一种典型毒害气体红外多通道探测预警系统及预警方法与流程

本发明涉及煤化工区含尘大气环境中典型毒害气体的测定技术领域，具体涉及一种典型毒害气体红外多通道探测预警系统及预警方法。

背景技术：

煤化工厂区生产作业环境中存在大量的粉尘粒子和有毒有害气体，有毒有害气体的泄露释放会导致火灾爆炸事故的发生，严重威胁着煤化工厂区的安全生产和工人的生命健康。相关统计结果表明，由气体泄露导致的火灾爆炸事故是威胁煤化工厂区安全生产的主要因素。因此，需要加强对煤化工厂区关键部位毒害气体的检测监测，实现毒害气体的早期探测预警。目前针对毒害气体的检测技术主要可分为化学检测技术和光学检测技术。化学检测方法主要包括电化学方法、质谱法和气相色谱法等，但是化学检测方法操作复杂，响应速度较慢，不能实现对毒害气体泄露的实时监测预警。红外光学监测方法具有响应速度快、灵敏度高、实时在线监测和远程监测的特点，目前已经得到了广泛的应用。

cn104007081a公开了一种气体检测装置及系统和气体检测方法，分别使红外光源通过含有目标气体和不含目标气体的密封腔体，获得目标红外光谱信号和参考信号。通过红外目标信号和参考信号的转换处理提了一种气体检测装置及系统和气体检测方法。专利cn102589815a公开了一种气体泄漏红外成像探测极限的计算方法，根据有无气体泄露时探测背景和探测目标辐射出射度，并根据转化成的等效黑体温度之差而提出的计算方法。

但是上述相关研究并未考虑毒害气体的红外探测过程中探测环境粉尘粒子对光学信号的影响，尤其是煤化工厂区作业环境中存在大量粉尘粒子的情况下，粉尘粒子的光学衰减散射作用更加不能忽视。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种典型毒害气体红外多通道探测预警系统及预警方法，其综合考虑了厂区待监测大气环境中粉尘粒子的光学衰减作用和气体的光学吸收作用，通过红外多通道信号采用随机微粒群算法反演评估毒害气体的泄漏污染情况，为煤化工厂区含尘大气环境中毒害气体泄露的探测预警提供了路径方法。

本发明的任务之一在于提供一种典型毒害气体红外多通道探测预警系统。

一种典型毒害气体红外多通道探测预警系统，其包括信号探测单元、信号处理平台、粉尘粒子基础光学特性数据库、典型毒害气体基础光学特性数据库及响应单元，所述信号探测单元包括红外探测光源、红外信号接收器和光电信号传感器，所述红外探测光源将毒害气体中的信号传输至所述红外信号接收器，并由所述红外信号接收器传送至所述光电信号传输器，所述光电信号传输器将监测所得信号传输至所述信号处理平台；

所述信号处理平台包括红外信号反演处理模块和毒害气体探测结果分析模块，所述红外信号反演处理模块包括正演仿真计算子模块和反演计算子模块，所述正演仿真计算子模块用于根据假定的含尘毒害大气的空间分布情况，再结合所述粉尘粒子基础光学特性数据库、典型毒害气体基础光学特性数据库，并采用mie散射模型、窄谱带模型和离散坐标法来获得正演仿真含尘大气红外光学信号；所述反演计算子模块用于与所述光电信号传输器所得信号对比分析后，并采用随机微粒群算法求解目标函数，来实现含尘大气环境中毒害气体泄漏水平的红外光学评估；

所述响应单元是根据所述毒害气体探测结果分析模块所得结果而开展的相关预警。

进一步的，上述目标函数如式(1)：

其中，τ和分别是测量和模拟计算获得的透过光谱，n是探测波段的数量。

进一步的，上述红外探测光源将毒害气体的红外透射光谱传输至所述红外信号接收器。

本发明的另一任务在于提供一种典型毒害气体红外多通道探测预警方法，依次包括以下步骤：

a建立基础光学数据库的步骤：

包括粉尘粒子基础光学特性数据库和典型毒害气体基础光学特性数据库；

b构建红外信号反演处理程序模块，包括以下子步骤：

b1毒害气体中粉尘粒子的红外衰减作用结合粉尘粒子基础光学特性数据库，采用mie散射理论计算毒害气体中粉尘粒子的光学散射特性；

b2典型毒害气体基础光学特性数据库结合目标气体和常规大气的空间分布情况，采用窄谱带计算模型计算获得毒害气体的光学吸收作用；

b3综合考虑毒害气体中粉尘粒子的光学散射特性和毒害气体的光学吸收作用，采用离散坐标法求解辐射传输方程，从而获得含尘大气红外辐射光谱正演仿真结果；

b4利用红外探测设备获得含尘大气红外辐射光谱测试结果，并将上述步骤获得的含尘大气红外辐射光谱正演仿真结果与含尘大气红外辐射光谱测试结果进行比较处理，提出以下目标函数并求解：

其中，τ和分别是测量和模拟计算获得的透过光谱,n是探测波段的数量；

c毒害气体监测应急响应：

上述求解计算获得探测空间目标气体的泄漏浓度水平c，并进行分级响应。

进一步的，步骤a中，对探测环境中存在的粉尘粒子进行采样处理并开展ft-ir测试，获得粉尘粒子的透过光谱，从而获得粉尘粒子基础光学特性数据库。

进一步的，采用随机微粒群算法开展反演计算求解所述目标函数。

进一步的，上述随机微粒群算法为：

步骤一、对微粒群的随机位置和速度进行初始设定；

步骤二、计算每个微粒的适应值；

步骤三、对于每个微粒，将其适应值与所经历过的最好位置的适应值进行比较，若较好，则将其作为当前的最好位置；

步骤四、对于每个微粒，将其适应值与全局所经历的最好位置的适应值进行比较，若较好，则将其作为当前的全局最好位置；

步骤五、对微粒的速度和位置进行进化；

步骤六、如未达到结束条件或达到一个预设的最大迭代次数，则返回步骤二。

进一步的，所述分级响应分为一级预警响应、二级预警响应、三级预警响应和四级预警响应。

进一步的，采用随机微粒群算法开展反演计算来求解所述目标函数。

进一步的，所述分级响应分为一级预警响应、二级预警响应、三级预警响应和四级预警响应。

与现有技术相比，本发明采用红外光学识别技术，充分考虑煤化工厂区粉尘粒子的存在对光学信号的影响。

针对煤化工厂区存在的典型毒害气体，建立了气体基础光学特性数据库，本发明系统可适用多种煤化工厂区典型毒害气体的探测预警。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1为本发明探测预警系统整体架构图；

图2为本发明预警系统结构布局图；

图3为本发明红外信号反演处理程序模块实施流程图；

图4为本发明毒害气体分级预警响应装置模块实施流程图；

图中，1-探测光源，2-信号接收器，3-红外光学信号，4-含尘毒害大气，5-光电信号传感器，6-红外光电信号处理平台，7-分级响应信息中心。

具体实施方式

本发明提出了一种典型毒害气体红外多通道探测预警系统及预警方法，为了使本发明的优点、技术方案更加清楚、明确，下面结合具体实施例对本发明做详细说明。

本发明如图1所示，一种煤化工厂区含尘大气环境典型毒害气体红外多通道探测预警系统，其包括信号探测单元、红外光电信号处理平台、粉尘粒子基础光学特性数据库、典型毒害气体基础光学特性数据库及响应单元，信号探测单元包括探测光源1、信号接收器2、光电信号传感器5，红外光电信号处理平台6包括红外信号反演处理模块和毒害气体探测结果分析模块。

响应单元是根据所述毒害气体探测结果分析模块所得结果而开展的相关预警。如图2所示，分级响应信息中心7包括毒害气体分级预警响应、一级(ⅰ级)预警响应、二级(ⅱ级)预警响应、三级(ⅲ级)预警响应、四级(ⅳ级)预警响应、政府安全消防部门、企业安全主管领导、企业安全消防部门、现场人员巡检。

如图3所示，红外信号反演处理模块包括正演仿真计算子模块和反演计算子模块，正演仿真计算子模块用于根据假定的含尘毒害大气的空间分布情况，再结合所述粉尘粒子基础光学特性数据库、典型毒害气体基础光学特性数据库，并采用mie散射模型、窄谱带模型和离散坐标法来获得正演仿真含尘大气红外光学信号；反演计算子模块用于与所述光电信号传输器所得信号对比分析后，并采用随机微粒群算法求解目标函数，来实现含尘大气环境中毒害气体泄漏水平的红外光学评估。

如图4所示，毒害气体分级预警响应装置模块主要根据毒害气体探测结果开展毒害气体分级预警响应。根据分级响应级别ⅰ级(一级)预警响应、ⅱ级(二级)预警响应、ⅲ级(三级)预警响应、ⅳ级(四级)预警响应分别将毒害气体泄露探测情况分级别推送到政府安全消防部门、企业安全主管领导、企业安全消防部门、现场人员巡检并开展分级预警。

实施例1：

以煤化工厂区气化炉装置发生煤尘气体泄露的红外探测预警为实施例来说明本专利的具体实施方式。首先选定煤化工厂区气化炉毒害气体泄露监测区域m，布置安装红外探测光源、红外信号接收器、光电信号传感器。本专利的实施流程如下：

步骤一、建立基础光学特性数据库

针对探测环境中存在的粉尘粒子进行采样处理开展ft-ir测试，获得粉尘粒子的透过光谱。基础ft-ir测试参数和k-k关系，反演计算获得粉尘粒子在红外波段的基础光学常数—复折射率。同时需要基于美国hitran8数据库形成本发明中典型毒害气体基础光学特性数据库，获得气体的基础光学参量。本发明中气体光学吸收基础数据库主要包括常规气体(n2,o2,co2,h2o)和典型毒害气体(co,h2s,cxhy,nox,sox)。

步骤二、建立红外信号反演处理程序模块

(a)：正演模块

首先假设给定待测环境中粉尘粒子和目标气体的空间分布情况t(c,ρ,α,β)，其中粉尘粒子的的分布情况采用rosin-rammler函数表述

w(d)＝100exp(-α*d^β)

其中c和ρ分别是目标气体和粉尘粒子的等效浓度,α和β是控制粉尘粒径分布的rosin-ramller函数中的两个参数,w(d)是rosin-ramller函数中的筛上积分，d代表粉尘粒子直径。

首先针对粉尘粒子的红外衰减作用，结合粉尘粒子基础光学特性数据库，采用mie散射理论计算粉尘粒子的光学散射特性。

mie散射公式是非偏振平面电磁波投射均匀球形粒子时得到的maxwell方程的远场解。远场是指距粒子比较远处的电磁场，因为在实用中粒子间的距离通常都比粒子尺寸大的多，在此条件下可采用远场解。球形粒子衰减因子qe、吸收因子qa、散射因子qs、散射反照率和散射相函数的计算公式为下式

qa＝qe-qs

ω＝qs/qe

式中，m为粒子光学常数(复折射率)，m＝n-ik，n，k分别为折射指数和吸收指数；re表示取复数的实部；r为粒子半径；χ为尺度参数；χ＝πd/λ，d＝2r；ce与cs分别为衰减和散射截面，an、bn称为米氏散射系数；ω为粒子的散射反照率；φ(θ)为粒子的散射相函数；s1，s2称为复数幅值函数(也称散射函数)。辐射函数计算式如下

πn、τn称为散射角函数，为散射角，是投射方向与散射方向的夹角。

同时，基于本发明中典型毒害气体基础光学特性数据库，结合目标气体和常规大气的空间分布情况，采用窄谱带计算模型计算获得气体的光学吸收作用。

综合考虑粉尘粒子的光学衰减作用和气体的光学吸收作用，采用离散坐标法求解辐射传输方程可以获得含尘毒害大气环境的正演仿真红外传输特性。对于非灰发射-吸收-散射介质来说，辐射传输方程可表述为：

假设粉尘粒子是非灰表面介质，辐射边界条件可以定义为：

其中，i(r,ω)粉尘粒子在ω方向上的光谱辐射强度；ib(r)是黑体辐射强度；κa和κs是由mie散射模型中计算获得的粉尘粒子的吸收散射系数；是在特定方向ω上的强度梯度；φ(ω′,ω)i(r,ω′)dω′是粉尘粒子外方向上散射的辐射能量部分；ε和ρ分别是粉尘粒子的表面发射率和折射率；n是边界位置的单位法向量。

对于有限坐标方向上，辐射传输方程可以由离散方程组代替，如下：

为了简化，在辐射传输方程中代表波长的λ角标被省略了。μ,ξ和η分别是x,y和z的方向余弦.ω是辐射传输方向上的积分系数。

在模拟计算过程中，将对应的边界条件假设为半透明介质.本研究认为边界的发射和反射率都为0。在离散坐标的形成过程中应用sn法来保证在任意90°的旋转情况下这些坐标都是对称并且保持数值大小不变的。n值用来保证球体表面的点均匀对称分布。相函数可以定义为勒让德多项式：

cosψ＝μμ′+ξξ′+ηη′

(b)：反演模块

将正演仿真计算获得的含尘大气环境红外透过光谱与红外光学探测设备获得的红外信号进行比较处理，提出以下目标函数

其中，τ和分别是测量和模拟计算获得的透过光谱,n是探测波段的数量。整个反演计算求解毒害气体浓度水平的过程，可以认为是目标函数求解最小化的过程。本研究采用随机微粒群算法开展反演计算求解目标函数，随机微粒群算法的基本算法流程可简单描述为：

(1)对微粒群的随机位置和速度进行初始设定；

(2)计算每个微粒的适应值；

(3)对于每个微粒，将其适应值与所经历过的最好位置的适应值进行比较，若较好，则将其作为当前的最好位置；

(4)对于每个微粒，将其适应值与全局所经历的最好位置的适应值进行比较，若较好，则将其作为当前的全局最好位置；

(5)对微粒的速度和位置进行进化；

(6)如未达到结束条件(通常为足够好的适应值)或达到一个预设的最大迭代次数，则返回步骤(2)。

步骤三、信号探测与处理

通过红外光学透过信号探测设备中的探测光源1、信号接收器2获得含尘毒害大气4的红外透射光谱。红外光学信号3通过光电信号传感器5与红外光电信号处理平台6连接，红外光电信号处理平台6基于粉尘粒子基础光学特性数据库和典型毒害气体基础光学特性数据库通过红外信号反演处理模块反演计算获得大气环境中毒害气体的浓度水平c，根据浓度水平进行分级响应，并将信号处理结果推送到分级响应信息中心，同时将目标毒害气体探测结果推送到政府安全消防部门、企业安全主管领导、企业安全消防部门、现场巡检人员。

需要说明的是，在本说明书的教导下本领域技术人员还可以做出这样或那样的容易变化方式，诸如等同方式，或明显变形方式。上述的变化方式均应在本发明的保护范围之内。