基于傅里叶红外技术的有毒有害气体应急遥测系统的制作方法

1.本发明涉及气体动态监测，具体涉及基于傅里叶红外技术的有毒有害气体应急遥测系统。


背景技术：

2.近年来，伴随着我国经济高质高量的发展，工业化水平也得到了进一步提升。在稳步发展的同时，环境风险事故频发，化工行业尤其突出。
3.突发环境风险事故现场形势复杂，其中以有毒有害气体最为危险，有毒有害气体大多无色无形，其泄漏和扩散分布规律依靠现有监测手段难以全面、快速把握，很容易造成中毒、窒息和爆燃等次生危害，对现场应急消防、环境监测及生产人员的生命安全产生重大威胁。为减轻有毒有害气体带来的危害与损失，国家环境保护及其他相关部门都在研究相应对策，以实现对事故现场的应急响应，当前亟须提升对有毒有害气体的风险预警和突发应急研判的关键信息获取能力。
4.国外进行有毒有害气体检测的研究起步较早，红外气体被动检测技术发展迅速，技术相对成熟。国内红外光谱气体检测研究相对于发达国家起步较晚，但发展迅速，设备总体性能指标达到国际先进水平，对于打破国外技术垄断具有重要意义。
5.由于有毒有害气体泄漏会引发重大事故，极大地威胁着人类的生产和生活安全，因此，有毒有害气体检测的研究具有十分重要且必要的意义。从十九世纪开始，人们不断研制安全的生产设备和检测工具，上世纪已经出现催化燃烧式、电化学式、半导体式、光离子化式等多种小巧实用的气体传感器。
6.传感器网格化布点监控很难做到区域全覆盖，而且随着工况、环境因素等影响，部分区域无法布设点位，容易造成数据缺失，监控空间遗漏。人工动态巡检，部分区域和位置无法到达或靠近，甚至会带来一定的安全隐患，并且同样存在数据缺失、巡查不全面的风险。普通热成像技术即温度热成像，将景物因温度和发射率不同而产生的红外辐射空间分布转换成视频图像，存在分辨率低、探测距离有限等问题。
7.这些传统检测方式只能在气体泄漏点实现定点测量，对于需要实时动态气体监测的场合则不适用。红外光谱技术相比于传统的气体检测方法具有分析特征性强、分析速度快、高效和实时动态等优点，具有明显优势。


技术实现要素：

8.(一)解决的技术问题
9.针对现有技术所存在的上述缺点，本发明提供了基于傅里叶红外技术的有毒有害气体应急遥测系统，能够有效克服现有技术所存在的无法对泄漏气体进行全面、快速、准确监测的缺陷。
10.(二)技术方案
11.为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
12.基于傅里叶红外技术的有毒有害气体应急遥测系统，包括接收望远镜、可见光相机、夜视相机、傅里叶光谱仪、扫描云台和计算机；
13.接收望远镜，用于确定系统凝视视场；
14.可见光相机，获取扫描区域的视频图像；
15.夜视相机，在微光环境下获取扫描区域的视频图像；
16.傅里叶光谱仪，利用干涉仪将两束光程差按一定速度变化的复色红外光相互干涉，形成干涉光，再与样品作用；
17.计算机，对傅里叶光谱仪发送的干涉信号进行傅里叶变换，将干涉图还原为光谱图；
18.扫描云台，用于带动系统对待测区域进行广角扫描；
19.所述计算机构建三层辐射模型，并根据傅里叶光谱仪的检测结果计算待测气体透过率，所述计算机对光谱图进行定标后，提取背景辐射亮度光谱和待测气体辐射亮度光谱，结合待测气体透过率计算得到透过率光谱，并利用非线性最小二乘法进行定性定量分析，得到待测气体种类、待测气体浓度，通过对待测气体浓度进行反演，获取待测区域中待测气体的动态分布图。
20.优选地，所述计算机构建三层辐射模型，并根据傅里叶光谱仪的检测结果计算待测气体透过率，包括：
21.采用下式计算第二层污染大气辐射的光谱辐射亮度：
[0022][0023]
同理，第一层大气辐射的光谱辐射亮度可表示为：
[0024][0025]
其中，b表示各层自身温度对应的黑体辐射亮度，τ表示各层的透过率，为对应的波数；
[0026]
假设第二层污染大气辐射中污染大气均匀分布，当第二层污染大气辐射与周围环境处于热平衡时有实际测量时选取波段内第一层大气辐射的透过率则可将三层辐射模型简化为两层辐射模型：
[0027][0028]
进而推导出待测气体透过率的表达式为：
[0029][0030]
优选地，所述三层辐射模型包括待测区域至傅里叶光谱仪之间的第一层大气辐射，待测区域的第二层污染大气辐射，以及远处背景的第三层背景辐射。
[0031]
优选地，所述计算机对光谱图进行定标后，提取背景辐射亮度光谱和待测气体辐射亮度光谱，包括：
[0032]
为了避开大气中水和二氧化碳的吸收波段，并减少大气分子对辐射的散射，选择长波段的大气窗口区800～1200cm-1
，该波段内大气透过率很高，可看做透明，同时很多自然
背景在该波段都具有较高且几乎不变的发射率，与黑体的辐射特性具有高度一致性，所以背景在亮温谱中表现为恒定基线，由该恒定基线对应的辐射亮温即为背景温度，因此可用与该背景温度相同的黑体辐射亮度光谱来模拟背景辐射亮度光谱。
[0033]
优选地，所述计算机对光谱图进行定标后，提取背景辐射亮度光谱和待测气体辐射亮度光谱之后，包括：
[0034]
在600～1200cm-1
波段对每一点通过普朗克辐射公式反推辐射亮温，代入常量获得下式：
[0035][0036]
其中，为对应的波数，为光谱辐射亮度，上式中的最大值、最小值分别作为背景辐射亮温、待测气体辐射亮温。
[0037]
优选地，所述利用非线性最小二乘法进行定性定量分析，得到待测气体种类、待测气体浓度，包括：
[0038]
对透过率光谱与计算光谱进行迭代运算，通过输入初始浓度的不断修定，以实现计算光谱与光谱图的最佳拟合，进而得到待测气体种类、待测气体浓度。
[0039]
优选地，所述通过对待测气体浓度进行反演，获取待测区域中待测气体的动态分布图，包括：
[0040]
以不同颜色代表不同空气质量情况，与扫描区域的视频图像进行伪彩叠加，实时呈现待测气体在扫描区域的动态分布及扩散趋势。
[0041]
优选地，所述计算机包括实时扫描显示模块、历史数据查看模块、参数设置模块、光谱实时显示模块和历史图片查看模块；
[0042]
实时扫描显示模块，实时显示扫描位置，并在扫描到的待测气体浓度超标位置进行声光预警；
[0043]
历史数据查看模块，通过关键词检索获取历史数据；
[0044]
参数设置模块，用于设置可见光相机、夜视相机的相机参数，以及测试地点信息；
[0045]
光谱实时显示模块，实时显示测量光谱图；
[0046]
历史图片查看模块，用于查看历史待测气体动态分布图。
[0047]
(三)有益效果
[0048]
与现有技术相比，本发明所提供的基于傅里叶红外技术的有毒有害气体应急遥测系统，具有以下有益效果：
[0049]
1)清晰直观，该系统能清晰直观地将不可见的危化气体、易燃易爆气体及挥发性有机物等有毒有害气体直接进行可视化呈现，实时呈现有毒有害气体在扫描区域的动态分布及扩散趋势，让有毒有害气体“看得见”；
[0050]
2)快速高效，以系统持续更新的气体数据库为支撑，该系统能够实现同时对多种有毒有害气体的快速响应、实时预警，该系统可以快速部署，同步进行气体监测和数据分析，快速判定气体物质组分及大致浓度分布，为救援决策提供关键信息和支撑数据；
[0051]
3)远距离非接触，该系统基于大气环境光学遥感技术、微光夜视/可见光成像技
术，能够实现远距离、不接触地对待测区域污染气体的快速测量，测量距离2～5km，尤其是在突发涉气安全事故应急监测中能够保障监测人员的安全；
[0052]
4)灵活便捷，体积小巧、灵活部署，既可以安装在固定点位，实现24h全天候360
°
在线扫描预警，又可以搭载在各类移动交通工具上完成应急响应，前往目标现场；系统软硬件性能稳定，操作简单，通过一定时间的培训即可完成常用典型场景的运用操作；
[0053]
5)广泛全面，该系统应用方向覆盖生产生活的各个方面，可以作为消防与应急指挥的有力助手，辅助决策，减灾降损；系统红外光谱特征数据库全面，通过傅里叶红外成像系统，可同时监测多种无机物气体和挥发性有机物，主要包括vocs、有毒有害气体、氮化物、硫化物、战争毒剂等。
附图说明
[0054]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0055]
图1为本发明的系统硬件示意图；
[0056]
图2为本发明的系统软件示意图；
[0057]
图3为本发明中三层辐射模型的示意图；
[0058]
图4为本发明中背景辐射亮度光谱和待测气体辐射亮度光谱的示意图；
[0059]
图5为本发明中待测气体的透过率光谱的示意图；
[0060]
图6为本发明中待测气体的动态分布图。
具体实施方式
[0061]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0062]
基于傅里叶红外技术的有毒有害气体应急遥测系统，如图1所示，系统硬件包括接收望远镜、可见光相机、夜视相机、傅里叶光谱仪、扫描云台和计算机。
[0063]
接收望远镜，用于确定系统凝视视场；
[0064]
可见光相机，获取扫描区域的视频图像，采用1/3英寸靶面ccd，焦距范围为4.8～57.6mm，输出图像分辨率为1280
×
960；
[0065]
夜视相机，在微光环境下获取扫描区域的视频图像；
[0066]
傅里叶光谱仪，利用干涉仪将两束光程差按一定速度变化的复色红外光相互干涉，形成干涉光，再与样品作用；
[0067]
计算机，对傅里叶光谱仪发送的干涉信号进行傅里叶变换，将干涉图还原为光谱图；
[0068]
扫描云台，用于带动系统对待测区域进行广角扫描，由旋转台和俯仰台构成，水平和竖直方向角分辨率均为0.01
°
，水平运动范围0～360
°
，垂直运动范围-45
°
～+45
°
，可实时
回传两个方向的角位移参数。
[0069]
如图2所示，系统软件包括实时扫描显示模块、历史数据查看模块、参数设置模块、光谱实时显示模块和历史图片查看模块。
[0070]
实时扫描显示模块，实时显示扫描位置，并在扫描到的待测气体浓度超标位置进行声光预警；
[0071]
历史数据查看模块，通过关键词(地点、时间等)检索获取历史数据；
[0072]
参数设置模块，用于设置可见光相机、夜视相机的相机参数，以及测试地点信息；
[0073]
光谱实时显示模块，实时显示测量光谱图；
[0074]
历史图片查看模块，用于查看历史待测气体动态分布图。
[0075]
系统软件工作流程包括：
[0076]
(1)设置傅里叶光谱仪和可见光相机的采集参数，并在可见光图像界面中框选扫描区域，系统以扫描视场不重叠为原则自动规划运行参数；
[0077]
(2)系统运行至规划扫描点时采集光谱数据、可见光图像和位置参数；
[0078]
(3)根据采集到的相关数据生成关于气体浓度的伪彩色动态分布图，同时将图片数据、浓度分布数据和位置信息以文件的方式存储。
[0079]
如图3所示，计算机构建三层辐射模型，并根据傅里叶光谱仪的检测结果计算待测气体透过率，计算机对光谱图进行定标后，提取背景辐射亮度光谱和待测气体辐射亮度光谱，结合待测气体透过率计算得到透过率光谱，并利用非线性最小二乘法进行定性定量分析，得到待测气体种类、待测气体浓度，通过对待测气体浓度进行反演，获取待测区域中待测气体的动态分布图。
[0080]
三层辐射模型包括待测区域至傅里叶光谱仪之间的第一层大气辐射，待测区域的第二层污染大气辐射，以及远处背景(天空、大地、植被、建筑物等)的第三层背景辐射。
[0081]
计算机构建三层辐射模型，并根据傅里叶光谱仪的检测结果计算待测气体透过率，包括：
[0082]
采用下式计算第二层污染大气辐射的光谱辐射亮度：
[0083][0084]
同理，第一层大气辐射的光谱辐射亮度可表示为：
[0085][0086]
其中，b表示各层自身温度对应的黑体辐射亮度，τ表示各层的透过率，为对应的波数；
[0087]
假设第二层污染大气辐射中污染大气均匀分布，当第二层污染大气辐射与周围环境处于热平衡时有实际测量时选取波段内第一层大气辐射的透过率则可将三层辐射模型简化为两层辐射模型：
[0088][0089]
进而推导出待测气体透过率的表达式为：
[0090]
[0091]
计算机对光谱图进行定标后，提取背景辐射亮度光谱和待测气体辐射亮度光谱，包括：
[0092]
为了避开大气中水和二氧化碳的吸收波段，并减少大气分子对辐射的散射，选择长波段的大气窗口区800～1200cm-1
，该波段内大气透过率很高，可看做透明，同时很多自然背景在该波段都具有较高且几乎不变的发射率，与黑体的辐射特性具有高度一致性，所以背景在亮温谱中表现为恒定基线，由该恒定基线对应的辐射亮温即为背景温度，因此可用与该背景温度相同的黑体辐射亮度光谱来模拟背景辐射亮度光谱。
[0093]
对于长度大于100m的测量光程，在650～690cm-1
波段附近，由于co2的吸收累积效应，大气可看作是不透明的，因此在这个波段的光谱对应亮温谱的最低温度可认为仅由待测区域环境温度贡献，同温度的黑体辐射亮度可看作待测区域的大气辐射亮度。
[0094]
计算机对光谱图进行定标后，提取背景辐射亮度光谱和待测气体辐射亮度光谱之后，包括：
[0095]
在600～1200cm-1
波段对每一点通过普朗克辐射公式反推辐射亮温，代入常量获得下式：
[0096][0097]
其中，为对应的波数，为光谱辐射亮度，上式中的最大值、最小值分别作为背景辐射亮温、待测气体辐射亮温。
[0098]
如图4所示，为使用上述方法针对光谱图提取背景辐射亮度光谱和待测气体辐射亮度光谱，背景辐射亮度光谱为280.5k的黑体辐射普朗克曲线，待测气体辐射亮度光谱为268.03k的黑体辐射普朗克曲线。
[0099]
利用非线性最小二乘法进行定性定量分析，得到待测气体种类、待测气体浓度，包括：
[0100]
对透过率光谱与计算光谱进行迭代运算，通过输入初始浓度的不断修定，以实现计算光谱与光谱图的最佳拟合，进而得到待测气体种类、待测气体浓度。
[0101]
如图6所示，通过对待测气体浓度进行反演，获取待测区域中待测气体的动态分布图，包括：
[0102]
以不同颜色代表不同空气质量情况(根据标准，以蓝紫绿黄橙红渐变彩色代表不同空气质量情况，越红代表污染越严重)，与扫描区域的视频图像进行伪彩叠加，实时呈现待测气体在扫描区域的动态分布及扩散趋势。
[0103]
本技术技术方案中，系统整体工作流程包括：
[0104]
(1)根据泄漏或事故现场实际情况，采用固定或车载模式快速搭建挥发性有机物动态监测系统，开展应急监测；
[0105]
(2)利用搭载的红外光谱仪探测待测区域有毒有害气体自身及周围环境的热辐射；
[0106]
(3)将污染气体的红外辐射光谱结合三层辐射模型，并利用非线性最小二乘法进行定性定量分析，得到待测气体种类、待测气体浓度；
[0107]
(4)将浓度反演结果与可见ccd相机的位置参数结合，生成关于气体浓度的伪彩色动态分布图，实时呈现待测气体在扫描区域的动态分布及扩散趋势；
[0108]
(5)结合风速、风向、温度等环境因素分析，掌握污染气体的扩散趋势，进行预警预报，为救援决策提供关键信息和支撑数据。
[0109]
本技术技术方案，综合利用红外光谱技术、微光夜视/可见光成像技术、大数据等，兼具清晰直观、快速高效、远距离非接触、灵活便捷和广泛全面的优势特点，能够融入现有的风险预警与应急管理系统，在常态化安全隐患排查检查、园区预警和事故救援等方向上发挥重要作用，大幅提高涉气安全检查及预警的工作效率，及时发现生产生活中泄漏的有毒有害气体，同时在突发事故应急处置监测中，快速判定事故现场气体物质组分及大致浓度分布，提供关键信息和支撑数据，可以作为消防与应急指挥的有力助手，为现场救援处置及科学快速决策提供数据支持，保障消防救援人员安全，减灾降损，为安全生产和经济的持续发展保驾护航。
[0110]
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不会使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。