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如何选择光谱气体成像仪?

更新时间:2022-06-09

无论是安全生产,还是应急救援,亦或是公共安全,都可能会用到光谱气体成像仪,以检测和识别危险气体。而选择一台合适的气体光谱成像仪,并不简单,必须确定系统性能和系统将应用的特定场景之间能够有良好的匹配。仅用于检测和报警,和用于检测识别单一气体类型或混合气体中的单一气体,所需的系统配置和性能都会有不同。

和应用场景相关的参数包括所检测的气体或混合物的路径浓度、被监测空间的大小、气体泄漏到观测位置的距离、泄漏发展速度及其动态行为、大气条件等。而和系统性能相关的参数包括气体识别能力(与光谱分辨率有关)、对泄漏出现和气体量变化的敏感性、测量时间、视场 (FOV)、空间覆盖范围和空间分辨率等。

由此可见,应用场景需求和技术解决方案之间的匹配是一件复杂的事情,最终还需要权衡取舍,包括技术和预算等问题。本文将对选择光谱气体成像仪时的注意事项进行简要的介绍。


光谱范围


远距离气体成像仪需要至少在一个大气窗口的光谱范围内反应灵敏,散射低,透光率高。系统的光谱范围必须包括需检测的化学气体的光谱特征。最通用的光谱范围是8-12微米,因为许多大的气体分子都有振动能态吸收这些光子能量,另外,被动式光谱成像仪必须使用自然发出的红外辐射,而8-12微米是在室温下波长范围内最强的。

图1显示了波长与大气透光率之间的关系。

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图1:640.png 通过1公里城市空气的大气透光率             640 (1).png 氨气


选择性 - 光谱分辨率


气体光谱特征就像独特的签名。选择性是指区分不同气体的能力,它与光谱分辨率直接相关。如果两种气体的吸收线在波长尺度上很接近,那么要区分这些气体,系统的光谱分辨率必须足够高,才能识别特征,并通过这些特征识别气体。

光谱分辨率与测量时间和价格相关。图2是丙烷和二氧化硫的红外吸收光谱图。两者都在7.2-7.7微米这一区域,重叠明显,但形状不同。在光谱分辨率不够的情况下,两种气体无法相互区分。

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图2:丙烷和二氧化硫的红外吸收光谱图

大多数被动气体成像仪的光谱分辨率在5cm-1到32cm-1之间。粗分辨率通常用于搜索和没有确定目标的识别检测,更精细的分辨率则用于对目标气体进行更详细的分析和识别。


灵敏度


系统灵敏度是一个非常重要的参数,通常用噪声系数来表示,如噪声等效温度(NET)或噪声等效光谱辐射亮度(NESR)。NESR是在特定光谱范围内由成像仪检测到的最小辐射亮度变化的量度。由于测量时间较长,数据可以随时间平均,高频噪声可以被过滤掉,因此灵敏度通常会随时间增加而提高。所以,系统灵敏度这一参数的选择主要取决于监测对象的演变时间,需在等视场、等光谱分辨率和等测量时间下对不同仪器的灵敏度进行比较。在典型的被动气体成像仪中,NESR为10-8W/cm2/sr/cm-1,在7.5-12微米的红外热范围内,光谱分辨率为5cm-1


视场(FOV) & 瞬时视场(IFOV)


视场是从传感器方向看到的传感器采集信号区域的角度大小,也就是传感器能够感光的范围。瞬时视场(IFOV) 是角分辨率或单个像素的范围。理想情况下,仪器IFOV不应大于被探测物体(如气体云)尺寸的一半 (GR ≥ 2 * tan(IFOV/2) * H,其中GR为云团直径,H为探测距离)。如果仪器IFOV大于这个值,则气体携带的信息信号减少,灵敏度降低。


检测性能 - 校准


光谱气体相机和任何其他测量系统一样,需要定期校准。特别是对于固定装置来说,如果系统可以在不需要人工干预的情况下自动校准,那将非常方便。内置的标准红外源用于校正随时间影响图像质量的电子漂移,并根据所关注的气体路径浓度维持系统校正。

综上所述,在许多情况下,系统参数的选择是非常重要的。英宝硕以多年在红外辐射测量方面的经验,持续为危险气体检测和成像提供高质量的解决方案。

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