基于背景纹影原理的危险气体泄漏可视化检测方法研究

For the social development，it is realized that the hazardous gas leak detection technology, which is important for the safety of industry and life, should be visualization and conducive to leak source finding. The visualization technique for hazardous gas leak detection based on Background Oriented Schlieren (BOS) is one of the most competitive project for its convenient and cheap. For solving the problem caused by outside natural background, it is advised that constructing a virtual BOS system to research BOS principle by numerical method, which is a new method for investigating the evaluation system of quality of background and schlieren with analysis algorithm. With the virtual BOS system and laboratory experiment, the problem of system parameter optimization is solved by evaluation system of quality of background; the problem of improvement of feature matching algorithm is solved by the evaluation system of quality of schlieren with analysis algorithm; and the problem of influence of depth of field is solved by theoretical analysis. With the solution of the key problem above, the portable visualization detecting is manufactured, which can be used for hazardous gas leak detection with outside natural background and provides this technique with theoretical and application basis.

危险气体泄漏检测技术对保障我国的工业生产及人民生活安全有着重要意义，社会发展要求其能够实现对气体的可视化检测及辅助寻源。基于背景纹影原理（BOS）的危险气体泄漏可视化检测技术凭借其简便、低成本的优点成为了最具竞争力的方案之一，目前该技术的核心问题是如何解决其在室外自然背景下定量检测中小流量气体泄漏面临的技术问题。本课题提出通过构建虚拟BOS系统建立数值模拟研究新方法入手，为建立背景质量的量化评价方法及结合分析算法的纹影图像评价方法提供了研究手段。借助虚拟BOS系统及室内实验，本课题拟利用背景质量的量化评价方法解决系统参数优化问题；利用结合分析算法的纹影图像评价方法解决特征匹配算法改进问题；利用理论分析消除室外自然背景景深影响。在解决上述关键问题的基础上，本课题将试制便携式可视化检测仪，实现对室外危险气体泄漏的可视化检测，为该技术走向应用奠定理论与应用基础。

项目对基于背景纹影（BOS）原理的危险气体泄漏可视化检测方法进行了理论与实验研究，在研究方法、检测系统参数优化、室外自然背景应用、可视化检测平台研制等方面开展了深入研究。通过本项目的研究，设计并实现了虚拟BOS系统，扩展了背景纹影系统的研究方法，为背景纹影技术研究提供新的技术手段，可以实现结合计算流体力学（CFD）仿真模拟的虚拟实验，用于背景纹影实验的前期设计、预测及理论分析。研究了室内背景生成算法，可根据输入参数自动生成各类型背景，进行了关于泄漏危险气体（以天然气为主）的背景纹影室内实验，获得了不同特征背景对纹影质量的影响权重，形成了自然背景质量评价方法。通过室外实验应用研究，总结了室外纹影拍摄不同于室内实验环境的主要应用问题：就摄像系统景深及自然背景空间距离不一致对背景纹影的影响进行了深入分析，得到自然背景空间下定量计算泄漏空间浓度分布方法；就典型自然背景特征可能存在特征交叉，纹影成像质量不高的问题，提出通过动态移动摄像系统的方法提升自然背景质量。最后，基于室外实验研究结果，为实现背景纹影在自然背景条件下对危险气体泄漏空间进行可视化检测目标，设计并试制了多地形条件下的遥控及图像远传机器人平台。基于背景纹影技术的危险气体泄漏可视化检测方法，可以用于化工装置区、城市管道、油气井口等区域的危险气体泄漏检测，一定程度上弥补红外检测技术价格昂贵的缺点，实现更广范围、区域的泄漏气体可视化监测，提升各危险区域的安全状态，带来相应的社会效益。