一种基于纹影成像的气体检测装置的制作方法

1.本技术涉及气体流场检测技术领域，尤其涉及一种基于纹影成像的气体检测装置。


背景技术：

2.纹影成像是利用光在被测流场中的折射率梯度正比于流场的气流密度的原理，进行气流的边界层、燃烧、激波、气体内的冷热对流以及风洞或水洞流场的观测。在气体检测方面，由于气体流动造成折射率梯度变化而引起的光强变化，通过纹影成像可以直观的观测到气体泄漏区域和程度。
3.纹影成像的最基本的方法是，用一个明亮的点光源设置在待测量区域一侧，在待测区域的另一侧设置大曲率的凹面反射镜，通过明亮的点光源从待测区域的一侧向凹面反射镜照射，点光源发出的光经过待测区域的流场折射率调制后，经凹面反射镜反射回点光源附近，在摄像机镜头前聚焦形成焦点后进入摄像机。然后再焦点处设置刀片，用刀口切掉一半焦点光斑。此时，在摄像机里观察到的流场分布呈现明暗对比，称之为纹影成像。
4.但是这种纹影成像需要在被观测流场后放置一块巨大的凹面反射镜，而凹面反射镜本身质量较重，导致采用这种方式进行纹影成像时，成像设备不易放置以及调整，且反射镜的尺寸限制了可探测区域空间大小。如图1所示，反射镜尺寸大小有限，在使用过程中光源发射的照射光(实线)并不能被完全反射，导致能量损失。同时被观测流场区域的探测面积有限，仅有被凹面镜反射的反射光(虚线)可实现有效的气体探测，而超大尺寸的反射镜既难加工又难以放置调整。
5.为解决此问题，现有技术中提供一种新型背景纹影法。传统背景纹影成像采用一块带有随机斑点的背景平板取代凹面反射镜，利用高速相机观察流体折射率对背景平板上斑点位置的移动，通过计算获得流场的折射率分布。背景纹影技术不再通过强度变化来量化被测区域的光线偏移量，而一般是采用piv(粒子图像测速)技术求取背景斑点的偏移量。背景纹影成像技术中会放置一平面背景板来进行偏移量的标定，并且不同的背景板在流场变化中产生的效果也有所不同。
6.但是，在当前亟需气体泄漏检测的行业，例如化工厂制药厂等横竖交错的气体管道及反应池，又或在需进行冷热气体对流检测的高温晶体炉内等，均难以实现设置大面积凹面反射镜或背景平板。


技术实现要素：

7.本技术提供了一种基于纹影成像的气体检测装置，以解决现有技术中，在需要气体泄漏检测的行业，例如化工厂制药厂等横竖交错的气体管道及反应池，又或在需进行冷热气体对流检测的高温晶体炉内等，均难以实现设置大面积凹面反射镜或背景平板的问题。
8.本技术提供的一种基于纹影成像的气体检测装置，包括发射端、接收端和控制器，
所述发射端与所述接收端并排设置，所述控制器连接所述发射端与所述接收端；所述发射端包括光源发射器和空间调制器，所述光源发射器成产生的单色光经空间调制器调制后形成二维结构光场，照射到待测区域形成二维随机图案；
9.所述接收端包括高速相机以及设置在所述高速相机前的波长滤波器，待测区域散射的二维随机图案经过所述波长滤波器进入所述高速相机，形成检测图像；所述控制器接收所述高速相机发送的检测图像，生成纹影成像的检测结果。可选的，所述发射端还包括调节相机，所述调节相机连接所述控制器；所述控制器获取所述调节相机拍摄的二维随机图案，并根据所述二维随机图案，控制所述空间调制器。
10.可选的，所述波长滤波器为镀膜处理的带通滤波片。
11.可选的，所述高速相机内还设置有时间滤波器，所述时间滤波器连接所述控制器；
12.所述时间滤波器对检测图像的时间序列进行含时傅里叶变换，并将变换后的检测图像发送给所述控制器。
13.可选的，所述光源发射器为窄带激光光源，生成1064nm单横模的单色光源。
14.可选的，所述光源发射器为卤素灯、氙气灯或led灯。
15.可选的，空间调制器为光栅，空间光调制器或数字微镜阵列。
16.可选的，所述高速相机内还设置有空间滤波器，所述空间滤波器设置在所述高速相机的成像平面与波长滤波器之间。
17.可选的，所述发射端还设置有出光孔，所述接收端还设置有收光孔。
18.可选的，所述气体检测装置还包括壳体以及设置在所述壳体底部的三脚架。
19.由以上技术方案可知，本技术提供的一种基于纹影成像的气体检测装置，包括发射端、接收端和控制器，所述发射端与所述接收端并排设置，所述控制器连接所述发射端与所述接收端；所述发射端包括光源发射器和空间调制器，所述光源发射器成产生的单色光经空间调制器调制后形成二维结构光场，照射到待测区域形成二维随机图案；所述接收端包括高速相机以及设置在所述高速相机前的波长滤波器，待测区域散射的二维随机图案经过所述波长滤波器进入所述高速相机，形成检测图像；所述控制器接收所述高速相机发送的检测图像，生成纹影成像的检测结果。
20.在实际应用过程中，采用单色光源作为照明光源，并进行调制形成二维结构光场，对待测区域的气体流场进行照明，经过待测区域的气体流场折射率调制后，在待测区域的管道或者墙体上形成漫反射，漫反射的光线经过波长滤波器进入所述高速相机，形成检测图像，所述控制器从接收端获取接收端拍摄的检测图像，并对检测图像进行分析，生成纹影成像的检测结果，判断待检测区的气体流场情况。本技术提供的一种基于纹影成像的气体检测装置，利用主动式光源空间调制提高采用纹影技术成像的灵敏度，摆脱凹面反射镜、背景屏等光学元件，使纹影气体成像设备从分立的多个原件整合为一个整体。解决现有技术中，在需要气体泄漏检测的行业，例如化工厂制药厂等横竖交错的气体管道及反应池，又或在需进行冷热气体对流检测的高温晶体炉内等，均难以实现设置大面积凹面反射镜或背景平板的问题。
附图说明
21.为了更清楚地说明本技术的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简
单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
22.图1为现有技术中心采用凹面反射镜的纹影成像原理示意图；
23.图2为本技术实施例提供的一种基于纹影成像的气体检测装置使用场景示意图；
24.图3为本技术实施例提供的发射端结构示意图；
25.图4为本技术实施例提供的二维随机图案的校正前后结构示意图；
26.图5为本技术实施例提供的接收端结构示意图。
具体实施方式
27.下面将详细地对实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下实施例中描述的实施方式并不代表与本技术相一致的所有实施方式。仅是与权利要求书中所详述的、本技术的一些方面相一致的系统和方法的示例。
28.为了解决现有技术中，在需要气体泄漏检测的行业，例如化工厂制药厂等横竖交错的气体管道及反应池，又或在需进行冷热气体对流检测的高温晶体炉内等，均难以实现设置大面积凹面反射镜或背景平板的问题。如图2所示，为本技术实施例提供的一种基于纹影成像的气体检测装置，包括发射端、接收端和所述控制器，所述发射端与所述接收端并排设置，所述控制器连接所述发射端与所述接收端。所述发射端产生的单色光照射到待测区域，经过待测区域的流场折射率调制后，在待测区域的管道或者墙体上形成漫反射，漫反射的光线进入所述接收端，所述控制器从接收端获取接收端拍摄的检测图像，并对检测图像进行分析，生成纹影成像的检测结果，判断待检测区的气体流场情况。
29.如图3所示，为本技术实施例提供的发射端结构示意图，所述发射端包括光源发射器和空间调制器，所述光源发射器成产生的单色光经空间调制器调制后形成二维结构光场，照射到待测区域形成二维随机图案。
30.进一步的，所述光源发射器为窄带激光光源，生成1064nm单横模的单色光源，功率为1w，例如，由半导体激光器、光纤激光器或固体激光器形成的窄带激光光源。但是，所述光源发射器不局限于为窄带激光光源，还可以为单色可见光光源，例如，卤素灯、氙气灯或led灯进行窄带滤波形成的光源。单色光源经过光束整形后可形成一个极小的点状光斑，例如将半导体激光器进行光纤耦合后，从微米级光纤端面出射光斑；或者从光纤激光器单模光纤端面出射的光斑。
31.所述发射端还包括调节相机，所述调节相机连接所述控制器；所述控制器获取所述调节相机拍摄的二维随机图案，并根据所述二维随机图案，控制所述空间调制器。如图4所示，为本技术实施例提供的二维随机图案的校正前后结构示意图，所述调节相机置于空间调制器上方，利用所述调节相机拍摄经空间调制器调制后到达天然非合作反射面(墙体或管道)的二维随机图案，并将拍摄的二维随机图案发送至控制器，所述控制器根据二维随机图案的边缘特征，计算出畸变后的反馈调节量，并根据反馈调节量调节所述空间调制器，消除由于不规格实体背景等造成的二维随机图案畸变。利用空间调制器和调节相机的配合，使得二维随机图案相对被测区域形成一平板背景，进一步提高纹影成像的精度和质量。
32.需要说明的是，所述二维结构光场可根据探测需求的不同而改变调制结构，获得
最有益于探测的透射图案。产生的二维结构光场可以是横条纹、竖条纹、随机点阵等，例如，在探测纵向流场时，可选择横向图案突出流场的变化；探测气团时可采用格式图案分辨流场的边缘。
33.本技术的二维结构光场经流场折射率调制后形状发生第一次改变，投影到流场后的非合作反射物上，形成具有明暗对比的二维随机图案；二维随机图案经非合作反射物散射后，光线第二次经过流场被调制，发生第二次改变，进入所述接收端。与传统背景纹影成像相比，本技术的二维结构光场经过流场两次，因此折射率变化更为明显，成像效果也更为突出。
34.如图5所述，为本技术实施例提供的接收端结构示意图，所述接收端包括高速相机以及设置在所述高速相机前的滤波器，待测区域散射的二维随机图案经过所述滤波器进入所述高速相机，形成检测图像，所述高速相机为红外摄像机；所述控制器接收所述高速相机发送的检测图像，生成纹影成像的检测结果。
35.进一步的，如图5所示，所述波长滤波器为镀膜处理的带通滤波片，待测区域散射的二维随机图案进入高速相机前，首先经过波长带通滤波片。带通滤波片根据发射光源进行镀膜处理，只允许透过发射光源中心波长附近的窄带波长的光线，而将自然光等干扰光线屏蔽，降低探测噪声，增强纹影成像效果。
36.进一步的，如图5所示，所述高速相机内还设置有空间滤波器，所述空间滤波器设置在所述高速相机的成像平面与波长滤波器之间。
37.所述空间滤波器的基本构成为，在高速相机镜头后焦点处放置一个高通空间滤波器，将焦点傅里叶空间的低频部分过滤，从而过滤掉检测图像的均匀色块，增强二维结构光场的边缘，以及增加检测图像的对比度。
38.进一步的，如图5所示，所述高速相机内还设置有时间滤波器，所述时间滤波器连接所述控制器；所述时间滤波器对检测图像的时间序列进行含时傅里叶变换，并将变换后的检测图像发送给所述控制器。
39.所述时间滤波器为图像处理芯片，对检测图像的时间序列进行含时傅里叶变换，在频率空间过滤掉低频，将检测图像中不被流场改变保持不动的背景部分过滤，从而突出变化的流场，增强检测图像的流场对比。
40.进一步的，在本技术的部分实施例中，所述发射端还设置有出光孔，所述接收端还设置有收光孔。所述气体检测装置还包括壳体以及设置在所述壳体底部的三脚架，所述壳体内设置所述发射端、所述接收端和所述控制器，所述三脚架便于气体检测装置在检测区域的安装以及移动。
41.由以上技术方案可知，本技术实施例提供的一种基于纹影成像的气体检测装置，包括发射端、接收端和控制器，所述发射端与所述接收端并排设置，所述控制器连接所述发射端与所述接收端；所述发射端包括光源发射器和空间调制器，所述光源发射器成产生的单色光经空间调制器调制后形成二维结构光场，照射到待测区域形成二维随机图案；所述接收端包括高速相机以及设置在所述高速相机前的波长滤波器，待测区域散射的二维随机图案经过所述波长滤波器进入所述高速相机，形成检测图像；所述控制器接收所述高速相机发送的检测图像，生成纹影成像的检测结果。
42.在实际应用过程中，采用单色光源作为照明光源，并进行调制形成二维结构光场，
对待测区域的气体流场进行照明，经过待测区域的气体流场折射率调制后，在待测区域的管道或者墙体上形成漫反射，漫反射的光线经过波长滤波器进入所述高速相机，形成检测图像，所述控制器从接收端获取接收端拍摄的检测图像，并对检测图像进行分析，生成纹影成像的检测结果，判断待检测区的气体流场情况。本技术实施例提供的一种基于纹影成像的气体检测装置，利用主动式光源空间调制提高采用纹影技术成像的灵敏度，摆脱凹面反射镜、背景屏等光学元件，使纹影气体成像设备从分立的多个原件整合为一个整体。解决现有技术中，在需要气体泄漏检测的行业，例如化工厂制药厂等横竖交错的气体管道及反应池，又或在需进行冷热气体对流检测的高温晶体炉内等，均难以实现设置大面积凹面反射镜或背景平板的问题
43.本技术提供的实施例之间的相似部分相互参见即可，以上提供的具体实施方式只是本技术总的构思下的几个示例，并不构成本技术保护范围的限定。对于本领域的技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下依据本技术方案所扩展出的任何其他实施方式都属于本技术的保护范围。