[发明专利]一种超光谱红外成像气体监测装置及其监测方法

摘要

本发明公开了一种超光谱红外成像气体监测装置，包括红外成像光谱仪、红外热像仪、可见光成像系统、图像处理系统以及综合显示控制系统，所述的红外成像光谱仪、红外热像仪以及可见光成像系统分别和图像处理系统连接，所述的综合显示控制系统分别和红外成像光谱仪、红外热像仪、可见光成像系统以及图像处理系统相连，所述的综合显示控制系统显示系统的输出图像数据以及气体识别结果；还公开了其监测方法，将可见光图像和红外图像进行融合实现气体分布区域的初步探测，采用红外成像光谱仪采集目标区域的超光谱红外数据，将可见光图像、红外图像以及超光谱红外数据输入到图像处理系统进行处理，同时结合可见光图像和红外图像数据估测气体的浓度。

主权项

一种超光谱红外成像气体监测方法，其特征在于，基于超光谱红外成像气体监测装置，所述的装置包括用于采集场景中的红外辐射超光谱数据的红外成像光谱仪（1）、用于采集场景中的红外辐射信号的红外热像仪（2）、用于采集场景中的可见光图像的可见光成像系统（3）、用于对红外成像光谱仪（1）采集的数据进行处理的图像处理系统（4）以及对最终的光谱识别结果和可见光图像融合后显示的综合显示控制系统（5），所述的红外成像光谱仪（1）、红外热像仪（2）以及可见光成像系统（3）分别和图像处理系统（4）连接，所述的综合显示控制系统（5）分别和红外成像光谱仪（1）、红外热像仪（2）、可见光成像系统（3）以及图像处理系统（4）相连，所述的综合显示控制系统（5）显示系统的输出图像数据以及气体识别结果，并给操控人员提供相应的操控界面，所述的方法包括如下步骤：I数据库训练阶段a)、红外热像仪（2）将采集的红外图像输入到图像处理系统（4）；b)、可见光成像系统（3）将采集的可见光图像输入到图像处理系统（4）；c)、图像处理系统（4）结合相位相关技术和四次曲线拟合实现红外图像和可见光图像亚像素级别的配准，并采用通用融合算法实现红外图像和可见光图像的融合，生成伪彩色图像；d)、图像处理系统（4）将步骤c)获得的伪彩色图像进行分割，提取气体分布区域，计算气体分布区域的统计特征值，并将结果输入到综合显示控制系统（5）；e)、综合显示控制系统（5）根据分割结果控制红外成像光谱仪（1）采集气体分布区域辐射的红外光谱信号以及背景辐射的红外光谱信号，并将两者的差分信号输入到图像处理系统（4）中；f)、图像处理系统（4）先利用非线性插值的方法降低超光谱数据的噪声，再利用子空间波段选择和主成分分析相结合的技术实现光谱特征的提取；g)、重复步骤a)至步骤f)，对不同的气体种类和气体浓度进行红外图像、可见光图像以及红外光谱数据的采集，对多种不同气体以及浓度进行多次重复试验，使得数据库中记录大量的气体的红外和可见光融合的图像数据以及气体的红外辐射光谱数据；II气体监测阶段h)、红外热像仪（2）将采集的红外图像输入到图像处理系统（4）；i)、可见光成像系统（3）将采集的可见光图像输入到图像处理系统（4）；j)、图像处理系统（4）结合相位相关技术和四次曲线拟合实现红外图像和可见光图像亚像素级别的配准，并采用通用融合算法实现红外图像和可见光图像的融合，生成伪彩色图像；k)、图像处理系统（4）将步骤j)获得的伪彩色图像进行分割，提取可疑气体分布区域，同时还计算气体分布区域的统计特征值，并将结果输入到综合显示控制系统（5）；l)、综合显示控制系统（5）根据分割结果控制红外成像光谱仪（1）采集对可疑气体分布区域辐射的红外光谱信号以及背景辐射的红外光谱信号，并将采集到的信号输入到图像处理系统（4）中；m)、图像处理系统（4）先利用非线性插值的方法降低超光谱数据的噪声，再利用子空间波段选择和主成分分析相结合的技术实现光谱特征的提取；n)、将步骤k)获得的统计特征以及步骤m)获得的光谱特征和数据库中的数据进行对比，当相似度大于设定的阈值则认为该数据库中相似像素所对应的气体品种和气体浓度为最终的探测结果。