一种气体泄漏检测与快速溯源装置的标定方法与流程

本发明属于气体检测，涉及气体泄漏的检测与溯源，尤其涉及一种气体泄漏检测与快速溯源装置的标定方法。

背景技术：

1、气体泄漏检测技术在大气污染治理、石油化工、工业过程监控等领域具有广泛且重要的应用。比如，在石化等行业中就存在数量庞大且构造复杂的甲烷气体储存或输送设备，对这些设备的泄露情况进行有效监测是保障安全生产的重要前提。

2、对于气体泄漏，目前广泛采用的是接触式检漏设备，设备的传感器需要与检测目标气体发生接触才能发现泄露情况。然而一些泄漏点可能正在泄漏，但大多数潜在泄漏点还没有发生泄漏，因此操作人员必须亲自查看并检测每个潜在泄漏点，这样做的工作效率很低，还会对检查人员的健康安全造成危害。此外，传统的气体泄漏检测技术只能实现单点浓度测量，而针对甲烷气体泄露检测开发的气体泄漏红外成像技术，其通过利用红外焦平面探测器对泄漏气体进行成像，具有大范围监测，快速溯源的优点，但却无法实现对泄漏浓度的量化测量，无法为后续的事故评估与补救处置提供准确的态势研判依据。

3、申请号为202010443190x的发明专利申请就公开了一种针对甲烷气体泄露的红外成像与浓度检测装置和方法，该装置包括红外热像仪和激光甲烷检测模块，红外热像仪用于对所需监测区域进行红外成像，以发现甲烷气体泄漏点；激光甲烷检测模块根据红外成像发现的泄漏点进行对准，并测量甲烷浓度；在所述红外热像仪中嵌入所述激光甲烷检测模块，激光甲烷检测模块的激光束发射方向与红外热像仪的光轴方向调节为一致，两者之间互相通讯实现数据交互。通过红外热像仪能够对大面积视窗进行检测以判断视窗内是否有天然气泄漏，通过激光甲烷检测模块对甲烷泄漏点进行远距离非接触式测量并获得准确的甲烷气体浓度信息，将甲烷气体泄露检测红外热成像技术与激光甲烷检测技术结合，同时实现了非接触式的大面积快速搜索甲烷泄露点与甲烷气体浓度定量检测，实现了比现有单一检测装置更加高效和精确定量的全面检测。

4、在上述红外成像与浓度检测装置和方法的发明专利申请中，其虽然实现了甲烷泄露点与甲烷气体浓度定量检测。但是，一是与传统的气体泄漏检测技术一样，只能实现单点浓度测量，无法获取浓度场的分步；二是传统的气体泄漏溯源大多使用红外传感器进行气体成像，但是红外传感器价格较高，不利于推广应用；三是现有的可见光图像只是提供现场取证功能，并不具备快速溯源的能力。因此，为降低成本及推广应用，如何将可见光成像用于气体泄漏溯源、实现气体泄漏的快速溯源，就显得尤为重要，有必要提供一种基于可见光成像的气体泄漏检测与快速溯源装置与方法，并提供一种对该溯源装置中光轴夹角进行标定的方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于：提供一种气体泄漏检测与快速溯源装置的标定方法，用于对可见光成像模块的光轴与气体可调谐半导体激光吸收光谱检测模块的光轴之间的夹角进行标定。

2、本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：

3、一种气体泄漏检测与快速溯源装置的标定方法，包括气体泄漏检测与快速溯源装置和宽光谱相机，气体泄漏检测与快速溯源装置包括可见光成像模块、气体可调谐半导体激光吸收光谱检测模块、信号同步采集模块和数据处理单元；

4、可见光成像模块用于对泄漏气体场景进行成像，提供泄漏定位的背景和基础坐标系；

5、气体可调谐半导体激光吸收光谱检测模块用于采集场景内泄漏点的气体泄漏浓度；

6、信号同步采集模块用于同步可见光成像模块、气体可调谐半导体激光吸收光谱检测模块的数据采集；

7、数据处理单元用于实现气体泄漏模型建模、浓度场拟合及投影；

8、可见光成像模块的光轴与气体可调谐半导体激光吸收光谱检测模块的光轴之间存在夹角，且夹角满足关系：

9、；

10、；

11、其中，为角度上限，为可见光成像模块的光心与气体可调谐半导体激光吸收光谱检测模块的光心之间的距离，为标称工作距离；

12、宽光谱相机的光谱范围覆盖了气体可调谐半导体激光吸收光谱检测模块的光谱范围，且夹角的标定步骤为：

13、步骤s1-1，固定宽光谱相机、可见光成像模块；

14、步骤s1-2，使用靶标标定宽光谱相机到可见光成像模块的内参和外参矩阵；

15、步骤1-3，放置对气体可调谐半导体激光吸收光谱检测模块的激光反射良好的白板，根据白板四个角上标记的四个标记位置计算在可见光成像模块的坐标系中的白板平面；

16、步骤1-4，当白板平面和可见光成像模块的光轴垂直时，确定气体可调谐半导体激光吸收光谱检测模块的激光光斑在可见光成像模块的坐标系下的坐标需要满足以下约束：

17、步骤1-5，根据步骤1-4得到的约束，结合步骤1-2得到的内参和外参矩阵，计算约束范围投影到宽光谱相机中的像平面坐标范围：

18、步骤1-6，使用宽光谱相机对气体可调谐半导体激光吸收光谱检测模块的激光光斑进行成像；

19、步骤1-7，计算激光光斑的质心，调整气体可调谐半导体激光吸收光谱检测模块的光轴，当激光光斑的质心符合步骤1-5的限制时，完成调校、标定。

20、进一步地，步骤1-3中，在距离宽光谱相机2的位置放置对气体可调谐半导体激光吸收光谱检测模块的激光反射良好的白板，白板四个角上标记有四个标记位置，根据四个标记位置计算在可见光成像模块的坐标系中的白板平面。

21、进一步地，步骤1-4中，由得到在距离2下，当白板平面和可见光成像模块的光轴垂直时，气体可调谐半导体激光吸收光谱检测模块的激光光斑在可见光成像模块的坐标系下的坐标（）需要满足以下约束：

22、；

23、。

24、进一步地，步骤1-5中，根据步骤1-4得到的约束，结合步骤1-2得到的内参和外参矩阵，计算约束范围投影到宽光谱相机中的像平面坐标范围，具体计算公式为：

25、；

26、。

27、进一步地，步骤1-7中，计算激光光斑的质心时，计算公式为：

28、；

29、；

30、其中，表示位于图像i中坐标（i，j）处的值，表示图像高度，表示图像宽度。

31、进一步地，气体泄漏检测与快速溯源装置中，可见光成像模块的帧率和气体可调谐半导体激光吸收光谱检测模块的采样频率满足以下条件：

32、；

33、；

34、；

35、；

36、其中，为可见光图像采样帧率下限，为tdlas数据采样率下限，为气体泄漏检测与快速溯源装置的移动角速度；为经验值，取1。

37、进一步地，气体泄漏检测与快速溯源装置中，在安装可见光成像模块与气体可调谐半导体激光吸收光谱检测模块时，可见光成像模块的光心与气体可调谐半导体激光吸收光谱检测模块的光心之间的距离满足以下条件：

38、；

39、其中，为激光束腰宽度，为激光瑞利距离；为经验值，取10。

40、进一步地，气体泄漏检测与快速溯源装置中，信号同步采集模块在同步数据采集时，可见光成像模块采集图像的时刻与气体可调谐半导体激光吸收光谱检测模块采集浓度的时刻的偏差控制在范围内，且该表示为：

41、；

42、其中，为气体泄漏检测与快速溯源装置的移动角速度；为经验值，取1。

43、本发明的有益效果如下：

44、本发明中，该溯源装置中建立的气体泄漏浓度场模型受空间物理约束和流体力学物理约束，其空间分布具有一定的规律，通过场景理解和流体力学模型，可以利用高斯羽化模型等数学模型简化气体浓度的空间分布；通过结合可调谐半导体激光吸收光谱检测模块采集的多个空间位置的浓度值，拟合出气体浓度的空间分布，将该空间分布投影于可见光图像坐标系中，实现对气体泄露源头的快速定位，气体泄漏源头定位精度高，进而实现传统方法中利用可见光无线所无法实现的气体泄漏快速溯源能力，利用成本更低的可见光成像模块替代成本更高的红外传感器，有效降低成本气体泄漏与溯源的成本，有利于该气体泄漏与溯源技术的大面积推广应用。此外，还提供了一种夹角的标定方法，该标定方法通过先标定内参、外参矩阵后对激光光斑在可见光成像模块坐标系下的坐标进行约束，最后计算光斑质心并通过调整可调谐半导体激光吸收光谱检测模块的光轴，且在质心符合限制后才完成调校、标定；利用该标定方法可以减少tdlas浓度数据和可见光成像模块中心点辐射值的空间不对齐。