一种典型毒害气体红外多通道探测预警系统及预警方法技术方案

本发明专利技术公开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，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。其预警方法包括：分别建立粉尘粒子和典型气体基础光学特性数据库，编写调试形成红外信号反演处理模块，最后集成模块到红外光学探测系统装置中并进行含尘大气环境毒害气体的识别探测，根据探测结果启动相应的预警机制。本发明专利技术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。

An Infrared Multi-Channel Detection and Early Warning System and Method for Typical Toxic Gases

【技术实现步骤摘要】
一种典型毒害气体红外多通道探测预警系统及预警方法
本专利技术涉及煤化工区含尘大气环境中典型毒害气体的测定
，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。
技术介绍
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。专利
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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，本专利技术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，本专利技术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专利技术做进一步说明：图1为本专利技术探测预警系统整体架构图；图2为本专利技术预警系统结构布局图；图3为本专利技术红外信号反演处理程序模块实施流程图；图4为本专利技术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。具体实施方式本专利技术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，为了使本专利技术的优点、技术方案更加清楚、明确，下面结合具体实施例对本专利技术做详细说明。本专利技术如图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本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一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，其特征在于：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。

【技术特征摘要】
1.一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，其特征在于：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。2.根据权利要求1所述的一种典型毒害气体红外多通道探测预警系统，其特征在于：所述目标函数如式(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。3.根据权利要求1所述的一种典型毒害气体红外多通道探测预警系统，其特征在于：所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。4.一种典型毒害气体红外多通道探测预警方法，其特征在于，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：王廷春，王文正，吴德松，李千登，张国之，
申请(专利权)人：中国石油化工股份有限公司，中国石油化工股份有限公司青岛安全工程研究院，
类型：发明
国别省市：山东,37