气体泄漏红外成像检测系统的性能测试方法研究

李家琨， 金伟其， 王霞， 张旭， 刘洋， 夏润秋

(北京理工大学 光电成像技术与系统教育部重点实验室，北京 100081)



气体泄漏红外成像检测系统的性能测试方法研究

李家琨， 金伟其， 王霞， 张旭， 刘洋， 夏润秋

(北京理工大学 光电成像技术与系统教育部重点实验室，北京 100081)

气体泄漏红外成像检测技术以其高效率遥测成像等显著优势成为气体泄漏检测的有效手段之一，针对此类系统探测能力的评价方法不全面的问题，通过改造MRTD测量靶标及方式，提出了适用于被动式气体红外成像检测系统性能的最小可分辨气体浓度MRGC (minimum resolvable gas concentration)评价方法，设计并搭建了MRGC性能测试系统，并以乙烯气体为检测目标进行了测试，测试结果与系统MRTD曲线的变化趋势具有较好的一致性.

气体泄漏检测；红外成像；性能评价；MRGC；测试系统

气体泄漏红外成像检测技术以其高效率遥测成像等显著优势成为气体泄漏检测的有效手段之一. 但目前对此类系统气体成像探测能力的评价方法并不全面，例如，噪声等效路径长度(noise equivalent concentration path length， NECL)[1-3]考虑了气体的红外吸收特性，但没有考虑气体云团尺寸对系统探测能力的影响；最小可探测泄漏速率(minimum detectable leak rate， MLDR)[4-5]直观地给出了对某种气体的探测极限，但方法较为粗略，且未考虑气体温度对系统探测能力的影响. 最小可分辨温差(minimum resolvable temperature difference， MRTD)作为对常规热成像系统性能评价的重要参数之一，是对系统温度分辨力和空间分辨力的综合性能评价. 由于气体泄漏红外成像检测的应用模式与常规热成像系统具有较大的相似性，通过改造热成像系统的最小可分辨温差MRTD性能测试系统，设计并搭建了适用于气体泄漏红外成像系统的最小可分辨气体浓度MRGC性能测试系统，能综合考虑气体的红外吸收特性、气体温度、浓度和云团尺寸等因素对气体泄漏红外成像检测系统探测能力的影响. 本文将主要介绍该测试系统的设计思想，并以乙烯为检测气体进行实际测试，验证系统的可行性和方法的有效性.

1 MRGC性能评价系统设计及测量方法

MRTD是目前评价热成像系统性能最常用的主要性能参数之一，不仅包含热成像系统的温度分辨力和空间分辨力，同时还包含了观察者的主观因素. 目前已经发展了国际通用的MRTD测量装置和测量方法，成为热成像系统研制中和出厂前质量检测的主要手段. 由于气体泄漏红外成像检测的应用模式与常规的热成像系统具有较大的相似性，只是检测对象为各类气体目标，与传统的黑体目标在辐射特性上有明显的区别，一方面，气体目标自身具有辐射，且其光谱发射率随波长变化很大，属于选择体；另一方面，气体目标本身会吸收背景的辐射，且吸收的选择性很强(图1给出乙烯气体红外吸收系数部分图谱)，吸收衰减与传输路径的气体浓度路径积分有很大关系. 对于具有一定空间分布的气体云团热成像检测，虽然同样以人眼观察来判断，在评价原理上类似于MRTD参数，但以黑体作为目标和背景的MRTD测量方式，缺乏对气体辐射/吸收特性以及气体浓度、温度等的考虑，因此，难以直接用于对气体成像检测能力的评价.

通过改造MRTD测量靶标和测量方式，研制了一套适用于气体泄漏红外成像检测系统的MRGC性能测试评价系统. 如图2，图3所示，MRGC的测量靶标是在普通面型差分黑体辐射源的目标黑体与背景黑体之间插入一个具有一定厚度l的红外气室，气室的前后两个端面是由镀制在工作波段尽可能平坦增透膜的红外透射材料(如ZnSe和Ge等)制成的窗口，使得原来作为目标的背景黑体镂空部分被气室目标所覆盖. 气室外框由导热性差的材料制成，从而减少外框对气室内气体温度的影响，外框上设有气体进出口、气体温度计和浓度计的安装孔等. MRGC测量靶标的目标辐射由目标黑体的辐射经过红外气室中的气体吸收之后出射的辐射和气体自身辐射构成，而背景辐射仍为背景黑体辐射.

借鉴MRTD的定义[6]，定义MRGC及其测量方法如下：

① 为了排除空气中的二氧化碳和水汽等对红外辐射有吸收作用的气体对测量的影响，实验开始前，需用没有红外吸收和发射的载气(如氮气)对红外气室及整个气体管路进行清洗；

② 调节面型差分黑体辐射源的目标黑体和背景黑体的温差，使采集到的图像均匀，完全观察不到四杆靶(扣除气室窗口的影响)，并固定此温差；

③ 对于确定温度Tgas的待测气体，逐渐增大或逐渐减小红外气室内待测气体浓度c，使观察者恰可分辨出(50%概率)具有某一空间频率f的四杆靶气体目标图案，此时待测气体浓度沿仪器视线路径(路径长度是气室厚度)的积分即为气体泄漏红外成像检测系统对应气体温度Tgas的最小可分辨浓度cMRGC(f，Tgas).

最小可分辨气体浓度表示为

(1)

式中：c(x)为仪器视线路径上气体浓度分布函数，单位为10-6；a和b分别为积分路径的起始点和终止点，m；cMRGC的单位为μm. 假设气室内的气体浓度均匀分布，则最小分辨气体浓度可以直接表示为气体浓度与气室厚度的乘积，即cl.

基于以上定义和测试方法，在通用热成像系统MRTD测试系统基础上，研制了一套气体泄漏红外成像检测系统的MRGC性能测试评价系统，如图3，图4所示，系统主要包括浓度调节气室、铜管换热器、恒温水浴箱、红外气室、面型差分黑体辐射源、红外准直光学系统、热成像系统、微型气体循环泵、待测气体浓度计、温度计和气压表等部件. 系统以氮气为载气，用于冲洗气室和气体管路并与待测气体进行混合，通过改变充入浓度调节气室的氮气和待测气体的比例，获得需要的待测气体的浓度；通过调节恒温水浴箱的水温，控制流经铜管换热器的待测气体温度；通过微型气体循环泵，对整个管路中的气体进行循环制冷并使其浓度均匀. 由于现有条件对四杆靶标尺寸种类的限制，实验中没有使用红外准直光学系统. 实验中使用的热像仪正对面型差分黑体辐射源放置，使面型差分黑体辐射源的背景黑体完全覆盖热像仪的视场，通过调节热像仪和面型差分黑体辐射源之间的距离，实现对不同空间频率的四杆靶标成像，并根据成像距离、靶标尺寸和热成像系统参量，折算4条带的频率. 需要指出，在目前的系统结构模式下，气室厚度设计需适中，太短则要求待测气体浓度过高，浓度计测量精度下降，甚至因超出其量程而无法测量；太长则可能导致气室难以完全覆盖热像仪的视场，影响测量精度. 红外气室的具体设计参数见表1，红外窗口采用锗材料镀制3～14 μm的宽波段增透膜，得到的窗口光谱透过率曲线如图5所示.

表1 红外气室参数

2 乙烯的MRGC测量实验及其结果分析

在标准大气压下，利用上述测量系统(图4)测量了美国FLIR公司非制冷长波红外成像系统(型号：Tau 2，响应波长8～12 μm，像元数320×240， 像元尺寸17 μm，物镜焦距25 mm，F数为1.1，NETD小于50 mK，特征频率f0=0.735 cyc/mrad)对乙烯气体成像检测的MRGC数值. 由于实际应用中泄漏气体温度一般低于环境温度，因此，实验测量了负温差MRGC数值. 另外，由于MRGC与MRTD在测试原理上的相似性，同时测量了热成像检测系统在相同环境条件下的负温差MRTD值. 在MRTD测量时，系统同样包含红外气室(用氮气清洗)，从而消除气室红外窗口对辐射衰减的影响.

MRGC的测量结果见表2. 图6给出了该非制冷长波红外成像检测系统对乙烯气体的MRGC测量值(实线)和MRTD测量值(虚线)曲线.

可以看出：对乙烯气体的MRGC测量值与负温差MRTD测量值的变化趋势具有较好的一致性；MRGC和MRTD的测量误差的产生原因主要有：

① MRTD基于小温差和MRGC基于非强吸收的假设，存在原理性误差；

② 测量结果依赖人眼观测和判读，本身就存在一定的测量误差；

③ 由于受实验设备对气体温度控制能力和测量精度的限制，气体温度的实际数值存在±0.2 K的波动；

④ 乙烯气体浓度计存在±3%的测量浓度误差；

⑤ 气体压力的波动以及红外成像检测系统的图像非均匀性变化等其它原因.

存在的测试误差或抖动处于常规允许范围之内，测试结果表明MRGC性能评价参数和测试方法的有效性. 此外，通过对MRGC的测量和分析，还可看出：

① 气体MRGC测量系统能够全面直接地评价气体泄漏红外成像检测系统的性能，有望发展成为类似MRTD的红外成像气体检测标准测量设备；

② 与热成像系统常选用MRTD(f0)作为单一性能评价指标类似，可以选用MRGC(f，Tb-ΔT)作为气体泄漏红外成像检测系统的单一性能评价指标；

③ 为了尽可能地减少测量误差，降低测量难度，应综合考虑设备对气体浓度和温度等状态参数的控制和测量能力，合理确定四杆靶空间频率f、待测气体的温度Tgas以及气体与背景黑体的温差ΔT等参数；

④ 由于测试系统中的气体浓度计均是针对特定气体设计，因此需要根据待测气体选择相应的浓度计. 此外，由于MRGC数值是气体浓度值c与红外气室厚度l的乘积，当l一定时，气体浓度计的量程要与待测气体MRGC的测量区间相适应. 现有气体浓度计的量程是针对其它测试项目制造的，进一步完整的测试系统需要定制符合相应量程范围的气体浓度计；

⑤ 虽然测量表明气体泄漏红外成像检测系统的MRGC数值比一般的单点探测器探测阈值要大很多，但是由于工作模式的不同，单点探测器是基于泄漏气体的扩散，其检测到气体泄漏的响应速度与探测器距泄漏源的距离、气体泄漏速度和泄漏量等有较大关联，而红外成像检测系统直接对泄漏源进行成像检测，其检测效率不仅不低于单点探测器，而且在检测速度、直观性等方面具有明显优势[7].

⑥ 最小可探测温差MDTD也是热成像系统的主要性能参数，通过测试靶标的改变，本测试系统也可用于对最小可探测气体浓度MDGC参数的测试. 对于气体泄漏云团，特别是在较小量泄漏的情况下(主要应用情况)，由于泄漏源周围不可避免的空气扰动，云团极易扩散，不仅有一定的尺寸，还具有与复杂场景中一般物体所不同的不规则形状，构成人眼通过视频图像判断泄漏气体存在的重要依据(仅从图像区域灰度值的高低来区分气体目标和一般物体是困难的)，因此，文章首先对这一参数进行了研究和测量.

3 结 论

提出了气体泄漏红外成像检测系统的最小可分辨浓度MRGC的概念及其测量方法，可评价红外成像检测系统对不同气体的检测能力；基于通用热成像系统的MRTD测试系统，研制了一套气体泄漏红外成像检测的MRGC测量实验系统，并针对乙烯气体进行了MRGC测量，分析了产生测量误差的主要原因，测量结果与系统的MRTD曲线具有较好的一致性，说明了用于气体泄漏红外成像检测系统性能评价的MRGC评价系统和测量方法的有效性.

对于气体泄漏红外成像检测系统最小可分辨浓度MRGC测量实验系统，通过采用更精密的气体浓度计量和温度控制设备，研究MRGC自动测量方法等，可望进一步减小测量误差，发展为评价气体泄漏红外成像检测系统性能的MRGC专用测量仪器.

[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.

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[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] 谭雨婷，李家琨，金伟其，等.气体泄漏的单点探测器与红外成像检测的灵敏度模拟分析[J].红外与激光工程，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)

(责任编辑：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

北京市自然科学基金重点资助项目(4121002)

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

金伟其(1961—)，男，教授，博士生导师，E-mail：jinwq@bit.edu.cn.

TN 216

A

1001-0645(2016)06-0630-05

10.15918/j.tbit1001-0645.2016.06.015