综述：基于非制冷型红外热像仪的气体成像技术
2025-12-06 21:18:43 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
本文介绍了气体成像原理和辐射传输模型，重点阐述了被动成像技术和主动成像技术。结合实际分析，探讨了非制冷型红外热像仪在气体成像测量中的应用场景。最后，分析了气体成像技术发展的局限性和挑战。
气体成像技术因其高效、覆盖范围广及动态可视化等显著优势，已成为气体检测领域的研究热点之一。该技术广泛应用于天然气运输、化工及电力等行业。随着红外探测器技术的进步，非制冷型红外热像仪正经历着技术革新和广泛应用的发展阶段。
据麦姆斯咨询报道，华南农业大学和北京市农林科学院的研究人员联合在Sensors期刊上发表了题为“Gas Imaging with Uncooled Thermal Imager”的综述文章。文中介绍了气体成像原理和辐射传输模型，重点阐述了被动成像技术和主动成像技术。结合实际分析，探讨了非制冷型红外热像仪在气体成像测量中的应用场景。最后，分析了气体成像技术发展的局限性和挑战。
气体具有选择性辐射特性，当红外辐射穿过气体云时，会发生能量转移，导致气体分子振动或旋转。根据其分子组成，特定气体会吸收不同波长的红外辐射。当气体云吸收红外热成像探测器特定响应范围内的辐射时，探测器检测到的辐射会减少，从而形成相应的图像。红外热成像系统通常由光学系统、红外探测器、数字信号处理系统和显示系统组成，其工作框架如下图所示。
红外热成像系统组成和工作原理
研究人员引入了一个简化的辐射传输模型，将整个辐射传输过程分为三层。第一层是红外辐射被气体云吸收之前的阶段；第二层是穿过气体云前和穿过气体云时的辐射（考虑气体云的吸收和辐射特性）；第三层是红外辐射通过气体云到达热像仪红外透镜之前的阶段。热成像中的辐射差异源自以下两条路径的差异：第一条路径是红外辐射通过气体云到达探测器的路径，称为气体路径；第二条路径是背景辐射直接到达相机的路径，称为背景路径。
三层辐射传输模型示意图
研究人员主要讨论使用非制冷型红外热像仪进行气体成像测量的两种方法：被动成像技术和主动成像技术。被动热成像技术完全依赖于气体云发射的红外辐射或背景辐射。该技术探测范围广，可以探测多种类型的气体，也可以远距离探测气体。相比之下，主动热成像更适合于热像图中气体云与背景温度对比难以可视化的场景。在这些情况下，使用外部热源照射气体云，增强气体云和背景之间的热对比度。主动成像技术具有高信噪比（SNR）、高灵敏度和高稳定性等优点。然而，这种技术存在系统尺寸增大与成本上升的权衡。
被动成像技术依靠被测气体云发射的辐射或背景辐射进行成像，并通过使用滤光片实现光谱波段选择。根据待检测气体的不同类型，在气体成像系统中添加适当的滤光片，使目标气体的特征红外吸收峰落在滤光片的通带内。光谱选择是一项关键技术，直接决定了可以检测到的气体类型和检测灵敏度。常用滤光片类型主要包括带通滤光片和长通滤光片。
窄带滤光片对特定波长辐射响应波段的影响
主动滤光片与参考滤光片的应用示意图
主动成像技术使用激光器作为光源照射待测气体，然后探测器接收反射光进行成像。使用这种可调谐窄带激光器作为主照明源，其独立于任何背景辐射，因此提供了更低的检测限和更好的光谱分辨率。基于非制冷型红外探测器的主动成像技术通常适用于远距离和大面积的气体成像。然而，当成像测量系统需要高精度和高灵敏度时，研究人员倾向于使用制冷型红外探测器结合外部光源对目标气体进行成像测量。
主动成像技术示意图
主动激光成像系统示意图
红外成像技术具有非接触式测量、远距离使用、操作方便、灵敏度高等特点。这种方法广泛应用于挥发性有机化合物（VOC）气体的可视化、石油和天然气以及工业中的其它气体的可视化、电子设备的检测以及石化管道泄漏的识别。研究人员总结并分析了使用非制冷型红外热像仪进行气体成像测量的各种应用场景，如下表所示。
总而言之，本综述首先阐述了光学气体成像的基本原理，随后深入对比分析制冷型与非制冷型红外热像仪的优缺点。文中介绍了依赖外部光源的主动气体成像方法和独立于外部光源的被动气体成像方法，并阐明了非制冷型红外热像仪在气体检测领域的适用场景。
综合现有学术研究成果可见，红外热成像技术在精度、智能化、自动化和便携性方面持续发展。尽管如此，光学气体成像技术目前仍面临若干局限和挑战：
1. 红外气体智能检测算法：智能检测能力亟待提升。目前，天然气目标的识别主要依赖于专业人员的专业知识。非制冷型红外热像仪提供了相对精确的气体云量化，包括柱密度、气体路径浓度和泄漏率的测量。然而，泄漏气体的实时量化精度需要进一步提高。人工智能（AI）与光学气体成像检测融合的一个重大障碍是缺乏用于训练模型的高质量、客观的气体红外图像公开数据集，这使得主观数据集不足以对算法性能进行客观评估。
2. 用于光学气体成像的红外探测器：大多数现有的光学成像系统采用通用的红外探测器，辅以专用滤光片及先进图像处理技术，用于气体成像测量。红外热成像系统的功效取决于这些专业滤光片和先进热图像处理技术的应用。重要的是，专门为气体成像测量设计的高灵敏度非制冷型红外探测器的开发是一个关键的进步领域，也带来了相当大的挑战。
3. 红外热像仪的固有局限性：尽管红外热像仪具有实用性，但它们也存在固有的局限性，例如低对比度、有限的分辨率以及捕获的热图像中目标和背景之间的边界模糊。此外，各种噪声源会损害图像质量。应对这些挑战需要对捕获的热图像进行预处理，利用专门的算法进行非均匀性校正、图像增强、噪声抑制、背景建模和特征提取。
4. 环境对热成像性能的影响：红外热像仪的工作环境对其性能有显著影响。在极端高温下，透镜和窗口材料可能会变形或变色，改变红外辐射的透射和反射，并可能导致测量不准确。相机性能也会受到热效应的影响，例如高温环境下的热漂移。在高湿度环境中，水汽密度的增加会增强红外辐射吸收并衰减目标物体的辐射，从而阻碍有效检测，特别是在雾天或雨天。虽然风速不会直接影响相机性能，但它会影响气体云行为，加速气体扩散并增加最小可检测泄漏率（MDLR）。
5. 小型化和集成化：技术的进步推动了红外热成像设备的小型化和集成化趋势。未来的发展可能会看到这些成像设备变得更加紧凑，并与其它监控系统无缝集成，从而扩大其在各种应用中的适用性。
论文链接：https://www.mdpi.com/1424-8220/24/4/1327
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