器将各自采集图像，相应的图像在相同的时刻被采集，但是包括与不同波长的光或辐射有关的信息。这导致获得两个图像的有利效果，这两个图像可以用作根据本文描述的任意实施例所计算的差值图像的基础，其中，在两个图像之间没有时间延迟，并且在两个所采集的图像中，所观测的真实世界场景的不包括气体的采集部分将是相同的或基本相同的。因此，差值图像将不包括或包括非常少量的由于所观测的真实世界场景中的变化而引入并且可能被错误地解释/检测为气体的噪声。另一有利效果是可以在不引入伪影的情况下在很大程度上对差值图像进行处理或滤波。在热成像设备在使用期间已经移动的实施例中，由于其是非固定安装的热成像设备，例如手持热成像设备，因此所采集的图像可以在执行气体检测和/或量化之前被稳定化。替代地，可以使用固定安装的热成像设备。

作为分束器的替代，还可以以本领域已知的方式将所接收的来自所观测的真实世界场景的辐射经由相应的第一和第二滤波器引导到第一和第二ir检测器上，其中，第一滤波器配置为将第一波长(例如λ1)的光传输到第一ir检测器，第二滤波器配置为将第二波长(例如λ2)的光传输到ir检测器。

在实施例中，在校准期间，调整公式11和12的放大因子gaind，使得当在所观测的真实世界场景中不存在气体时d＝0。

在另一方面中，可以根据一些实施例实施各种技术以减少从所观测的真实世界场景的背景反射的辐射的影响。如上所述，wlight是从所观测的真实世界场景的背景反射的辐射，其影响将用于气体检测的采集图像/信号。同样如上文所讨论的，在各种实施例中，光发射器包括放置在所发射的一个或多个光束的路径中的透镜。在这点上，一个或多个实施例中的透镜可以配置为扩展和/或减小光束尺寸，借此包括这样的透镜增加了热成像设备的气体检测和/或定量的灵敏度和灵活性。例如，如果热成像设备与所观测到的正在研究的真实世界场景的部分之间存在大的距离，则可以减小由光发射器照明的区域，从而增加系统的灵敏度。在另一示例中，如果背景给出非常低的反射，则也可以减小由光发射器照明的面积以增加系统的灵敏度。

在一些情况下，存在于所观测的真实世界场景中的气体浓度相对于每面积单位的效果wlight非常高，借此采集的图像/信号饱和。如果图像/信号饱和，则基于图像/信号的解释、测量和/或计算可能是错误的。

在一个或多个实施例中，饱和图像或辐射信号的问题的解决方案可以通过图7a中所说明的方法获得，该方法包括：

在框710处，计算在通过所观测的气体的吸收光谱内的波长(例如λ1)的光来对所观测的真实世界场景进行照明时所采集的图像的值与在通过不在所观测的气体的吸收光谱内的波长(例如λ2)的光来对所观测的真实世界场景进行照明时所采集的图像的值之间的第一配额q1，或者在未对真实世界场景进行照明时计算第一配额q1。

在一些实施例中，根据本文所呈现的实施例中的任一者，第一配额q1可以用于近似检测到所观测的真实世界场景中存在的气体的可能性，或者替代地量化所观测的真实世界场景中存在的气体。例如，可以将计算结果存储为所采集的图像中的每个像素的一个值。

在框720处，调整光发射器调制参数。在实施例中，调整光发射器调制参数可以包括以下选择：根据预设规则打开或关闭光发射器；或通过例如调整输入电流或使用一个或多个阻尼滤波器来调整光发射器的输出效果(例如输出功率)。

在框730处，在步骤720的参数调制之后，计算在通过在所观测的气体的吸收光谱内的波长内的光来照明所观测的真实世界场景时所采集的信号/图像的值与在通过不在所观测的气体的吸收光谱内的波长的光来照明所观测的真实世界场景时或者在未照明所观测的真实世界场景时所采集的信号/图像的值之间的第二配额q2。

例如，可以将计算结果存储为所采集的图像中的每个像素的一个值。

在框740处，通过比较q1和q2来确定信号/图像是否饱和。如果q1≠q2，则信号/图像不饱和，并且不需要采取进一步的动作。在这种情况下，这是该方法的最后一步。如果q1＝q2(即，q1和q2相同或基本相同)，则认为信号/图像饱和。在这种情况下，该方法从框720迭代到框740，如图7a中的虚线箭头所示。如果差值在比如误差容限的适当阈值内，则可以确定q1和q2基本相同。迭代持续直到q1≠q2。在一些实施例中，如果q1＝q2，则该方法还包括向热成像设备的使用者提供指示所采集的信号/图像的值不可靠和/或可能饱和的反馈。

可能发生的另一个问题是信噪比(snr)可能太低，导致从所观测的真实世界场景中的背景反射的光被ir检测器或ir检测器元件采集的图像/信号中的噪声淹没。因此，在所采集的图像/信号的视觉表示中可能无法检测到场景中存在的任何气体，和/或可能使得根据本文所呈现的任何实施例的热成像设备执行的气体检测和/或量化不可能。对于能够使用所采集的图像/信号进行气体检测和/或量化，从所观测的真实世界场景的背景所发射的光的足够高的snr和足够好的反射率是至关重要的。背景的反射率也根据光发射器发射的光的类型而不同。

在这点上，根据一些实施例，可以由系统的使用者自动地、半自动地或手动地减小或扩展在所观测的真实世界场景中光发射器所照明的区域，其可以被称为光发射器的光束尺寸。通常，较小的光束尺寸提供每照明区域单位所发射的光的较高效果。如前所述，进行这样的调整的原因可以是优化信噪比(snr)，使得从所观测的真实世界场景中的背景反射的光不被ir检测器元件采集的图像/信号中的噪声淹没。另一原因可能是由于背景对于光发射器所发射的光的类型具有低反射率，所以所发射的光中没有足够的光在背景中进行反射。

可以使用配置为沿着一个、两个或三个正交轴移动光发射器的一个或多个光学元件的机械或机电扩束器伺服马达来执行对由光发射器发射的光束的光束尺寸的实际调整。

因此，在一些实施例中，可以执行用于自动波束大小调整的方法。图7b示出了根据本公开的实施例的这种方法的流程图。如图7b，该方法可以包括根据一个或多个实施例的以下操作。

在框750处，将光发射器的输出效果与ir检测器元件接收的反射光之间的关系与预设阈值连续比较，其中，预设阈值基于snr或另一信号质量测量；和

在框760处，调整由光发射器发射的光束的光束尺寸，直到所测量的snr或其他质量参数超过或在其他实施例中等于或超过所述预设阈值。

根据一些实施例，所述系统可以配置为执行自动波束大小调整。例如，照明系统控制器、处理器和/或热成像设备的其他部件可以配置为：将光发射器的输出效果和由ir检测器元件接收的反射光之间的关系与预设阈值进行连续比较，其中，当前阈值基于信号的snr或另一信号质量测量；和如果所述比较示出所测量的snr或其他质量参数等于或低于所述预设阈值，或者在其他实施例中，如果所测量的snr或其他质量参数高于所述预设阈值，则生成波束大小调整控制信号。

此外，根据这样的实施例，该系统可以包括：扩束器伺服马达，配置为：从照明系统控制器接收光束尺寸调节控制信号；和响应于光束尺寸调节控制信号迭代地调节光发射器所发射的光束的光束尺寸，直到所测量的snr或其他质量测量值超过所述预设阈值，或者在其他实施例中直到测量的snr或其他质量测量值等于或超过所述预设阈值。

在一些实施例中，能够手动调整光束尺寸。手动光束尺寸调节可以例如通过一种方法来实现，该方法包括：响应于来自使用者的输入生成控制信号；和将控制信号传送到照明系统控制器，照明系统控制器配置为控制扩束器伺服马达以基于控制信号调整光发射器所发射的光束的光束尺寸。

根据一些实施例，该系统可以配置为响应于手动输入而执行波束大小调整。例如，热成像设备可以包括：一个或多个输入设备，其配置为：从与一个或多个使用者输入设备交互的使用者接收输入；响应于接收到的使用者输入生成波束大小调整控制信号；和将光束尺寸调节控制信号传送到照明系统控制器。在这样的实施例中，照明系统控制器可以配置为控制光束扩展器伺服马达，以基于光束尺寸调节控制信号来调节光发射器所发射的光束的光束尺寸，并且光束扩展器伺服马达可以配置为从所述照明系统控制器接收光束尺寸调节控制信号，并且响应于所述光束尺寸调节信号来调节由光发射器发射的光束的光束尺寸。

有时，相对于用于气体检测的热成像设备中的光发射器所发射的光，所观测的真实世界场景中来自背景的反射率低，但是热成像设备的使用者可能不知道低反射率。当实际上背景的低反射率使得使用热成像设备难以区分气体时，使用者可以将热成像设备采集的所得信号/图像解释为提供在所观测的真实世界场景中不存在气体的证据。

因此，在一些实施例中，可以执行用于改善背景反射的方法。根据一个或多个实施例的这种方法包括：将光发射器的输出效果和由ir检测器元件接收的反射光之间的关系与预设阈值连续比较，其中当前阈值基于snr；和向系统的使用者提供反馈。例如，在一些实施例中，系统可以配置为向系统的使用者提供反馈，该反馈指示对以下的选择：建议手动调整波束大小；该系统应当被移动以便在所观测的真实世界场景中获得所发射的光的更好的背景反射；和/或更具体的建议，使得反射器护罩应当被放置为背景。

上述反馈选项都是鉴于获得足够高质量的信号来检测和/或量化所观测的真实世界场景中的气体而做出的。

优点

通过光发射器和热成像设备的组合，系统的灵敏度显著增加。因此，比如冷却系统的已经灵敏的系统的灵敏度进一步增加，并且例如使得能够更精确地检测和量化气体，以及进一步检测和量化非常少量/痕量的气体。因此，本发明的实施例的优点在于，使用冷却和未冷却的热成像设备或系统都能够实现具有高灵敏度的气体检测。

在另一方面，气体检测和量化能够用于较不灵敏的系统，例如未冷却的系统，其原本不足够灵敏来完全检测和/或量化气体。因此，本发明的实施例的另一优点在于，使用冷却和未冷却的热成像设备都能够实现气体定量。

使用者反馈

一个或多个实施例可以包括通过传送关于例如以下中的一个或多个的信息来向使用者提供反馈：

-在所观测的真实世界场景中检测到的气体的存在或气体存在的概率。

-在所观测的真实世界场景中气体的位置。

-存在于所观测的真实世界场景中的气体的量化量。

-需要解决的低反射率。

-所采集的图像/信号的强度不在建议水平和/或需要被调整。

-与所采集的图像/信号相关的其他质量测量。

-由于例如低snr和/或用于调整光束尺寸的可选选项，需要调整光发射器的发射光的光束尺寸。

-需要调整包括在热成像设备中的一个或多个设备的其他设置，和/或关于如何调整包括在热成像设备中的一个或多个设备的设置的建议，和/或用于调整包括在热成像设备中的一个或多个设备的设置的可选选项。

-耦合到热成像设备的装置的调整选项。

-在热成像领域中公知的测量温度、热点、冷点、温度跨度和/或水平、露点信息、温度相关警报等。

-采集图像的后处理可能性。

-注释的可能性。

-存储所采集的图像/信号和/或热成像设备的设置的可能性。

-与所观测的真实世界场景有关的任意一般信息。

-将所采集的图像/信号和/或相关数据传送到外部单元。

在各种实施例中，根据以上示例中的任一个或全部或与其他相关信息相关的反馈可以被提供给系统的使用者，例如作为以下中的一项或多项：

-集成在热成像设备中或通信地耦合到热成像设备的显示器上呈现的视觉或图形信息。

-在集成在热成像设备中或通信地耦合到热成像设备的显示器上呈现的数字信息。-使用集成在热成像设备中或通信地耦合到热成像设备的扬声器传送的声音。

-触感或触觉信息。

补偿发射光波长的漂移或偏移

在照明系统的操作期间，比如设备中的环境温度和内部热生成的操作条件可能改变，从而导致发射的激光波长的漂移或偏移。在一个或多个实施例中，该问题通过包括如本文所述的反馈系统来解决。图8a-8c示出如何在采集用于生成气体表示图像的第一或第二ir图像之前检测和补偿发射光波长的漂移或偏移。

如前所述，照明系统包括激光发射器193，激光发射器193配置有包括初级光学系统的初级输出器191和包括次级光学系统的次级输出器197、例如以比如衍射光栅的折射器的形式的光束弯曲器194、包括ir检测器192和照明系统控制单元195的ir成像系统。

激光发射器193配置为在次级输出器197处经由折射器194将激光发射到ir检测器192上。折射器194配置为将激光分裂和/或衍射成多个光束830、840，其中，ir成像系统192配置或放置在衍射光束830、840中的至少一个的路径中，并且配置为采集衍射光束中的至少一个的ir图像。

控制单元配置为取回或接收第三图像并确定衍射光束中的至少一个的空间位置，例如通过将ir图像的像素强度值与预定阈值进行比较或确定局部像素强度值的最大值8301、8302。控制器还配置为将所确定的衍射光束中的至少一个的空间位置与例如存储在存储器115和/或180中的预定位置进行比较，以获得指示从期望波长(例如第一或第二波长)的漂移的空间像素位移值8303。控制单元然后可以基于空间像素位移针对与期望波长的漂移，来补偿基于波长数据值和预定关系生成的光发射器控制电流和/或冷却单元控制电流。在一个示例中，这通过将波长数据值和空间像素位移值8303与光发射器控制电流和/或冷却单元控制电流的幅值和脉冲宽度相关联的预定关系来实现，从而当光发射器控制电流和/或冷却单元控制电流被发送到光发射器和/或冷却单元时校正光发射器193的光波长漂移。

例如，第二预定关系可以以查找表(lut)的形式表示，其指示波长数据值、空间像素位移值8303和控制电流或激光器控制电流幅值和/或脉冲宽度值的三元组/四元组。如本领域技术人员将理解的，在lut中执行查找的处理器可以使用波长数据值和空间像素位移值8303来查找对应的控制电流幅值和/或控制电流脉冲宽度值，例如λ1的i1和λ2的i2。

图8b示出了如何在照明系统的校准期间(例如在生产/制造照明系统时)检测发射光波长的漂移或偏移，以获得例如第一模式折射的当前光束位置8301，来作为针对基于波长数据值和(第二)预定关系所生成的控制电流的预定位置或正常位置。

图8c示出在照明系统的操作期间(例如当产生气体表示图像时)如何检测发射光波长的漂移或偏移，以获得当前光束位置8302。然后，以类似于图8b中所确定的当前光束位置8301的方式，将当前光束位置8302与预定位置进行比较，以例如通过计算欧几里得距离来获得或生成空间像素位移值8303，如本领域技术人员将理解的。

由于第二ir成像系统192的像素的数量和ir检测器的物理尺寸是已知的，因此每个像素隐式地具有可用于确定当前位置的位置。在一个示例中，第二ir成像系统中的ir检测器具有10×10像素和10×10mm的物理尺寸。确定检测器的像素3、3具有最高像素强度值，因此可以将当前位置确定为(3、3)。例如，假设在照明系统的校准期间已经将预定位置确定为(3，1)，则可以将空间像素位移值(pdv)形式的欧几里得距离确定为：

图9a示出在采集用于生成气体表示图像的第一或第二ir图像之前如何检测和补偿发射光波长的漂移或偏移。在一个示例中，照明系统包括激光发射器193，该激光发射器193配置有包括主光学系统的主输出191和包括副光学系统的副输出197、光发射器冷却单元196、棱镜形式的折射器194、ir成像系统192和照明系统控制单元，该照明系统控制单元也称为控制单元195，其中所述折射器配置为例如将激光分割并衍射成多个光束910、920，例如不同的模式0、1、2等。

图9b示出了如何通过使用惠更斯-菲涅耳原理来检测发射光波长的漂移或偏移的示例。当平行的射线束落在比如光栅的折射器上时，射线和波阵面形成正交集合，使得波阵面垂直于射线并且平行于光栅。可以使用惠更斯-菲涅耳原理，这意味着波阵面上的每个点像新的源一样起作用，光栅中的每个透明狭缝变成新的源，因此圆柱波阵面从每个源扩展。这些波阵面根据波的波峰和波谷如何相关而建设性地或破坏性地干涉。如果峰一致地落在谷上(称为相消干涉)，则波抵消而在该点处不存在光。另一方面，如果峰落在峰上而谷落在谷上(称为相长干涉)，则在该点处使光更亮。当来自相邻狭缝的光之间的路径差等于波长的一半λ/2时，波将全部异相，且因此将彼此抵消以产生最小强度的点。类似地，当路径差是λ时，相位将加在一起并且将出现最大值。最大值出现在满足光栅方程关系的角度θm处：

d*sin(θm)＝λ*|m|

如果平面波以任意角度θi入射，则光栅方程变为：

其中，θm是衍射射线与光栅的法向矢量之间的角度，并且d是从一个狭缝的中心到相邻狭缝的中心的距离，m是表示感兴趣的传播模式的整数。光栅具有“零级模式”(其中m＝0)，其中不存在衍射，并且光射线根据反射和折射定律表现为分别与用光束940和角度951α示出的反射镜或透镜相同。光栅还具有“第一阶模式”(其中m＝1)，其中存在衍射和折射，如光束930和角度952β所示。

用于分离光波长的光栅的分辨率或“彩色分辨力”定义为：

其中，n是照明的狭缝的总数，m是衍射的阶数。分辨率的极限由应用于衍射最大值的瑞利判据确定，即，当一个波长的最大值位于另一个波长的第一最小值时，两个波长正好分解。因为n个狭缝的最大值之间的空间被分成n-2个辅助最大值，所以到第一最小值的距离基本是主最大值的间隔的1/n倍。

如图9b中的954所示，光栅尺寸l可以计算为：

l＝n*d

其中，l是光栅尺寸，n是凹槽的总数，d是从一个狭缝的中心到相邻狭缝的中心的距离。

f数是光栅焦距除以光栅直径(通光孔径)的比率，并且可以确定为：

其中，f是焦距953。

通过选择模式m，可以使用合适的衍射光束930、940来检测发射光波长的漂移或偏移。例如，优选的模式可以是使得衍射光束撞击最接近中心的第二ir成像系统传感器。

其他实施例

校准

ir辐射传感器的某些特性引起测量误差。各个检测器元件都具有唯一的响应特性。发现这些响应特性产生不均匀性，这导致了噪声。另外，由热成像设备和热成像设备周围的环境内部生成的热导致温度漂移，与从观测到的真实世界场景发射的红外数据相比，该温度漂移导致所采集的红外数据中的偏移和增益。许多红外相机具有校正这种不均匀性和温度漂移的功能。这样的功能在本文中可以称为ir温度校准。例如，一些红外相机可以自动地或手动地执行偏移补偿/ir温度校准，其通过观测均匀的ir或热场景来校正这种不均匀性和温度漂移。更具体地，对于一个示例，执行不均匀性和/或温度漂移校正可以包括在光学器件和检测器元件之间放置快门，测量提供期望的均匀输出响应的每个检测器元件的偏移校正数据，以及获得周围环境的读数(例如，测量环境温度)。当分析或解释ir图像数据值(也称为ir图像值)以校正上述测量误差时，这些测量的不均匀性偏移校正值和温度漂移偏移校正值(这里称为ir温度校准数据参数)可以被存储并随后应用于后续的红外测量中。

对准

由于可以在不同的时刻采集第一和第二ir图像，所以热成像设备可以以使得围绕光轴的偏移、方向和旋转不同的方式在第一和第二图像之间移动。当在第一示例采集第一ir图像时的光轴和当在第二示例采集第二ir图像时的光轴可以彼此相距一定距离，并且将出现称为视差距离误差的光学现象。光轴可以相对于彼此以一定角度取向，并且将出现被称为视差指向误差的光学现象。将出现成像系统绕光轴的旋转和称为视差旋转误差的光学现象。由于这些视差误差，真实世界场景的采集视图可能在第一图像和第二图像之间不同。为了组合第一图像和第二图像，必须对图像进行调整，以便获得表示观测到的真实世界场景的相同部分的调整后的第一图像和调整后的第二图像，换句话说，补偿不同的视差误差和视场fov尺寸。该处理步骤被称为第一图像和第二图像的图像配准或对准，即把不同的数据集转换成一个坐标系的过程。组合图像模式的又一示例是融合，其中，如本领域技术人员将理解的，通过融合或混合将表示图像数据值和来自可见光(vl)图像的附加信息的气体对准、叠加和/或组合为组合图像，例如通过α混合或其他融合技术。图像模式的又一示例是对比度增强融合，其中，如本领域技术人员将会理解的，将表示图像数据值的气体与来自vl图像的附加信息对准，对vl图像数据值进行高通滤波以提取表示可见光图像中的轮廓和/或边缘的像素数据，将提取的像素数据的亮度信息与ir图像中的对应像素的亮度信息组合以利用来自可见光图像的轮廓和/或边缘来增强ir图像。可以根据本领域技术人员已知的任意方法进行配准或对准，例如使用线性或弹性变换的基于强度、基于特征的配准。

在适用的情况下，可以使用硬件、软件或硬件和软件的组合来实施本公开提供的各种实施例。同样在适用的情况下，本文阐述的各种硬件部件和/或软件部件可以组合到包括软件、硬件和/或两者的复合部件中而不背离本公开的精神。在适用的情况下，本文阐述的各种硬件部件和/或软件部件可以分成包括软件、硬件或两者的子部件而不背离本公开的精神。此外，在适用的情况下，可以想到软件部件可以实现为硬件部件，反之亦然。在适用的情况下，本文描述的各种步骤的排序可以改变、组合成复合步骤和/或分成子步骤以提供本文描述的特征。

根据本公开的软件(比如程序代码和/或数据)可以以非暂时性的形式存储在一个或多个机器可读介质上。还可以想到，可以使用联网和/或其他方式的一个或多个通用或专用计算机和/或计算机系统来实现本文标识的软件。

在实施例中，提供了计算机程序产品，其包括配置为当在处理器中执行时执行本文描述的任意或全部方法步骤的计算机可读代码。在实施例中，提供了非暂时性计算机可读存储器，其存储有配置为当在处理器中执行时执行本文描述的任意或全部方法步骤的计算机可读且计算机可执行代码。

上述实施例阐释但不限制本发明。还应当理解，根据本发明的原理的许多修改和变化是可能的。因此，本发明的范围仅由所附的权利要求限定。