气体多光谱成像探测系统的设计及方法研究

摘要

化工园区危险气体的泄漏直接威胁人类健康安全，近年来危险气体泄漏事件层出不穷，造成严重的人员伤亡和经济损失，因此对化工园区的泄漏危险气体进行实时探测势在必行。基于目标气体的红外成像探测方法具有探测距离远、动态直观的优点，在近年来得到广泛应用和发展，其中气体多光谱成像设备基于被动式红外成像机理，可同时实现对多种泄漏危险气体的成像探测。然而该设备的灵敏度还有待提高，一方面是设备关键组件的选用比较局限;另一方面是设备图像处理方法的实时性和有效性不够好。
　　结合以上气体多光谱成像探测中存在的不足，并依托于国家重点研发计划课题“化工园区综合监测预警技术及装备研发”（课题编号:2016YFC080150），本文的研究内容是设计一种基于多光谱效应的泄漏气体探测系统，相比于当前同种类型的探测系统，它的创新之处在于采用非制冷型红外热成像机芯，以多个长波通型滤光片作为光信号通道开发探测设备，进行多光谱信号快速叠加，提取目标气体云团，将设备搭载于无人机，实现对化工园区泄漏危险气体的近空远距离成像探测。
　　本文首先研究气体红外成像的机理，阐述了被动式红外成像的条件、气体分子光谱吸收特性，分析大气对红外波传输的影响及大气窗口的优越性。建立含目标气体的辐射传输模型，从微观上分析目标气体成像的影响因子，并以化工园区危险气体的泄漏为背景，论证了多光谱成像探测的可行性，为探测系统的设计奠定基础。
　　随后研究气体红外图像处理方法，在此基础上设计探测系统的图像处理方法流程。其中，分析了双边滤波在对随机噪声滤除中存在的不足，采用一种基于小波分解与双边滤波的方法，用于图像去噪;采用一种基于灰度级的改进FCM（模糊C均值聚类）图像分割方法来提取目标气体云团，以此提高探测系统的成像效果和实时性。
　　最后，依据气体红外成像机理，设计探测系统多光谱成像模块、无人机通信模块的关键组件，包括对光学组件、热成像机芯、系统控制平台和无线图像传输系统进行研究设计，并将图像处理算法写入系统控制平台。经过对系统性能测试，验证了本文设计的气体多光谱成像探测系统可对低浓度泄漏氨气快速成像，并且有较高的灵敏度，对化工园区的综合监测预警具有重要意义。

目录

声明

致谢

摘要

1．1 研究背景与意义

1．2 气体被动式红外成像探测技术在国内外研究发展现状

1．2．1 国外研究发展现状

1．2．2 国内研究发展现状

1．2．3 气体多光谱成像探测研究存在的问题

1．3 论文结构与安排

2气体红外成像机理的研究

2．1 热红外辐射的产生

2．1．1 热红外辐射与温度的关系

2．1．2 气体被动式红外成像的温差要求

2．2 红外波在大气中的传输

2．2．1 气体分子的光谱吸收特性

2．2．2 大气对红外波传输的影响

2．2．3 大气窗口

2．2．4 含目标气体的辐射传输模型

2．3 气体多光谱成像探测的可行性分析

2．3．1 化工园区泄漏气体红外成像的可行性

2．3．2 危险气体的光谱吸收特性曲线

2．3．3 系统成像效果的影响因素

2．4 本章小结

3 气体红外图像处理方法的研究与设计

3．1 基于小波分解与双边滤波的图像去噪

3．1．1 双边滤波

3．1．2 小波分解

3．1．3 基于小波分解与双边滤波的图像去噪

3．2 基于灰度级的改进FCM图像分割方法

3．2．1 FCM图像分割方法

3．2．2 基于灰度级的改进FCM图像分割方法

3．3 系统图像处理方法流程的设计

3．3．1 系统图像处理方法流程

3．3．2 测试结果

3．4 本章小结

4气体多光谱成像探测系统的设计

4．1 系统总体架构设计

4．2 光学组件的设计

4．2．1 前置光学镜头

4．2．2 子波滤光片

4．2．3 可见光相机

4．3 红外热成像机芯

4．3．1 红外热成像机芯的选用

4．3．2 探测器非均匀性的校正

4．4 FPGA系统控制平台的设计

4．4．1 系统控制平台的需求分析

4．4．2 FPGA系统控制平台的结构与功能

4．4．3 “树莓派”图像处理平台

4．5 无人机通信模块

4．6 系统性能测试

4．7 本章小结

5．1 论文总结

5．2 研究展望

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

学位论文数据集