氣體泄漏紅外成像檢測系統(tǒng)的性能測試方法研究

李家琨， 金偉其， 王霞， 張旭， 劉洋， 夏潤秋

(北京理工大學(xué) 光電成像技術(shù)與系統(tǒng)教育部重點實驗室，北京 100081)

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氣體泄漏紅外成像檢測系統(tǒng)的性能測試方法研究

李家琨， 金偉其， 王霞， 張旭， 劉洋， 夏潤秋

(北京理工大學(xué) 光電成像技術(shù)與系統(tǒng)教育部重點實驗室，北京 100081)

氣體泄漏紅外成像檢測技術(shù)以其高效率遙測成像等顯著優(yōu)勢成為氣體泄漏檢測的有效手段之一，針對此類系統(tǒng)探測能力的評價方法不全面的問題，通過改造MRTD測量靶標(biāo)及方式，提出了適用于被動式氣體紅外成像檢測系統(tǒng)性能的最小可分辨氣體濃度MRGC (minimum resolvable gas concentration)評價方法，設(shè)計并搭建了MRGC性能測試系統(tǒng)，并以乙烯氣體為檢測目標(biāo)進行了測試，測試結(jié)果與系統(tǒng)MRTD曲線的變化趨勢具有較好的一致性.

氣體泄漏檢測；紅外成像；性能評價；MRGC；測試系統(tǒng)

氣體泄漏紅外成像檢測技術(shù)以其高效率遙測成像等顯著優(yōu)勢成為氣體泄漏檢測的有效手段之一. 但目前對此類系統(tǒng)氣體成像探測能力的評價方法并不全面，例如，噪聲等效路徑長度(noise equivalent concentration path length， NECL)[1-3]考慮了氣體的紅外吸收特性，但沒有考慮氣體云團尺寸對系統(tǒng)探測能力的影響；最小可探測泄漏速率(minimum detectable leak rate， MLDR)[4-5]直觀地給出了對某種氣體的探測極限，但方法較為粗略，且未考慮氣體溫度對系統(tǒng)探測能力的影響. 最小可分辨溫差(minimum resolvable temperature difference， MRTD)作為對常規(guī)熱成像系統(tǒng)性能評價的重要參數(shù)之一，是對系統(tǒng)溫度分辨力和空間分辨力的綜合性能評價. 由于氣體泄漏紅外成像檢測的應(yīng)用模式與常規(guī)熱成像系統(tǒng)具有較大的相似性，通過改造熱成像系統(tǒng)的最小可分辨溫差MRTD性能測試系統(tǒng)，設(shè)計并搭建了適用于氣體泄漏紅外成像系統(tǒng)的最小可分辨氣體濃度MRGC性能測試系統(tǒng)，能綜合考慮氣體的紅外吸收特性、氣體溫度、濃度和云團尺寸等因素對氣體泄漏紅外成像檢測系統(tǒng)探測能力的影響. 本文將主要介紹該測試系統(tǒng)的設(shè)計思想，并以乙烯為檢測氣體進行實際測試，驗證系統(tǒng)的可行性和方法的有效性.

1 MRGC性能評價系統(tǒng)設(shè)計及測量方法

MRTD是目前評價熱成像系統(tǒng)性能最常用的主要性能參數(shù)之一，不僅包含熱成像系統(tǒng)的溫度分辨力和空間分辨力，同時還包含了觀察者的主觀因素. 目前已經(jīng)發(fā)展了國際通用的MRTD測量裝置和測量方法，成為熱成像系統(tǒng)研制中和出廠前質(zhì)量檢測的主要手段. 由于氣體泄漏紅外成像檢測的應(yīng)用模式與常規(guī)的熱成像系統(tǒng)具有較大的相似性，只是檢測對象為各類氣體目標(biāo)，與傳統(tǒng)的黑體目標(biāo)在輻射特性上有明顯的區(qū)別，一方面，氣體目標(biāo)自身具有輻射，且其光譜發(fā)射率隨波長變化很大，屬于選擇體；另一方面，氣體目標(biāo)本身會吸收背景的輻射，且吸收的選擇性很強(圖1給出乙烯氣體紅外吸收系數(shù)部分圖譜)，吸收衰減與傳輸路徑的氣體濃度路徑積分有很大關(guān)系. 對于具有一定空間分布的氣體云團熱成像檢測，雖然同樣以人眼觀察來判斷，在評價原理上類似于MRTD參數(shù)，但以黑體作為目標(biāo)和背景的MRTD測量方式，缺乏對氣體輻射/吸收特性以及氣體濃度、溫度等的考慮，因此，難以直接用于對氣體成像檢測能力的評價.

通過改造MRTD測量靶標(biāo)和測量方式，研制了一套適用于氣體泄漏紅外成像檢測系統(tǒng)的MRGC性能測試評價系統(tǒng). 如圖2，圖3所示，MRGC的測量靶標(biāo)是在普通面型差分黑體輻射源的目標(biāo)黑體與背景黑體之間插入一個具有一定厚度l的紅外氣室，氣室的前后兩個端面是由鍍制在工作波段盡可能平坦增透膜的紅外透射材料(如ZnSe和Ge等)制成的窗口，使得原來作為目標(biāo)的背景黑體鏤空部分被氣室目標(biāo)所覆蓋. 氣室外框由導(dǎo)熱性差的材料制成，從而減少外框?qū)馐覂?nèi)氣體溫度的影響，外框上設(shè)有氣體進出口、氣體溫度計和濃度計的安裝孔等. MRGC測量靶標(biāo)的目標(biāo)輻射由目標(biāo)黑體的輻射經(jīng)過紅外氣室中的氣體吸收之后出射的輻射和氣體自身輻射構(gòu)成，而背景輻射仍為背景黑體輻射.

借鑒MRTD的定義[6]，定義MRGC及其測量方法如下：

① 為了排除空氣中的二氧化碳和水汽等對紅外輻射有吸收作用的氣體對測量的影響，實驗開始前，需用沒有紅外吸收和發(fā)射的載氣(如氮氣)對紅外氣室及整個氣體管路進行清洗；

② 調(diào)節(jié)面型差分黑體輻射源的目標(biāo)黑體和背景黑體的溫差，使采集到的圖像均勻，完全觀察不到四桿靶(扣除氣室窗口的影響)，并固定此溫差；

③ 對于確定溫度Tgas的待測氣體，逐漸增大或逐漸減小紅外氣室內(nèi)待測氣體濃度c，使觀察者恰可分辨出(50%概率)具有某一空間頻率f的四桿靶氣體目標(biāo)圖案，此時待測氣體濃度沿儀器視線路徑(路徑長度是氣室厚度)的積分即為氣體泄漏紅外成像檢測系統(tǒng)對應(yīng)氣體溫度Tgas的最小可分辨濃度cMRGC(f，Tgas).

最小可分辨氣體濃度表示為

(1)

式中：c(x)為儀器視線路徑上氣體濃度分布函數(shù)，單位為10-6；a和b分別為積分路徑的起始點和終止點，m；cMRGC的單位為μm. 假設(shè)氣室內(nèi)的氣體濃度均勻分布，則最小分辨氣體濃度可以直接表示為氣體濃度與氣室厚度的乘積，即cl.

基于以上定義和測試方法，在通用熱成像系統(tǒng)MRTD測試系統(tǒng)基礎(chǔ)上，研制了一套氣體泄漏紅外成像檢測系統(tǒng)的MRGC性能測試評價系統(tǒng)，如圖3，圖4所示，系統(tǒng)主要包括濃度調(diào)節(jié)氣室、銅管換熱器、恒溫水浴箱、紅外氣室、面型差分黑體輻射源、紅外準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)、熱成像系統(tǒng)、微型氣體循環(huán)泵、待測氣體濃度計、溫度計和氣壓表等部件. 系統(tǒng)以氮氣為載氣，用于沖洗氣室和氣體管路并與待測氣體進行混合，通過改變充入濃度調(diào)節(jié)氣室的氮氣和待測氣體的比例，獲得需要的待測氣體的濃度；通過調(diào)節(jié)恒溫水浴箱的水溫，控制流經(jīng)銅管換熱器的待測氣體溫度；通過微型氣體循環(huán)泵，對整個管路中的氣體進行循環(huán)制冷并使其濃度均勻. 由于現(xiàn)有條件對四桿靶標(biāo)尺寸種類的限制，實驗中沒有使用紅外準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng). 實驗中使用的熱像儀正對面型差分黑體輻射源放置，使面型差分黑體輻射源的背景黑體完全覆蓋熱像儀的視場，通過調(diào)節(jié)熱像儀和面型差分黑體輻射源之間的距離，實現(xiàn)對不同空間頻率的四桿靶標(biāo)成像，并根據(jù)成像距離、靶標(biāo)尺寸和熱成像系統(tǒng)參量，折算4條帶的頻率. 需要指出，在目前的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模式下，氣室厚度設(shè)計需適中，太短則要求待測氣體濃度過高，濃度計測量精度下降，甚至因超出其量程而無法測量；太長則可能導(dǎo)致氣室難以完全覆蓋熱像儀的視場，影響測量精度. 紅外氣室的具體設(shè)計參數(shù)見表1，紅外窗口采用鍺材料鍍制3～14 μm的寬波段增透膜，得到的窗口光譜透過率曲線如圖5所示.

表1 紅外氣室參數(shù)

2 乙烯的MRGC測量實驗及其結(jié)果分析

在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，利用上述測量系統(tǒng)(圖4)測量了美國FLIR公司非制冷長波紅外成像系統(tǒng)(型號：Tau 2，響應(yīng)波長8～12 μm，像元數(shù)320×240， 像元尺寸17 μm，物鏡焦距25 mm，F(xiàn)數(shù)為1.1，NETD小于50 mK，特征頻率f0=0.735 cyc/mrad)對乙烯氣體成像檢測的MRGC數(shù)值. 由于實際應(yīng)用中泄漏氣體溫度一般低于環(huán)境溫度，因此，實驗測量了負溫差MRGC數(shù)值. 另外，由于MRGC與MRTD在測試原理上的相似性，同時測量了熱成像檢測系統(tǒng)在相同環(huán)境條件下的負溫差MRTD值. 在MRTD測量時，系統(tǒng)同樣包含紅外氣室(用氮氣清洗)，從而消除氣室紅外窗口對輻射衰減的影響.

MRGC的測量結(jié)果見表2. 圖6給出了該非制冷長波紅外成像檢測系統(tǒng)對乙烯氣體的MRGC測量值(實線)和MRTD測量值(虛線)曲線.

可以看出：對乙烯氣體的MRGC測量值與負溫差MRTD測量值的變化趨勢具有較好的一致性；MRGC和MRTD的測量誤差的產(chǎn)生原因主要有：

① MRTD基于小溫差和MRGC基于非強吸收的假設(shè)，存在原理性誤差；

② 測量結(jié)果依賴人眼觀測和判讀，本身就存在一定的測量誤差；

③ 由于受實驗設(shè)備對氣體溫度控制能力和測量精度的限制，氣體溫度的實際數(shù)值存在±0.2 K的波動；

④ 乙烯氣體濃度計存在±3%的測量濃度誤差；

⑤ 氣體壓力的波動以及紅外成像檢測系統(tǒng)的圖像非均勻性變化等其它原因.

存在的測試誤差或抖動處于常規(guī)允許范圍之內(nèi)，測試結(jié)果表明MRGC性能評價參數(shù)和測試方法的有效性. 此外，通過對MRGC的測量和分析，還可看出：

① 氣體MRGC測量系統(tǒng)能夠全面直接地評價氣體泄漏紅外成像檢測系統(tǒng)的性能，有望發(fā)展成為類似MRTD的紅外成像氣體檢測標(biāo)準(zhǔn)測量設(shè)備；

② 與熱成像系統(tǒng)常選用MRTD(f0)作為單一性能評價指標(biāo)類似，可以選用MRGC(f，Tb-ΔT)作為氣體泄漏紅外成像檢測系統(tǒng)的單一性能評價指標(biāo)；

③ 為了盡可能地減少測量誤差，降低測量難度，應(yīng)綜合考慮設(shè)備對氣體濃度和溫度等狀態(tài)參數(shù)的控制和測量能力，合理確定四桿靶空間頻率f、待測氣體的溫度Tgas以及氣體與背景黑體的溫差ΔT等參數(shù)；

④ 由于測試系統(tǒng)中的氣體濃度計均是針對特定氣體設(shè)計，因此需要根據(jù)待測氣體選擇相應(yīng)的濃度計. 此外，由于MRGC數(shù)值是氣體濃度值c與紅外氣室厚度l的乘積，當(dāng)l一定時，氣體濃度計的量程要與待測氣體MRGC的測量區(qū)間相適應(yīng). 現(xiàn)有氣體濃度計的量程是針對其它測試項目制造的，進一步完整的測試系統(tǒng)需要定制符合相應(yīng)量程范圍的氣體濃度計；

⑤ 雖然測量表明氣體泄漏紅外成像檢測系統(tǒng)的MRGC數(shù)值比一般的單點探測器探測閾值要大很多，但是由于工作模式的不同，單點探測器是基于泄漏氣體的擴散，其檢測到氣體泄漏的響應(yīng)速度與探測器距泄漏源的距離、氣體泄漏速度和泄漏量等有較大關(guān)聯(lián)，而紅外成像檢測系統(tǒng)直接對泄漏源進行成像檢測，其檢測效率不僅不低于單點探測器，而且在檢測速度、直觀性等方面具有明顯優(yōu)勢[7].

⑥ 最小可探測溫差MDTD也是熱成像系統(tǒng)的主要性能參數(shù)，通過測試靶標(biāo)的改變，本測試系統(tǒng)也可用于對最小可探測氣體濃度MDGC參數(shù)的測試. 對于氣體泄漏云團，特別是在較小量泄漏的情況下(主要應(yīng)用情況)，由于泄漏源周圍不可避免的空氣擾動，云團極易擴散，不僅有一定的尺寸，還具有與復(fù)雜場景中一般物體所不同的不規(guī)則形狀，構(gòu)成人眼通過視頻圖像判斷泄漏氣體存在的重要依據(jù)(僅從圖像區(qū)域灰度值的高低來區(qū)分氣體目標(biāo)和一般物體是困難的)，因此，文章首先對這一參數(shù)進行了研究和測量.

3 結(jié) 論

提出了氣體泄漏紅外成像檢測系統(tǒng)的最小可分辨濃度MRGC的概念及其測量方法，可評價紅外成像檢測系統(tǒng)對不同氣體的檢測能力；基于通用熱成像系統(tǒng)的MRTD測試系統(tǒng)，研制了一套氣體泄漏紅外成像檢測的MRGC測量實驗系統(tǒng)，并針對乙烯氣體進行了MRGC測量，分析了產(chǎn)生測量誤差的主要原因，測量結(jié)果與系統(tǒng)的MRTD曲線具有較好的一致性，說明了用于氣體泄漏紅外成像檢測系統(tǒng)性能評價的MRGC評價系統(tǒng)和測量方法的有效性.

對于氣體泄漏紅外成像檢測系統(tǒng)最小可分辨濃度MRGC測量實驗系統(tǒng)，通過采用更精密的氣體濃度計量和溫度控制設(shè)備，研究MRGC自動測量方法等，可望進一步減小測量誤差，發(fā)展為評價氣體泄漏紅外成像檢測系統(tǒng)性能的MRGC專用測量儀器.

[1] Sandsten J， Weibring P， Edner H， et al. Real-time gas-correlation imaging employing thermal background radiation[J]. Opt Express， 2000(6):92-103.

[2] Cosofret B R， Marinelli W J， Ustun T E， et al. Passive infrared imaging sensor for standoff detection of methane leaks[C]∥Proceedings of Optics East， International Society for Optics and Photonics.[S.l.]: SPIE， 2004:93-99.

[3] Naranjo E， Baliga S， Bernascolle P. IR gas imaging in an industrial setting[C]∥Proceedings of SPIE Defense， Security， and Sensing， International Society for Optics and Photonics.[S.l.]: SPIE，2010:76610K-76610K-8.

[4] Hagen N， Kester R T， Morlier C G， et al. Video-rate spectral imaging of gas leaks in the longwave infrared[C]∥Proceedings of SPIE Defense， Security， and Sensing， International Society for Optics and Photonics.[S.l.]: SPIE，2013: 871005-871005-7.

[5] Benson R， Madding R， Lucier R， et al. Standoff passive optical leak detection of volatile organic compounds using a cooled InSb based infrared imager[C]∥Proceedings of AWMA 99th Annual Meeting.[S.l.]: AWMA， 2006:131.

[6] Lloyd J M. Thermal imaging system[M]. [S.l.]: Plenum Press， 1975.

[7] 譚雨婷，李家琨，金偉其，等.氣體泄漏的單點探測器與紅外成像檢測的靈敏度模擬分析[J].紅外與激光工程，2014，43(8):2489-2495.

Tan Yuting， Li Jiakun， Jin Weiqi， et al. Model analysis of the sensitivity of single-point and IRFPA detectors used in gas leakage detection[J]. Infrared and Laser Engineering， 2014，43(8):2489-2495. (in Chinese)

(責(zé)任編輯：李兵)

Research on Performance Measurement Method of Gas Leak Infrared Imaging Detection System

LI Jia-kun， JIN Wei-qi， WANG Xia， ZHANG Xu， LIU Yang， XIA Run-qiu

(Key Lab of Photoelectronic Imaging Technology and System， Ministry of Education of China， Beijing Institute of Technology， Beijing 100081， China)

As a result of its significant advantages of high efficiency and remote imaging detection， gas leak infrared imaging detection technology has become one of the most effective means to detect gas leaks. This paper focuses on the performance measurement system of gas leak infrared imaging detection system. A novel minimum resolvable gas concentration(MRGC) evaluation method was proposed that was suitable for evaluating the performance of the passive gas leak infrared imaging detection system. The MRGC measurement system was designed and built. The measurement result， using ethylene as the target gas， and the minimum resolvable temperature difference (MRTD) curve were in good agreement， which sufficiently demonstrated the effectiveness of the MRGC performance evaluation method.

gas leak detection；infrared imaging； performance evaluation； minimum resolvable gas concentration (MRGC)；measurement system

2015-01-07

北京市自然科學(xué)基金重點資助項目(4121002)

李家琨(1986—)，男，博士生，E-mail：jiakun@bit.edu.cn.

金偉其(1961—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail：jinwq@bit.edu.cn.

TN 216

A

1001-0645(2016)06-0630-05

10.15918/j.tbit1001-0645.2016.06.015