專利名稱：一種氣體泄漏紅外成像探測極限的計算方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種氣體泄漏紅外成像探測極限的計算方法，屬于氣體泄漏探測領域。
背景技術：
根據(jù)我國罐箱/槽罐車運輸行業(yè)的統(tǒng)計，到目前為止，我國已運輸過的危險化學品有130余種，其中有毒有害、易燃易爆氣體的運輸是重中之重。例如，除液化石油氣外，僅氯氣我國的年產(chǎn)量已經(jīng)超過600萬噸，當每立方米空氣中O. I毫克的氯氣就足以對環(huán)境和人員造成傷害。按照國家《氯氣安全規(guī)程GB 11984-89》規(guī)定，生產(chǎn)、使用氯氣的車間(作業(yè)場所)，空氣中氯氣含量最高允許濃度lmg/m3。在危險化學品的運輸過程中，有毒有害、易燃易爆氣體一旦發(fā)生泄漏會對道路沿線周圍的居民、生態(tài)環(huán)境造成極大危害。在泄漏事故發(fā)生后，某些氣體無色無味，不容易被發(fā)現(xiàn)，而且氣體在空氣中極容易迅速擴散，及時確定氣體泄漏源、氣體空間分布對采取有效事故處理措施顯得尤為重要。傳統(tǒng)的氣體檢測方法是將氣體傳感器放在容易發(fā)生泄漏的罐體閥門處，通過濃度的測量，進行氣體泄漏檢測與報警，檢測耗時費力。而被動式氣體泄漏紅外成像技術是使用中波或長波熱像儀可視化氣體分子對3 14 μ m波段的紅外輻射吸收，使肉眼不能觀察到的泄漏氣體在紅外視頻上清晰可見，通過可視化的圖像為檢測人員提供一種快速識別泄漏源及氣體空間分布的技術，同時采用圖像處理技術改善圖像質量，便于人眼觀察和判斷。該技術在許多領域有很好的應用前景，比如化學、電力、工業(yè)領域氣體泄漏的檢測，軍事和公共安全領域生化毒劑氣體的探測等。與其它的氣體探測技術相比，氣體泄漏紅外成像技術具有便攜、快速、大范圍遙測等諸多優(yōu)點。被動式氣體泄漏紅外成像技術以比爾-朗伯特吸收定律(Beer-LaEbert Absorption Law)為基本原理=I1 = I0exp[- τ ( λ , c, L)],式中I。表示進入氣體云團前的背景輻射，I1表示穿過氣體云團后剩余的輻射，τ (X，C，L)表示氣體的透過率，λ是波長， c是氣體的濃度，L是光學路徑。Itl和I1之差反映了氣體所吸收的紅外輻射的多少，同時也是在熱像儀上形成氣體圖像的關鍵，Itl和I1差異越大，氣體與背景之間的圖像對比度越高， 越容易被人眼觀察到。根據(jù)以上公式看出有四個因素影響氣體成像氣體濃度、背景輻射的大小、光學路徑、氣體透過率。另外，用來接收紅外輻射的光學系統(tǒng)和紅外探測器的性能也會影響最終的成像效果。雖然氣體泄漏紅外成像技術具有便攜、快速、大范圍遙測等諸多優(yōu)點，但是目前的被動式氣體泄漏紅外成像技術屬于一種快速的人眼觀察為主的定性探測技術，無法實現(xiàn)定量的微量氣體濃度檢測。當氣體泄漏流量很小時，造成氣體云團濃度很低，從而Itl和I1 差異很小，氣體云團就不能成像，由于被動式氣體泄漏紅外成像技術無法實現(xiàn)氣體濃度定量檢測，進而對氣體成像系統(tǒng)設計及系統(tǒng)的性能評估帶來不便
發(fā)明內容
針對被動式氣體泄漏紅外成像技術的應用需要，根據(jù)紅外成像系統(tǒng)性能參數(shù)NETD 的定義和紅外成像系統(tǒng)探測所需條件，本發(fā)明提供了一種氣體泄漏成像探測極限的計算方法，能夠在一定背景環(huán)境條件下，使用一定性能的紅外探測器陣列所能成像探測的泄漏氣體的最小流量。本發(fā)明通過如下技術方案實現(xiàn)一種氣體泄漏紅外成像探測極限的計算方法，具體包括如下步驟第一步計算無氣體泄漏時的背景輻射出射度，并將之作為成像探測背景輻射出射度Eb ；第二步由成像探測背景輻射出射度Eb計算成像探測背景等效黑體溫度Tbb ；第三步氣體泄漏時，根據(jù)成像探測背景輻射出射度中的氣體參數(shù)計算背景輻射經(jīng)氣體吸收后的輻射出射度，即為成像探測目標輻射出射度Ep ；第四步由成像探測目標輻射出射度Ep計算成像探測目標等效黑體溫度Tt ；第五步將第二步和第四步計算出的成像探測背景與目標等效黑體溫度之差的絕對值定義為氣體等效黑體溫差GEBTD ；第六步比較氣體等效黑體溫差GEBTD與紅外探測器和光學系統(tǒng)的綜合性能參數(shù)-噪聲等效溫差NETD，確定氣體泄漏探測極限值，即泄漏氣體的最小流量。上述第一步所述的的背景輻射出射度通過將背景參數(shù)代入普朗克公式計算得出； 背景參數(shù)為背景發(fā)射率和背景表面溫度；背景發(fā)射率根據(jù)背景材料決定；背景表面溫度通過測量得到。上述第二步所述的成像探測背景的等效黑體溫度Tbb采用以下方法計算根據(jù)普朗克定律，背景的輻射量Eb用等效黑體溫度Tbb表示，將第一步中的背景輻射出射度Eb帶入普朗克定律公式，得到背景的等效黑體溫度Tbb。上述第三步所述的成像探測目標輻射出射度Ep采用以下方法計算將第一步中的背景輻射出射度Eb及泄漏氣體云團參數(shù)代入比爾朗伯特定律公式，計算出背景輻射經(jīng)氣體吸收后剩余的輻射出射度，即目標輻射出射度Ep ;其中氣體云團參數(shù)包括氣體濃度、氣體溫度、氣體吸收路徑、氣體紅外吸收系數(shù)，氣體紅外吸收系數(shù)從紅外吸收光譜庫里獲?。粴怏w溫度根據(jù)測量得出；將氣體流量設定為某初始值，氣體濃度和吸收路徑根據(jù)估計模型計算得出設定氣體泄漏的流量為某初始值，將泄漏出來的氣體的空間分布近似為一個底面半徑為O. lm，高為O. 3m的圓錐體，則氣體吸收路徑近似為圓錐體的底面半徑；氣體濃度為泄漏流量乘以紅外成像系統(tǒng)曝光時間再除以圓錐體體積。上述第四步的成像探測目標等效黑體溫度Tt采用以下方法計算根據(jù)普朗克定律，目標的輻射出射度Mt用等效黑體溫度Tt表示，將第三步中的成像探測目標的輻射量Ep 帶入普朗克定律公式，得到目標的等效黑體溫度Tt。上述第六步中確定氣體泄漏探測極限值采用以下方法比較GEBTD與NETD，如果二者相等或者近似相等，那么此時的氣體流量值即為氣體泄漏探測極限值；如果GEBTD小于NETD，表明紅外探測器無法成像探測此時的氣體流量，則提高氣體流量重新計算第三步至第五步，如果GEBTD大于NETD，表明紅外探測器可成像探測更小的氣體泄漏量，減小氣體流量，重新計算第三步至第五步。本發(fā)明的工作原理首先使用中波或長波紅外成像探測器和光學系統(tǒng)在一定視場內觀察待檢測部位，將無氣體泄漏時視場內的場景內容稱為背景；當氣體泄漏發(fā)生時，氣體濃度因擴散變得非常稀薄以至無法成像的區(qū)域以及氣體擴散不到但仍在視場內的區(qū)域稱為無氣體區(qū)域；因輻射量相同，因此將無氣體泄漏時的背景與氣體泄漏時的無氣體區(qū)域統(tǒng)稱為成像探測的背景；將氣體泄漏時擴散的有限空間范圍稱為氣體泄漏區(qū)，并視之為成像探測的目標。根據(jù)背景、氣體參數(shù)計算出成像探測的目標和背景的輻射出射度，然后，由普朗克定律，得到成像探測的目標和背景的等效黑體溫度，進一步得到氣體等效黑體溫差 GEBTD，最后，將GEBTD與紅外成像系統(tǒng)的NETD值進行比較，當GEBTD等于紅外探測器和光學系統(tǒng)的綜合性能參數(shù)-噪聲等效溫差NETD時，所對應的氣體流量即為一定背景和環(huán)境條件下的氣體泄漏成像探測極限。本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是I. 一種氣體泄漏紅外成像探測極限的計算方法可以確定氣體云團成像所需的泄漏氣體的最小流量，得到被動式氣體泄漏紅外成像系統(tǒng)在實際應用中的一個重要性能指標，可方便氣體成像系統(tǒng)設計及系統(tǒng)的性能評估。在實際應用中，當氣體泄漏的流量大于氣體泄漏紅外成像探測極限時，氣體能夠成像，反之，則不能。2.本發(fā)明得到被動式氣體泄漏紅外成像的影響因素，包括背景參數(shù)和氣體參數(shù)， 背景參數(shù)主要指背景發(fā)射率、背景表面溫度；氣體參數(shù)主要指氣體溫度、氣體濃度、氣體吸收路徑、氣體紅外吸收系數(shù)。在氣體泄漏紅外成像的實驗過程中具有較好的指導作用。3.本發(fā)明直接應用被動式氣體泄漏紅外成像系統(tǒng)的性能參數(shù)噪聲等效溫差 NETD，使得計算過程簡單、方便、直觀。


圖I為氣體泄漏成像探測極限的計算方法的步驟流程圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明做一詳細描述。本實施例中的具體實現(xiàn)過程包括如圖I所示的六個步驟步驟a.計算出成像探測背景輻射出射度Eb。當氣體泄漏發(fā)生時，氣體濃度因擴散變得非常稀薄以至無法成像的區(qū)域以及氣體擴散不到但仍在視場內的區(qū)域稱為無氣體區(qū)域，且稱為成像探測的背景。則成像探測背景輻射出射度Eb等于無氣體泄漏時視場內的背景的輻射出射度，經(jīng)過大氣衰減后背景輻射出射度表示為
權利要求
1.一種氣體泄漏紅外成像探測極限的計算方法，其特征在于，包括如下步驟第一步計算無氣體泄漏時的背景輻射出射度，并將之作為成像探測背景輻射出射度Eb ；第二步由成像探測背景輻射出射度Eb計算成像探測背景等效黑體溫度Tbb ；第三步氣體泄漏時，根據(jù)成像探測背景輻射出射度中的氣體參數(shù)計算背景輻射經(jīng)氣體吸收后的輻射出射度，即為成像探測目標輻射出射度Ep ；第四步由成像探測目標輻射出射度Ep計算成像探測目標等效黑體溫度Tt ；第五步將第二步和第四步計算出的成像探測背景與目標等效黑體溫度之差的絕對值定義為氣體等效黑體溫差GEBTD ；第六步比較氣體等效黑體溫差GEBTD與紅外探測器和光學系統(tǒng)的綜合性能參數(shù)-噪聲等效溫差NETD，確定氣體泄漏探測極限值，即泄漏氣體的最小流量。
2.如權利要求I所述的一種氣體泄漏紅外成像探測極限的計算方法，其特征在于，上述第一步所述的的背景輻射出射度通過將背景參數(shù)代入普朗克公式計算得出；背景參數(shù)為背景發(fā)射率和背景表面溫度；背景發(fā)射率根據(jù)背景材料決定；背景表面溫度通過測量得到。
3.如權利要求I所述的一種氣體泄漏紅外成像探測極限的計算方法，其特征在于，上述第二步所述的成像探測背景的等效黑體溫度Tbb采用以下方法計算根據(jù)普朗克定律，背景的輻射量Eb用等效黑體溫度Tbb表示，將第一步中的背景輻射出射度Eb帶入普朗克定律公式，得到背景的等效黑體溫度Tbb。
4.如權利要求I或2或3所述的一種氣體泄漏紅外成像探測極限的計算方法，其特征在于，上述第三步所述的成像探測目標輻射出射度Ep采用以下方法計算將第一步中的背景輻射出射度Eb及泄漏氣體云團參數(shù)代入比爾朗伯特定律公式，計算出背景輻射經(jīng)氣體吸收后剩余的輻射出射度，即目標輻射出射度Ep ;其中氣體云團參數(shù)包括氣體濃度、氣體溫度、氣體吸收路徑、氣體紅外吸收系數(shù)，氣體紅外吸收系數(shù)從紅外吸收光譜庫里獲?。粴怏w溫度根據(jù)測量得出；將氣體流量設定為某初始值，氣體濃度和吸收路徑根據(jù)估計模型計算得出設定氣體泄漏的流量為某初始值，將泄漏出來的氣體的空間分布近似為一個底面半徑為O. lm，高為O. 3m的圓錐體，則氣體吸收路徑近似為圓錐體的底面半徑；氣體濃度為泄漏流量乘以紅外成像系統(tǒng)曝光時間再除以圓錐體體積。
5.如權利要求I或2或3所述的一種氣體泄漏紅外成像探測極限的計算方法，其特征在于，上述第四步的成像探測目標等效黑體溫度Tt采用以下方法計算根據(jù)普朗克定律，目標的輻射出射度Mt用等效黑體溫度Tt表示，將第三步中的成像探測目標的輻射量Ep帶入普朗克定律公式，得到目標的等效黑體溫度Tt。
6.如權利要求I或2或3所述的一種氣體泄漏紅外成像探測極限的計算方法，其特征在于，上述第六步中確定氣體泄漏探測極限值采用以下方法比較GEBTD與NETD，如果二者相等或者近似相等，那么此時的氣體流量值即為氣體泄漏探測極限值；如果GEBTD小于 NETD，表明紅外探測器無法成像探測此時的氣體流量，則提高氣體流量重新計算第三步至第五步，如果GEBTD大于NETD，表明紅外探測器可成像探測更小的氣體泄漏量，減小氣體流量，重新計算第三步至第五步。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種氣體泄漏紅外成像探測極限的計算方法，屬于氣體泄漏探測領域。首先計算無氣體泄漏時的背景輻射出射度，并將之作為成像探測背景輻射出射度；由成像探測背景輻射出射度計算成像探測背景等效黑體溫度；其次氣體泄漏時，根據(jù)成像探測背景輻射出射度中的氣體參數(shù)計算背景輻射經(jīng)氣體吸收后的輻射出射度，即為成像探測目標輻射出射度；由成像探測目標輻射出射度計算成像探測目標等效黑體溫度；然后計算出的成像探測背景與目標等效黑體溫度之差的絕對值定義為氣體等效黑體溫差；最后比較氣體等效黑體溫差與紅外探測器和光學系統(tǒng)的綜合性能參數(shù)-噪聲等效溫差，確定氣體泄漏探測極限值，即泄漏氣體的最小流量。
文檔編號G01M3/04GK102589815SQ20121000935
公開日2012年7月18日 申請日期2012年1月12日 優(yōu)先權日2012年1月12日
發(fā)明者李家琨, 王嶺雪, 王美榮, 高岳, 龍云婷 申請人:北京理工大學