气体泄漏被动式红外成像检测理论及方法研究

发布时间：2017-03-25 01:12

  本文关键词：气体泄漏被动式红外成像检测理论及方法研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：气体泄漏红外成像检测技术是气体泄漏检测的有效手段之一,具有遥测成像、快速定位及检测范围较大等显著优势。气体泄漏被动式红外成像检测技术具有更显著的远距离探测能力,可检测的光谱范围大,可检测的气体种类多,系统不需要反射背景和辐射照明等特点,得到国内外越来越广泛的关注。然而,现有气体泄漏红外成像检测系统产品大多是制冷型红外焦平面系统,且成像波段范围一般局限于中波或长波红外波段,单一系统对于常见的气体泄漏检测难以有效覆盖。另外,目前对于采用不同技术手段,但具有相同应用目的的气体泄漏红外成像检测系统的性能评价方法并不统一,且存在不同的缺陷,不仅无法实现对气体泄漏红外成像检测系统全面准确的性能评价,而且不同评价指标之间不具可比性,严重限制了气体泄漏红外成像检测技术及系统的发展。因此,研究具有低成本、宽波段响应和相对较高灵敏度的气体泄漏红外成像检测系统及其性能评价方法等理论和关键技术具有十分重要的理论价值和现实意义。本文在总结分析气体泄漏被动式红外成像检测技术的国内外研究发展现状的基础上,对气体泄漏被动式红外成像检测理论及方法进行了深入研究,取得了一些具有创新性的研究成果:(1)深入研究了气体泄漏被动式红外成像检测理论。研究了气体泄漏被动式红外成像的辐射传输模型,并对层辐射传输模型进行了简化;建立了气体等效黑体温差模型,仿真分析了背景温度、气体温度和气体浓度等对检测系统的影响。利用计算流体力学软件仿真分析了气体单点探测模式和红外成像探测模式的特点,验证了气体泄漏红外成像检测模式在检测速度和准确定位等方面的优势。(2)提出并研制完成了基于宽波段非制冷焦平面探测器的气体泄漏红外成像检测系统,对所涉及的关键技术进行了分析,并提出了解决方案;在宽波段非制冷焦平面探测器组件、宽波段红外光学系统、子波段滤光片转轮以及图像处理电路等的研制基础上,首次研制完成了基于宽波段非制冷焦平面探测器的气体泄漏红外成像检测实验系统,实现了宽波段红外成像以及宽波段窄光谱成像,实现了典型气体的宽波段红外成像检测。(3)研究提出基于各向异性扩散和双边滤波的气体泄漏红外图像增强方法。针对气体泄漏检测的定点监控和扫描搜索两种应用模式,分别研究提出了侧重于气体目标突出显示,提高人眼判读能力的基于各向异性扩散的气体红外图像增强算法和侧重于对气体云团微弱痕迹的细节增强显示,提高对泄漏源的定位能力的基于双边滤波的气体红外图像增强算法。两种增强算法的研究和应用,为改善人眼对气体红外图像的观察效果和等效提高气体泄漏红外成像检测系统的灵敏度提供了重要的技术手段。(4)首次研究提出了气体泄漏红外成像检测的最小可分辨气体浓度MRGC性能评价模型;研制成气体泄漏红外成像检测系统的MRGC性能测试系统,实现了气体泄漏红外成像检测系统的MRGC评价指标的测量,为气体泄漏红外成像检测系统的性能评价提供了全新的技术手段;研究提出了气体泄漏红外成像检测系统的MRGC等效测试方法,可通过常规的热成像系统MRTD测试系统和气体红外光谱数据库,完成MRGC的等效测量,简化了MRGC的测量系统和方法。本文在北京市自然科学基金重点项目和国家863计划等项目的支持下,对气体泄漏被动式红外成像检测的理论和方法进行了有效研究,在气体泄漏红外成像检测的气体等效黑体温差模型和技术优势分析、宽波段气体泄漏红外成像检测系统设计、气体红外图像增强方法以及检测系统的最小可分辨气体浓度性能评价方法等多个方面取得了一定的研究成果,极大的推动了气体泄漏红外成像检测理论、技术及系统的发展,研究课题具有重要的理论价值和现实意义。
【关键词】：红外成像 气体泄漏检测 宽波段响应 图像增强 性能评价
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN219
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第1章 绪论12-35
• 1.1 研究背景与意义12-15
• 1.2 气体泄漏被动式红外成像检测技术国内外研究发展现状15-31
• 1.2.1 气体泄漏被动式红外成像检测技术简介15-17
• 1.2.2 国外研究发展现状17-29
• 1.2.3 国内研究发展现状29-31
• 1.3 气体泄漏被动式红外成像检测技术研究状态分析31-33
• 1.4 论文主要内容及章节安排33-35
• 第2章 气体泄漏被动式红外成像检测理论研究35-56
• 2.1 引言35
• 2.2 气体泄漏红外成像的辐射传输模型35-39
• 2.2.1 气体分子的振动与红外吸收35-36
• 2.2.2 气体泄漏被动式红外成像的层辐射传输模型36-37
• 2.2.3 层辐射传输模型的简化37-39
• 2.3 气体等效黑体温差模型39-46
• 2.3.1 红外焦平面探测器响应模型39-41
• 2.3.2 气体等效黑体温差GEBTD模型建立41-42
• 2.3.3 GEBTD模型仿真分析42-46
• 2.4 气体泄漏被动式红外成像检测的模拟分析46-54
• 2.4.1 气体扩散模拟的数学模型及其模拟工具46-48
• 2.4.2 典型模拟分析场景的设计48-49
• 2.4.3 单点探测器探测模式的模拟49-51
• 2.4.4 气体泄漏被动式红外成像探测模式的模拟51-53
• 2.4.5 两种探测模式的对比分析与讨论53-54
• 2.5 本章小结54-56
• 第3章 宽波段气体泄漏红外成像检测系统的设计56-72
• 3.1 引言56-57
• 3.2 总体设计方案57-58
• 3.3 关键技术分析与实现58-69
• 3.3.1 宽波段非制冷焦平面探测器组件58-60
• 3.3.2 宽波段红外光学系统60-63
• 3.3.3 子波段滤光片及其切换装置63-66
• 3.3.4 视频处理及系统控制电路66-69
• 3.4 宽波段气体泄漏红外成像检测实验系统69-70
• 3.5 本章小结70-72
• 第4章 基于各向异性扩散和双边滤波的气体泄漏红外图像增强算法72-89
• 4.1 引言72-73
• 4.2 基于各向异性扩散的气体泄漏红外图像增强算法73-81
• 4.2.1 P-M方程和FAB方程73-74
• 4.2.2 各向异性扩散方程的求解74-76
• 4.2.3 各向异性扩散特性分析76-77
• 4.2.4 图像帧间差分及积分的应用77
• 4.2.5 K均值聚类分析77-78
• 4.2.6 算法结构与处理流程78-79
• 4.2.7 算法处理结果79-81
• 4.3 基于双边滤波的气体泄漏红外图像增强算法81-88
• 4.3.1 双边滤波算法82-83
• 4.3.2 BF&GLCE方法83-84
• 4.3.3 BF&GLCE方法的特点84-87
• 4.3.4 BF&GLCE方法的增强结果87-88
• 4.4 本章小结88-89
• 第5章 气体泄漏红外成像检测系统的MRGC性能评价方法89-103
• 5.1 引言89
• 5.2 MRGC性能评价方法89-96
• 5.2.1 MRGC的定义及测量方法90-92
• 5.2.2 MRGC测量系统设计92-93
• 5.2.3 乙烯MRGC的测量及结果分析93-96
• 5.3 MRGC等效测试评价方法96-101
• 5.3.1 MRTD模型分析96-97
• 5.3.2 MRGC模型建立97-98
• 5.3.3 MRGC等效测试评价方法的定义98-99
• 5.3.4 MRGC等效测试评价的模拟分析99-100
• 5.3.5 MRGC等效测试评价结果与实测结果比较100-101
• 5.4 本章小结101-103
• 结论与展望103-108
• 主要研究工作总结103-105
• 论文创新性成果105
• 进一步研究工作展望105-108
• 参考文献108-118
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单118-120
• 致谢120-122
• 作者简介122

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