ГАЗОАНАЛИЗАТОР Российский патент 2023 года по МПК G01N21/3504 

Область техники

Изобретение относится к газоанализатору, например, предназначенному для обнаружения утечки газа, такого как метан, в любую окружающую среду, в частности, вне помещения.

Предшествующий уровень техники

Во многих ситуациях необходимо определять, присутствует ли идентифицированный газ в зоне пространства, как в окружающей среде вне помещения, так и внутри замкнутого объема, например, в здании или в шахте. Это необходимо, чтобы подтвердить безопасность места, которое может содержать какое-то количество опасного или токсичного газа, или чтобы выявить случайную утечку в трубопроводе для транспортировки или распределения газа. В частности, такие потребности обнаружения относятся к трубопроводам для транспортировки и распределения метана (СН₄), но они существуют также и в случае других газов в зависимости от рассматриваемых применений.

Известным способом обнаружения газа является применение инструмента для получения изображений, являющегося чувствительным в спектральной полосе излучения, в которой газ является поглощающим. Описания такого способа представлены в документах US 2016/097713 и US 2018/011009. В целом, речь идет об инфракрасной полосе, при которой атмосфера является по меньшей мере частично прозрачной, и съемку изображений одной и той же сцены производят многократно. Когда в сцене происходит выброс газа таким образом, что распределение газа меняется внутри входного оптического поля инструмента для получения изображений, снимаемые последовательно изображения содержат зоны, в которых сцена по меньшей мере частично затеняется газом, и границы этих зон меняются между последовательными изображениями. Именно эти изменения позволяют подтвердить присутствие газа при условии, что сцена, отображаемая на заднем плане, является статичной.

Однако такой способ обнаружения обычно приводит к большому числу ложных тревожных сигналов. Эти ложные сигналы могут быть, в частности, связаны с задним планом снимаемых изображений, влияние которого на эти изображения ошибочно относят к выявляемому газу. Например, такое влияние может быть результатом прямого и переменного солнечного освещения на элементах сцены, которые присутствуют на заднем плане.

Техническая проблема

С учетом этой ситуации задачей настоящего изобретения является разработка нового способа обнаружения газа, который 111характеризуется меньшим числом ложных сигналов. В частности, существует потребность в таком способе, который позволяет более эффективно различать выявляемый газ по отношению к элементам сцены, присутствующим на заднем плане, которые могут существовать в разных окружающих средах вне помещения или внутри.

Другой задачей изобретение является также предложить количественный способ обнаружения газа, который позволяет оценить количество газа, присутствующего в зоне пространства, в отличие от способа, ограниченного оценкой временных изменений этого количества.

Задачей изобретения также является предложить такой способ обнаружения газа, который можно легко применять на месте, то есть там, где имеется подозрение на присутствие газа. В частности, изобретение призвано предложить газоанализатор, который не является тяжелым и габаритным, в частности, чтобы его можно было легко переносить или установить на борту беспилотного летательного аппарата.

Наконец, еще одной задачей изобретения является предложить способ обнаружения газа, который дает результат количественной оценки в реальном времени или почти в реальном времени.

Раскрытие изобретения

Для решения по меньшей мере одной из этих задач или другой задачи изобретением предложен новый газоанализатор для обнаружения по меньшей мере одного газа, который называют целевым газом и который может присутствовать в поле зрения. Этот газоанализатор содержит:

- блок съемки изображений, который содержит по меньшей мере два оптических канала, расположенных параллельно, чтобы снимать раздельно и одновременно соответствующие изображения c одним и тем же содержанием в поле зрения, называемые спектральными изображениями, в разных спектральных полосах, причем для каждой из спектральных полос предназначен один соответствующий канал из указанных каналов;

- первые средства получения данных, выполненные с возможностью получения значения температуры окружающей среды, предназначенного для приписывания к количеству целевого газа, который присутствует в поле зрения между сценой заднего плана и блоком съемки изображений;

- вторые средства получения данных, выполненные с возможностью получения по меньшей мере для одной из спектральных полос, называемой полосой анализа, значений яркостной температуры заднего плана, которые предназначены для приписывания к элементам сцены заднего плана;

- блок обработки изображений, выполненный с возможностью получения спектральных изображений, снятых каждым каналом блока съемки изображений, и с возможностью определения, раздельно для каждой полосы анализа, и оценки коэффициента пропускания излучения, который относится к указанной полосе анализа и который приписан, по меньшей мере частично, к количеству целевого газа, присутствующего в части поля зрения между элементами сцены заднего плана и блоком съемки изображений, на основе уравнения, которое объединяет:

- значение температуры окружающей среды,

- значение яркостной температуры заднего плана, приписанное к элементам сцены заднего плана в указанной части поля зрения, для указанной полосы анализа, и

- по меньшей мере одно значение яркостной температуры, называемое значением кажущейся яркостной температуры, которое соответствует снятому спектральному изображению для полосы анализа, в указанной части поля зрения; и

- вычислительный блок, выполненный с возможностью определения оценки количества целевого газа, присутствующего в поле зрения, на основе значения коэффициента пропускания излучения, относящегося к полосе анализа.

В частности, часть поля зрения, для которой производят оценку количества присутствующего в ней целевого газа, может соответствовать точке (пикселю) спектрального изображения, снятого для этой полосы анализа. Альтернативно, она может соответствовать группе из нескольких точек изображения, которые могут быть смежными друг с другом.

Согласно изобретению, первые средства получения данных выполнены с возможностью получения значения температуры окружающей среды в соответствии с одним из следующих подходов:

- на основе по меньшей мере части спектрального изображения, снятого одним из каналов блока съемки изображений, причем указанная часть спектрального изображения соответствует сектору поля зрения, который указан или считается как не имеющий элементов сцены заднего плана; и

- на основе по меньшей мере части спектрального изображения, снятого одним из каналов блока съемки изображений, соответствующая спектральная полоса которого содержится в спектральной области полной непрозрачности газа, присутствующего в секторе поля зрения, соответствующем части спектрального изображения,

Таким образом, благодаря изобретению, нет необходимости, чтобы газоанализатор содержал дополнительный температурный датчик, в частности, такой температурный датчик, который производит измерение температуры. Это упрощает конструкцию газоанализатора. Кроме того, учитывая, что значение температуры окружающей среды получают аналогично получению значения яркостной температуры для каждой полосы анализа, в результате получают лучшее согласование значений, что повышает надежность и точность обнаружения целевого газа.

Согласно дополнительному признаку изобретения, газоанализатор выполнен с возможностью снимать спектральное изображение, по меньшей мере часть которого используется для получения значения температуры окружающей среды, одновременно или во время цикла съемки изображения, такого как спектральное изображение в каждой полосе анализа, в тех случаях, когда блок обработки изображений затем комбинирует указанное значение температуры окружающей среды по меньшей мере с одним значением яркостной температуры указанного спектрального изображения в полосе анализа.

Таким образом, каждый цикл работы газоанализатора может быть достаточным и автономным для получения оценки количества целевого газа, которое присутствует в части поля зрения, не прибегая к использованию ранее снятого(ых) спектрального(ых) изображения(ий). Это позволяет уменьшить ресурсы памяти газоанализатора и обеспечивать временную когерентность между соответствующим содержанием спектральных изображений, которые комбинируют для получения оценки количества целевого газа.

В различных вариантах выполнения изобретения блок съемки изображений может содержать, например, два, четыре, шесть, девять, двенадцать или шестнадцать расположенных параллельно каналов без ограничения, но предпочтительно не более двадцати каналов.

Уравнение, которое может использовать блок обработки изображений для оценки коэффициента пропускания излучения, который относится к полосе анализа и который по меньшей мере частично приписан к целевому газу, может иметь следующий вид:

τ_{полоса_1} = 1 + (ТВ_{кажущаяся_1} - ТВ_{задний план_1})/( ТВ_{задний план_1} - Т_{окружающая}),

где

τ_{полоса_1} - значение коэффициента пропускания излучения, который относится к полосе анализа, обозначаемого полоса_1, и, по меньшей мере частично, приписан к целевому газу, присутствующему в части поля зрения,

Т_{окружающая} - значение температуры окружающей среды, получаемое при помощи первых средств (21) получения данных,

ТВ_{задний план_1} - значение яркостной температуры заднего плана, получаемое при помощи вторых средств (22) получения данных и приписываемое к элементам сцены заднего плана, содержащимся в части поля зрения, для полосы анализа полоса_1, и

ТВ_{кажущаяся_1} - значение кажущейся яркостной температуры, которое соответствует спектральному изображению, снятому для полосы анализа полоса_1, в части поля зрения.

Такое уравнение является простым и быстрым в применении и совместимо с получением количественного результата обнаружения целевого газа в реальном времени или почти в реальном времени. Если значение, полученное таким образом для коэффициента пропускания τ_{полоса_1}, не находится между 0 и 1, включая пределы, то результат можно отбросить. Такое несоответствие может быть вызвано изменением заднего плана между моментом, для которого была определена яркостная температура заднего плана, и моментом съемки спектрального изображения, используемого для определения кажущейся яркостной температуры. Оно может быть также вызвано изменением температуры окружающей среды между моментом, для которого была определена эта окружающая температура, и моментом съемки спектрального изображения, используемого для определения кажущейся яркостной температуры. Другой причиной может быть присутствие другого газа в части поля зрения, который участвует в яркости, получаемой в спектральном изображении, или который появился во время работы первых и/или вторых средств получения данных. Эти причины несоответствия можно свести к минимуму, используя первые и вторые средства получения данных, которые выдают данные, относящиеся к тому же моменту, что и момент съемки каждого спектрального изображения полосы анализа.

Предпочтительно, если газоанализатор содержит несколько полос анализа, предыдущее уравнение для оценки коэффициента пропускания излучения можно использовать отдельно для каждой из этих полос анализа, чтобы оценить коэффициент пропускания излучения, который относится к этой полосе анализа, независимо от каждой другой полосы анализа. В целом, использование нескольких полос анализа в рамках изобретения позволяет получить более надежную оценку количества целевого газа.

Предпочтительно блок обработки изображений может быть также выполнен с возможностью применять для каждого спектрального изображения, получаемого при помощи блока съемки изображений, коррекцию значений яркости, чтобы учитывать по меньшей мере один атмосферный компонент, присутствующий в поле зрения. При этом блок обработки изображений использует скорректированные значения яркости, чтобы оценить коэффициент пропускания излучения, относящийся к каждой полосе анализа. Учитываемым атмосферным компонентом может быть водяной пар и/или, возможно, диоксид углерода.

Вычислительный блок может быть выполнен с возможностью определять количество целевого газа, присутствующее в части поля зрения и обозначаемое Q_{целевой газ}, путем инвертирования уравнения, которое связывает значение коэффициента пропускания излучения с этим количеством целевого газа, для каждой полосы анализа. Действительно, в упрощенном случае однородного распределения целевого газа в газовом флейфе уравнение может иметь вид: τ_{полоса_1} = exp(-Q_{целевой газ}⋅Abs_{полоса_1}), где Abs_{полоса_1} является коэффициентом поглощения целевого газа в полосе анализа полоса_1. Вместе с тем, можно осуществить более точное вычисление, чтобы учитывать более сложные колебания концентрации целевого газа в шлейфе. В этом случае для каждой полосы анализа предпочтительно иметь таблицу значений коэффициента пропускания излучения в зависимости от профилей концентрации целевого газа вдоль пути излучения, который соединяет элемент сцены заднего плана с блоком съемки изображений. Для этого вычислительный блок предпочтительно может быть выполнен с возможностью определять количество целевого газа, присутствующее в части поля зрения, сравнивая значения коэффициентов пропускания излучения, которые были получены блоком обработки изображений раздельно для нескольких полос анализа, со значениями коэффициентов пропускания излучения, которые были заранее определены для этих же полос анализа. Это позволяет уменьшить погрешности, которые могут влиять на числовые результаты, полученные для концентрации целевого газа. Значения, заранее определенные, возможно, во время предварительных вычислений для коэффициентов пропускания излучения, могут быть сохранены в блоке хранения данных, доступном для вычислительного блока. Они касаются различных профилей концентрации целевого газа на пути излучения, который соединяет элемент сцены заднего плана с блоком съемки изображений. При этом значение количества целевого газа соответствует пространственному интегрированию профиля концентрации целевого газа по пути излучения между элементом сцены заднего плана и блоком съемки изображений. Такое использование заранее определенных значений, в виде таблицы, индексированной в зависимости от профилей концентрации целевого газа, позволяет уменьшить вычисления, производимые во время каждого цикла обнаружения целевого газа. Таким образом, количественный результат обнаружения целевого газа может быть получен в реальном времени или почти в реальном времени для каждого осуществляемого цикла обнаружения.

Предпочтительно спектральные полосы каналов блока съемки изображений могут быть такими, что целевой газ имеет значения коэффициента поглощения, различающиеся между двумя разными спектральными полосами. Альтернативно или в комбинации, спектральные полосы каналов блока съемки изображений могут быть такими, что целевой газ имеет значения частного, разные между двумя разными спектральными полосами, причем частное вычисляется для каждой спектральной полосы как значение коэффициента поглощения целевого газа в этой спектральной полосе, деленное на значение коэффициента поглощения по меньшей мере одного атмосферного компонента в поле зрения в этой же спектральной полосе.

Если значение температуры окружающей среды получают с помощью первых средств получения данных на основе части спектрального изображения части, которая соответствует сектору поля зрения, который указан или считается как не имеющий элементов сцены заднего плана, блок съемки изображений может быть ориентирован для съемки этого спектрального изображения таким образом, чтобы сектор поля зрения был по меньшей мере частично занят зоной неба, без промежуточного элемента сцены между зоной неба и блоком съемки изображений.

В целом, значение температуры окружающей среды может соответствовать значению яркостной температуры атмосферного компонента, которое выводят из соответствующей части спектрального изображения для спектральной полосы используемого канала.

Вторые средства получения данных могут быть выполнены с возможностью получения значений яркостной температуры заднего плана в соответствии с одним из следующих подходов:

- на основе по меньшей мере одного спектрального изображения, которое содержит один из элементов сцены заднего плана, которое было снято каналом блока съемки изображений, выделенным для полосы анализа, и которое указано или считается снятым, когда поле зрения не содержало целевого газа;

- на основе по меньшей мере одного спектрального изображения, которое содержит один из элементов сцены заднего плана, которое было снято одним из каналов блока съемки изображений, для которого соответствующая спектральная полоса, называемая контрольной полосой, содержится в спектральной области прозрачности целевого газа, или в котором полоса прозрачности целевого газа имеет большую прозрачность, чем в каждой полосе анализа, при этом блок обработки изображений выполнен с возможностью идентифицировать материал элемента сцены заднего плана на основе указанного спектрального изображения, снятого для контрольной полосы, и с возможностью вывести значение яркостной температуры заднего плана для каждой полосы анализа и для указанного элемента сцены заднего плана на основе значения температуры окружающей среды и значения спектрального коэффициента излучения материала, идентифицированного для указанного элемента сцены заднего плана; и

- на основе по меньшей мере одного спектрального изображения, которое содержит один из элементов сцены заднего плана, которое было снято одним из каналов блока съемки изображений, для которого соответствующая спектральная полоса, называемая контрольной полосой, содержится в спектральной области прозрачности целевого газа, или в котором полоса прозрачности целевого газа имеет большую прозрачность, чем в каждой полосе анализа, при этом блок обработки изображений выполнен с возможностью выводить значения яркостной температуры заднего плана для каждой полосы анализа, используя линейную регрессию, на основе значений яркостной температуры заднего плана, выведенных из спектрального изображения, снятого для контрольной полосы.

В предпочтительном варианте можно применять несколько линейных регрессий раздельно в зонах разложения, общих для спектральных изображений. Эти зоны разложения могут быть определены на основе спектрального изображения, которое было снято для контрольной полосы, и они являются такими, что значения яркостной температуры в этом спектральном изображении меняются в ограниченной степени внутри каждой зоны разложения.

Предпочтительно, когда вторые средства получения данных выполнены также с возможностью получать значения яркостной температуры заднего плана на основе по меньшей мере одного спектрального изображения, снятого каналом блока съемки изображений, для которого спектральная полоса, которая соответствует контрольной полосе, при этом газоанализатор может быть выполнен с возможностью снимать спектральное изображение, которое соответствует этой контрольной полосе, одновременно или во время цикла съемки изображения, такого как спектральное изображение для каждой полосы анализа.

Таким образом, получают следующие дополнительные преимущества изобретения:

- каждый цикл работы газоанализатора является достаточным и автономным для получения оценки количества целевого газа, не прибегая к снятому(ым) ранее одному или нескольким спектральным изображениям;

- можно уменьшить ресурсы памяти газоанализатора; и

- обеспечивается согласование по времени между соответствующими содержаниями спектральных изображений, которые комбинированы для получения оценки количества целевого газа.

В предпочтительных вариантах выполнения изобретения блок съемки изображений может содержать матричный датчик изображений, общий для всех каналов и чувствительный одновременно во всех спектральных полосах этих каналов. При этом часть фоточувствительной поверхности этого датчика изображений может быть выделена для каждого канала отдельно от каждого другого канала. В этом случае каждый канал содержит внутри блока съемки изображений:

- оптическую часть, выполненную с возможностью формировать изображение содержания поля зрения на части фоточувствительной поверхности, выделенной для этого канала, при этом поле зрения является общим для всех каналов; и

- средства спектральной фильтрации, выполненные с возможностью определять спектральную полосу канала.

Такая оптическая конфигурация позволяет реализовать блок съемки изображений в виде единого модуля, который является исключительно компактным и имеет небольшой вес. При этом газоанализатор может быть портативным и/или может быть легко установлен на борту беспилотного летательного аппарата. Возможность использования на борту беспилотного летательного аппарата представляет особый интерес, когда отслеживаемый газ является опасным, в частности, когда он является токсичным.

Датчик изображений может быть квантовым датчиком, и необязательно газоанализатор может дополнительно содержать средства охлаждения, выполненные с возможностью охлаждать датчик изображений до температуры ниже 150 К (Кельвина).

В целом в рамках изобретения каждый канал блока съемки изображений может содержать средства спектральной фильтрации таким образом, что спектральная полоса этого канала имеет ширину, составляющую от 10 нм (нанометров) до 500 нм (или 0,50 мкм) в смысле длины волны излучения. Эти средства спектральной фильтрации могут быть выполнены таким образом, чтобы спектральные полосы каналов содержались в первой спектральной области, соответствующей длинам волн излучения, составляющим от 7 мкм до 10 мкм. Эту первую спектральную область часто обозначают как LWIR от “long-wavelength infrared” (длинноволновая часть спектра инфракрасного излучения). В альтернативном варианте средства спектральной фильтрации могут быть выполнены таким образом, чтобы спектральные полосы каналов содержались во второй спектральной области, соответствующей длинам волн излучения, составляющим от 3 мкм до 5 мкм. Эту вторую спектральную область часто обозначают как MWIR от “mid-wavelength infrared” (средневолновая часть спектра инфракрасного излучения).

В случае заявленного газоанализатора, адаптированного для метана в качестве целевого газа и работающего в области LWIR:

- спектральная полоса первого из каналов может располагаться вокруг 7,7 мкм с шириной спектральной полосы, меньшей 0,35 мкм;

- спектральная полоса второго из каналов может располагаться вокруг 8,05 мкм с шириной спектральной полосы, меньшей 0,35 мкм;

- спектральная полоса третьего из каналов, который является необязательным, может располагаться вокруг 7,35 мкм с шириной спектральной полосы, меньшей 0,35 мкм;

- спектральная полоса четвертого из каналов, который тоже является необязательным, может располагаться вокруг 8,35 мкм или 9,05 мкм с шириной спектральной полосы, меньшей 0,35 мкм.

В случае другого заявленного газоанализатора, который тоже адаптирован для метана в качестве целевого газа, но работает в области МWIR:

- спектральная полоса первого из каналов может располагаться вокруг 3,375 мкм с шириной спектральной полосы, меньшей 0,30 мкм;

- спектральная полоса второго из каналов может располагаться вокруг 3,225 мкм с шириной спектральной полосы, меньшей 0,30 мкм;

- спектральная полоса третьего из каналов, который является необязательным, может располагаться вокруг 3,05 мкм с шириной спектральной полосы, меньшей 0,30 мкм; и

- спектральная полоса четвертого из каналов, который тоже является необязательным, может располагаться вокруг 4,237 мкм или 3,505 мкм с шириной спектральной полосы, меньшей 0,30 мкм.

В некоторых случаях трудно иметь полосно-пропускающий фильтр для получения спектральной полосы по меньшей мере одного из оптических каналов блока съемки изображений. В этом случае можно реализовать этот оптический канал в виде составного оптического канала при помощи двух из оптических каналов блока съемки изображений, которые в этом случае называют базовыми оптическими каналами. При этом спектральная полоса составного оптического канала является результатом относительных положений и спектральных ширин соответствующих спектральных полос двух базовых оптических каналов. Спектральный фильтр каждого базового оптического канала может быть полосно-пропускающим фильтром, в частности, со спектральным положением и/или спектральной шириной, которые отличаются от спектрального положения и/или спектральной ширины составного оптического канала, или может быть фильтром нижних частот или верхних частот. В этом случае газоанализатор, в частности, блоки съемки и обработки изображений могут быть выполнены с возможностью комбинировать спектральные изображения, снятые раздельно двумя базовыми оптическими каналами для одного и того же содержания поля зрения, чтобы получить спектральное изображение, соответствующее спектральной полосе составного оптического канала. В частности, газоанализатор может быть выполнен с возможностью вычислять разность между спектральными изображениями, снятыми двумя базовыми оптическими каналами для одного и того же содержания поля зрения, чтобы получить спектральное изображение, соответствующее спектральной полосе составного оптического канала.

Наконец, в целом заявленный газоанализатор может быть выполнен с возможностью обнаруживать несколько разных целевых газов, которые могут присутствовать одновременно в одном и том же поле зрения. В этом случае спектральная полоса по меньшей мере одного из каналов блока съемки изображений может содержаться одновременно в соответствующих спектральных областях поглощения по меньшей мере двух из целевых газов. Таким образом, одно и тоже спектральное изображение, снятое этим каналом, может использоваться блоком обработки изображений и вычислительным блоком для определения оценок соответствующих количеств этих по меньшей мере двух целевых газов, присутствующих в поле зрения. Иначе говоря, одна и та же спектральная полоса блока съемки изображений может служить полосой анализа для указанных по меньшей мере двух целевых газов.

Краткое описание фигур

Признаки и преимущества настоящего изобретения будут более очевидны из нижеследующего подробного описания не ограничительных примеров выполнения со ссылками на прилагаемые фигуры, на которых:

Фиг. 1 - вид в разрезе блока съемки изображений, являющегося частью заявленного газоанализатора.

Фиг. 2 - структурная схема различных элементов заявленного газоанализатора.

Фиг. 3 иллюстрирует возможное использование заявленного газоанализатора.

Подробное описание изобретения

Для большей ясности размеры элементов, показанных на этих фигурах, не соответствуют ни реальным размерам, ни реальным соотношениям размеров. Кроме того, на различных фигурах идентичные элементы или элементы с идентичными функциями имеют одинаковые обозначения.

В дальнейшем изобретение описано подробно для газоанализатора с четырьмя оптическими каналами, при этом газоанализатор выполнен с возможностью обнаруживать присутствие газообразного метана в наземной окружающей среде. При этом спектральные полосы выбирают не только к зависимости от обнаруживаемого целевого газа, то есть метана, но также в зависимости от полос поглощения компонентов земной атмосферы. Среди этих учитываемых компонентов атмосферы важным является водяной пар (Н₂О), но в рамках способа анализа, осуществляемого в газоанализаторе, может также участвовать диоксид углерода (СО₂). Вместе с тем, предполагается, что изобретение не ограничивается метаном в качестве целевого газа, что можно использовать другое число оптических каналов, причем это число каналов превышает или равно двум и предпочтительно меньше девяти, и что газоанализатор можно использовать для исследования в окружающих средах, отличных от наземной окружающей среды.

Как показано на фиг. 1, блок 10 съемки изображений может содержать оптику формирования изображений и датчик 2 изображений, которые объединены внутри одного модуля. Например, боковая стенка 11 может удерживать матрицу 2 х 2 из четырех расположенных рядом линз. Две из этих линз видны на фигуре и имеют обозначения 1а, 1b. Все линзы находятся на фиксированном расстоянии перед фоточувствительной поверхностью S датчика 2 изображений. Линзы 1а, 1b,… образуют, каждая, отдельный оптический канал, формируя соответствующие изображения контента одного входного оптического поля на раздельных частях фоточувствительной поверхности S датчика 2 изображений. Позициями 10а и 10b обозначены два оптических канала, показанные на фигуре, а позициями Sa и Sb обозначены соответствующие части фоточувствительной поверхности S датчика 2 изображений. Каждый оптический канал 10а, 10b,… дополнительно содержит спектральный фильтр 3a, 3b,… соответственно, который может находиться между линзой соответствующего оптического канала и датчиком 2 изображений. В случае необходимости, по меньшей мере одна из оптических поверхностей линзы 1а, 1b,… по меньшей мере одного из каналов 10а, 10b,… может быть адаптирована в соответствии с спектральной полосой пропускания фильтра 3а, 3b,… этого канала. При показанной конфигурации блока 10 съемки изображений расстояние между каждой линзой 1а, 1b,… и датчиком 2 изображений соответствует значению фокусного расстояния, общему для всех каналов. Таким образом, четыре оптических канала 10а, 10b,… формируют одновременно четыре отдельных изображения одного и того же контента входного оптического поля, но для разных спектральных полос, определяемых фильтрами 3а, 3b,… В настоящем описании эти отдельные изображения называются спектральными изображениями. Кроме того, можно использовать матрицу апертурных диафрагм 4а, 4b,…, чтобы корректировать относительно друг друга уровни интенсивности спектральных изображений, получаемых при помощи четырех каналов 10а, 10b,… Кроме того, между каналами 10а, 10b,… можно расположить непрозрачные разделители для устранения паразитных лучей, которые могут проходить между различными каналами.

Например, для каждого оптического канала блока 10 съемки изображений можно принять следующие цифровые значения:

фокусное расстояние линз (около 7 мм (миллиметров)),

апертурное число: около 3,9,

шаг (“pitch” на английском языке) фотодетекторов (пиксели) на фоточувствительной поверхности S датчика 2 изображений: 15 мкм (микрометров), и

поле зрения: 40° (градусов) х 30°.

Эти значения соответствуют угловому разрешению, часто обозначаемому IFOV от “instantaneous field of view” (мгновенное поле зрения) на английском языке, в 0,12° или 2,1 миллирадиана. Значение фокусного расстояния является, в частности, совместимым с наружными размерами блока 10 съемки изображений, которые являются небольшими.

Датчик 2 изображений может быть матричным квантовым датчиком, например, выполненным по технологии HgCdTe, обозначаемой как МСТ от теллурида кадмия-ртути, и является чувствительным во всех спектральных полосах пропускания фильтров 3а, 3b,… Таким образом, при каждом рабочем цикле датчика 2 изображений он передает на выходе данные четырех спектральных полос четырех каналов 10а, 10b,…. Например, четыре спектральные полосы могут принадлежать к области LWIR или принадлежать к области MWIR. В случае области LWIR, но, возможно, также для области MWIR блок 10 съемки изображений может быть связан с системой охлаждения, чтобы уменьшить тепловые выбросы излучения материалов компонентов этого блока съемки изображений, а также чтобы уменьшить фотонный шум датчика 2 изображений и фоновой инструментальный шум. При этом рабочая температура блока 10 съемки изображений может быть ниже 150 К. Если используют такую систему охлаждения, блок 10 съемки изображений содержится в вакуумной камере, часто называемой криостатом, которая термически связана с холодильной машиной. Позицией 12 обозначено прозрачное окно, которое может быть расположено перед оптическим входом блока 10 съемки изображений. Это окно образует оптическое отверстие для входа излучения в блок 10 съемки изображений и одновременно обеспечивает герметичность криостата.

В случае метана в качестве целевого газа и для обнаружения в спектральной области LWIR (длинноволновой части спектра инфракрасного излучения) можно сделать следующий выбор для спектральных полос четырех оптических каналов блока 10 съемки изображений:

для спектральной полосы полоса_1: центрована на 7,75 мкм с шириной спектральной полосы, которая может быть равна 0,30 мкм,

для спектральной полосы полоса_2: центрована на 8,05 мкм с шириной спектральной полосы, которая может быть равна 0,30 мкм,

для спектральной полосы полоса_3: центрована на 7,35 мкм с шириной спектральной полосы, которая может быть равна 0,30 мкм, и

для спектральной полосы полоса_4: центрована на 8,35 мкм или 9,05 мкм с шириной спектральной полосы, которая может быть равна 0,30 мкм.

Эти спектральные значения следует понимать в выражении длины волны, как и все спектральные значения, указанные в настоящем описании. Определенная таким образом спектральная полоса полоса_1 является очень чувствительной к присутствию метана и соответствует области сильного поглощения для этого газа. Однако она является также очень чувствительной к присутствию водяного пара в составе атмосферы. Спектральная полоса полоса_2 тоже является чувствительной к метану и к водяному пару, хотя и в меньшей степени по сравнению с полосой полоса_1. Спектральная полоса полоса_3 является малочувствительной к метану, и ее могут использовать описанные ниже средства 21 считывания. Наконец, спектральная полоса полоса_4 является особенно чувствительной к тепловому излучению всех элементов сцены, в том числе присутствующих на заднем плане. Следовательно, ее могут использовать описанные ниже средства 22 считывания.

Для метана в качестве целевого газа может быть также применен другой выбор спектральных полос для обнаружения в спектральной области MWIR (средневолновая часть спектра инфракрасного излучения), а именно:

для спектральной полосы полоса_1: центрована на 3,375 мкм с шириной спектральной полосы, которая может быть равна 0,20 мкм,

для спектральной полосы полоса_2: центрована на 3,225 мкм с шириной спектральной полосы, которая может быть равна 0,20 мкм,

для спектральной полосы полоса_3: центрована на 3,05 мкм с шириной спектральной полосы, которая может быть равна 0,20 мкм, и

для спектральной полосы полоса_4: центрована на 4,237 мкм или 3,505 мкм с шириной спектральной полосы, которая может быть равна 0,20 мкм.

При этом другом выборе спектральная полоса полоса_1 является очень чувствительной к присутствию метана, что тоже соответствует области сильного поглощения для этого газа. Преимуществом этой спектральной полосы является меньшая чувствительность к водяному пару, присутствующему в составе атмосферы. Однако она в целом является очень чувствительной к прямому падению солнечного света на элементы сцены заднего плана. Спектральная полоса полоса_2 тоже является чувствительной к метану, хотя и в меньшей степени, чем полоса полоса_1. Она является более чувствительной к присутствию водяного пара, чем спектральная полоса полоса_1, но менее чувствительной к прямому падению солнечного света тоже по сравнению со спектральной полосой полоса_1. Спектральная полоса полоса_3 является мало чувствительной к присутствию метана, но очень чувствительной к присутствию водяного пара. Ее могут использовать средства считывания. Наконец, спектральная полоса полоса_4 является очень мало чувствительной к метану на 4,237 мкм и на 3,505 мкм. На 4,237 мкм она является особенно чувствительной к диоксиду углерода, присутствующему в составе атмосферы, и ее можно тоже использовать в средствах 21 считывания. На 3,505мкм спектральная полоса полоса_4 является особенно чувствительной к элементам сцены заднего плана, и ее могут использовать средства 22 считывания.

Как показано на фиг. 2, газоанализатор содержит блок 10 съемки изображений, блок 20 обработки изображений и вычислительный блок 30, которые связаны между собой для обеспечения следующих передач данных:

- от блока 10 съемки изображений в блок 20 обработки изображений: изображения, снятые одновременно в разных спектральных полосах и обозначаемые изображение_{полоса_1},…, изображение_{полоса-4} в случае блока съемки изображений с четырьмя оптическими каналами (фиг. 1), при этом полоса_1,…, полоса_4 обозначают четыре спектральные полосы. Таким образом, изображение_{полоса_1} было снято с фильтрацией излучения в соответствии со спектральной полосой полоса_1, например, оптическим каналом 10а,…, изображение_{полоса_4} было снято с фильтрацией излучения в соответствии со спектральной полосой полоса_4 одним из оптических каналов, отличным от канала, снявшего изображение_{полоса_1};

- от блока 20 обработки изображений в вычислительный блок 30: значения коэффициентов пропускания излучения, обозначаемые τ_{полоса_1},…, τ_{полоса_4}, относящиеся раздельно к спектральным полосам полоса_1,…, полоса_4. Каждое значение одного из коэффициентов пропускания относится также к одной идентифицированной части в пределах поля зрения блока 10 съемки изображений. Например, значение каждого из коэффициентов пропускания τ_{полоса_1},…, τ_{полоса_4} определяют отдельно для каждой точки изображения или пикселя каждого спектрального изображения изображение_{полоса_1},…, изображение_{полоса-4}; и

- на выходе вычислительного блока 30: значение Q_{целевой газ} количества целевого газа, которое содержится в каждой идентифицированной части указанного поля зрения.

Позицией 21 обозначены средства для получения и передачи в блок 20 обработки изображений значения окружающей температуры Т_{окружающая}. Это значение Т_{окружающая} относится к газовой атмосфере, присутствующей в поле зрения блока 10 съемки изображений, в также относится к целевому газу, который может там присутствовать. Действительно, целевой газ, который может происходить из точечного источника с другой температурой, очень быстро достигает термического равновесия с окружающей атмосферой. Таким образом, целевой газ в основном имеет значение температуры Т_{окружающая} внутри указанного поля обзора, но за исключением, возможно, в непосредственной близости от его точечного источника, чем в большинстве случаев можно пренебречь относительно уже появившегося объема газового шлейфа целевого газа.

Средства 21, которые выдают значение Т_{окружающая} окружающей атмосферы, в общей части настоящего описания были названы первыми средствами сбора данных. В принципе они могут представлять собой температурный датчик, который может входить в контакт с атмосферой, такой как термометр. В этом случае, который не соответствует настоящему изобретению, средства 21 являются внешними относительно блока 20 обработки изображений и соединены с ним для передачи значения Т_{окружающая}.

В рамках изобретения значение Т_{окружающая} выводят в соответствии с законом Планка на основании интенсивности излучения, которая детектируется в спектральном изображении, снятом одним из оптических каналов 10а, 10b,… блока 10 съемки изображений. Для этого может понадобиться знание материалов элементов сцены, содержащихся в поле обзора, чтобы иметь значения их коэффициента излучения. Две случая позволяют оптически определить значение Т_{окружающая} с использованием обратной функции относительно температуры по закону излучения Планка В(λ, Т), где λ является длиной волны обнаруженного излучения, Т является температурой материала, испускающего это излучение, и В является обнаруженным значением яркости. Первый случай - это случай сектора в поле обзора, который обращен к зоне чистого неба, для которого поведение теплового излучения атмосферы известно. В частности, в этом случае не присутствует никакое количество целевого газа, или же используемая спектральная полоса является нечувствительной к целевому газу. Второй случай - это случай сектора входного поля обзора, который занят известным газовым составом, причем этот состав является полностью непрозрачным для используемой спектральной полосы. В этом случае элементы сцены, которые могут присутствовать на заднем плане, не участвуют в излучении, обнаруженном блоком 10 съемки изображений для этой спектральной полосы. Газовый состав должен быть известен, чтобы иметь значения его коэффициента излучения. Таким является случай в секторе поля обзора, где газовый состав не содержит целевого газа и, следовательно, соответствует составу атмосферы. В таких вариантах выполнения изобретения, когда значение Т_{окружающая} выводят из спектральных изображений, снятых блоком 10, первые средства 21 сбора данных могут находиться внутри блока 20 обработки изображений.

Позицией 22 обозначены средства для получения и передачи в блок 20 обработки изображений значений яркостной температуры заднего плана, который содержится в поле обзора, для каждой из спектральных полос. Эти средства 22 названы вторыми средствами сбора данных в общей части настоящего описания. В возможных вариантах выполнения изобретения, при которых состав заднего плана известен изначально, можно вычислить значения яркостной температуры этого заднего плана, используя закон излучения Планка, из значения окружающей температуры и значений коэффициента излучения, относящихся к различным элементам заднего плана. Для этого необходимо, чтобы поверхности этих элементов сцены заднего плана были в термическом равновесии с атмосферой. В частности, элементы сцены не должны быть источниками тепла и не должны получать прямой поток солнечного света. Такие варианты выполнения средств 22 сбора данных представляют интерес, когда газоанализатор установлен неподвижно для отслеживания зоны, в которой элементы сцены не могут изменяться по существу в масштабе нескольких десятков секунд, если не считать потенциального появления определенного количества целевого газа.

В других возможных вариантах выполнения изобретения значения яркостной температуры заднего плана для каждой спектральной полосы можно вывести из спектральных изображений, снятых блоком 10 в момент, когда в поле обзора блока 10 съемки изображений не присутствует никакое количество целевого газа. В таких других вариантах выполнения изобретения средства 22 сбора данных могут находиться внутри блока 20 обработки изображений. Такие значения яркостной температуры заднего плана относятся раздельно к каждой спектральной полосе и также относятся раздельно к разным частям заднего плана, содержащегося в поле обзора. Например, ТВ_{задний план_1}(i, j) обозначает яркостную температуру заднего плана для спектральной полосы полоса_1 в точке изображения с координатами (i, j) в спектральном изображении, снятом в спектральной полосе полоса_1. В дальнейшем используемые обозначения ТВ_{задний план_2}(i, j),…, ТВ_{задний план_4}(i, j) имеют идентичные значения соответственно для спектральных полос полоса_2,…, полоса_4.

Однако в некоторых обстоятельствах при использовании газоанализатора нет возможности иметь спектральные изображения, при которых поле обзора не имеет целевого газа. Это относится к случаю, когда речь идет о непрерывной утечке целевого газа, которая началась до того, как на место был доставлен газоанализатор, чтобы подтвердить наличие утечки. Для преодоления отсутствия значений ТВ_{задний план_1}(i, j),…, ТВ_{задний план_4}(i, j) можно применить несколько методов, которые могут быть точными.

Согласно первому из этих методов, можно выбрать одну из спектральных полос газоанализатора, называемую контрольной полосой, чтобы соответствовать области полной или почти полной прозрачности целевого газа и атмосферы. Спектральное изображение, снятое для этой контрольной полосы, позволяет блоку 20 обработки изображений определить значения яркостной температуры. относящиеся к элементам сцены заднего плана. Если каждый элемент сцены заднего плана распознан, например, путем отслеживания его формы, проявляющейся в спектральном изображении, затем путем распознавания его формы, можно определить его материал. В этом случае можно определить значение его термодинамической температуры по его яркости в контрольной полосе, затем значение его яркостной температуры для любой другой спектральной полосы, в частности, для анализируемых полос, на основании спектральных колебаний функции излучательной способности. Каждая анализируемая полоса предназначена для последующего использования с целью количественной оценки количества целевого газа, присутствующего в части поля обзора. В принципе, каждую анализируемую полосу выбирают таким образом, чтобы в этой анализируемой полосе целевой газ имел показательное значение коэффициента поглощения излучения. Расширив этот принцип, этот же метод определения значений яркостной температуры заднего плана можно применить между двумя спектральными полосами, для которых целевой газ имеет разные значения коэффициента поглощения: спектральную полосу, одну из двух спектральных полос, в которой коэффициент поглощения целевого газа является наименьшим, можно использовать в качестве контрольной полосы, а другую спектральную полосу, в которой коэффициент поглощения целевого газа является наибольшим, можно использовать в качестве анализируемой полосы.

Можно также применить другой метод решения проблемы отсутствия точных значений ТВ_{задний план_1}(i, j),…, ТВ_{задний план_4}(i, j). Значения яркостной температуры спектрального изображения, снятого для контрольной полосы, могут быть распределены в заранее определенных и отдельных интервалах, например, в пяти интервалах. Затем в спектральном изображении контрольной полосы для каждого из этих интервалов идентифицируют зоны таким образом, что в каждой зоне значения яркостной температуры находятся в этом интервале. Таким образом, получают разложение изображения, которое переносят на каждое спектральное изображение, снятое в анализируемой полосе. Затем раздельно в каждой зоне разложения можно определить коэффициенты линейной регрессии, которая связывает значения яркостной температуры в спектральном изображении контрольной полосы со значениями яркостной температуры в спектральном изображении анализируемой полосы для одной и той же зоны разложения. Эту линейную регрессию можно использовать для каждой из точек изображения внутри соответствующей зоны разложения, чтобы преобразовать каждое значение яркостной температуры в спектральном изображении контрольной полосы в значение яркостной температуры заднего плана для анализируемой полосы, то есть в ТВ_{задний план_1}(i, j), если рассматриваемой анализируемой полосой является полоса_1. Этот другой метод не требует выполнения способа распознавания формы и не требует запоминания возможных значений коэффициента излучения материалов для элементов сцены заднего плана. По сути, распознавание между различными элементами сцены заднего плана, которое получают путем анализа формы в предыдущем методе, эмпирически заменяют на классификацию значений яркостной температуры для контрольной полосы в непересекающихся интервалах. Однако этот другой метод является надежным, только если шлейф целевого газа занимает небольшую часть каждой из зон разложения. Иначе говоря, в каждом спектральном изображении шлейф оказывается небольшим в каждом спектральном изображении по отношению к элементам сцены заднего плана.

Позицией 40 на фиг. 2 обозначен блок хранения данных, который является факультативным и в котором вычислительный блок 30 может считывать цифровые значения. Блок 40 хранения может представлять собой любое запоминающее устройство или носитель записи данных. Использование такого блока хранения данных будет описано ниже.

На фиг. 3 показаны возможные обстоятельства использования заявленного газоанализатора. Поле обзора блока 10 съемки изображений содержит сцену 100 заднего плана и свободное пространство, заполненное газовой атмосферой между этой сценой 100 заднего плана и блоком 10 съемки изображений. Сцена 100 заднего плана может быть образована различными элементами сцены, такими как жилые дома 101, промышленные здания 102, дымовая труба 103, элементы 104 насаждений и т.д. Через свободное пространство проходит метановый трубопровод 111, который может иметь утечку в одном месте этого трубопровода. Эта утечка создает метановый шлейф 110, который, таким образом, оказывается перед некоторыми из этих элементов сцены 100 заднего плана. Задачей изобретения является выявление наличия метанового шлейфа 110 путем цифровой оценки количества метана, которое присутствует между блоком 10 съемки изображений и сценой 100 заднего плана. (i, j) обозначает точку изображения по ее координатам строки и столбца, как они идентифицированы датчиком 2 изображений. Эта точка изображения по своей индивидуальной площади обнаружения или размеру пикселя и по визуальному соотношению, производимому каждым оптическим каналом 10а, 10b,… блока 10 съемки изображений, между контентом поля обзора и датчиком 2 изображений, ограничивает часть поля обзора.

Далее следует описание обработки спектральных изображений, которую осуществляет блок 20.

Для каждой спектральной полосы, в которой атмосферу можно считать прозрачной, если она не содержит целевого газа, яркость в точке (i, j) соответствующего спектрального изображения приблизительно равна, например, для полосы полоса_1:

L_{полоса_1}(i, j) = L_{задний план_1}(i, j) ⋅ τ_{полоса_1} + ε_{полоса_1} ⋅ В(Т_{окружающая})

где τ_{полоса_1} - коэффициент пропускания излучения целевого газа для рассматриваемой спектральной полосы (то есть для полоса_1), действительный в точке изображения (i, j); ε_{полоса_1} - коэффициент излучения целевого газа для этой же спектральной полосы, действительный в точке изображения (i, j); L_{задний план_1}(i, j) - яркость элемента сцены заднего плана в точке изображения (i, j) для этой же спектральной полосы; и В(Т_{окружающая}) - закон излучения Планка. В этом выражении для яркости, которая получается в спектральном изображении, снимаемом блоком 10 съемки изображений, для спектральной полосы полоса_1, первым членом является вклад заднего плана 100 сквозь шлейф 110 целевого газа, а вторым членом является вклад шлейфа 110 целевого газа. Для целевого газа: ε_{полоса_1}·= 1 − τ_{полоса_1}. Тогда:

L_{полоса_1}(i, j) = L_{задний план_1}(i, j)·τ_{полоса_1} + (1 − τ_{полоса_1})·B(T_{окружающая}),

или:

L_{полоса_1}(i, j) − L_{задний план_1}(i, j) = L_{задний план_1}(i, j)·(τ_{полоса_1} −1) + (1 − τ_{полоса_1})·B(T_{окружающая}),

или даже:

τ_{полоса_1} = 1 + [L_{полоса_1}(i, j) − L_{задний план_1}(i, j)]/[L_{задний план_1}(i, j) − B(T_{окружающая})].

Преобразуя значения яркости в значения яркостной температуры в соответствии с аффинным отношением, которое является обратным к закону излучения Планка внутри интервала значений яркости и/или значений яркостной температуры, который содержит используемые значения, получаем:

τ_{полоса_1} = 1 + [TB_{кажущаяся_1}(i, j) − TB_{задний план_1}(i, j)]/[TB_{задний план_1}(i, j) − T_{окружающая}],

где TB_{кажущаяся_1}(i, j) - значение кажущейся яркостной температуры в точке изображения (i, j) в спектральном изображении, снятом для полосы анализа полоса_1, ТВ_{задний план_1}(i, j) - значение яркостной температуры заднего плана, обеспечиваемое средствами 22 сбора данных; и Т_{окружающая} - значение окружающей температуры, обеспечиваемое средствами 21 сбора данных. Одно и тоже значение окружающей температуры используют для всех спектральных полос. Раздельно для каждой спектральной полосы, снятой в полосе k анализа, то есть для одной из спектральных полос, которую используют для обнаружения целевого газа, блок 20 обработки изображений преобразует значение яркости L_{полоса_k}(i, j) в значение яркостной температуры TB_{кажущаяся_k}(i, j), затем вычисляет значение коэффициента пропускания τ_{полоса_k}, которое можно связать с целевым газом для точки изображения (i, j). Следовательно, по сути речь идет о τ_{полоса_k}(i, j).

Необязательно, но предпочтительно, можно получать числовые значения, которые являются более точными для результатов обнаружения целевого газа, корректируя значения яркости, выдаваемые блоком 10 съемки изображений, с учетом влияния определенного количества водяного пара, содержащегося в атмосфере между метановым шлейфом 110 и блоком 10 съемки изображений. Действительно, для каждой спектральной полосы это количество водяного пара создает дополнительный вклад в яркость, снимаемую датчиком 2 изображений, и ослабляет вклады заднего плана 100 и целевого газа в соответствии со значением спектрального коэффициента пропускания излучения, который относится к этому количеству водяного пара. Для этого для водяного пара можно вычислить значения спектральной яркости и спектрального коэффициента пропускания на основании получаемых атмосферных данных, таких как атмосферное давление, относительная влажность и окружающая температура. Такими значениями яркости и коэффициента пропускания, относящимися к водяному пару, являются τ_{Н20полоса_1 и} L_{Н20полоса_1} для спектральной полосы полоса_1, …, τ_{Н20полоса_4 и} L_{Н20полоса_4} для спектральной полосы полоса_4. При этом коррекция может состоять в замене каждого значения яркости L_{полоса_1}(i, j), выдаваемого блоком 10 съемки изображений, на [L_{полоса_1}(i, j) − L_{H2O полоса_1}]/τ_{H2O полоса_1} для вычисления коэффициента пропускания целевого газа τ_{полоса_1}, и точно так же для каждой из других спектральных полос. Такую же коррекцию можно применить для значений яркости заднего плана L_{задний план_1}(i, j),…, L_{задний план_4}(i, j), когда их используют для определения значений яркостной температуры заднего плана ТВ_{задний план_1}(i, j),…, ТВ_{задний план_4}(i, j).

Первый критерий подтверждения значений коэффициентов пропускания τ_{полоса_1},…, τ_{полоса_4}, выдаваемых блоком 20 обработки изображений, может состоять в том, что каждое из этих значений составляет от 0 до 1, включая эти пределы 0 и 1. Значения τ_{полоса_1},…, τ_{полоса_4}, которые не удовлетворяют этому критерию, можно отбросить, и способ обнаружения можно возобновить на основании съемки спектральных изображений. Значение, близкое к 0, ожидается для коэффициента пропускания одной из спектральных полос, если целевой газ и/или элемент атмосферы, влияние которых на значения яркости не были скорректированы, является очень поглощающим в этой спектральной полосе. И, наоборот, значение, близкое к 1, ожидается для спектральной полосы, в которой целевой газ является мало поглощающим, и если нет ни одного элемента атмосферы, который является поглощающим в этой спектральной полосе и влияние которого на значения яркости не были скорректированы.

Второй критерий подтверждения значений коэффициентов пропускания τ_{полоса_1},…, τ_{полоса_4}, выдаваемых блоком 20 обработки изображений, может состоять в том, что эти значения упорядочены в соответствии с классификацией значений спектральных коэффициентов поглощения целевого газа, которые являются, каждое, действительными для спектральных полос, в которых целевой газ является более поглощающим, чем атмосфера.

Далее следует описание работы вычислительного блока 30.

Согласно первой возможности, газоанализатор может быть выполнен с возможностью выводить числовой результат оценки количества целевого газа отдельно для каждой полосы анализа, причем для нескольких полос анализа, которые обрабатываются параллельно. Значения кажущейся яркостной температуры были определены независимо для всех полос анализа на основании соответствующих спектральных изображений, которые были сняты для этих полос анализа. Блок 20 обработки изображений выводит на их основании оценки коэффициентов пропускания излучения, которые относятся к этим полосам анализа, один коэффициент к одной полосе, для всех полос анализа независимо друг от друга. При этом вычислительный блок 30 может быть выполнен с возможностью выводить оценки количества целевого газа Q_{целевой газ}, которое присутствует в части поля зрения, например, в точке изображения (i, j): Q_{целевой газ}(i, j), тоже независимо для каждой из полос анализа и только на основании значения, которое было получено для коэффициента пропускания излучения, относящегося к этой полосе анализа. Иначе говоря, количество целевого газа может быть оценено полностью и раздельно на основании каждой из полос анализа, используя один и тот же метод, но транспонируемый для каждой полосы анализа. При этом присутствие целевого газа в части поля зрения может быть подтверждено, отвергнуто или признано неопределенным в зависимости от критерия непротиворечивости, применяемого к значениям, полученным на основании всех полос анализа, для количества целевого газа, содержащегося в части поля зрения. Кроме того, наиболее надежное значение количества целевого газа, которое присутствует в точке изображения, можно вычислить, например, как среднее значение из значений, которые были получены отдельно для нескольких полос анализа или для всех полос анализа - для количества целевого газа, которое присутствует в этой точке изображения.

Вместе с тем, другая возможность работы для вычислительного блока 30, которая будет описана ниже и является предпочтительной, использует алгоритм выбора в зависимости от наилучшего совпадения или “best match” на английском языке.

Как известно, значение коэффициента пропускания для каждой спектральной полосы является результатом интеграла коэффициента типа exp[−A_{целевой газ} · C_{целевой газ} − Σ_{другой газ} A_{другой газ} · C_{другой газ}] по пути излучения, который приходит в точку спектрального изображения (i, j), при этом С_{целевой газ} - локальная концентрация целевого газа в каждой точке пути излучения, А_{целевой газ} - коэффициент поглощения целевого газа в рассматриваемой спектральной полосе, С_{другой газ} - локальная концентрация каждого другого газа, присутствующего на пути излучения, в частности, газов атмосферы, влияние которых на получаемые значения яркости не было скорректировано, и А_{другой газ} - коэффициент поглощения этого другого газа в рассматриваемой спектральной полосе. Таким образом, одна из спектральных полос тем лучше подходит для оценки количества целевого газа, чем больше значение коэффициента поглощения целевого газа превышает или намного превышает это значение каждого другого газа для рассматриваемой спектральной полосы. Такая подходящая спектральная полоса в настоящем описании называется полосой анализа. Предпочтительно спектральные полосы оптических каналов блока 10 съемки изображений были выбраны таким образом, чтобы по меньшей мере две из них, например, полоса_1 и полоса_2, были полосами анализа для целевого газа, то есть в данном случае для метана. Полосы анализа принципиально не могут быть использованы для определения окружающей температуры Т_{окружающая} или выполнять роль контрольной полосы.

Согласно предпочтительной конфигурации вычислительного блока 30, он может обмениваться данными с блоком 40 хранения, в котором первоначально была записана таблица, содержащая значения, вычисленные предварительно для коэффициентов пропускания каждой полосы анализа: τ_{полоса_1} и τ_{полоса_2} в настоящем примере. Эти значения были вычислены для переменных профилей концентрации целевого газа вдоль пути излучения, соответствующих переменным локальным разбавлениям целевого газа в атмосфере. Специалисту в данной области известны спектральные значения коэффициентов поглощения А_{целевой газ} и А_{другой газ}, использованные для этих вычислений и определенные при помощи спектроскопических методов оценки. При этом для каждой точки изображения (i, j), являющейся общей по меньшей мере для двух спектральных изображений полос анализа, вычислительный блок 30 выбирает тот из профилей концентрации целевого газа вдоль пути излучения, при котором предварительно вычисленные значения коэффициентов пропускания для этих полос анализа совпадают в наибольшей степени в числовом выражении со значениями, выданными блоком 20 обработки изображений для этих же коэффициентов пропускания. Критерием дополнительного подтверждения обнаружения целевого газа может быть то, что один и тот же профиль концентрации целевого газа вдоль пути излучения позволяет учитывать с достаточной точностью значения коэффициентов пропускания, которые были выведены на основании спектральных изображений одновременно для нескольких полос анализа.

После определения профиля концентрации целевого газа вдоль пути излучения, который достигает точки изображения (i, j), вычислительный блок 30 выводит из него значение количества целевого газа Q_{целевой газ}, которое присутствует на этом пути излучения. В случае необходимости, для каждого профиля концентрации целевого газа результат количества целевого газа, присутствующего на пути излучения, может быть вычислен предварительно и записан в блоке 40 хранения вместе со значениями коэффициентов пропускания излучения, которые соответствуют этому профилю концентрации для полос анализа. В случае необходимости, это количество можно интегрировать по всем точкам изображения, для которых были определены не равные нулю профили концентрации, чтобы оценить шлей 110 в полном объеме внутри поля зрения.

Разумеется, изобретение можно воспроизводить, изменяя или адаптируя второстепенные признаки подробно описанных выше вариантов выполнения, сохраняя при этом по меньшей мере некоторые из указанных преимуществ. В частности, можно осуществить следующие адаптации:

- можно выбрать спектральные полосы для обнаружения другого газа, отличного от метана, например, чтобы обнаружить количество сероводорода (H₂S), в частности, который может появляться в результате разложения водорослей на пляже, или чтобы обнаружить утечку промышленного химического газа;

- указанные выше уравнения и формулы, в частности, для вычисления коэффициента пропускания излучения для каждой полосы излучения или для коррекции влияния водяного пара, содержащегося в составе атмосферы, на получаемые значения яркости, или чтобы вывести количество целевого газа на основании каждого коэффициента пропускания излучения, относящегося к полосе анализа, можно заменить на эквивалентные или по существу эквивалентные уравнения или формулы;

- значения яркости, используемые для получения значений коэффициентов пропускания целевого газа для полос анализа, могут быть определены, каждое из значений, для части поля зрения блока съемки изображений, которая соответствует нескольким смежным точкам изображения в спектральных изображениях, вместо того, чтобы каждое относилось только к одной точке изображения;

- значения яркости, используемые блоком обработки изображений для получения значений коэффициентов пропускания, можно корректировать с учетом влияния других компонентов атмосферы, отличных от водяного пара, например, влияния диоксида углерода, в зависимости от спектральных полос и от атмосферного состава на месте использования газоанализатора; и

- все указанные выше числовые значения были приведены только для иллюстрации и могут меняться в зависимости от рассматриваемого применения.

Изобретение относится к области измерительной техники и касается газоанализатора для обнаружения целевого газа. Газоанализатор содержит блок съемки изображений с несколькими оптическими каналами, средство получения значений температуры окружающей среды, средство получения значений яркостной температуры заднего плана, блок обработки изображений и вычислительный блок. Блок обработки изображений выполнен с возможностью выводить значение коэффициента пропускания излучения, который относится к спектральной полосе анализа и который приписывают количеству целевого газа, присутствующего в части поля зрения. Вычислительный блок выполнен с возможностью выводить оценку количества целевого газа на основе значения коэффициента пропускания излучения. Технический результат заключается в повышении эффективности различения газа по отношению к элементам сцены, обеспечении возможности оценки количества газа в реальном времени или почти в реальном времени и уменьшении габаритов устройства. 12 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Газоанализатор для обнаружения по меньшей мере одного газа, который называется целевым газом и находится в поле зрения, содержащий:

- блок (10) съемки изображений, который содержит по меньшей мере два оптических канала (10а,…,10b), расположенных параллельно, чтобы снимать раздельно и одновременно соответствующие изображения c одним и тем же содержанием в поле зрения, называемые спектральными изображениями, в разных спектральных полосах, причем для каждой из спектральных полос предназначен один соответствующий канал из указанных каналов;

- первые средства (21) получения данных, выполненные с возможностью получения значения температуры окружающей среды, предназначенного для приписывания количеству целевого газа, который находится в поле зрения между сценой заднего плана и блоком (10) съемки изображений;

- вторые средства (22) получения данных, выполненные с возможностью получения по меньшей мере для одной из спектральных полос, называемой полосой анализа, значений яркостной температуры заднего плана, которые предназначены для приписывания элементам сцены заднего плана;

- блок (20) обработки изображений, выполненный с возможностью получения спектральных изображений, снятых каждым каналом (10а,…,10b) блока (10) съемки изображений, и с возможностью определения, раздельно для каждой полосы анализа, и оценки коэффициента пропускания излучения, который относится к указанной полосе анализа и который приписан, по меньшей мере частично, количеству целевого газа, находящегося в части поля зрения между элементами сцены заднего плана и блоком съемки изображений, на основе уравнения, которое объединяет:

- значение температуры окружающей среды,

- значение яркостной температуры заднего плана, приписанное элементам сцены заднего плана в указанной части поля зрения, для указанной полосы анализа, и

- по меньшей мере одно значение яркостной температуры, называемое значением кажущейся яркостной температуры, которое соответствует снятому спектральному изображению для полосы анализа, в указанной части поля зрения; и

- вычислительный блок (30), выполненный с возможностью определения оценки количества целевого газа, находящегося в поле зрения, на основе значения коэффициента пропускания излучения, относящегося к полосе анализа,

отличающийся тем, что первые средства (21) получения данных выполнены с возможностью получения значения температуры окружающей среды в соответствии с одним из следующих подходов:

- на основе по меньшей мере части спектрального изображения, снятого одним из каналов (10а,…,10b) блока (10) съемки изображений, причем указанная часть спектрального изображения соответствует сектору поля зрения, который указан или считается как не имеющий элементов сцены заднего плана; и

- на основе по меньшей мере части спектрального изображения, снятого одним из каналов (10а,…,10b) блока (10) съемки изображений, соответствующая спектральная полоса которого содержится в спектральной области полной непрозрачности газа, присутствующего в секторе поля зрения, соответствующем части спектрального изображения,

причем газоанализатор выполнен с возможностью снимать спектральное изображение, по меньшей мере часть которого используется для получения значения температуры окружающей среды, одновременно или во время цикла съемки изображения, такого как спектральное изображение в каждой полосе анализа, в тех случаях, когда блок (20) обработки изображений затем комбинирует указанное значение температуры окружающей среды по меньшей мере с одним значением яркостной температуры указанного спектрального изображения в полосе анализа.

2. Газоанализатор по п. 1, в котором блок (20) обработки изображений выполнен с возможностью оценки коэффициента пропускания излучения, который относится к полосе анализа и который приписан, по меньшей мере частично, целевому газу, в соответствии с уравнением:

τ_{полоса_1} = 1 + (ТВ_{кажущаяся_1} - ТВ_{задний план_1})/(ТВ_{задний план_1} - Т_{окружающая}),

где:

τ_{полоса_1} - значение коэффициента пропускания излучения, который относится к полосе анализа, обозначаемого полоса_1, и, по меньшей мере частично, приписан целевому газу, находящемуся в части поля зрения,

Т_{окружающая} - значение температуры окружающей среды, получаемое при помощи первых средств (21) получения данных,

ТВ_{задний план_1} - значение яркостной температуры заднего плана, получаемое при помощи вторых средств (22) получения данных и приписываемое элементам сцены заднего плана, содержащимся в части поля зрения, для полосы анализа полоса_1, и

ТВ_{кажущаяся_1} - значение кажущейся яркостной температуры, которое соответствует спектральному изображению, снятому для полосы анализа полоса_1, в части поля зрения.

3. Газоанализатор по п. 1 или 2, в котором блок (20) обработки изображений выполнен также с возможностью применения для каждого спектрального изображения, снятого при помощи блока (10) съемки изображений, коррекции значений яркости, чтобы учитывать по меньшей мере один атмосферный компонент, присутствующий в поле зрения, и чтобы использовать скорректированные значения яркости для оценки коэффициента пропускания излучения, относящегося к каждой полосе анализа.

4. Газоанализатор по любому из предыдущих пунктов, в котором вычислительный блок (30) выполнен с возможностью определения количества целевого газа, присутствующего в части поля зрения, посредством сравнения значений коэффициентов пропускания излучения, которые были выведены блоком (20) обработки изображений раздельно для нескольких полос анализа, со значениями указанных коэффициентов пропускания излучения, которые были заранее определены для этих же полос анализа и сохранены в блоке (40) хранения данных, доступном для вычислительного блока, при этом указанные заранее определенные и сохраненные значения относятся к различным профилям концентрации целевого газа на пути излучения, который соединяет элемент сцены заднего плана с блоком (10) съемки изображений.

5. Газоанализатор по любому из предыдущих пунктов, в котором вторые средства (22) получения данных выполнены с возможностью получения значений яркостной температуры заднего плана в соответствии с одним из следующих подходов:

- на основе по меньшей мере одного спектрального изображения, которое содержит один из элементов сцены заднего плана, которое было снято каналом блока (10) съемки изображений, выделенным для полосы анализа, и которое указано или считается снятым, когда поле зрения не содержало целевого газа;

- на основе по меньшей мере одного спектрального изображения, которое содержит один из элементов сцены заднего плана, которое было снято одним из каналов (10а,…,10b) блока (10) съемки изображений, для которого соответствующая спектральная полоса, называемая контрольной полосой, содержится в спектральной области прозрачности целевого газа, или в котором полоса прозрачности целевого газа имеет большую прозрачность, чем в каждой полосе анализа, при этом блок (20) обработки изображений выполнен с возможностью идентифицировать материал элемента сцены заднего плана на основе указанного спектрального изображения, снятого для контрольной полосы, и с возможностью вывести значение яркостной температуры заднего плана для каждой полосы анализа и для указанного элемента сцены заднего плана на основе значения температуры окружающей среды и значения спектрального коэффициента излучения материала, идентифицированного для указанного элемента сцены заднего плана; и

- на основе по меньшей мере одного спектрального изображения, которое содержит один из элементов сцены заднего плана, которое было снято одним из каналов (10а,…,10b) блока (10) съемки изображений, для которого соответствующая спектральная полоса, называемая контрольной полосой, содержится в спектральной области прозрачности целевого газа, или в котором полоса прозрачности целевого газа имеет большую прозрачность, чем в каждой полосе анализа, при этом блок (20) обработки изображений выполнен с возможностью выводить значения яркостной температуры заднего плана для каждой полосы анализа, используя линейную регрессию, на основе значений яркостной температуры заднего плана, выведенных из спектрального изображения, снятого для контрольной полосы.

6. Газоанализатор по п. 5, в котором вторые средства (22) получения данных выполнены также с возможностью получать значения яркостной температуры заднего плана на основе по меньшей мере одного спектрального изображения, снятого одним из каналов (10а,…,10b) блока (10) съемки изображений, для которого спектральная полоса, называемая контрольной полосой, содержится в спектральной области прозрачности целевого газа, или в котором полоса прозрачности целевого газа имеет большую прозрачность, чем в каждой полосе анализа,

при этом газоанализатор выполнен с возможностью снимать спектральное изображение, которое соответствует контрольной полосе, одновременно или во время цикла съемки изображения, такого как спектральное изображение для каждой полосы анализа.

7. Газоанализатор по любому из предыдущих пунктов, в котором блок (10) съемки изображений содержит матричный датчик (2) изображений, общий для всех каналов (10а,…,10b) и чувствительный одновременно во всех спектральных полосах указанных каналов, при этом часть (Sa, Sb) фоточувствительной поверхности (S) указанного датчика изображений выделена для каждого канала отдельно от каждого другого канала,

при этом каждый канал (10а,…,10b) содержит внутри блока (10) съемки изображений:

- оптическую часть (1a, 1b), выполненную с возможностью формировать изображение содержания поля зрения на части (Sa, Sb) фоточувствительной поверхности, выделенной для указанного канала, при этом поле зрения является общим для всех каналов; и

- средства (3a, 3b) спектральной фильтрации, выполненные с возможностью определения спектральной полосы указанного канала.

8. Газоанализатор по любому из предыдущих пунктов, в котором каждый канал (10а,…,10b) блока (10) съемки изображений содержит средства (3a, 3b) спектральной фильтрации, выполненные таким образом, что спектральная полоса указанного канала имеет ширину, составляющую от 10 до 500 нм в единицах длины волны излучения.

9. Газоанализатор по п. 8, в котором средства (3a, 3b) спектральной фильтрации выполнены таким образом, чтобы спектральные полосы каналов (10а,…,10b) содержались в первой спектральной области, соответствующей длинам волн излучения, составляющим от 7 до 10 мкм, или содержались во второй спектральной области, соответствующей длинам волн излучения, составляющим от 3 до 5 мкм.

10. Газоанализатор по п. 9, который адаптирован для метана в качестве целевого газа и в котором:

- спектральная полоса первого из каналов (10а,…,10b) располагается вокруг 7,7 мкм с шириной спектральной полосы, меньшей 0,35 мкм; и

- спектральная полоса второго из каналов (10а,…,10b) располагается вокруг 8,05 мкм с шириной спектральной полосы, меньшей 0,35 мкм;

и, необязательно:

- спектральная полоса третьего из каналов (10а,…,10b) располагается вокруг 7,35 мкм с шириной спектральной полосы, меньшей 0,35 мкм;

- спектральная полоса четвертого из каналов (10а,…,10b) располагается вокруг 8,35 мкм или 9,05 мкм с шириной спектральной полосы, меньшей 0,35 мкм.

11. Газоанализатор по п. 9, который адаптирован для метана в качестве целевого газа и в котором:

- спектральная полоса первого из каналов (10а,…,10b) располагается вокруг 3,375 мкм с шириной спектральной полосы, меньшей 0,30 мкм; и

- спектральная полоса второго из каналов (10а,…,10b) располагается вокруг 3,225 мкм с шириной спектральной полосы, меньшей 0,30 мкм;

и, необязательно:

- спектральная полоса третьего из каналов (10а,…,10b) располагается вокруг 3,05 мкм с шириной спектральной полосы, меньшей 0,30 мкм; и

- спектральная полоса четвертого из каналов (10а,…,10b) располагается вокруг 4,237 мкм или 3,505 мкм с шириной спектральной полосы, меньшей 0,30 мкм.

12. Газоанализатор по любому из предыдущих пунктов, выполненный с возможностью комбинирования спектральных изображений содержания поля зрения, которые сняты раздельно двумя из оптических каналов (10а,…,10b) блока (10) съемки изображений, называемыми базовыми оптическими каналами, чтобы получить спектральное изображение, соответствующее спектральной полосе составного оптического канала, при этом спектральная полоса составного оптического канала получена исходя из относительных положений и спектральной ширины соответствующих спектральных полос двух базовых оптических каналов.

13. Газоанализатор по любому из предыдущих пунктов, который выполнен с возможностью обнаружения нескольких разных целевых газов, которые присутствуют одновременно в одном и том же поле зрения, при этом спектральная полоса по меньшей мере одного из каналов (10а,…,10b) блока (10) съемки изображений содержится одновременно в соответствующих спектральных областях поглощения по меньшей мере двух из целевых газов, так что одно и тоже спектральное изображение, снятое указанным каналом, используется блоком (20) обработки изображений и вычислительным блоком (30) для определения оценок соответствующих количеств указанных по меньшей мере двух целевых газов, присутствующих в поле зрения.