氣體泄漏熱成像檢測系統性能的多指標測試評價系統

秦 超，張 旭，袁 盼，金偉其，李 力，王 霞

〈系統與設計〉

氣體泄漏熱成像檢測系統性能的多指標測試評價系統

秦 超，張 旭，袁 盼，金偉其，李 力，王 霞

（北京理工大學 光電成像技術與系統教育部重點實驗室，北京 100081）

目前針對氣體泄漏熱成像檢測系統性能的相關評價技術還不夠成熟，相應評價指標的測試系統及其測量方法尚無系統的研究報道。而常規熱成像系統的性能評價方法難以直接用于評價氣體泄漏熱成像檢測系統對泄漏氣體的探測能力，本文結合泄漏氣體特性及各測試系統的特點，設計了一種可測量多類性能指標的氣體泄漏熱成像檢測系統性能的測試評價系統，并以乙烯和甲烷氣體為檢測目標在實驗室環境中分別對NECL、MRGC和MDGC三種評價指標進行了實驗測量，結果表明了測試評價系統的可行性和實用性。

氣體泄漏熱成像檢測；性能評價；測試系統

0 引言

近年來，基于制冷或非制冷紅外焦平面探測器的氣體泄漏熱成像檢測系統不斷推出[1-3]，在氣體泄漏檢測的市場中所占份額逐漸增加。然而，目前能夠有效評估此類設備檢測泄漏氣體能力的相關方法和技術還不成熟，相應的評價測試系統尚未統一。相應的性能指標主要分為兩大類：①第一類為直接利用泄漏氣體自身特征，將測試氣體泄漏熱成像檢測系統對該類特征的檢測極限作為描述系統檢測性能的直觀評價指標，常用評價指標為最小可探測泄漏速率（minimum detectable leak rate，MDLR）[1-2]；②第二類基于常規熱成像系統的性能評價技術，針對氣體目標的相關特性，定義了氣體泄漏熱成像檢測系統性能的實驗室測量指標，常用性能指標包括噪聲等效濃度路徑長度（noise equivalent concentration path length, NECL）[3-7]、最小可分辨氣體濃度（minimum resolvable gas concentration, MRGC）[8-9]和最小可探測氣體濃度（minimum detectable gas concentration, MDGC）[10]。其中，第一類性能指標直觀簡便、動態場景成像且無需復雜的測量系統，但其測量方法粗略，未考慮氣體溫度、濃度及吸收特性等因素影響，檢測結果難以直接定量對比；第二類性能指標綜合考慮了氣體自身特性對氣體泄漏熱成像檢測系統探測能力的影響，然而此類指標的測試原理限制其測量過程必須在實驗室環境下進行。

目前各性能指標沒有形成統一的測量標準，相應的測試系統也不完善，對于不同生產廠商或研究機構而言，使用單一指標描述氣體泄漏熱成像檢測系統性能時，其值往往不具有可比性。因此，通過搭建統一的測試系統，建立穩定的測量環境，以多指標測量的方式能夠更全面地獲取氣體泄漏熱成像檢測系統的性能。由于各評價指標性能模型的輻射傳輸過程具有較大的相似性，通過結合各指標測試系統的特點[2-3,5,8,10]，綜合考慮實驗室性能測試的安全性和穩定性，設計并搭建了一種可測量多指標的評價測試系統，能夠對常見的氣體泄漏熱成像系統性能評價指標進行測量。本文主要介紹該測試系統的設計思想，并利用該測試系統在實驗室測量了一款非制冷氣體泄漏熱成像檢測系統的性能指標，驗證了測試系統的有效性和實用性。

1 多指標測量的評價測試系統設計

1.1 測試系統設計

目前可有效描述氣體泄漏熱成像檢測系統性能的評價指標為NECL、MDLR、MRGC和MDGC，設計多指標測量的評價測試系統需要基于待測氣體的相關特性（紅外吸收特性、氣體濃度、氣體溫度、氣體壓力和氣云尺寸等），對各性能指標的測試方法和測量標準進行研究，提出相應的設計要求：①首先氣體泄漏熱成像檢測系統需要選用與待測氣體紅外吸收特性相適應的成像波段；②采用特定的氣室約束氣云尺寸，使待測氣體濃度在測量過程中均勻穩定，并從安全性考慮對氣室采用常壓設計；③需要均勻穩定且溫度可控的目標或背景輻射源作為客觀測量的基礎；④測試系統可測量多種性能指標，并且可便捷地切換需要檢測的性能指標；⑤確保與性能指標相關的測試變量如溫度、氣體濃度等可精確測得；⑥實驗過程需要保證測試的安全性。基于以上設計要求，圖1給出設計的測試系統原理框圖。

圖1 多指標測量的評價測試系統原理框圖

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

1.2 系統組成結構和功能實現

測試系統主要組成部件包括：黑體輻射源及控制器、氣體濃度混合設備、雙腔紅外氣室、恒溫水浴箱及銅管換熱器、氣體循環泵、氣體泄漏報警器、靶標轉盤、黑體雙孔擋板、濃度計、溫度計等。待測氣體泄漏熱成像檢測系統置于氣室外側，并對黑體靶標聚焦成像。上位機可控制黑體輻射源、氣體濃度混合設備、黑體靶標輪盤等，并采集處理圖像數據。

黑體雙孔擋板正面均勻噴涂高發射率黑色涂料，用于提供均勻的測試背景，通過在雙孔擋板的其中一孔安裝空白參考靶標，并與靶標轉盤配合（如圖2），可在實驗中靈活地切換靶標種類和單/雙氣室的使用。

圖2 黑體雙孔擋板和靶標轉盤

靶標轉盤可裝載5塊不同類型的黑體靶標，靶標正面均勻噴涂發射率大于0.95的黑體涂料，背面鍍制高反射率材料，并與導熱性差的材料制成的隔熱框固定，用于減小測試環境中環境溫度變化的影響。黑體靶標元件用于在實驗中測量氣體泄漏熱成像檢測系統的MRGC和MDGC，由于MRGC和MDGC分別與熱成像系統的最小可分辨溫差MRTD（minimum resolvable temperature difference）和最小可探測溫差MDTD（minimum detectable temperature difference）存在相似的測試原理[11-12]，因此根據氣體泄漏熱成像檢測系統的技術參數，借鑒MRTD和MDTD的測量標準[13-14]，設計的黑體靶標尺寸如表1所示。

表1 靶標尺寸

紅外氣室用于約束待測氣體尺寸，使測量時待測氣體的濃度均勻穩定，是氣體泄漏熱成像檢測系統性能測試系統區別于普通熱成像系統性能測試系統的關鍵組件（如圖3所示）。氣室被安裝在靶標和黑體輻射源之間，分為目標氣室和參考氣室兩個腔室，測量不同性能指標時根據需要選擇單氣室或雙氣室進行操作。此時，目標輻射由黑體輻射源經過目標氣室中待測氣體吸收后出射的輻射和待測氣體自身輻射兩部分組成，背景輻射為對應背景黑體的輻射。紅外氣室的通光口徑50mm，長度200mm，氣室窗口材料ZnSe，其表面鍍制寬波段3～14mm增透膜，外框選用導熱性差的材料聚甲基丙烯酸甲酯（Polymethyl methacrylate），以減小外部環境對氣室內待測氣體溫度的影響，在外框上合適位置還設有氣體輸入輸出口、腔內氣壓表和溫度計安裝孔等。

測試系統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，為實驗測量提供均勻穩定溫度可控的目標或背景輻射源；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，通過并聯使用大量程和小量程質量流量控制器（mass flow controller，MFC），可較準確地控制待測氣體的輸出濃度和輸出流量；由于部分評價指標如MRGC和MDGC的測量中需要使待測氣體與背景黑體間具有較大溫差，我們選用中國盛威實驗儀器廠DC-1030的低溫恒溫水浴箱來控制通入紅外氣室的待測氣體溫度，并利用保溫管連接氣體循環泵經由恒溫水浴箱和目標氣室設計氣體循環路徑，實現氣室內待測氣體的循環制冷并加速氣體濃度混合均勻。

圖3 雙腔紅外氣室

實際搭建的氣體泄漏熱成像檢測系統性能的評價測試系統如圖4所示。由于測量MDLR需在開放空間釋放待測氣體，并嚴格控制風力等環境影響因素，出于對實驗安全性和穩定性等方面的考慮，在后續實驗室測量實驗中未進行MDLR測試。

圖4 多指標測量的評價測試系統

2 性能指標測量方法及結果分析

在實驗室條件下，使用測試系統設計了各性能指標的測量實驗，測量了自研的非制冷氣體泄漏熱成像檢測系統[15]對乙烯和甲烷氣體成像檢測的NECL、MRGC和MDGC三種性能評價指標值。該系統的響應波長為6.5～12mm，探測器像元數640×512，像元尺寸17mm，物鏡焦距40mm，F數0.8，特征頻率0＝1.1765cyc/mrad。

2.1 NECL測量方法及結果分析

2.1.1 NECL測量方法

NECL定義為氣體泄漏熱成像檢測系統輸出目標圖像信噪比為1時，沿檢測系統視線方向的氣體濃度分布路徑積分。測量NECL可使用單氣室分時段測試[3]或雙氣室測試[5]，設計的測試系統采用雙腔紅外氣室測量NECL，可避免單氣室測量的繁瑣操作，并減少時間噪聲對測量結果的影響。基于評價系統設計的NECL測量方法如下：

1）調整氣體泄漏熱成像檢測系統正對紅外氣室雙腔中心，取下雙孔擋板的空白參考靶標，轉動靶標盤將測試靶標位置切換為空孔，使紅外氣室兩腔成像在氣體泄漏熱成像檢測系統的視野中心區域，調整成像系統位置，使雙孔擋板高發射率一面覆蓋成像系統的全部視場；

2）利用無紅外吸收的氮氣清洗管道和氣室，排出氣路內二氧化碳、水蒸氣和實驗殘余氣體等影響測量結果的干擾氣體；

3）調節背景黑體溫度為b，目標氣室內待測氣體溫度為g，兩者溫差Δ＝b－g保持一定時，采集連續100幀14位圖像原始數據，分別在成像區域目標氣室和參考氣室位置對應選定成像均勻的30×30像元區域，計算兩像元區域內像元信號平均值分別為test和ref，令＝test/ref，表示兩氣室測試信號的轉換系數，可用于修正氣室位置、窗口材料等不同引入的測量誤差。

5）由于待測氣體的紅外吸收特性，背景輻射信號經由待測氣體被探測器接收后會產生信號衰減，利用雙腔氣室測量時信號衰減表示為Δ()＝￠ref·－￠test，其中￠test和￠ref分別表示目標和參考氣室方向對應選定像元區域內信號的平均值；

6）調節目標氣室內待測氣體濃度，重復采集圖像數據并計算對應的系統信號和噪聲，計算不同濃度待測氣體的系統輸出圖像信噪比SNR()為：

7）利用測量數據中系統信噪比與待測氣體濃度的對應關系擬合曲線，根據曲線擬合結果對應信噪比SNR()＝1時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測量結果分析

圖5為實際測試場景中氣體泄漏熱成像檢測系統對雙腔紅外氣室的成像圖像，圖中從左往右兩塊圓形區域分別為未充入待測氣體的參考氣室和充入待測氣體的目標氣室成像區域，兩區域內像素值較低部分為腔室內壁的成像區域，像素值較高部分為背景黑體經腔室內氣體的成像區域。

圖5 實測中雙腔紅外氣室的成像圖

根據上述NECL測量方法，測試時會在參考氣室和目標氣室相應的氣體成像區域內對應選定固定大小且成像均勻的像元塊進行采樣，并利用轉換系數做了相應修正，不會影響最終的測量結果。實際測量時對待測氣體為28.1℃的乙烯氣體進行了測試，測得的氣體目標與背景間溫差為－10～10K的乙烯氣體濃度與系統信噪比對應關系的測量結果及擬合曲線如圖6所示，根據圖中測量數據可知，系統信噪比隨氣體濃度的變化先遵循對數關系，再趨于線性。這是由于隨著目標氣體濃度的提高，氣體某些譜線的單色透射逐漸飽和，最終導致相應波長的所有光子能量被衰減，此時，通過提高氣體濃度無法增大系統信噪比。

圖6 不同溫差乙烯濃度-信噪比測量數據及擬合曲線

根據NECL的定義，溫差為0K時，系統噪聲對信噪比-濃度的測量結果影響較大，由圖6的測量結果可見溫差為0K時曲線擬合效果較差，根據擬合曲線測得的NECL值沒有實際意義，計算其他溫差下對應的NECL值及其擬合曲線如圖7所示。由測量結果可知，氣體目標與背景間的絕對溫差越大NECL值越小，絕對溫差接近于零附近的某個較小值（對應圖7所示漸近線位置的溫差值）時，NECL值趨于無窮，此時氣體泄漏熱成像檢測系統無法探測到氣體目標。因此，在對氣體泄漏熱成像檢測系統性能的NECL指標進行測量時，需要保證較大的測量溫差，同時對不同系統性能該指標的比較也應建立在相同測量溫差下。

圖7 不同溫差NECL理想曲線和測量結果的擬合曲線

實驗室測試NECL誤差產生的主要原因為：

1）實驗數據采集過程中待測氣體溫度發生變化，導致測量溫差不準確；

2）目標氣室內待測氣體混合不均勻，導致系統信噪比隨氣體濃度無規律變化，最終無法擬合測量數據計算NECL；

3）計算系統信噪比時選定的像元區域存在較多的像素壞點。

由圖6所測數據，溫差不為0時擬合曲線方程的決定系數2＞0.995，存在的測量誤差在常規允許范圍內。根據其測量模型分析，由于紅外氣室窗口透過率小于1，圖中漸近線對應溫差位置從0K向正溫差方向有較小的偏移，實際測試結果表明設計的測試系統及NECL測量方法可有效地測量氣體泄漏熱成像檢測系統的NECL值。

2.2 MRGC、MDGC測量方法及結果分析

2.2.1 MRGC、MDGC測量方法

MRGC[8]和MDGC模型[10]是基于常規熱成像系統的MRTD和MDTD模型建立的適用于氣體目標檢測性能的評價方法。根據定義[8,10]，MRGC和MDGC分別指觀察者不限時長觀察檢測系統成像圖像時，恰可分辨出目標四條帶圖案和恰可探測到圓狀圖案時對應的待測氣體濃度沿檢測系統視線方向的路徑積分。由于MRGC、MDGC與MRTD、MDTD的測量原理基本相同，利用設計的評價系統，借鑒MRTD和MDTD的測量標準[13-14]，設計MRGC和MDGC的測量方法如下：

1）將空白參考靶標安裝在雙孔擋板上，根據測量指標的種類（MRGC或MDGC）轉動靶標盤將測試靶標位置切換為相應種類的黑體靶標（四條帶靶標或圓孔靶標），使氣室目標覆蓋靶標鏤空部分，調整氣體泄漏熱成像檢測系統位置，使測試靶標圖案位于視野中心，然后通入氮氣清洗氣室及氣路；

2）測量MRGC時，首先調節目標黑體的溫度，固定并記錄當采集圖像均勻且完全觀察不到四條帶靶標時的目標黑體溫度b1；在測量MDGC時，滿足上述觀測條件的目標黑體溫度的取值范圍較大，這里通過分別記錄目標黑體與背景黑體之間溫差為負值和正值時觀察者恰好不能觀測到圓狀目標圖案的目標黑體溫度，計算兩者的平均溫度b2，并調節目標黑體溫度為b2；

3）氣室內待測氣體的溫度為g，保持待測氣體溫度與背景黑體間的溫差相對穩定，逐漸增大或減小氣室內待測氣體濃度，當觀察者恰可分辨出四條帶目標圖案（或定位到圓狀目標圖案）時，此時對應的待測氣體濃度沿檢測系統視線方向的路徑積分即為MRGC或MDGC的測量值，假設氣室內待測氣體濃度均勻分布，則MRGC或MDGC可表示為此時的待測氣體濃度與腔室有效長度的乘積。

4）通過調整測試靶標尺寸和氣體泄漏熱成像檢測系統的間隔距離，改變測試靶標的空間頻率或角直徑，重復上述步驟，可得到反映MRGC和MDGC變化趨勢的測量結果。

2.2.2 MRGC和MDGC測量結果分析

根據實際泄漏場景中泄漏氣體溫度往往低于環境溫度的特點，在實驗中測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)給出成像系統對乙烯氣體溫度為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測量值和擬合曲線，圖8(b)給出氣體泄漏熱成像檢測系統對乙烯氣體溫度為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測量值和擬合曲線。

根據圖8中測量數據可以看出，乙烯氣體和甲烷氣體的MRGC測量結果隨空間頻率的變化趨勢與理論模型分析結果具有較好的一致性。對于MDGC，靶標角直徑越大，其值越小，對應乙烯氣體和甲烷氣體的測量值隨靶標角直徑的變化趨勢也與理論模型推導結論基本相符。其中，測量誤差主要來源于測試環境中的溫度波動（±0.1K）、氣體濃度的測量精度（±3%）和人眼觀測判讀時的主觀性誤差，存在的誤差在常規允許范圍之內，表明所設計的多指標評價測試系統的可行性及MRGC、MDGC測量方法的有效性。

圖8 對乙烯、甲烷氣體的MRGC和MDGC測量值

3 結論

基于對泄漏氣體自身特性及現有氣體泄漏熱成像檢測系統性能評價技術的研究，設計并搭建了一種氣體泄漏熱成像檢測系統性能的多指標測試評價系統，基于測試評價系統從實驗的穩定性和操作的簡便性方面改進了NECL、MRGC和MDGC的實驗室測量方法，充分考慮了氣體相關特性和測試環境中的影響因素，有效減小了測量誤差，并利用乙烯和甲烷氣體進行了測量，分析了實驗測量誤差的主要產生原因，各指標的測量結果與理論推導結論具有較好的一致性，說明了用于氣體泄漏熱成像檢測系統性能的多指標測試評價系統及其測量方法的有效性。

對于氣體泄漏熱成像檢測系統性能的多指標測試評價系統，通過更有效的氣體濃度和溫度控制手段及研究主觀性能指標的客觀測量方法等途徑，可進一步減小實驗誤差，在未來將有望發展為能夠自動且有效評價氣體泄漏熱成像檢測系統性能的可靠平臺。

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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技術研究。E-mail：407394833@qq.com。

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

北京市科委計劃項目（Z171100002817011）。