一种危化品气体遥测侦检装备及方法

技术领域

本发明涉及危化品气体检测技术领域，尤其涉及一种危化品气体遥测侦检装备及方法。

背景技术

随着社会生产对化学品需求的激增，全球化学品的产量和品种也随之大幅上升。由于危化品具有易燃、易爆、有毒、有害及放射性等特性，其生产工艺也相对复杂，使得危化品企业固有风险往往较高，容易发生危化品气体泄漏，进而造成危化品事故。危化品企业在生产、存储、使用、经营、运输过程中，急需可以快速完成危化品气体遥测侦检的设备，协助危化品企业实现区域化危化品泄漏的实时侦测和预警，从源头上降低危化品事故发生概率，减少公共救援资源的使用。同时，在危化品事故救援行动中，也需要可以在现场实时完成危化品遥测侦检的装备，及时准确地侦测危化品泄漏的种类、扩散分布和危险等级，为救援人员现场快速精准指挥、科学施救提供辅助决策，最大程度保障救援人员和周边群众的人身安全。

目前市面上的小型危化品泄漏报警器，只能对危化品存储装置和管路接头位置等小部分区域进行预警，且只能对于某一种或几种气体进行预警，对于大区域、多组分的泄漏探测预警，还没有专用装备。而根据2011版《城市消防站建设标准》，消防救援总队统一配备的消防侦检器材共有15种，其中“有毒气体探测仪”和“可燃气体探测仪”是普通消防中队必配的化学侦检装备，也是消防救援总队常见的两种化学侦检设备。但是，这些仪器存在检测程序复杂、不易掌握，仪器原理多样、适用范围不宜确定，仪器集成度高、操作难度大以及对侦检人员专业素质要求高等缺点，在实际应用中受到一定的限制。同时，由于危险化学品种类繁多、性质各异，现有救援装备种类较少、实用性不强，造成侦检效果不是十分理想。

发明内容

本发明的目的在于提供一种危化品气体遥测侦检装备及方法，可在泄漏地原位获取危化品气体在中红外波段2.5～15μm处的特征辐射或吸收光谱，实现对泄漏气体的分析。

本发明的技术方案是：一种危化品气体遥测侦检装备包括服务器、用于采集图像的镜头组、用于采集红外光谱的扫摆装置、用于将采集的红外光谱放大的红外望远系统、以及用于对放大的红外光谱进行测量的测量装置，所述镜头组、测量装置与所述服务器信号连接。

优选的，所述扫摆装置上设有不共面的进光口和出光口；所述测量装置上设有入光口，所述红外望远系统连通所述出光口和入光口。

优选的，还包括偏航装置，所述扫摆装置通过所述偏航装置相对于所述红外望远系统径向旋转。

优选的，所述镜头组采集图像的光路与所述扫摆装置采集红外光谱的光路平行。

优选的，所述扫摆装置包括用于将所述扫摆装置采集的红外光谱折射至所述红外望远系统内的红外反射镜、能水平转动的偏航扫摆电机、以及能俯仰摆动的俯仰扫摆电机，所述偏航扫摆电机固设于所述扫摆装置的内壁上，其动力输出轴上通过所述俯仰扫摆电机与所述红外反射镜连接。

优选的，所述红外望远系统包括临近所述扫摆装置设置的次反射镜和临近所述测量装置设置的主反射镜，所述次反射镜和主反射镜为球面或非球面。

所述红外望远系统为基于傅里叶变换红外光谱测量的测量装置提供被测位置的红外辐射信号。

优选的，所述主反射镜的表面积大于所述次反射镜的表面积。

优选的，所述测量装置包括动镜、分束器、定镜、红外探测器、测量反射镜、主控箱和用于接收所述红外望远系统发送的红外光谱的抛物镜，所述抛物镜与所述定镜相对设置，所述动镜与所述测量反射镜相对设置，且所述抛物镜与所述定镜的连线与所述动镜与所述测量反射镜的连线互为垂直；所述分束器设于两连线的交点处，且向抛物镜和所述动镜之间倾斜；所述红外探测器临近所述测量反射镜设置，所述红外探测器、主控箱和服务器信号连接。

本发明还提供一种危化品气体遥测侦检方法，包括：采集被测区域的探测光路并形成红外辐射信号，为傅里叶变换红外光谱提供测量输入信号，将测量信号转化为光谱数据并通过智能识别算法对其进行识别，输出被测区域的危化品气体种类。

优选的，傅里叶变换红外光谱测量包括：将采集的红外辐射信号折射后形成平行光，将该平行光分成两路反射光，其中一路为定束，另一路为动束，两路反射光因光程差的存在形成干涉，将该干涉信号转化成电信号并记录形成所述光谱数据。

与相关技术相比，本发明的有益效果为：

一、所述危化品气体遥测侦检装备采用被动红外检测方式，无需配置激光器或其他红外光源照射被测区域，可以有效避免给危化品企业或存储区域带来新的安全隐患；

二、内置有小角度的扫摆装置和大角度的偏航装置，具备单点测量和区域扫描能力，可以实现大区域高灵敏度的危化品气体泄漏监测；侦检装备可固定安装在化工园区或危化品企业内部及周边，可在泄漏发生的第一时间发出泄漏报警，将危化品事故苗头扼杀在摇篮中；

三、采用非接触式远程遥测方式，人员无须深入危险区域即可获取危化品泄漏相关信息；搭载空中或地面无人平台后，还可以获取火灾区域内部气体危化物质分布情况，为救援人员制订救援方案和人员疏散方案提供重要信息；

四、所述侦检装备体积小、重量轻、能耗低，方便救援人员携带，便于救援现场选择观测视角，获取必要的危化品泄漏信息，符合消防应急救援装备要求；

五、所述侦检装备轻量化的特点也适合搭载各类空中、地面平台形成立体侦测能力。搭载地面或空中无人平台后，可以根据提前设定的巡逻线路，深入固定安装位置无法探测的部位，完成危化品泄漏监测，实现360°全覆盖实时报警；同时，在危化品泄漏之初，气体浓度不大，远距离遥测可能无法及时发现，装备搭载无人平台可以作为有效补充，大大提高预警系统的灵敏度；

六、所述侦检装备使用的智能识别算法部署在云端，前端已部署的装备采集的光谱数据本身也可以作为算法的训练集，通过在云端不断迭代优化，将大大提高光谱快速识别的准确率；同时，云端运行的算法，也使得前端装备的升级变得十分便捷。

附图说明

图1为本发明提供的危化品气体遥测侦检装备的结构示意图。

具体实施方式

以下将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。为叙述方便，下文中如出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用。

如图1所示，本实施例提供的一种危化品气体遥测侦检装备包括服务器20、用于采集图像的镜头组1、用于采集红外光谱的扫摆装置3、用于将采集的红外光谱放大的红外望远系统8、用于对放大的红外光谱进行测量的测量装置16、以及偏航装置6。所述镜头组1、测量装置16与所述服务器20信号连接。

所述扫摆装置3和红外望远系统8构成侦检装备的探测光路，为傅里叶变换红外光谱的测量装置16提供测量输入信号。所述测量装置16将采集的光谱信号通过无线方式传输至云端光谱识别的所述服务器20，由运行在服务器20上的智能识别算法对获取的光谱数据进行识别，为用户提供被测区域的危化品气体种类。

所述扫摆装置3上设有不共面的进光口31和出光口32。所述测量装置16上设有入光口161，所述红外望远系统8连通所述出光口32和入光口161。

所述偏航装置6设于所述扫摆装置3和红外望远系统8之间，且所述扫摆装置3通过所述偏航装置6相对于所述红外望远系统8径向旋转。

所述镜头组1具有可见光/红外成像功能，其包括可见光相机和红外相机各一。可以使用一台微光相机替代。所述镜头组1采集图像的光路与所述扫摆装置3采集红外光谱的光路平行。所述镜头组1采集的图像通过无线方式传输至云端光谱识别的所述服务器20，为用户提供可见的被测区域图像。

所述扫摆装置3为能实现±15°以内的小角度扫摆，以调整探测光路，以便根据用户需要调整被测区域的位置。所述扫摆装置3包括用于将所述扫摆装置3采集的红外光谱折射至所述红外望远系统8内的红外反射镜5、能水平转动的偏航扫摆电机2、以及能俯仰摆动的俯仰扫摆电机4。所述偏航扫摆电机2固设于所述扫摆装置3的内壁上，其动力输出轴上通过所述俯仰扫摆电机4与所述红外反射镜5连接。所述偏航扫摆电机2能实现小角度的红外反射镜5的水平旋转，水平旋转指其旋转轴竖向设置。

所述偏航装置6能实现整个扫摆装置3的大角度的径向旋转(水平旋转)，该径向旋转与水平旋转方向一致。所述偏航装置上安装有调节电机(未图示)，可在所述扫摆装置3无法满足用户调整被测区域的需求时，通过云端控制，水平转向用户所需的被测区域，其偏航角度为0～360°可调。

设置扫摆装置3和偏航装置6，用户可根据需要调整偏航和俯仰方向的测量角度，从而实现大区域的危化品气体遥测侦检。

所述红外望远系统8采用卡塞格林式结构设计，其包括次反射镜7和主反射镜9，所述次反射镜7位于出光口32，所述主反射镜9临近所述测量装置16的入光口161设置。所述次反射镜7和主反射镜9可采用球面设计，也可以采用非球面设计。被测区域的红外辐射经红外望远系统8放大后，自所述入光口161输入至所述测量装置16中。所述主反射镜9的表面积大于所述次反射镜7的表面积。

探测光路经所述进光口31进入，经红外反射镜5折射后输给主反射镜9，再经所述主反射镜9折射给次反射镜7，再经次反射镜7折射后形成红外辐射信号经入光口161输入至所述测量装置16中。

所述测量装置16为基于傅里叶变换红外光谱测量装置，其包括在内部安装的动镜10、分束器12、定镜13、红外探测器15、测量反射镜17、主控箱19和用于接收所述红外望远系统8发送的红外光谱的抛物镜18。所述抛物镜18与所述定镜13相对设置，所述动镜10与所述测量反射镜17相对设置，且所述抛物镜18与所述定镜13的连线与所述动镜10与所述测量反射镜17的连线互为垂直。所述分束器12设于两连线的交点处，且向抛物镜18和所述动镜10之间倾斜。所述红外探测器15临近所述测量反射镜17设置，所述红外探测器15、主控箱19和服务器20信号连接。所述动镜10能向所述分束器12的方向直线来回移动。

进入至所述测量装置6中的红外辐射信号经所述抛物镜18反射后，形成平行光输给所述分束器12。所述分束器12将输入的红外辐射信号均分给定镜13和动镜10，经该两面镜子反射后，重新回到所述分束器12。当动镜移动时，两路反射光因光程差的存在，形成干涉。该干涉信号经测量反射镜17反射后到达红外探测器15，由所述红外探测器15将其转换为电信号后，输给所述主控箱19。所述主控箱19将不同光程差条件下形成的干涉信号记录下来后，通过无线方式传输至云端的所述服务器20。

所述的分束器12一般采用ZnSe材质，以适应装备实际使用环境中的高湿度要求。为方便户外携带使用，红外探测器15采用闭循环窄带MCT检测器。如采用固定安装模式，也可以使用液氮致冷的MCT检测器作为所述红外探测器15。

本发明还提供一种危化品气体遥测侦检方法，包括：采集被测区域的探测光路并形成红外辐射信号，为傅里叶变换红外光谱提供测量输入信号；

傅里叶变换红外光谱测量包括：将采集的红外辐射信号折射后形成平行光，将该平行光分成两路反射光，其中一路为定束，另一路为动束，两路反射光因光程差的存在形成干涉，将该干涉信号转化成电信号并记录形成所述光谱数据；

将测量信号转化为光谱数据并通过智能识别算法对其进行识别，输出被测区域的危化品气体种类。如，云端光谱识别的所述服务器20在接收到主控箱19传来的前端被测区域红外辐射的干涉信号后，对信号进行必要的数据处理，进一步提高信号的信噪比。处理后的干涉信号由深度学习算法分析后，为用户提供信号中包含的危化品气体种类。

该装备基于傅里叶变换红外光谱分析原理，采用被动遥测方式，可在泄漏地原位获取危化品气体在中红外波段2.5～15μm处的特征辐射或吸收光谱，通过运行在云端的智能识别算法，实现对泄漏气体的分析。这种前端光谱快速采集，后端高效识别的模式，将大大改善现有化学侦测设备检测程序复杂、操作难度大，仪器原理多样、适用范围不易确定、仪器集成度不高、实战效果不佳的等问题，成为消防救援部队、危化品企业、环保部门等单位的实用装备。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。