技术领域
[0001] 本
发明涉及一种气体泄漏红外成像探测极限的计算方法，属于气体泄漏探测领域。
背景技术
[0002] 根据我国罐箱/槽
罐车运输行业的统计，到目前为止，我国已运输过的危险化学品有130余种，其中有毒有害、易燃易爆气体的运输是重中之重。例如，除
液化石油气外，仅氯气我国的年产量已经超过600万吨，当每立方米空气中0.1毫克的氯气就足以对环境和人员造成伤害。按照国家《氯气安全规程GB 11984-89》规定，生产、使用氯气的车间(作业3
场所)，空气中氯气含量最高允许浓度1mg/m。在危险化学品的运输过程中，有毒有害、易燃易爆气体一旦发生泄漏会对道路沿线周围的居民、生态环境造成极大危害。在泄漏事故发生后，某些气体无色无味，不容易被发现，而且气体在空气中极容易迅速扩散，及时确定气体泄漏源、气体空间分布对采取有效事故处理措施显得尤为重要。
[0003] 传统的气体检测方法是将气体
传感器放在容易发生泄漏的罐体
阀门处，通过浓度的测量，进行气体泄漏检测与报警，检测耗时费
力。而被动式气体泄漏红外成像技术是使用中波或长波热像仪
可视化气体分子对3～14μm波段的红外
辐射吸收，使肉眼不能观察到的泄漏气体在红外视频上清晰可见，通过可视化的图像为检测人员提供一种快速识别泄漏源及气体空间分布的技术，同时采用
图像处理技术改善图像
质量，便于人眼观察和判断。该技术在许多领域有很好的应用前景，比如化学、电力、工业领域气体泄漏的检测，军事和公共安全领域生化毒剂气体的探测等。与其它的气体探测技术相比，气体泄漏红外成像技术具有便携、快速、大范围遥测等诸多优点。
[0004] 被动式气体泄漏红外成像技术以比尔-朗伯特吸收定律(Beer-LaEbert Absorption Law)为基本原理：I1＝I0exp[-τ(λ，c，L)]，式中I0表示进入气体
云团前的背景辐射，I1表示穿过气体云团后剩余的辐射，τ(λ，c，L)表示气体的透过率，λ是
波长，c是气体的浓度，L是光学路径。I0和I1之差反映了气体所吸收的红外辐射的多少，同时也是在热像仪上形成气体图像的关键，I0和I1差异越大，气体与背景之间的图像
对比度越高，越容易被人眼观察到。根据以上公式看出有四个因素影响气体成像：气体浓度、背景辐射的大小、光学路径、气体透过率。另外，用来接收红外辐射的光学系统和红外探测器的性能也会影响最终的成像效果。
[0005] 虽然气体泄漏红外成像技术具有便携、快速、大范围遥测等诸多优点，但是目前的被动 式气体泄漏红外成像技术属于一种快速的人眼观察为主的定性探测技术，无法实现定量的微量气体浓度检测。当气体泄漏流量很小时，造成气体云团浓度很低，从而I0和I1差异很小，气体云团就不能成像，由于被动式气体泄漏红外成像技术无法实现气体浓度定量检测，进而对气体成像系统设计及系统的性能评估带来不便。
发明内容
[0006] 针对被动式气体泄漏红外成像技术的应用需要，根据红外成像系统性能参数NETD的定义和红外成像系统探测所需条件，本发明提供了一种气体泄漏成像探测极限的计算方法，能够在一定背景环境条件下，使用一定性能的红外探测器阵列所能成像探测的泄漏气体的最小流量。
[0007] 本发明通过如下技术方案实现：
[0008] 一种气体泄漏红外成像探测极限的计算方法，具体包括如下步骤： [0009] 第一步：计算无气体泄漏时的背景辐射出射度，并将之作为成像探测背景辐射出射度Eb；
[0010] 第二步：由成像探测背景辐射出射度Eb计算成像探测背景等效
黑体温度Tbb； [0011] 第三步：气体泄漏时，根据成像探测背景辐射出射度中的气体参数计算背景辐射经气体吸收后的辐射出射度，即为成像探测目标辐射出射度Ep；
[0012] 第四步：由成像探测目标辐射出射度Ep计算成像探测目标等效黑体温度Tt； [0013] 第五步：将第二步和第四步计算出的成像探测背景与目标等效黑体温度之差的绝对值定义为气体等效黑体温差GEBTD；
[0014] 第六步：比较气体等效黑体温差GEBTD与红外探测器和光学系统的综合性能参数-
噪声等效温差NETD，确定气体泄漏探测极限值，即泄漏气体的最小流量。 [0015] 上述第一步所述的的背景辐射出射度通过将背景参数代入普朗克公式计算得出；背景参数为背景发射率和背景表面温度；背景发射率根据背景材料决定；背景表面温度通过测量得到。
[0016] 上述第二步所述的成像探测背景的等效黑体温度Tbb采用以下方法计算：根据普朗克定律，背景的辐射量Eb用等效黑体温度Tbb表示，将第一步中的背景辐射出射度Eb带入普朗克定律公式，得到背景的等效黑体温度Tbb。
[0017] 上述第三步所述的成像探测目标辐射出射度Ep采用以下方法计算：将第一步中的背景辐射出射度Eb及泄漏气体云团参数代入比尔朗伯特定律公式，计算出背景辐射经气体吸收后剩余的辐射出射度，即目标辐射出射度Ep；其中气体云团参数包括：气体浓度、气体温度、气体吸收路径、气体红外吸收系数，气体红外吸收系数从红外吸收
光谱库里获取；气体温度根据测量得出；将气体流量设定为某初始值，气体浓度和吸收路径根据估计模型计算得出：设 定气体泄漏的流量为某初始值，将泄漏出来的气体的空间分布近似为一个底面半径为0.1m，高为0.3m的圆锥体，则气体吸收路径近似为圆锥体的底面半径；气体浓度为泄漏流量乘以红外成像系统曝光时间再除以圆锥体体积。
[0018] 上述第四步的成像探测目标等效黑体温度Tt采用以下方法计算：根据普朗克定律，目标的辐射出射度Mt用等效黑体温度Tt表示，将第三步中的成像探测目标的辐射量Ep带入普朗克定律公式，得到目标的等效黑体温度Tt。
[0019] 上述第六步中确定气体泄漏探测极限值采用以下方法：比较GEBTD与NETD，如果二者相等或者近似相等，那么此时的气体流量值即为气体泄漏探测极限值；如果GEBTD小于NETD，表明红外探测器无法成像探测此时的气体流量，则提高气体流量重新计算第三步至第五步，如果GEBTD大于NETD，表明红外探测器可成像探测更小的气体泄漏量，减小气体流量，重新计算第三步至第五步。
[0020] 本发明的工作原理：首先使用中波或长波红外成像探测器和光学系统在一定视场内观察待检测部位，将无气体泄漏时视场内的场景内容称为背景；当气体泄漏发生时，气体浓度因扩散变得非常稀薄以至无法成像的区域以及气体扩散不到但仍在视场内的区域称为无气体区域；因辐射量相同，因此将无气体泄漏时的背景与气体泄漏时的无气体区域统称为成像探测的背景；将气体泄漏时扩散的有限空间范围称为气体泄漏区，并视之为成像探测的目标。根据背景、气体参数计算出成像探测的目标和背景的辐射出射度，然后，由普朗克定律，得到成像探测的目标和背景的等效黑体温度，进一步得到气体等效黑体温差GEBTD，最后，将GEBTD与红外成像系统的NETD值进行比较，当GEBTD等于红外探测器和光学系统的综合性能参数-噪声等效温差NETD时，所对应的气体流量即为一定背景和环境条件下的气体泄漏成像探测极限。
[0021] 本发明产生的有益效果是：
[0022] 1.一种气体泄漏红外成像探测极限的计算方法可以确定气体云团成像所需的泄漏气体的最小流量，得到被动式气体泄漏红外成像系统在实际应用中的一个重要性能指标，可方便气体成像系统设计及系统的性能评估。在实际应用中，当气体泄漏的流量大于气体泄漏红外成像探测极限时，气体能够成像，反之，则不能。
[0023] 2.本发明得到被动式气体泄漏红外成像的影响因素，包括背景参数和气体参数，背景参数主要指背景发射率、背景表面温度；气体参数主要指气体温度、气体浓度、气体吸收路径、气体红外吸收系数。在气体泄漏红外成像的实验过程中具有较好的指导作用。 [0024] 3.本发明直接应用被动式气体泄漏红外成像系统的性能参数噪声等效温差NETD，使得计算过程简单、方便、直观。
附图说明
[0025] 图1为气体泄漏成像探测极限的计算方法的步骤
流程图。
具体实施方式
[0026] 下面结合附图对本发明做一详细描述。
[0027] 本
实施例中的具体实现过程包括如图1所示的六个步骤：
[0028] 步骤a.计算出成像探测背景辐射出射度Eb。
[0029] 当气体泄漏发生时，气体浓度因扩散变得非常稀薄以至无法成像的区域以及气体扩散不到但仍在视场内的区域称为无气体区域，且称为成像探测的背景。则成像探测背景辐射出射度Eb等于无气体泄漏时视场内的背景的辐射出射度，经过大气衰减后背景辐射出射度表示为
[0030]
[0031] 其中，λ为波长，R为探测距离，Tb为背景表面真实温度，Ta为环境中大气温度，τa(λ，R)是大气的光谱透过率，εb(λ)是背景表面的发射率，βb(λ)是背景表面的反射率，M(λ，Tb)表示温度为Tb的黑体的辐射出射度。
[0032] 由于探测距离小于20米，忽略大气的衰减效应；假定背景为灰体，背景反射率较小，忽略背景的反射量。则公式(1)简化为
[0033]
[0034] 将实际测量所得的背景表面温度和查找资料所得的背景表面发射率代入公式(2)中，进而得到背景的辐射出射度Eb。
[0035] 步骤b.计算背景的等效黑体温度Tbb；
[0036] 由普朗克定律，Eb可以直接表示为
[0037]
[0038] 其中Tbb为背景的等效黑体温度。
[0039] 联立公式(2)(3)，可以计算出背景的等效黑体温度Tbb。
[0040] 步骤c.计算成像探测目标的辐射出射度Ep；
[0041] 气体泄漏时强烈吸收背景辐射，吸收过程遵循比尔朗伯特定律，成像探测目标经过气体云团对红外辐射度吸收和大气衰减后的辐射出射度表示为
[0042]
[0043] Tp为待测气体的温度，τg(λ)是待测气体的光谱透过率，其余各个参数代表的物理意义 与步骤a中的参数相同。同样由于探测距离很近，忽略大气的衰减效应；背景反射率较小，忽略背景的反射量。则公式(4)简化为
[0044]
[0045] 其中， τg(λ)＝exp[-αg(λ)lc]，αg(λ)为气体的光谱吸收系数，c为气体浓度，l为气体吸收路径。
[0046] 将背景表面的温度和发射率，气体的光谱吸收系数、气体浓度及气体吸收路径代入公式(5)中，就可以得到成像探测目标的辐射出射度Ep。在实际应用中，背景发射率可以根据不同的背景查表得出；背景表面温度可以测量得出；气体参数中的气体红外吸收系数可从红外吸收光谱库里获取；气体温度可测量得出；气体浓度和吸收路径根据某一估计模型计算得出。将泄漏出来的气体的空间分布近似为一个底面半径为r＝0.1m，高为h＝0.3m的圆锥体，则气体吸收路径l近似为圆锥体的底面半径；气体浓度为泄漏流量乘以红外成像系统曝光时间再除以圆锥体体积，计算公式为：
[0047]
[0048] 其中R表示气体泄漏速率；t表示红外系统的曝光时间，V表示圆锥体的体积。步骤d.计算成像探测目标的等效黑体温度Tt；
[0049] 由普朗克定律，目标的辐射出射度Ep可以直接表示为
[0050]
[0051] 其中Tt为目标的等效黑体温度。
[0052] 联立公式(5)(6)，可以计算出一定气体泄漏流量下，目标的等效黑体温度Tt。 [0053] 步骤e.计算成像探测目标与背景的等效黑体温差GEBTD；
[0054] 成像探测目标与背景等效黑体温度之差的绝对值即为气体等效黑体温差GEBTD。GEBTD表示为：
[0055] GEBTD＝|Tt-Tbb| (7)
[0056] 步骤f.确定气体云团成像的最小可探测浓度；
[0057] 噪声等效温差NETD是指系统
输出电压与噪声电压之比为1(即系统
信噪比为1)时，黑体目标与背景的温差。所以红外成像系统探测所需条件为当黑体目标与背景的温差大于NETD时，可以对气体云团成像。目前，绝大多数红外成像系统的性能指标中都给出了NETD的数值，所以用步骤e中所得的GEBTD值与红外成像系统的NETD值进 行比较，当GEBTD等于NETD时，得到气体的最小可探测浓度；当GEBTD小于NETD，表明红外探测器无法成像探测此时的气体流量，需要提高气体流量重新计算步骤c至e，直到GEBTD近似等于NETD；如果GEBTD大于NETD，表明红外探测器可成像探测更小的气体泄漏量，减小气体流量，重新计算步骤c至e，直到GEBTD近似等于NETD。
[0058] 以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何
修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
