[发明专利]波长调谐单像素探测气体扩散和浓度分布的方法及装置

说明书

本发明属于单像素成像与气体浓度检测领域；在工业生产过程中，有害气体泄漏事故时有发生，气体泄漏危害生命安全和设备的运行，现有检测方法成本高检测范围小，存在巨大检测盲区，本发明提供一种波长调谐单像素探测气体扩散和浓度分布的方法及装置，将波长调谐与锁相放大用于单像素成像，利用气体对特定波长的红外光吸收的特性，实现气体扩散和浓度空间分布的差分探测成像，获得气体扩散的三维信息，提高探测成像信噪比和气体扩散浓度分布检测的精度，具有低成本、高灵敏度、无分辨率限制、大监测范围等优点，不需要为制冷，使用寿命长。

技术领域

本发明涉及单像素成像与气体泄漏检测技术，更具体的说，涉及一种波长调谐单像素探测气体扩散和浓度分布的方法及装置。

背景技术

在工业生产过程中，有害气体泄漏事故时有发生，例如地下矿井、化学工厂、煤气管道等领域，气体的泄漏会危害工人的生命安全和设备的正常运行，所以气体泄漏分布可视化检测是一个非常重要的安全课题。

现阶段检测有害气体方法有三种，一种是点式探测，其缺点是只能检测到局部一点上气体情况，不能知道气体的扩散分布情况，存在巨大检测盲区，具有较为明显的局限性；第二种是传统的红外相机直接成像检测，但是其需要配备制冷设备，制冷设备具有寿命限制，此外其主要依赖于阵列式光电元件，设备成本昂贵、复杂且笨重；第三种基于红外CCD成像在波段大于1100nm后存在价格昂贵问题，同时监测范围小，仅适用于小场景监测的缺点。

综上，在工业生产中，亟需一种操作简单、成本低、探测视野范围大的气体泄漏分布可视化检测技术。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种波长调谐单像素探测气体扩散和浓度分布的方法及装置，该发明能够实现不可见气体扩散和浓度空间分布的差分探测成像，获取气体扩散的三维信息，提高探测成像信噪比，提升气体扩散浓度分布检测精度。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种波长调谐单像素探测气体扩散和浓度分布的方法，将波长调谐与锁相放大用于单像素成像，利用气体对特定波长的红外光吸收的特性，实现气体扩散和浓度空间分布的差分探测成像，获得气体扩散的三维信息，提高探测成像信噪比和气体扩散浓度分布检测的精度，具体步骤如下：

步骤1.从结构照明基底图案中选择目标场景投影的结构照明基底图案，预期重建成像的待测气体(6)的扩散分布图像O(x，y)的图像分辨率为M×N，产生M×N个二维基底图案Φ(x，y)，其中x∈(0,1,2,…，M-1)，y∈(0,1,2,…，N-1)；

步骤2.将步骤1中获得的所有二维基底图案Φ(x，y)载入空间光调制器产生预期的照明结构光，照明结构光照射待测气体，待测气体对两种中心波长不同的照明结构光吸收不相同，调谐激光器中心波长，在照明结构光的中心波长为λ_吸收时，光电探测器获得的经过待测气体吸收的照明结构光的强度系数照明结构光的中心波长为λ_不吸收时，光电探测器获得的经过待测气体吸收的照明照明结构光的强度系数其中·^*表示两个二维矩阵对应元素乘积，T{}为正交变换，u∈(0,1,2,…，M-1)，v∈(0,1,2,…，N-1)；

步骤3.将步骤2中探测获得的I(u,v)λ_吸收和I(u,v)λ_不吸收分别输入锁相放大模块后输出ΔI(u,v)为经过锁相放大待测气体吸收与不吸收的强度系数之差，其中L为放大系数；将步骤3重复M×N次后，获得M×N变换域谱矩阵S(u,v)；

步骤4.通过正交反变换获得待测气体扩散的空间二维分布的重建的扩散分布图像O(x,y)∝T^-1{S(u,v)}，对重建二维图形的灰度信息分析提取，获得待测气体扩散的浓度分布信息。