基于傅里叶红外技术的有毒有害气体应急遥测系统技术方案

本发明专利技术涉及气体动态监测，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，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；本发明专利技术提供的技术方案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。准确监测的缺陷。准确监测的缺陷。

【技术实现步骤摘要】
基于傅里叶红外技术的有毒有害气体应急遥测系统


[0001]本专利技术涉及气体动态监测，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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。
[0006]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。
[0007]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。

技术实现思路

[0008](一)解决的技术问题
[0009]针对现有技术所存在的上述缺点，本专利技术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。
[0010](二)技术方案
[0011]为实现以上目的，本专利技术通过以下技术方案予以实现：
[0012]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；
[0013]接收望远镜，用于确定系统凝视视场；
[0014]可见光相机，获取扫描区域的视频图像；
[0015]夜视相机，在微光环境下获取扫描区域的视频图像；
[0016]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；
[0017]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；
[0018]扫描云台，用于带动系统对待测区域进行广角扫描；
[0019]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。
[0020]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：
[0021]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，本专利技术所提供的基于傅里叶红外技术本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于傅里叶红外技术的有毒有害气体应急遥测系统，其特征在于：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；接收望远镜，用于确定系统凝视视场；可见光相机，获取扫描区域的视频图像；夜视相机，在微光环境下获取扫描区域的视频图像；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；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；扫描云台，用于带动系统对待测区域进行广角扫描；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。2.根据权利要求1所述的基于傅里叶红外技术的有毒有害气体应急遥测系统，其特征在于：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：采用下式计算第二层污染大气辐射的光谱辐射亮度：同理，第一层大气辐射的光谱辐射亮度可表示为：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；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：进而推导出待测气体透过率的表达式为：3.根据权利要求2所述的基于傅里叶红外技术的有毒有害气体应急遥测系统，其特征在于：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。4.根据权利要求2所述的基于傅里叶红外技术的有毒有害气体应急遥测系统，其特征在于：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：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...

【专利技术属性】
技术研发人员：王若愚，李永，
申请(专利权)人：安徽境绿环境检测有限公司，
类型：发明
国别省市：