秦 超，張 旭，袁 盼，金偉其，李 力，王 霞

〈系統(tǒng)與設(shè)計(jì)〉

氣體泄漏熱成像檢測(cè)系統(tǒng)性能的多指標(biāo)測(cè)試評(píng)價(jià)系統(tǒng)

秦 超，張 旭，袁 盼，金偉其，李 力，王 霞

（北京理工大學(xué) 光電成像技術(shù)與系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

目前針對(duì)氣體泄漏熱成像檢測(cè)系統(tǒng)性能的相關(guān)評(píng)價(jià)技術(shù)還不夠成熟，相應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的測(cè)試系統(tǒng)及其測(cè)量方法尚無(wú)系統(tǒng)的研究報(bào)道。而常規(guī)熱成像系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)方法難以直接用于評(píng)價(jià)氣體泄漏熱成像檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)泄漏氣體的探測(cè)能力，本文結(jié)合泄漏氣體特性及各測(cè)試系統(tǒng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種可測(cè)量多類(lèi)性能指標(biāo)的氣體泄漏熱成像檢測(cè)系統(tǒng)性能的測(cè)試評(píng)價(jià)系統(tǒng)，并以乙烯和甲烷氣體為檢測(cè)目標(biāo)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中分別對(duì)NECL、MRGC和MDGC三種評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量，結(jié)果表明了測(cè)試評(píng)價(jià)系統(tǒng)的可行性和實(shí)用性。

氣體泄漏熱成像檢測(cè)；性能評(píng)價(jià)；測(cè)試系統(tǒng)

0 引言

近年來(lái)，基于制冷或非制冷紅外焦平面探測(cè)器的氣體泄漏熱成像檢測(cè)系統(tǒng)不斷推出[1-3]，在氣體泄漏檢測(cè)的市場(chǎng)中所占份額逐漸增加。然而，目前能夠有效評(píng)估此類(lèi)設(shè)備檢測(cè)泄漏氣體能力的相關(guān)方法和技術(shù)還不成熟，相應(yīng)的評(píng)價(jià)測(cè)試系統(tǒng)尚未統(tǒng)一。相應(yīng)的性能指標(biāo)主要分為兩大類(lèi)：①第一類(lèi)為直接利用泄漏氣體自身特征，將測(cè)試氣體泄漏熱成像檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)該類(lèi)特征的檢測(cè)極限作為描述系統(tǒng)檢測(cè)性能的直觀評(píng)價(jià)指標(biāo)，常用評(píng)價(jià)指標(biāo)為最小可探測(cè)泄漏速率（minimum detectable leak rate，MDLR）[1-2]；②第二類(lèi)基于常規(guī)熱成像系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)技術(shù)，針對(duì)氣體目標(biāo)的相關(guān)特性，定義了氣體泄漏熱成像檢測(cè)系統(tǒng)性能的實(shí)驗(yàn)室測(cè)量指標(biāo)，常用性能指標(biāo)包括噪聲等效濃度路徑長(zhǎng)度（noise equivalent concentration path length, NECL）[3-7]、最小可分辨氣體濃度（minimum resolvable gas concentration, MRGC）[8-9]和最小可探測(cè)氣體濃度（minimum detectable gas concentration, MDGC）[10]。其中，第一類(lèi)性能指標(biāo)直觀簡(jiǎn)便、動(dòng)態(tài)場(chǎng)景成像且無(wú)需復(fù)雜的測(cè)量系統(tǒng)，但其測(cè)量方法粗略，未考慮氣體溫度、濃度及吸收特性等因素影響，檢測(cè)結(jié)果難以直接定量對(duì)比；第二類(lèi)性能指標(biāo)綜合考慮了氣體自身特性對(duì)氣體泄漏熱成像檢測(cè)系統(tǒng)探測(cè)能力的影響，然而此類(lèi)指標(biāo)的測(cè)試原理限制其測(cè)量過(guò)程必須在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行。

目前各性能指標(biāo)沒(méi)有形成統(tǒng)一的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，相應(yīng)的測(cè)試系統(tǒng)也不完善，對(duì)于不同生產(chǎn)廠商或研究機(jī)構(gòu)而言，使用單一指標(biāo)描述氣體泄漏熱成像檢測(cè)系統(tǒng)性能時(shí)，其值往往不具有可比性。因此，通過(guò)搭建統(tǒng)一的測(cè)試系統(tǒng)，建立穩(wěn)定的測(cè)量環(huán)境，以多指標(biāo)測(cè)量的方式能夠更全面地獲取氣體泄漏熱成像檢測(cè)系統(tǒng)的性能。由于各評(píng)價(jià)指標(biāo)性能模型的輻射傳輸過(guò)程具有較大的相似性，通過(guò)結(jié)合各指標(biāo)測(cè)試系統(tǒng)的特點(diǎn)[2-3,5,8,10]，綜合考慮實(shí)驗(yàn)室性能測(cè)試的安全性和穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)并搭建了一種可測(cè)量多指標(biāo)的評(píng)價(jià)測(cè)試系統(tǒng)，能夠?qū)ΤＲ?jiàn)的氣體泄漏熱成像系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量。本文主要介紹該測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，并利用該測(cè)試系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室測(cè)量了一款非制冷氣體泄漏熱成像檢測(cè)系統(tǒng)的性能指標(biāo)，驗(yàn)證了測(cè)試系統(tǒng)的有效性和實(shí)用性。

1 多指標(biāo)測(cè)量的評(píng)價(jià)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目前可有效描述氣體泄漏熱成像檢測(cè)系統(tǒng)性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)為NECL、MDLR、MRGC和MDGC，設(shè)計(jì)多指標(biāo)測(cè)量的評(píng)價(jià)測(cè)試系統(tǒng)需要基于待測(cè)氣體的相關(guān)特性（紅外吸收特性、氣體濃度、氣體溫度、氣體壓力和氣云尺寸等），對(duì)各性能指標(biāo)的測(cè)試方法和測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究，提出相應(yīng)的設(shè)計(jì)要求：①首先氣體泄漏熱成像檢測(cè)系統(tǒng)需要選用與待測(cè)氣體紅外吸收特性相適應(yīng)的成像波段；②采用特定的氣室約束氣云尺寸，使待測(cè)氣體濃度在測(cè)量過(guò)程中均勻穩(wěn)定，并從安全性考慮對(duì)氣室采用常壓設(shè)計(jì)；③需要均勻穩(wěn)定且溫度可控的目標(biāo)或背景輻射源作為客觀測(cè)量的基礎(chǔ)；④測(cè)試系統(tǒng)可測(cè)量多種性能指標(biāo)，并且可便捷地切換需要檢測(cè)的性能指標(biāo)；⑤確保與性能指標(biāo)相關(guān)的測(cè)試變量如溫度、氣體濃度等可精確測(cè)得；⑥實(shí)驗(yàn)過(guò)程需要保證測(cè)試的安全性?；谝陨显O(shè)計(jì)要求，圖1給出設(shè)計(jì)的測(cè)試系統(tǒng)原理框圖。

圖1 多指標(biāo)測(cè)量的評(píng)價(jià)測(cè)試系統(tǒng)原理框圖

Fig.1 Functional block diagram of the evaluation test system for multi-index measurement

1.2 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)和功能實(shí)現(xiàn)

測(cè)試系統(tǒng)主要組成部件包括：黑體輻射源及控制器、氣體濃度混合設(shè)備、雙腔紅外氣室、恒溫水浴箱及銅管換熱器、氣體循環(huán)泵、氣體泄漏報(bào)警器、靶標(biāo)轉(zhuǎn)盤(pán)、黑體雙孔擋板、濃度計(jì)、溫度計(jì)等。待測(cè)氣體泄漏熱成像檢測(cè)系統(tǒng)置于氣室外側(cè)，并對(duì)黑體靶標(biāo)聚焦成像。上位機(jī)可控制黑體輻射源、氣體濃度混合設(shè)備、黑體靶標(biāo)輪盤(pán)等，并采集處理圖像數(shù)據(jù)。

黑體雙孔擋板正面均勻噴涂高發(fā)射率黑色涂料，用于提供均勻的測(cè)試背景，通過(guò)在雙孔擋板的其中一孔安裝空白參考靶標(biāo)，并與靶標(biāo)轉(zhuǎn)盤(pán)配合（如圖2），可在實(shí)驗(yàn)中靈活地切換靶標(biāo)種類(lèi)和單/雙氣室的使用。

圖2 黑體雙孔擋板和靶標(biāo)轉(zhuǎn)盤(pán)

靶標(biāo)轉(zhuǎn)盤(pán)可裝載5塊不同類(lèi)型的黑體靶標(biāo)，靶標(biāo)正面均勻噴涂發(fā)射率大于0.95的黑體涂料，背面鍍制高反射率材料，并與導(dǎo)熱性差的材料制成的隔熱框固定，用于減小測(cè)試環(huán)境中環(huán)境溫度變化的影響。黑體靶標(biāo)元件用于在實(shí)驗(yàn)中測(cè)量氣體泄漏熱成像檢測(cè)系統(tǒng)的MRGC和MDGC，由于MRGC和MDGC分別與熱成像系統(tǒng)的最小可分辨溫差MRTD（minimum resolvable temperature difference）和最小可探測(cè)溫差MDTD（minimum detectable temperature difference）存在相似的測(cè)試原理[11-12]，因此根據(jù)氣體泄漏熱成像檢測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)，借鑒MRTD和MDTD的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)[13-14]，設(shè)計(jì)的黑體靶標(biāo)尺寸如表1所示。

表1 靶標(biāo)尺寸

紅外氣室用于約束待測(cè)氣體尺寸，使測(cè)量時(shí)待測(cè)氣體的濃度均勻穩(wěn)定，是氣體泄漏熱成像檢測(cè)系統(tǒng)性能測(cè)試系統(tǒng)區(qū)別于普通熱成像系統(tǒng)性能測(cè)試系統(tǒng)的關(guān)鍵組件（如圖3所示）。氣室被安裝在靶標(biāo)和黑體輻射源之間，分為目標(biāo)氣室和參考?xì)馐覂蓚€(gè)腔室，測(cè)量不同性能指標(biāo)時(shí)根據(jù)需要選擇單氣室或雙氣室進(jìn)行操作。此時(shí)，目標(biāo)輻射由黑體輻射源經(jīng)過(guò)目標(biāo)氣室中待測(cè)氣體吸收后出射的輻射和待測(cè)氣體自身輻射兩部分組成，背景輻射為對(duì)應(yīng)背景黑體的輻射。紅外氣室的通光口徑50mm，長(zhǎng)度200mm，氣室窗口材料ZnSe，其表面鍍制寬波段3～14mm增透膜，外框選用導(dǎo)熱性差的材料聚甲基丙烯酸甲酯（Polymethyl methacrylate），以減小外部環(huán)境對(duì)氣室內(nèi)待測(cè)氣體溫度的影響，在外框上合適位置還設(shè)有氣體輸入輸出口、腔內(nèi)氣壓表和溫度計(jì)安裝孔等。

測(cè)試系統(tǒng)其他重要部件如黑體輻射源，采用以色列CI-Systems公司面型黑體輻射源SR-800N，為實(shí)驗(yàn)測(cè)量提供均勻穩(wěn)定溫度可控的目標(biāo)或背景輻射源；氣體濃度混合采用成都萊峰科技公司Flux controller display-LFIX系列的混氣儀，通過(guò)并聯(lián)使用大量程和小量程質(zhì)量流量控制器（mass flow controller，MFC），可較準(zhǔn)確地控制待測(cè)氣體的輸出濃度和輸出流量；由于部分評(píng)價(jià)指標(biāo)如MRGC和MDGC的測(cè)量中需要使待測(cè)氣體與背景黑體間具有較大溫差，我們選用中國(guó)盛威實(shí)驗(yàn)儀器廠DC-1030的低溫恒溫水浴箱來(lái)控制通入紅外氣室的待測(cè)氣體溫度，并利用保溫管連接氣體循環(huán)泵經(jīng)由恒溫水浴箱和目標(biāo)氣室設(shè)計(jì)氣體循環(huán)路徑，實(shí)現(xiàn)氣室內(nèi)待測(cè)氣體的循環(huán)制冷并加速氣體濃度混合均勻。

圖3 雙腔紅外氣室

實(shí)際搭建的氣體泄漏熱成像檢測(cè)系統(tǒng)性能的評(píng)價(jià)測(cè)試系統(tǒng)如圖4所示。由于測(cè)量MDLR需在開(kāi)放空間釋放待測(cè)氣體，并嚴(yán)格控制風(fēng)力等環(huán)境影響因素，出于對(duì)實(shí)驗(yàn)安全性和穩(wěn)定性等方面的考慮，在后續(xù)實(shí)驗(yàn)室測(cè)量實(shí)驗(yàn)中未進(jìn)行MDLR測(cè)試。

圖4 多指標(biāo)測(cè)量的評(píng)價(jià)測(cè)試系統(tǒng)

2 性能指標(biāo)測(cè)量方法及結(jié)果分析

在實(shí)驗(yàn)室條件下，使用測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)了各性能指標(biāo)的測(cè)量實(shí)驗(yàn)，測(cè)量了自研的非制冷氣體泄漏熱成像檢測(cè)系統(tǒng)[15]對(duì)乙烯和甲烷氣體成像檢測(cè)的NECL、MRGC和MDGC三種性能評(píng)價(jià)指標(biāo)值。該系統(tǒng)的響應(yīng)波長(zhǎng)為6.5～12mm，探測(cè)器像元數(shù)640×512，像元尺寸17mm，物鏡焦距40mm，F(xiàn)數(shù)0.8，特征頻率0＝1.1765cyc/mrad。

2.1 NECL測(cè)量方法及結(jié)果分析

2.1.1 NECL測(cè)量方法

NECL定義為氣體泄漏熱成像檢測(cè)系統(tǒng)輸出目標(biāo)圖像信噪比為1時(shí)，沿檢測(cè)系統(tǒng)視線方向的氣體濃度分布路徑積分。測(cè)量NECL可使用單氣室分時(shí)段測(cè)試[3]或雙氣室測(cè)試[5]，設(shè)計(jì)的測(cè)試系統(tǒng)采用雙腔紅外氣室測(cè)量NECL，可避免單氣室測(cè)量的繁瑣操作，并減少時(shí)間噪聲對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響?；谠u(píng)價(jià)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的NECL測(cè)量方法如下：

1）調(diào)整氣體泄漏熱成像檢測(cè)系統(tǒng)正對(duì)紅外氣室雙腔中心，取下雙孔擋板的空白參考靶標(biāo)，轉(zhuǎn)動(dòng)靶標(biāo)盤(pán)將測(cè)試靶標(biāo)位置切換為空孔，使紅外氣室兩腔成像在氣體泄漏熱成像檢測(cè)系統(tǒng)的視野中心區(qū)域，調(diào)整成像系統(tǒng)位置，使雙孔擋板高發(fā)射率一面覆蓋成像系統(tǒng)的全部視場(chǎng)；

2）利用無(wú)紅外吸收的氮?dú)馇逑垂艿篮蜌馐?，排出氣路?nèi)二氧化碳、水蒸氣和實(shí)驗(yàn)殘余氣體等影響測(cè)量結(jié)果的干擾氣體；

3）調(diào)節(jié)背景黑體溫度為b，目標(biāo)氣室內(nèi)待測(cè)氣體溫度為g，兩者溫差Δ＝b－g保持一定時(shí)，采集連續(xù)100幀14位圖像原始數(shù)據(jù)，分別在成像區(qū)域目標(biāo)氣室和參考?xì)馐椅恢脤?duì)應(yīng)選定成像均勻的30×30像元區(qū)域，計(jì)算兩像元區(qū)域內(nèi)像元信號(hào)平均值分別為test和ref，令＝test/ref，表示兩氣室測(cè)試信號(hào)的轉(zhuǎn)換系數(shù)，可用于修正氣室位置、窗口材料等不同引入的測(cè)量誤差。

5）由于待測(cè)氣體的紅外吸收特性，背景輻射信號(hào)經(jīng)由待測(cè)氣體被探測(cè)器接收后會(huì)產(chǎn)生信號(hào)衰減，利用雙腔氣室測(cè)量時(shí)信號(hào)衰減表示為Δ()＝￠ref·－￠test，其中￠test和￠ref分別表示目標(biāo)和參考?xì)馐曳较驅(qū)?yīng)選定像元區(qū)域內(nèi)信號(hào)的平均值；

6）調(diào)節(jié)目標(biāo)氣室內(nèi)待測(cè)氣體濃度，重復(fù)采集圖像數(shù)據(jù)并計(jì)算對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)信號(hào)和噪聲，計(jì)算不同濃度待測(cè)氣體的系統(tǒng)輸出圖像信噪比SNR()為：

7）利用測(cè)量數(shù)據(jù)中系統(tǒng)信噪比與待測(cè)氣體濃度的對(duì)應(yīng)關(guān)系擬合曲線，根據(jù)曲線擬合結(jié)果對(duì)應(yīng)信噪比SNR()＝1時(shí)的氣體濃度沿儀器視線方向的路徑積分即為NECL(Δ)。

2.1.2 NECL測(cè)量結(jié)果分析

圖5為實(shí)際測(cè)試場(chǎng)景中氣體泄漏熱成像檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)雙腔紅外氣室的成像圖像，圖中從左往右兩塊圓形區(qū)域分別為未充入待測(cè)氣體的參考?xì)馐液统淙氪郎y(cè)氣體的目標(biāo)氣室成像區(qū)域，兩區(qū)域內(nèi)像素值較低部分為腔室內(nèi)壁的成像區(qū)域，像素值較高部分為背景黑體經(jīng)腔室內(nèi)氣體的成像區(qū)域。

圖5 實(shí)測(cè)中雙腔紅外氣室的成像圖

根據(jù)上述NECL測(cè)量方法，測(cè)試時(shí)會(huì)在參考?xì)馐液湍繕?biāo)氣室相應(yīng)的氣體成像區(qū)域內(nèi)對(duì)應(yīng)選定固定大小且成像均勻的像元塊進(jìn)行采樣，并利用轉(zhuǎn)換系數(shù)做了相應(yīng)修正，不會(huì)影響最終的測(cè)量結(jié)果。實(shí)際測(cè)量時(shí)對(duì)待測(cè)氣體為28.1℃的乙烯氣體進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)得的氣體目標(biāo)與背景間溫差為－10～10K的乙烯氣體濃度與系統(tǒng)信噪比對(duì)應(yīng)關(guān)系的測(cè)量結(jié)果及擬合曲線如圖6所示，根據(jù)圖中測(cè)量數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)信噪比隨氣體濃度的變化先遵循對(duì)數(shù)關(guān)系，再趨于線性。這是由于隨著目標(biāo)氣體濃度的提高，氣體某些譜線的單色透射逐漸飽和，最終導(dǎo)致相應(yīng)波長(zhǎng)的所有光子能量被衰減，此時(shí)，通過(guò)提高氣體濃度無(wú)法增大系統(tǒng)信噪比。

圖6 不同溫差乙烯濃度-信噪比測(cè)量數(shù)據(jù)及擬合曲線

根據(jù)NECL的定義，溫差為0K時(shí)，系統(tǒng)噪聲對(duì)信噪比-濃度的測(cè)量結(jié)果影響較大，由圖6的測(cè)量結(jié)果可見(jiàn)溫差為0K時(shí)曲線擬合效果較差，根據(jù)擬合曲線測(cè)得的NECL值沒(méi)有實(shí)際意義，計(jì)算其他溫差下對(duì)應(yīng)的NECL值及其擬合曲線如圖7所示。由測(cè)量結(jié)果可知，氣體目標(biāo)與背景間的絕對(duì)溫差越大NECL值越小，絕對(duì)溫差接近于零附近的某個(gè)較小值（對(duì)應(yīng)圖7所示漸近線位置的溫差值）時(shí)，NECL值趨于無(wú)窮，此時(shí)氣體泄漏熱成像檢測(cè)系統(tǒng)無(wú)法探測(cè)到氣體目標(biāo)。因此，在對(duì)氣體泄漏熱成像檢測(cè)系統(tǒng)性能的NECL指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，需要保證較大的測(cè)量溫差，同時(shí)對(duì)不同系統(tǒng)性能該指標(biāo)的比較也應(yīng)建立在相同測(cè)量溫差下。

圖7 不同溫差NECL理想曲線和測(cè)量結(jié)果的擬合曲線

實(shí)驗(yàn)室測(cè)試NECL誤差產(chǎn)生的主要原因?yàn)椋?/p>

1）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集過(guò)程中待測(cè)氣體溫度發(fā)生變化，導(dǎo)致測(cè)量溫差不準(zhǔn)確；

2）目標(biāo)氣室內(nèi)待測(cè)氣體混合不均勻，導(dǎo)致系統(tǒng)信噪比隨氣體濃度無(wú)規(guī)律變化，最終無(wú)法擬合測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算NECL；

3）計(jì)算系統(tǒng)信噪比時(shí)選定的像元區(qū)域存在較多的像素壞點(diǎn)。

由圖6所測(cè)數(shù)據(jù)，溫差不為0時(shí)擬合曲線方程的決定系數(shù)2＞0.995，存在的測(cè)量誤差在常規(guī)允許范圍內(nèi)。根據(jù)其測(cè)量模型分析，由于紅外氣室窗口透過(guò)率小于1，圖中漸近線對(duì)應(yīng)溫差位置從0K向正溫差方向有較小的偏移，實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明設(shè)計(jì)的測(cè)試系統(tǒng)及NECL測(cè)量方法可有效地測(cè)量氣體泄漏熱成像檢測(cè)系統(tǒng)的NECL值。

2.2 MRGC、MDGC測(cè)量方法及結(jié)果分析

2.2.1 MRGC、MDGC測(cè)量方法

MRGC[8]和MDGC模型[10]是基于常規(guī)熱成像系統(tǒng)的MRTD和MDTD模型建立的適用于氣體目標(biāo)檢測(cè)性能的評(píng)價(jià)方法。根據(jù)定義[8,10]，MRGC和MDGC分別指觀察者不限時(shí)長(zhǎng)觀察檢測(cè)系統(tǒng)成像圖像時(shí)，恰可分辨出目標(biāo)四條帶圖案和恰可探測(cè)到圓狀圖案時(shí)對(duì)應(yīng)的待測(cè)氣體濃度沿檢測(cè)系統(tǒng)視線方向的路徑積分。由于MRGC、MDGC與MRTD、MDTD的測(cè)量原理基本相同，利用設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)系統(tǒng)，借鑒MRTD和MDTD的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)[13-14]，設(shè)計(jì)MRGC和MDGC的測(cè)量方法如下：

1）將空白參考靶標(biāo)安裝在雙孔擋板上，根據(jù)測(cè)量指標(biāo)的種類(lèi)（MRGC或MDGC）轉(zhuǎn)動(dòng)靶標(biāo)盤(pán)將測(cè)試靶標(biāo)位置切換為相應(yīng)種類(lèi)的黑體靶標(biāo)（四條帶靶標(biāo)或圓孔靶標(biāo)），使氣室目標(biāo)覆蓋靶標(biāo)鏤空部分，調(diào)整氣體泄漏熱成像檢測(cè)系統(tǒng)位置，使測(cè)試靶標(biāo)圖案位于視野中心，然后通入氮?dú)馇逑礆馐壹皻饴罚?/p>

2）測(cè)量MRGC時(shí)，首先調(diào)節(jié)目標(biāo)黑體的溫度，固定并記錄當(dāng)采集圖像均勻且完全觀察不到四條帶靶標(biāo)時(shí)的目標(biāo)黑體溫度b1；在測(cè)量MDGC時(shí)，滿足上述觀測(cè)條件的目標(biāo)黑體溫度的取值范圍較大，這里通過(guò)分別記錄目標(biāo)黑體與背景黑體之間溫差為負(fù)值和正值時(shí)觀察者恰好不能觀測(cè)到圓狀目標(biāo)圖案的目標(biāo)黑體溫度，計(jì)算兩者的平均溫度b2，并調(diào)節(jié)目標(biāo)黑體溫度為b2；

3）氣室內(nèi)待測(cè)氣體的溫度為g，保持待測(cè)氣體溫度與背景黑體間的溫差相對(duì)穩(wěn)定，逐漸增大或減小氣室內(nèi)待測(cè)氣體濃度，當(dāng)觀察者恰可分辨出四條帶目標(biāo)圖案（或定位到圓狀目標(biāo)圖案）時(shí)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的待測(cè)氣體濃度沿檢測(cè)系統(tǒng)視線方向的路徑積分即為MRGC或MDGC的測(cè)量值，假設(shè)氣室內(nèi)待測(cè)氣體濃度均勻分布，則MRGC或MDGC可表示為此時(shí)的待測(cè)氣體濃度與腔室有效長(zhǎng)度的乘積。

4）通過(guò)調(diào)整測(cè)試靶標(biāo)尺寸和氣體泄漏熱成像檢測(cè)系統(tǒng)的間隔距離，改變測(cè)試靶標(biāo)的空間頻率或角直徑，重復(fù)上述步驟，可得到反映MRGC和MDGC變化趨勢(shì)的測(cè)量結(jié)果。

2.2.2 MRGC和MDGC測(cè)量結(jié)果分析

根據(jù)實(shí)際泄漏場(chǎng)景中泄漏氣體溫度往往低于環(huán)境溫度的特點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)中測(cè)量了乙烯和甲烷氣體溫度低于背景黑體的MRGC和MDGC值。圖8(a)給出成像系統(tǒng)對(duì)乙烯氣體溫度為24.4℃、背景溫度為29.0℃和甲烷氣體溫度為25.4℃、背景溫度為29.8℃的MRGC測(cè)量值和擬合曲線，圖8(b)給出氣體泄漏熱成像檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)乙烯氣體溫度為24.3℃、背景溫度為29.0℃及甲烷氣體溫度為24.8℃、背景溫度為29.9℃的MDGC測(cè)量值和擬合曲線。

根據(jù)圖8中測(cè)量數(shù)據(jù)可以看出，乙烯氣體和甲烷氣體的MRGC測(cè)量結(jié)果隨空間頻率的變化趨勢(shì)與理論模型分析結(jié)果具有較好的一致性。對(duì)于MDGC，靶標(biāo)角直徑越大，其值越小，對(duì)應(yīng)乙烯氣體和甲烷氣體的測(cè)量值隨靶標(biāo)角直徑的變化趨勢(shì)也與理論模型推導(dǎo)結(jié)論基本相符。其中，測(cè)量誤差主要來(lái)源于測(cè)試環(huán)境中的溫度波動(dòng)（±0.1K）、氣體濃度的測(cè)量精度（±3%）和人眼觀測(cè)判讀時(shí)的主觀性誤差，存在的誤差在常規(guī)允許范圍之內(nèi)，表明所設(shè)計(jì)的多指標(biāo)評(píng)價(jià)測(cè)試系統(tǒng)的可行性及MRGC、MDGC測(cè)量方法的有效性。

圖8 對(duì)乙烯、甲烷氣體的MRGC和MDGC測(cè)量值

3 結(jié)論

基于對(duì)泄漏氣體自身特性及現(xiàn)有氣體泄漏熱成像檢測(cè)系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)技術(shù)的研究，設(shè)計(jì)并搭建了一種氣體泄漏熱成像檢測(cè)系統(tǒng)性能的多指標(biāo)測(cè)試評(píng)價(jià)系統(tǒng)，基于測(cè)試評(píng)價(jià)系統(tǒng)從實(shí)驗(yàn)的穩(wěn)定性和操作的簡(jiǎn)便性方面改進(jìn)了NECL、MRGC和MDGC的實(shí)驗(yàn)室測(cè)量方法，充分考慮了氣體相關(guān)特性和測(cè)試環(huán)境中的影響因素，有效減小了測(cè)量誤差，并利用乙烯和甲烷氣體進(jìn)行了測(cè)量，分析了實(shí)驗(yàn)測(cè)量誤差的主要產(chǎn)生原因，各指標(biāo)的測(cè)量結(jié)果與理論推導(dǎo)結(jié)論具有較好的一致性，說(shuō)明了用于氣體泄漏熱成像檢測(cè)系統(tǒng)性能的多指標(biāo)測(cè)試評(píng)價(jià)系統(tǒng)及其測(cè)量方法的有效性。

對(duì)于氣體泄漏熱成像檢測(cè)系統(tǒng)性能的多指標(biāo)測(cè)試評(píng)價(jià)系統(tǒng)，通過(guò)更有效的氣體濃度和溫度控制手段及研究主觀性能指標(biāo)的客觀測(cè)量方法等途徑，可進(jìn)一步減小實(shí)驗(yàn)誤差，在未來(lái)將有望發(fā)展為能夠自動(dòng)且有效評(píng)價(jià)氣體泄漏熱成像檢測(cè)系統(tǒng)性能的可靠平臺(tái)。

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Multi-index Test Evaluation System for Performance of Gas Leak Thermal Imaging Systems

QIN Chao，ZHANG Xu，YUAN Pan，JIN Weiqi，LI Li，WANG Xia

(MoE Key Lab of Photoelectronic Imaging Technology and System, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)

At present, the technology for the performance evaluation of gas leak thermal imaging detectors is not sufficiently well-developed, and there is no systematic research report on the test systems or methods of the corresponding evaluation index. However, it is difficult for the performance evaluation methods of conventional thermal imaging cameras to directly evaluate the detection capabilities of gas leak thermal imaging systems. We designed a test and evaluation system that can measure the performance of gas leak thermal imaging systems with multiple types of performance indicators. NECL, MRGC, and MDGC were measured experimentally in a laboratory environment with ethylene and methane gas as the detection target. The experimental measurements verify that the test evaluation system is feasible and practical.

gas leak thermography, performance evaluation, test system

TN219/TN216

A

1001-8891(2020)12-1134-07

2020-07-03；

2020-09-09.

秦超（1995-），男，湖南人，碩士研究生，主要從事氣體泄漏紅外成像檢測(cè)技術(shù)研究。E-mail：407394833@qq.com。

金偉其（1961-），男，上海人，教授，博士生導(dǎo)師，博士，主要從事夜視與紅外技術(shù)、光電圖像處理、光電檢測(cè)與儀器等方面的研究工作。E-mail：jinwq@bit.edu.cn。

北京市科委計(jì)劃項(xiàng)目（Z171100002817011）。