1 南京城市职业学院智能工程学院，江苏南京 211200
2 南京信息工程大学 江苏省气象探测与信息处理重点实验室
3 南京信息工程大学 江苏省气象传感网技术工程中心，江苏南京 210044
针对气体泄漏声波信号降噪的问题，提出一种集合小波包分析(WPA)与变分模态分解(VMD)相结合的降噪方法。通过小波包变换对信号的噪声进行预处理；利用 VMD对去除噪声的信号进行分解，得到所有的本征模函数(IMF)分量，并根据相关系数准则判断有效 IMF；最后提取有效成分并进行信号重构。对本文方法进行验证，结果表明，本文方法能够有效剔除气体泄漏信号中包含的各种噪声，降噪后信噪比为 15.485 1，均方根误差为 0.028，为后续信号分析减少了干扰，也为气体泄漏声波信号的特征提取与分析提供了新的思路。
降噪 气体泄漏 小波包分析 变分模态分解 预处理 noise reduction gas leakage wavelet packet analysis Variational Mode Decomposition pretreatment 太赫兹科学与电子信息学报
2023, 21(8): 1031
1 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
2 中国石油集团安全环保技术研究院有限公司，北京 102206
3 西安应用光学研究所，陕西 西安 710065
以石油天然气为代表的工业气体已深入到人们生活和生产过程中，工业气体泄漏成为当前工业生产、交通运输等领域发生重大灾害的现象之一，同时甲烷排放也成为我国“碳排放”达标战略目标的主要指标，快速有效的气体泄漏检测技术和仪器成为当今国内外研究的重点。随着近年来非制冷红外焦平面探测器性能的提高，其低成本、长寿命和高可靠性能满足工业气体泄漏红外成像检测昼夜连续工作的应用需要，并发展出多种气体泄漏红外成像检测模式。在分析不同工业气体泄漏红外成像检测模式的基础上，设计并研制了基于差分光谱滤波的工业气体泄漏红外成像检测实验系统，分析提出了五个需要重点研究的视频图像处理方法，给出了相关的处理模型或典型处理示例。试验结果表明该成像检测模式具有较高的灵敏度，是一种有效的气体泄漏红外成像检测技术。
工业气体泄漏 红外光谱成像 非制冷IRFPA 差分光谱滤波 图像处理 industrial gas leakage infrared spectral imaging uncooled IRFPA differential spectral filtering image processing 红外与激光工程
2022, 51(8): 20210714
中国科学院合肥物质科学研究院, 安徽光学精密机械研究所, 环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
被动傅里叶变换红外(FTIR)扫描遥测成像系统采集的红外高光谱图像具有空间、 光谱等维度信息, 可被用于大气环境中有毒有害气体的识别、 定量及可视化。 该系统具有光谱分辨率高、 非接触式及远距离探测等优点, 然而其单帧图像的像元数量少且部分存在气体吸收或发射特征, 无法直接用于红外高光谱图像的目标检测。 提出了基于多帧背景的泄漏气体自适应匹配滤波(AMF)检测方法, 以短时间内、 同一区域的多帧红外高光谱图像为基础, 筛选出无目标气体特征的背景光谱并计算探测区域的背景最大似然估计, 应用于后续帧的目标气体泄漏检测。 红外高光谱图像来自于SF6气体的遥测实验, 共扫描四帧(120像元/帧), 去除前三帧内含有目标气体特征的像元光谱, 剩余背景光谱被用于计算背景的最大似然估计, 第四帧红外高光谱图像逐像元对SF6气体进行的AMF检测, 并与非线性最小二乘法反演的SF6柱浓度图像比对, 结果表明AMF检测高值与柱浓度高值有较强的相关性。 为验证多帧背景在不同空间检测方法下的性能, 分别对该帧数据进行了基于正交子空间的自适应子空间检测(ASD)、 基于混合空间的自适应余弦检测(ACE)及基于斜子空间的最大似然比检测(OGLRT), 并分别与SF6柱浓度图像比对, 结果表明多帧背景适用于不同空间的检测方法。 此外, 为验证存在目标气体吸收特征的非背景光谱对背景空间的影响, 向背景空间中加入多条含有SF6气体吸收特征的光谱, 通过ROC曲线检验, 结果表明背景空间中混入目标气体特征会降低AMF方法的检测性能。 AMF检测值的假彩色图像也能应用于被动FTIR扫描遥测成像系统, 相较于柱浓度假彩色图像, 泄漏源及扩散趋势更为明显。 基于红外高光谱图像的检测方法依赖于整体背景的统计特性, 相较于单像元光谱波段的反演算法, 极大地降低了背景的依赖性。 多帧背景下的AMF泄漏气体检测方法能很好地应用于被动FTIR扫描遥测成像系统上并满足在线监测要求。
傅里叶变换红外光谱技术 扫描遥测 气体泄漏 自适应检测 FTIR Scanning remote sensing Gas leakage Adaptive detection 光谱学与光谱分析
2022, 42(10): 3307
1 吉林大学集成光电子学国家重点联合实验室, 电子科学与工程学院, 吉林 长春 130012
2 吉林省红外气体传感技术工程研究中心, 吉林 长春 130012
为了实现大气甲烷(CH4)浓度的高灵敏、实时检测,研制了一种基于开放光路的高稳定性笼式结构光学谐振腔,并结合离轴积分腔输出光谱技术研制了一种大气CH4浓度传感系统。采用中心波长为1653 nm的可调谐半导体激光器作为光源,将反射率为99.92%的高反射镜置于距离光源35 cm处构建光学谐振腔。实验测得高反射镜的实际反射率为99.93%,谐振腔的有效光程可达516 m。Allan方差结果表明,当积分时间为4 s时,基于离轴积分腔的CH4检测系统的最低检测下限为8×10 -9。利用开放光路的优势,开展了CH4泄漏模拟实验,实验证明该系统具有快速检测CH4泄漏的能力,为进一步研制应用于现场、且能快速响应的甲烷泄漏检测仪提供了依据。
传感器 离轴积分腔输出光谱 开放光路 天然气泄漏检测 中国激光
2021, 48(16): 1610002
1 北京理工大学 光电学院 “光电成像技术与系统”教育部重点实验室, 北京市混合现实与新型显示工程技术研究中心, 北京 100081
2 河南汉威电子股份有限公司, 河南 郑州 450001
建立了能够定量预测热像仪探测泄漏气体能力的信噪比(SNR)与气体浓度(C)模型SNR-C, 利用该模型对制冷热像仪GasFindIRTM在SNR=1时对应的甲烷气体浓度进行预测, 预测数据与实际测试数据吻合。搭建了SNR-C室内测试装置, 测试了非制冷热像仪Photon320在以298、303、308、313和318 K面源黑体为背景时探测乙烯气体的SNR-C曲线。数据分析发现, Photon 320在SNR≈5时, 实测与预测乙烯浓度在各黑体背景温度下均比较接近。在SNR=5时, 模型预测的乙烯气体浓度分别为3146、987、570、394和298 ppm, 该变化规律与实际测量结果一致。建立的SNR-C模型能预测热像仪探测气体的能力, 而搭建的测试装置能定量测量热像仪探测泄漏气体时信噪比与气体浓度之间的变化关系, 可用于热像仪探测泄漏气体的室内性能测试。
泄漏气体红外成像 热像仪 气体探测 信噪比 gas leakage infrared imaging thermal imager gas detection SNR 红外与激光工程
2016, 45(12): 1204003
1 中北大学计算机与控制工程学院, 山西 太原030051
2 中北大学信息与通信工程学院, 山西 太原030051
3 山西省财政税务专科学校, 山西 太原030051
为快速地、 大范围地对天然气管道进行泄漏监测, 设计了基于静态傅里叶变换干涉系统的甲烷气体浓度遥测系统。 采用对准甲烷分子吸收峰的红外光源照射被测区域, 再由聚光准直系统和干涉模块完成干涉条纹的获取。 最后, 通过多特征波长光谱分析算法计算被测区域的浓度程长积, 进而反演相应的甲烷浓度。 通过HITRAN光谱数据库选择了1.65 μm的主特征吸收峰, 从而光源使用1.65 μm的DFB激光器。 为了在不增加系统硬件结构的基础上提高检测精度及稳定性, 引入辅助波长求解吸光度比值, 进而通过多特征波长比例运算的方法获得被测气体的浓度程长积。 实验针对泄漏速度恒定的标准甲烷液化气罐检测, 采用PN1000型便携式甲烷检测仪的检测数据作为标准数据与本系统的测试数据进行对比, 测试距离分别为100, 200和500 m。 实验结果显示, 甲烷浓度检测值在泄漏一段时间稳定后, 系统检测值也基本保持稳定。 对100 m的检测距离而言, 浓度程长积的检测误差小于1.0%。 随着测试距离的增大, 检测误差也相应的增大, 距离500 m的检测误差小于4.5%。 总之, 在气体泄露稳定后系统检测误差均小于5.0%, 满足野外天然气泄漏遥测要求, 该方法采用差分思想, 在求解吸光度比率的过程中将误差消除, 降低了外界干扰造成的误差, 从而提高系统的检测精度及稳定性。
遥测 天然气泄漏 静态傅里叶变换干涉系统 浓度程长积 Remote detection Gas leakage Static Fourier transform interferometer system Concentration-path-length product 光谱学与光谱分析
2014, 34(5): 1249
