气体显像的方法和装置的制作方法

专利名称：气体显像的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种气体显像的方法和装置，特别涉及气体的傅里叶变换红外(FTIR)显像。
气体云、气体烟柱等的遥感，特别是化学选择性遥感是一个明显具有环境意义的领域。这样的气体云可例如是由于无意的气体泄漏物或气体废气排放所造成。
在8-14和3-5μm光谱范围的红外振动分光术是一种非常适合这种研究的分析技术，因为大多数分子具有唯一的红外光谱，而在这些波长范围大气又相对透明。因而在此领域缺少有关应用无源红外光谱监测气体云等的文献可能是令人惊奇的。在无源检测时，背景红外辐射的吸收或发射被探测，由于其不引人注意性和简单性，因而无源检测具有明显的吸引力。例如不必要设置探测红外辐射源以及用于这种辐射源的反射器，或不需要在与探测器相隔的一定距离上设置一个辐射源。
FTIR分光术是一种高灵敏度的技术，因而它非常适合无源测量。与本发明特别相关的是欧洲专利申请EP-A-0 287 929，它描述了一种装置，其中监测气体云的无源FTIR与提供监测区域可视图像的摄像机相结合。但是，由于在标准干涉仪设备中应用了唯一的一个红外探测器，因而所获的红外光谱代表干涉仪整个视场上的单一测量。此外，由于没有考虑温度效应，因此，装置不能得到真正的浓度定量数据。
一种能产生气体云IR图像的系统是这种无源FTIR系统的改进。按照这种方式，云变成“可见”了，因为其大小和位置可加以确定。最直接可行的方法是应用某种一组与合适显像的光学系统相连接的IR探测器。事实上，FTIR显像领域尚处于可能需进行大量测量的初期阶段，因为计算要求相当繁重必须在实际可行的工作循环中对应探测器组中的多个探测器对多个干涉图进行傅里叶变换。只是最近合适的大功率数据处理技术才成为日常可用的。
迄今为止，FTIR显像已用于军事目的，诸如导弹或喷射蒸汽流的追踪。而尤为有争议的是，“通常”的气体云的显像是一个严格的任务，因为喷气泄漏等通常十分热，一般温度在500℃或更高，因此能强烈地发射IR辐射。而例如由于偶然性工业气体泄漏产生的气体云可能是相当低的温度，可能接近或处于大气温度。此外，这种军事目的显像不考虑定量数据的推导，例如气体柱的密度。显然，在气体云显像范围定量数据是十分必要的例如这种数据可显示有害浓度值是否已被超过。
本发明的目的就是提供一种无源FTIR气体云显像系统，它能产生定量气体浓度数据。
本发明的另一目的是提出一种复合式气体云显像装置，该装置包括带有摄像系统的无源FTIR气体云显像系统，其中两种探测技术的结果一IR图像和可视图像一同时被显示。
为避免产生疑问，名词“气体”应理解为包含任何呈气相的物质，包括蒸汽。
根据本发明的第一方面，提供一种对存在于所选区域的大气中的一定量气体进行显像的方法，该方法包括的步骤有将所选区域的背景IR辐射引导进入干涉仪；将从干涉仪发出的IR辐射显像在至少一个IR探测器上；获得多个在8-14μm光谱范围内的FTIR光谱，每一光谱对应从所选区域不同部位收集到的IR辐射；以及以适当的方式是显示IR图像，所述IR图像包括多个IR光谱，或由引此导出的数值；其中，一定量的气体的温度或周围温度被测量，还测量了背景温度，而两个被测温度之间的差被用于从所述IR光谱中导出气体柱密度。
本方法包括一个定量的无源FTIR显像过程，其中气体云、烟柱等的组分的吸收或发射相对背景‘黑体’IR辐射源而测量。
从干涉仪发出的IR辐射被显像在一组IR探测器上，并且在多个IR光谱中的每光谱可对应一组探测器中的一个探测器的转换输出。
背景温度可由IR光谱的强度或强度分布测得。
IR图像可包括与多个IR光谱中吸收或发射特性强度有关的数值。这样，化学选择性强度数据就可被显示。
两个被测量温度间的差可小于20℃。换言之，本发明不仅可应用于其中温差大的“热”气体的测量，还可适用于位于周围温度附近的“冷”气体的测量。
按照本发明的第二方面，提供一种对存在于所选区域大气中的一定量气体进行显像的方法，该方法包括的步骤有将所选区域的背景IR辐射引导进入干涉仪；将从干涉仪发出的IR辐射显像在至少一个IR探测器上；获得多个FTIR光谱，每一光谱对应从所选区域不同部位收集到的IR辐射；获得一个区域的可视图像，该区域包含所选区域；以及以适当方式同时显示(i)IR图像，所述IR图像包括多个IR光谱或由此导出的数值，和(ii)可视图像。
从干涉仪发出的IR辐射可被显像在一组IR探测器上，而多个IR光谱中的每一光谱对应探测器组中一个探测器的转换输出。
IR图像可包括与多个IR光谱中吸收或发射特性强度有关的数值。
IR图像的显示可重叠在大体与所选区域对应的可视图像部分的可视图像上。
根据本发明第二方面的方法也可与本发明的第一方面一致。
根据本发明的第三方面，提供一种对存在于所选区域大气中的一定量气体进行显像的装置，该装置包括一个IR收集装置，该装置能收集在8-14μm光谱范围内的IR辐射；
一个能分析已收集8-14μm光谱范围内的IR辐射的干涉仪，它包括用于将从干涉仪发出的IR辐射显像在至少一个IR探测器上的显像装置，干涉仪产生多个干涉图，每个干涉图对应所选区域的一个不同部位；计算装置，用于对干涉图进行傅里叶变换以获取多个IR光谱；显示装置，用于以适当方式显示IR图像，所述IR图像包括多个IR光谱，或由其导出的数值；用于测量一定量气体的温度或周围温度的装置；用于测量背景温度的装置；其中，两个被测温度之间的差被计算装置用于从所述IR光谱中导出气体柱密度。
干涉仪可以是米奇尔松(Michelson)干涉仪。
该装置可包括一组IR探测器，其中，从干涉仪发出的IR辐射被显像在所述干涉仪组上，计算装置根据每一IR探测器形成的干涉图进行傅里叶变换。
在优选实施例中，该装置产生两维IR图像。为执行此功能，该装置可包括一个两维IR探测器组。
另外，IR探测器组可包括一个线性组，而IR收集装置可以是一种扫描光学元件，该扫描光学元件是可移动的，从而变换所选区域的部位，由所选区域发出的IR辐射被显像在线性组上。
一维组可包括至少8个IR探测器。
显示装置可显示IR图像，该图像包括与多个IR光谱中的吸收或发射特性强度有关的数值。
显像装置可包括一个非球面锗透镜组合。
干涉仪可包括角立方体反光镜。
探测器可包括冷却的汞镉碲化物探测器。
根据本发明的第四方面，提供一种对存在于所选区域大气中的气体进行显像的装置，该装置包括
一个IR收集装置，该装置能收集IR辐射；一个能分析已收集的IR辐射的干涉仪，它包括用于将从干涉仪发出的IR辐射显像在至少一个IR探测器上的显像装置，干涉仪产生多个干涉图，每一干涉图对应所选区域的不同部位；计算装置，用于通过对多个干涉图进行傅里叶变换以获得多个IR光谱；一个摄像机，该摄像机能产生一个区域的可视图像，而该区域包含所选区域；以及显示装置，用于以适当方式同时显示(i)包括多个IR光谱的IR图像，或由此导出的数值，和(ii)可视图像。
显示装置可显示的IR图像包括与多个IR光谱中吸收或发射特性强度有关的数值。
该装置可包括一个IR探测器组，其中，从干涉仪发出的IR辐射被显像在所述探测器组上，计算装置根据每一IR探测器形成的干涉图进行傅里叶变换。
显示装置可显示大体与所选区域对应的可视图像部分中的IR图像。
摄像机可以是一个CCD TV摄像机。
根据本发明第四方面的装置也可与本发明的第三方面一致。
现在将参照附图对本发明的装置和方法进行说明，其中

图1是一个气体云显像系统的示意图；图2是快速气体泄漏的可视图像和8×8图像的组合显示；图3是缓慢气体泄漏的可视图像和8×8图像的组合显示；图4是一个数据预处理系统的示意图；以及图5是控制系统的示意图。
本发明涉及一种对存在于所选区域的大气中的一定量气体进行显像的方法和实现此方法的装置。一定量气体可以是气体云、烟柱等，虽然本发明并不局限于此。
在一方面，本方法的步骤有将所选区域的背景IR辐射引导进入干涉仪；将从干涉仪发出的IR辐射显像在至少一个IR探测器上；获得多个8-14μm光谱范围的FTIR光谱，每一光谱对应从所选区域不同部位收集的IR辐射；以及以适当的方式显示IR图像，所述IR图像包括多个IR光谱，或由此导出的数值；其中，一定量气体的温度或周围温度被测量，还测量了背景温度，而两个被测量温度之间的差被用于从所述IR光谱中导出气体柱密度。
这样，此方法是一个定量的、无源FTIR显像过程。在下文将对实现IR显像的方式进行更为详尽的讨论。但是，在此之前对多个要点加以强调是合适的。
首先，该测量技术是一种无源技术，在这种技术，IR光谱是相对自然发生的宽带背景IR辐射获取的。这样的IR辐射从一个适当的背景射出(或反射出)，背景可例如是天空，或一座大建筑物，诸如墙壁。所产生的光谱类型—发射或吸收—取决于相对背景温度的一定量气体的温度如果背景热于气体，将形成吸收光谱；如果背景比气体冷，则将形成发射光谱。
其次，此技术是定量的，因为柱密度(量纲为浓度×路径长度)可从IR光谱的强度中导出。为获得这样的定量数据，对气体和背景之间温差的测量光谱强度进行修正是必要的当此温差值增加时，气体的IR吸收/发射光谱强度增加。此外，还认识到，此类温差修正只有当光谱是在8-14μm光谱“窗口”中获取时才有效。计算已表明，背景的8-14μm辐射几乎完全由黑体热发射引起，而3-5μm光谱窗口的背景辐射有相当一部分成分是由散射的太阳辐射引起。因而假如测量设想在3-5μm范围进行，则温差修正不能对太阳辐射起作用。
图1是对存在于所选区域大气中的一定量气体进行显像的装置的示意图，安包括一个IR收集装置10，它能收集8-14μm光谱范围的IR辐射；一个干涉仪12，它能对收集到的8-14μm光谱范围的IR辐射进行分析，干涉仪12包括显像装置13，该显像装置13用于将从干涉仪12发出的IR辐射显像于一组IR探测器14上；计算装置16、18，用于通过对每一IR探测器形成的干涉图进行傅里叶变换以获得多个IR光谱；显示装置20，用于以适当形式显示IR图像，所述IR图像包括多个IR光谱，或由此导出的数值；用于测量周围温度的装置(未示出)；用于测量背景16、18的温度的装置；其中，两种被测量温度间的差被计算装置16、18用于从所述IR光谱导出气体柱的密度。
干涉仪12是米奇尔松干涉仪，它具有12°×8°的总视场。干涉仪12制作成在8-14μm范围内以4cm-1的分辨率进行工作。采用米奇尔松干涉仪的FTIR分光术提供的好处已有许多文献加以证明，并包括多个优点-可在整个观测时间监测整个光谱范围-，和通过量或Jacquinot优点。后一优点是固有轴对称的体现，它使大圆形入口孔得以使用。这与显像特别有关，因为由入口孔限定的视场能显像在一维或两维的探测器组上。这样，每组像素纪录视场一部分的完整干涉图。
显然，所获的最终IR图像最好本质上是两维的，即在垂直和水平方向均进行多个个IR测量，每一测量对应从所选区域不同部分收集到的IR辐射。获取这种两维图像的一种方法是应用带有固定位置IR收集装置的两维组。这样的措施在某种意义上讲是有效的，即推导完整图像所必须的所有干涉图可在驱动镜一次通过过程中同时获取。但是，目前两维组异常昂贵。此外，同时测量能力的充分使用对数据采集和数据处理施加了严格的限制。这些考虑因大大限制了两维组在商业可性装置中的应用。但是，两维组位于本发明的范围内，实际上，两维组生产和数据处理技术的发展将使两组列成为一种更吸引人的选择。与下述另外的成象方法相比，两维组具有不要求有附加扫描输入光学系统的优点。
在本实施例中，该组IR探测器14包括一个1×8的线性组，而IR收集装置10是一个一维扫描光学元件，优选地是一面镜子，扫描镜是可移动的，从而改变所选区域的部位，由所选部位发出的IR辐射显像在线性组14上。这样，线性组14布置成用于观测垂直带，而扫描镜10则扫过此垂直带的水平坐标，从而扫描获取IR图像的所选区域。扫描镜由一台步进马达(未示出)驱动。原则上可获得任何图像宽度(在扫描镜10的约束范围内)。但是，当图像的每一元素覆盖1°的角范围时，12×8的图像被认为是视场、目标分辨率、线性组价格和数据采集时间之间的最合理的折衷方案。整个12×8图像可通过应用镜子扫描角向增量为1°的12个分隔位置并在每一位置采集数据在大约一秒内获取，这个时间短得足以冻结移动的气体云。显然，如果需要，也可应用较长的采集时间，即如果吸收少的话。通过在镜子向其开始位置返回扫描时获得一组单独的测量值，系统可更为有效。
应指出，获取两维IR图像的第三种方法是应用两面扫描镜和一个单独的IR探测器。镜子在相互垂直方向线性地扫描应用此方法，扫描镜的作用是用于扫过多个水平或垂直带。这种方法的优点是只需花费一个单独IR探测器的费用以及能灵活选择产生图像的像素数。但是，相对上述两个IR组方法而言，产生单独IR图像所需时间增加了，因为必须扫描两面镜子的位置以积累每一IR图像。
回到本实施例，探测器组14的输出由信号调节和采样装置16加以适当调节，装置16将在下文详细描述。经调节的数据被传送至计算机18，它包括一块插入在个人计算机(PC)中的数字信号处理器(DSP)板。数据包括96个(共同加入的)干涉图，它们对应于在12个扫描镜位置的每一位置上每一探测器元件所形成的干涉图。计算机18执行干涉图的快速傅里叶变换以产生96个位于8-14μm光谱范围的光谱。然后显示装置20—它是PC的监视器—以适当方式显示IR图像，此图像包括96个IR光谱，或由此导出的数值。
存在无数种显示方式的可能其中某些可能性将在下文讨论，虽然应理解显示并不限于这种方式。最明显的显示格式是某种12×8的矩阵，当然它与与获取的实际图像成比例。原则上，96个光谱本身可显示在此12×8矩阵内。较为有用的—特别应用在此领域中—是一种系统，其中计算机18进行光谱的初步分析，并显示此分析的结果。例如，计算机可从其IR光谱中识别一种气体的存在，并显示成IR图像、特征的吸收或发射特性强度(当然它们与气体浓度有关)。强度可采用热/冷“假色”图表加以显示，并应用屏幕指示已探测的是什么气体。一种替代方法是强度的单色灰色谱级标准。另一种替代方法是为不同气体指定不同的色彩，并通过改变指定色彩的色调以指示气体的相对或绝对浓度。光谱分析的任务可通过预选需探测的气体或一些气体而加以简化，这样，计算机只需为少量—可能只有一个—处于特征波长的光谱特性进行光谱分析。
当然，不必显示整个图像—在此情况为12×8图像。如果需要，可应用适当的软件方便地产生尺寸减小的图像，如8×8的图像。
本发明的一个重要实施例是一种装置，它还包括一个能形成一个包括所选区域在内的区域的可视图像的摄像机，且其中显示装置20在显示IR图像的同时显示可视图像。
如果IR图像显示在可视图像的部位大体对应IR图像导出的那个所选区域，显示图像的这种结合特别有效。这样，就给使用者一个由FTIR系统显像的精确区域的清楚指示。已应用两种可行方案进行了这种显示方式的模拟一种是管道的高压泄漏，它产生一个清晰限定的烟柱，和一种较慢的、短暂的泄漏，它产生大的、缓慢分散的气体云。模拟的产生是先制作此气体烟柱的高质量图像，然后在将分辨率减低的图像—在此情况为8×8图像—叠加在背景上之前降低空间分辨率。图2展示了高压气体泄漏的8×8像素图像42，而图3则展示了较慢的气体泄漏的8×8像素图像44。8×8图像似乎是足以产生质量可接受的图像，不过，分辨率更高的图像的产生肯定也属于本发明范围。图2和3是单色的，而气体浓度则用灰色谱级标准显示。更一进的模拟表明，假如显示彩色可视图像并覆盖以单色IR图像，或者显示单色可视图像并覆盖以彩色IR图像，则使用者能更容易理解数据。存在多种提供图像的可能形式。如果要求夜间监测，可将白天获得的可视图像贮存起来以便与IR图像同时显示。
一种产生可视图像的优选方法是将摄像机定位在扫描镜安装于其中的壳体上。这样摄像机就能容易地与扫描镜基本对准地定位。于是从摄像机可在镜子扫描中间获得单独的可视画面。不必要在每次镜子扫描期间对图像加以适时修正通常每两分钟左右对图像进行适时修正就足够了，虽然这一间隔是灵活的。
摄像机最好是低成本的全色CCD TV摄像机，它安装有适当的镜头(即镜头的视场等似或宽于最宽IR图像的视场)。计算机18安装有画面储存卡，可应用市场上可买到的软件驱动摄像机和图像数据采集，这些过程由主控制程序引起。如果装置从一个现场移至另一现场，不要求有特殊的对准过程所有要做的就是将IR初始绘制在可视图像上，这样，两者可以由显示软件加以精确的叠加。
应指出的是，可视图像与IR图像同时显示的原理也可延伸至非定量性IR显像，例如延伸至3-5μm光谱范围的非定量性IR显像。
本发明能提供定量数据，因为柱密度(浓度×长度的量纲—通常表示成ppm.m)可从IR光谱中导出。定量数据在气体泄漏和云的范围是很重要的，因为它显示有多少气体存在，以及是否已超过有害或爆炸的限度。
在IR源和吸收气体间的无限温差的限度内，吸收率(A)由皮尔定律给出A=In[IoIT]=kcl-----(1)]]>其中Io是被气体哀减前的IR强度，IT是透射的IR辐射强度，k是吸收系数，c是浓度，而1是吸收路径长度。k或由文献或由现有标定中得到，这样，根据k的知识就可由吸收率或透射率的测量值得到柱密度cl。但是，当源和气体间的温度差ΔT小—小的范围是指30℃或更小—需要对光谱施用波长依赖修正因子，以考虑吸收明显降低对发射强度的影响。
波长依赖修正因子的推导如下。
考虑一个在温度Tg处于热平衡的气体柱，其长度为1，浓度为c。
从柱端部的发射强度Ig由公式(2)给出Ig＝L(υ，Tg)(1-e-kcl) (2)其中L(υ，T)表示温度T时的黑体发射，υ是频率，而k为吸收系数。当被处于频率υ和温度Tb且强度为Io的背景源照明时，气体吸收一些能量，形成透射强度Ia，它由公式(3)给出Ia＝Io(1-e-kcl)＝I(υ，Tb)(1-e-kcl)(3)气体的任何发射—由公式(2)支配的气体—造成气体视在吸收的降低。观测到的吸收是真正的吸收(由公式(3)减去被发射的强度(由公式(2)给出)给出)。需要修正因子1/KT以便将观测到的吸收转换成气体的真正吸收。KT为气体温度Tg时的观测吸收与真正吸收之比，并由下式给出KT=L(ν,Tb)(1-e-kcl)-L(ν,Tg)(1-e-kcl)L(ν,Tb)(1-e-kcl)=1-L(ν,Tg)L(ν,Tb)-----(4)]]>但是
，此外c是光速，h是普朗克常数，而k是波尔兹曼常数，这样，KT=1-ehνk(1Tb-1Tg)-----(5)]]>对于温差为5°、在大约10μm的吸收或发射，因子1/KT为14(即透射率为在大ΔT时测得的透射率的1/14)。此类通常为工业或环境目的监视的气体云常常处于周围温度附近，气体温度和背景温度之间只有小的差别。因而本发明的一个特点就是当温差小至5℃时，还能获得图像，并由这些图像中导出定量数据。显然，更热的气体的测量也在本发明的范围之内实际上，在较高的温差下，此处因子1/KT趋于1，导出定量数据更为容易。
本发明中，测量了一定量气体的温度和背景温度，而两个被测温度间的差则通过对IR光谱应用温度和波长依赖修正因子用于导出气体柱密度。
应指出的是，在前述温度依赖修正因子推导中，采用单一浓度c描述气体浓度。但在实际中，云中的气体浓度是不均匀的，因此导出的柱密度将表示沿测视线的一个平均值。
背景温度由IR光谱的强度，也即由探测器响应曲线(一些响应曲线)直接导出。由于这些明显的原因，强度在未被存在的气体改变的光谱部分进行测量。关于这一点，已证明对获得散热片发出的热发射光谱是有用的，散热片是用于提供干涉仪中参考干涉条纹的二极管激光器上的温度控制系统的一部分。散热片被保持在恒温，而这在背景温度的推导中提供了探测器的校准。扫描镜能扫描至测量能进行的位置。可将背景光谱的强度分布代入黑体发射的普朗克公式中以导出背景温度。为获得气体温度，进行了周围温度的测量，并假定应用适当的温度探测器，如热电偶，一定量的气体就是处于此温度。另一种可能性是将温度探测器置于靠近泄漏源的位置。
现回至图1所示的本发明实施例，要指出的是，除扫描镜10和探测器组14外，干涉仪一般具有通常的结构，虽然已将装置特别自成一体地建造以便生产一种能在现场应用的结实仪器。所有任选的部件安装在基本为铝的台座(未示出)上。反射光学系统是角立方体反射器22、24，尤其由于它们的结实性，使用它们优于平面镜。一个角立方体反射器安装在镜驱动器上，该镜驱动器包括一个紧凑的线性马达致动器26和驱动控制器(未示出)。致动器26具有由两根同轴反向绕缠的螺旋管构成的悬挂系统。总的端部至端部的位移至少为2.5mm，而绝对位置精确度要好于0.1μm。角立方体反射器22、24和分光器27都适当涂覆涂层以获得8-14μm光谱范围的最佳性能。
通过干涉仪的两条光路之间的相对位移的测量借助计算激光束产生的干涉条纹进行。激光器28是一个二极管激光器，它产生～680nm的光。红光束被光束转向光学系统30引导通过分光器27的周边部分，此周边部分起680nm左右的大约50％分光器的作用。(只有分光器27的中央部分被涂覆以便在8和14μm之间获得50％的反射率)。红光的透过部分在分开光束在分光器27的周边部分上重新结合之前通过四等分波平板32，然后被光束转向光学系统34偏转至分光器36上。条纹用光电二极管38、40加以探测。
探测器组14是由0.36mm2(0.6×0.6mm)泵镉碲化合物IR探测器形成的1×8线性组。探测器组放置在液氮真空瓶中冷却至77K。示意地示于图1的显像装置13是一个直径为25mm的非球面锗双合透镜，其有效焦距长为50mm。因而透镜孔径为f/2。计算已指出，大小和f数的这一结合提供了价格、etendue、图像质量和尺寸考虑之间的优异折衷方案。锗双合透镜在8-14μm的整个光谱范围都能提供适当的性能，假定点分散函数好于250μm。但是，所应用的显像系统的特征取决于干涉仪的精确程度，因而透镜和材料的这一选择必须是灵活的。例如，分光器的结构，或使用冷屏幕将影响优选的包括多个透镜元件的显像系统。
由探测器组14中每一探测器形成的干涉图通过计算机18加以分析。当初始数据传送至计算机时，探测器的输出被信号调节和采样装置16调节和数字化。图4是对探测器组14上单个探测器14a的输出进行信号调节和采样的示意图。探测器14a的输出被预放大器46和可变增益放大器48所放大，而奈奎斯特极限以上的频率被低通去假频滤波器50消除。此过程应按照探测器组14中单个探测器元件的特征加以优化，从而要求有8个系统，即与每一探测器元件相关联一个系统。模拟-数字转换器(ADC)54将模拟输入转换成适于被适当装置向计算机18进行数据传送的数字。计算机18控制干涉仪，因而要要双向通讯连接。可应用通常的串联或并联界面。在本实施例中，通过快速同步串联界面(包括在插入PC中的DSP板上)直接将数据传向(16比特分辩率)信号处理硬件。
DSP进行必要的信号平均。傅里叶变换、温度修正以及以大约每秒一个数据组(每个像素一个浓度图)的速率将气体浓度数据送向PC。PC进行多种功能，包括对用于后处理和重放的数字进行归档、数据的记时打印、校正过程、自检诊断和硬拷贝。PC还适于用作用户界面，用于调整和控制干涉仪和摄像机。
图5是控制系统的示意总图。电子支架包含一对设计成用以驱动装置的特定部分的板和一块“监控”微处理器板，用于在PC和卡之间提供一个共用界面。监控板还执行某些仪器的功能。PC与监控板之间的联系是通过RS232连接进行的。
干涉仪的镜子由其自身的微处理器加以驱动，此微处理器保存在电子支架中的板上。进行驱动的控制信号由PC通过监控微处理器送出。
“多用”板从激光器光电二极管取得信号，对这些信号进行解码，控制扫描镜，处理温度传感器信号(用于测量参考黑体温度)，并向激光器模块提供串联通讯连接。激光器模块具有其自身的微处理器以使温度稳定。
安装在扫描镜上方的摄像机将其信号直接送至PC中的画面咬合器板，因而也就是送至PC软件。
本发明提供一种无源、定量IR显像装置，它能遥测从几米至几公里范围的气体云。本发明能探测的气体有丙酮、氨水、阿尼林、苯、甲苯、二甲苯、丁烷、二氧化碳、硫化氢、光气、丙烷、二氧化硫和氯乙烯。提出了两种运行模式，它们涉及不同的观测时间。快速响应模式的观测时间为10秒，它是为了对有高危险的气体浓度-例如对有潜在爆炸性的碳氢化物浓度-作出快速响应而提出的。缓慢响应模式的观测时间为5分钟，它是为了以更高的灵敏度探测气体，例如探测易消失的气体泄漏而提出的。当然，其它响应模式也属于本发明的范围。
对本领域的一般技术人员而言，还可以对系统进行多种多样的修改。例如，装置的灵敏度可通过在干涉仪中安装冷屏蔽板而得到改进。另一种可能性是安装中央控制系统，它可以接管PC的某些或全部功能。还有一种可能性是提供对IR数据质量的测量。例如，导出的气体柱密度的质量可以从0％(完全不可信赖的数据)至100％(最高置信度)的置信度因子加以显示。可在现场的不同位置安装多个显像系统，所有这些系统向中央控制系统汇报。还有一种可能是设置警报器，如果一定量气体超过预定值，它就起动。这样的警报器可以是可通过中央监视器的音响和/或视觉警报器。由于本发明提供有关气体释放位置的信息，因而系统可以例如在气体释放的附近有选择地触发警报器，或者可在有问题的位置通过关闭阀门等实现关闭过程。
权利要求
1.一种对存在于所选区域大气中的一定量气体进行显像的方法，该方法包括的步骤有将所选区域的背景红外辐射引导进入干涉仪；将从干涉仪发出的外红辐射显像在至少一个红外探测器上；获得多个8-14μm光谱范围内的傅里叶变换红外光谱，每一光谱对应从所选区域不同部位收集到的红外辐射；以及以适当的方式显示红外图像，所述红外图像包括多个红外光谱，或由其导出的数值；其中，一定量气体的温度或周围温度被测量，还测量了背景温度，而两个被测温度之间的差被用于从所述红外光谱中导出气体柱密度。
2.如权利要求1的方法，其特征在于，从干涉仪发出的红外辐射被显像在一组红外探测器上，而多个红外光谱中的每一光谱对应探测器组中一个探测器的转换输出。
3.如权利要求1或2的方法，其特征在于，背景温度由红外光谱的强度或强度分布测得。
4.如权利要求1至3中任一权利要求的方法，其特征在于，红外图像包括与多个红外光谱中吸收或发射特性强度有关的数值。
5.如权利要求1至4中任一权利要求的方法，其特征在于，两个被测量温度之间的差小于20℃。
6.一种对存在于所选区域大气中的一定量气体进行显像的方法，该方法包括的步骤有将所选区域的背景红外辐射引导进入干涉仪；将从干涉及仪发出的红外辐射显像在至少一个红外探测器上；获得多个傅里叶变换红外光谱，每一光谱对应从所选区域不同部位收集到的红外辐射；获得一个区域的可视图像，该区域包含所选区域；以及以适当方式同时显示(i)红外图像，所述红外图像包括多个红外光普或由其导出的数值，和(ii)可视图像。
7.如权利要求6的方法，其特征在于，从干涉仪发出的红外辐射被显像在一组红外探测器上，而多个红外光谱中的每一光谱对应探测器组中一个探测器的转换输出。
8.如权利要求6或7的方法，其特征在于，红外图像包括与多个红外光谱中吸收或发射特性强度有关的数值。
9.如权利要求6至8中任一权利要求的方法，其特征在于，红外图像的显示与大体上对应所选区域的可视图像一部分的可视图像重叠。
10.如权利要求6至9中任一权利要求的方法，其特征在于，它还与权利要求1至5中任一权利要求相一致。
11.一种对存在于所选区域大气中的一定量气体进行显像的装置，该装置包括一个红外收集装置，该装置能收集8-14μm光谱范围的红外辐射；一个干涉仪，该干涉仪能分析8-14μm光谱范围的已收集的红外辐射，它包括用于将从干涉仪发出的红外辐射显像在至少一个红外探测器上的显像装置，干涉仪产生多个涉图，每一干涉图对应所选区域的不同部位；计算装置，用于对多个干涉图进行傅里叶变换以获取多个红外光谱；显示装置，用于以适当方式显示红外图像，所述红外图像包括多个红外光谱，或由其导出的数值；用于测量一定量气体的温度或周围温度的装置；用于测量背景温度的装置；其中，两个被测温度之间的差被计算装置用于从所述红外光谱中导出气体柱密度。
12.如权利要求11的装置，其特征在于，干涉仪是米奇尔松干涉仪。
13.如权利要求11或12的装置，其特征在于，该装置包括一个红外探测器组，其中，从干涉仪发出的红外辐射被显像在所述探测器组上，而计算装置根据每一红外探测器形成的干涉图进行傅里叶变换。
14.如权利要求13的装置，其特征在于，该装置用于产生两维红外图像，它包括一个两维红外探测器组。
15.如权利要求13的装置，其特征在于，该装置用于产生两维红外图像，其中，红外探测器组包括一个线性组，而红外收集装置是一个扫描光学元件，该扫描光学元件是可移动的，从而改变所选区域的部位，由所选区域发出的红外辐射被显像在线性组上。
16.如权利要求15的装置，其特征在于，一维组至少包括8个红外探测器。
17.如权利要求11至16中任一权利要求的装置，其特征在于，显示装置显示红外图像，该图像包括与多个红外光谱中吸收或发射特性强度有关的数值。
18.如权利要求11至17中任一权利要求的装置，其特征在于，显像装置是一个非球面锗透镜组合。
19.如权利要求11至18中任一权利要求的装置，其特征在于，干涉仪包括角立方体反光镜。
20.如权利要求19的装置，其特征在于，探测器包括冷却的汞镉碲化物探测器。
21.一种对存在于所选区域大气中的一定量气体进行显像的装置，该装置包括一个红外收集装置，该装置能收集红外辐射；一个干涉仪，该干涉仪能分析已收集的红外辐射，它包括用于将从干涉仪发出的红外辐射显像在至少一个红外探测器上的显像装置，干涉仪产生多个干涉图，每一干涉图对应所选区域的不同部位；计算装置，用于对多个干涉图像进行傅里叶变换以获取多个红外光谱；一个摄像机，该摄像机能产生一个区域的可视图像，而该区域包含所选区域；以及显示装置，用于以适当方式同时显示(i)红外图像，所述红外图像包括多个红外光谱或由其导出的数值，和(ii)可视图像。
22.如权利要求21的装置，其特征在于，显示装置所显示的红外图像包括与多个红外光谱中吸收或发射特性强度有关的数值。
23.如权利要求21或22的装置，其特征在于，该装置包括一个红外探测器组，其中，从干涉仪发出的红外辐射被显像在所述探测器组上，而计算装置根据每一红外探测器形成的干涉图进行傅里叶变换。
24.如权利要求21至23中任一权利要求的装置，其特征在于，显示装置显示位于可视图像的一部分中的红外图像，可视图像的该部分大体上对应所选区域。
25.如权利要求21至24中任一权利要求的装置，其特征在于，摄像机是一个CCD TV摄像机。
26.如权利要求21至25中任一权利要求的装置，其特征在于，它也与权利要求11至20中任一权利要求相一致。
全文摘要
本发明公开一种对所选区域大气中气体显像的方法,它包括:将所选区域背景红外辐射导入干涉仪;将干涉仪发出的红外辐射显像在至少一红外探测器上;获得多个8—14μm光谱范围的傅里叶变换红外光谱,每一光谱对应从所选区域不同部位收集的红外辐射;和以适当方式显示红外图像,红外图像包括多个红外光谱或由其导出的数值,其中,测量一定量气体温度或周围温度,还测量背景温度,被测温度间的差用于从红外光谱导出气体柱密度。
文档编号G01J5/02GK1260042SQ9718163
公开日2000年7月12日 申请日期1997年12月1日 优先权日1996年12月3日
发明者迈克尔·保罗·安德烈乌 申请人:格雷厄姆·托马斯咨询有限公司