《工业气体泄漏气云红外成像检测系统的性能评价技术规范》 征求意见稿

ICS

CCSCI

团体标准

T/CIXXX-2023

工业气体泄漏气云红外成像检

测系统的性能评价技术规范

Technicalspecificationforperformanceevaluationofindustrial

gasleakagegascloudinfraredimagingdetectionsystem

（征求意见稿）

中国国际科技促进会发布

工业气体泄漏气云红外成像检测系统的性能评价技术规范

1.范围

本文件规定了工业气体泄漏气云红外成像检测系统的性能评价技术与系统的总体要求，包括技

术的术语和定义、模型等技术要求。本文件适用于工业气体泄漏气云红外成像检测系统的性能评价。

2.规范性引用文件

下列文件对于本文件的应用是必不可少的。所有引用文件及其最新版本（包括所有的修改单）

适用于本文件。

GJB2340-95《军用热像仪通用规范》

JJG1007--2007《温度计量名词术语及定义》

GB/T19870--2018《工业检测型红外热像仪》

GB/T27418-2017《测量不确定度评定和表示》

GJB9146-2017《非制冷红外焦平面探测器通用规范》

3.术语与定义

3.1

信噪比SIGNAL-NOISERATIO，SNR

是指一个电子设备或者电子系统中信号与噪声的比例。

3.2

噪声等效温差NoiseEquivalentTemperatureDifference，NETD

红外热成像系统成像质量的一种客观的评价参量，定义为通过热成像系统观察一个低空间频率的圆

形或方形靶标时，视频信号信噪比（S/N）为1时，黑体目标与黑体背景之间的温差。

3.3

最小可分辨温差MinimumResolvableTemperatureDifference，MRTD

MRTD是综合评价热成像系统温度分辨力和空间分辨力的重要参数。其定义为：对于处于均匀黑体背

景中具有某一空间频率的高宽比1比7的四个条带黑体目标的标准条带图案，由观察者在显示屏上作无

限长时间的观察。当目标与背景之间额温差从零逐渐增大到观察者确认能分辨出四个条带的目标图案为

止，此时目标与背景之间的温差成为该空间频率下的最小可分辨温差

2

3.4

最小可探测温差MinimumDetectableTemperatureDifference，MDTD

MDTD是综合评价热成像系统温度分辨力和空间分辨力的重要参数。定义为：当观察者的观察时间不

受限制时，在热成像系统显示屏上恰好能分辨出一定尺寸的方形或圆形目标及其所处的位置时，目标与

背景之间的温差称为对应目标尺寸的最小可探测温差MDTD。

3.5

气云Gascloud

指气体泄漏所形成的漂浮烟羽，大多数工业气体在可见光波段通常表现为无色、无味和无嗅。

3.6

PPMPartspermillion

体积比浓度表示方法。对于气体，PPM一般指摩尔分数或体积分数。

体积浓度表示法：一百万体积的空气中所含污染物的体积数，即1ppm＝1立方厘米（cm³）/立方米

（m³）=10-6；

质量体积浓度表示法：每立方米空气中所含污染物的质量数，常用的表示单位是mg/m³或g/m³。

换算关系：PPM数值=气体质量浓度mg/m3（毫克/立方米）×22.4÷M分子量

3.7

气体（线）浓度Gas(line)concentration

是指在气云红外成像检测系统与气云连线的方向上，泄漏气云在单位路径上的气体气云的线（积分）

浓度，常用单位为PPM·M表示为路径积分体积浓度。

3.8

气云红外成像检测系统Gascloudinfraredimagingdetectionsystem

通常由高清晰彩色摄像机与IRFPA成像相机组合，用于采集气体泄漏气云的可见光视频和红外热成

像检测系统。其中热成像的响应工作波段通常有制冷型中波红外(3~5m)IRFPA、长波红外

(8~12m)IRFPA，非制冷型长波红外(8~12m)IRFPA和宽波段红外(3~14m)IRFPA。

3.9

性能评价系统Performanceevaluationsystem

对工业气体泄漏气云红外成像检测系统进行性能测试的评价系统。

3.10

最小可探测泄漏速率MinimumDetectableLeakRates，MDLR

MDLR定义为检测系统能够直接探测到目标气体的最小泄漏量，其与风速、气体浓度、背景温度、

3

泄漏点到探测系统的距离等密切相关。

3.11

噪声等效浓度路径长度NoiseEquivalentConcentrationPathLength，NECL

系统信噪比为1时对应的目标气体浓度；被用于描述热像仪对气体目标的浓度探测极限。

3.12

最小可分辨气体浓度MinimumResolvableGasConcentration，MRGC

恰好能分辨四条带靶标时对应的目标气体浓度；描述热像仪对低对比度气体目标的浓度极限分辨能

力。

3.13

最小可探测气体浓度MinimumDetectableGasConcentration，MDGC

恰好能探测到圆孔靶标时对应的目标气体浓度；用于描述热像仪对弱小气云目标的浓度探测极限。

4.总体要求

1）对于MDLR、NECL、MRGC和MDGC这四种评价标准，都需要排除空气中的二氧化碳和水汽等对

红外辐射有吸收作用的气体，防止对测量造成影响。

2）在实验室条件下测量各性能指标时，需要准确控制如背景温度、气体浓度、气体流量等与测

量结果直接相关的变量。

3）测量时需要考虑可能存在环境或人为的干扰因素的影响。

5）生理光学和视觉系统的机能特性(包括人眼对光源照度、色温、色度、像倾斜、光袖不平行

度、视度等)的要求。

5）实验环境应无强环境热辐射。

6）测量前应该先将仪器预先开机一段时间进行预热。

5.气体泄漏气云成像检测系统的性能检测系统

5.1

气体泄漏气云成像检测系统的性能检测系统

气体泄漏气云成像检测系统的性能检测方法通常以常规红外成像系统的性能评价方法为基础，但与

之不同的是由于气体目标物理形态上的特殊性，搭建的性能检测系统的过程相对更复杂，且由于具有多

指标评价，性能检测系统的结构设计需要兼容各功能模块。一般地，要完成整个评价测试系统的设计，

首先需要分功能设计多个子系统模块，通过简要地规范各个子系统的性能要求确保整个测试系统能够满

足测量要求。集成多指标测量的评价测试系统可有效减少搭建不同性能评价指标测试系统的繁琐操作，

4

从而降低实验操作的复杂程度，提高实验测量的效率。多指标测量系统集成的关键在于根据各性能指标

的评价测试系统的设计原理和结构特征，统一其中功能相似的组件，保留并整合其它重要的组件，设计

各具功能的子系统模块，并合理布局各部分的占用空间和所处位置。

泄漏气体自身固有特性包括红外吸收、气体浓度和温度、气体压力、气体扩散漂移、气云大小等，

使用气体泄漏气云成像检测系统时首先需要采用与待测气体吸收特性对应的成像波段，且在实验室条件

下，采用特定的气室约束气体云团尺寸，并从安全性考虑采用常压设计。此外，以气体为目标，需要稳

定且温度可控的背景才能进行客观的测量。于是，气体泄漏气云成像检测系统的性能测试需在常压、待

测气体温度和气体浓度稳定可测量、背景均匀且温度稳定可控的黑体条件下进行。

性能评价测试系统的原理框图如图1所示。实验室测试系统主要由面型黑体辐射源及其控制器、气

体混合设备、红外气室(分目标气室和参考气室两个腔室)、恒温水浴箱、铜管换热器、气体泵、测试系

统黑箱、上位机、气体泄漏报警器、黑体靶标转盘、黑体双孔挡板、浓度计、温度计等。气体红外成像

检测系统放置在测试系统黑箱外侧对黑体靶标聚焦成像，利用上位机控制黑体辐射源的温度和气体浓度

混合设备的输出浓度和流量，并利用转台控制黑体靶标轮盘切换靶标，采集系统输出图像数据用于测量

各评价指标。由于测量MDLR时往往需要在通风良好的环境中，出于安全性的考虑，在常规缺乏有效通

风排气条件的实验室测量环境，不建议进行MDLR的测量。

气体泄漏

气云成像

检测系统

图1气体泄漏气云成像检测系统的性能评价系统框图

性能评价系统采用大尺寸面型黑体源（图2给出典型示例），为系统提供温度可控的大面积均匀黑

体辐射源。靶标盒采用如图3所示的靶标转轮，在电控专利上安装若干黑体靶标，靶标包括测试MRGC

的不同频率四条带镂空靶标、测试MDGC的不同口径的镂空圆孔靶标，靶轮外近贴开有两个圆孔的黑体

5

平板，两个圆孔分别连接参考气室和测试气室。采用如图4所示双气室模式，气室长度为L，前后两个

窗口均由具有红外透射性质的硒化锌材料制成，窗口表面镀制工作波段较为平坦的宽波段3~14μm增透

膜，为减少实验环境对气室内气体温度的影响，制作气室外框时选用导热性较差的材料，并在外框上合

适位置设置气体进出口、温度计探针等安装孔，用于实时检测气室内的温度变化。

图2面型黑体SR-800N及其控制设备ControlMaster

图3安装在性能评价系统靶标盒的靶标转轮

图4红外双气室图5DC-1030恒温水浴箱

5.2

性能评价系统的测试条件

性能评价系统的的实验室要求为：温度控制23+/3℃，相对湿度RH控制65+/15%，测量时不超

6

过3人，且尽量减少人员走动；图1中排气管直接连到室外，并保持排气效果通畅。

在实验室条件下测量常用的4种评价指标MDLR、NECL、MRGC和MDGC，还需要注意：

(1)NECL、MRGC和MDGC三种性能评价指标是评价气云成像检测系统对待测气体的可检测性能，

需要提供均匀混合的待测气体作为目标，而MDLR是观察者通过气云成像检测系统对待测气体泄漏速

率探测极限的直观反映；

(2)测量NECL需要计算沿成像系统视线方向有待测气体和无待测气体这两条路径的光谱辐射

差值，从而将不同待测气体浓度与系统输出图像信噪比对应，而MRGC和MDGC的测量结果分别由人

眼恰能分辨四条带目标图案或定位圆状目标图案时待测气体的浓度给出；

(3)在实验室条件下测量各性能指标时，需要准确控制如背景温度、气体浓度、气体流量等与

测量结果直接相关的变量；

(4)测量时需要考虑可能存在环境或人为的干扰因素的影响。

一方面，使利用气体红外成像检测系统测量MRGC和MDGC时聚焦的目标靶标被充满待测气体的

目标气室所覆盖；另一方面，通过比较系统在同一时刻接收到参考气室和目标气室两者间的光谱辐

射，采集系统的输出图像信号，可将此时目标气室内待测气体的浓度对应系统的输出图像信噪比用

于描述系统性能。

测量时，将红外双气室安装在黑体辐射源与黑体双孔挡板之间，并在双气室分别充入参考气体

(氮气)和待测气体。系统以氮气为载气，用于冲洗气室和气体管路并与待测气体进行混合，通过改

变充入浓度调节气室的氮气和待测气体的比例，获得需要的待测气体的浓度；通过调节恒温水浴箱

的水温，控制流经铜管换热器的待测气体温度；通过微型气体循环泵，对整个管路中的气体进行循

环制冷并使其浓度均匀。

6.测量方法与要求

下面给出MDLR、NECL、MRGC和MDGC的测试方法。

6.1

MDLR的实验室测量

风向和风速会对MDLR的测量结果造成较大影响，然而一般实验室无法提供风速稳定的测试环

境，因此在实验室环境测量气体红外成像检测系统对待测气体在某种条件下的MDLR值时，将严格控

制在无风的环境下进行。当使用有限容积的红外气室时，成像系统无法长时间观测以不同速率通入

气室内的待测气体，因此实际测量MDLR时，仅需要应用评价测试系统中的部分组件即可，将评价测

试系统内红外气室、靶标、靶标盘及双孔挡板等替换为8mm口径的出气管，测量不同温差下的MDLR

7

具体步骤如下：

1)启动并设置气体泄漏报警器的报警浓度在可安全实验范围内，调整检测系统与出气口之间的

距离为L0，调节背景黑体辐射源温度使之与待测气体间形成一定温差ΔT0，背景黑体温度为Tb0，待

测气体温度为Tg，ΔT0=Tb0-Tg，调整检测系统的位置使成像图像清晰，出气口位于视场中心附近。

2)检测系统稳定工作后，先输出较大速率的待测气体，使观察者可以通过显示器观察到气柱，

逐渐减小出气口待测气体的泄漏速率，当观察者恰可探测到目标气体时对应的泄漏速率值，即气体

泄漏红外成像检测系统的最小可探测泄漏速率MDLR(ΔT0)。

3)保持其他测试条件不变，改变ΔT0，重复步骤2)。

将测试数据填入表6.1所示的表格。

表6.1XX气体的MDLR测试数据

∆T0(K)

MDLR(ml/min)

6.2

NECL的实验室测量

测量NECL时使用实验室研制的非制冷型气体红外成像检测系统，与制冷型气体红外成像检测设

备相比，使用非制冷型气体红外成像检测设备进行测量时，不能忽略其空间噪声，计算噪声需要综

合考虑检测系统探测器的时间噪声和空间噪声。测量过程中实际检测对象为某浓度待测气体和无待

测气体两条路径上检测系统接收到的光谱辐射差异。由于无法直接通过实验测量出信噪比为1时对

应的待测气体浓度，通常利用经验拟合公式给出系统信噪比与待测气体浓度的关系：

SNR(cl)Alog10(cl)BclD(1)

式中，A、B、D为拟合方程的拟合参数；假设气室内待测气体浓度混合均匀，cl为待测气体浓度与

光学路径长度的乘积。为测量不同温差下的NECL，利用评价测试系统进行测量的步骤为：

1)取下双孔挡板的空白靶和靶标盘上相应的目标测试靶，调节背景黑体温度为Tb1，使之与气

室内待测气体温度Tg1的差值ΔT1一定，ΔT1=Tb1-Tg1，调整气体红外成像检测系统的位置，使双孔

挡板高发射率一面覆盖检测系统的全部视场；

2)利用无红外吸收的氮气清洗管道和气室，待气体红外成像检测系统稳定工作后开始测量，在

整个测试过程中设置并固定检测系统的增益水平，采集连续100帧14位图像原始数据；

3)从步骤2)所得图像数据中目标气室和参考气室成像区域分别选定成像均匀的30*30大小矩

形区域，计算两矩形区域内像元信号的平均值分别为Itest和Iref，可将两气室测试信号的转换系数表

述为：

8

ˆ(2)

GItest/Iref

4)将浓度为c的待测气体通入长度为l的目标气室，气室内待测气体浓度混合均匀并稳定后，

采集连续100帧14位图像原始数据；

5)计算参考气室选定矩形区域内各像元信号随时间变化的标准偏差σt(x,y,cl)，时间噪声

_^

由σt(x,y,cl)的平均值σt(cl)乘以G表示；空间噪声由各帧图像数据中对应矩形区域内像元信

_^

号的标准偏差σs(t,cl)在连续100帧的均值σs(cl)乘以G表示；则信号衰减ΔS(cl)可表述为

ˆ(3)

SI'refGI'test

’’

其中，Itest和Iref分别表示目标气室和参考气室选定矩形区域内像元信号的平均值；

6)调节目标气室内待测气体浓度，重复步骤4)和5)；

7)计算不同浓度待测气体的系统输出图像信噪比SNR(cl)：

ˆ22(4)

SNRclScl/Gtclscl

8)结合测试数据，利用拟合式(4.1)计算并记录NECL值。

9)改变背景与目标气室内待测气体间的温差，重复步骤2)至9)。

将根据拟合结果计算所得的NECL测量结果填入表6.2。

表6.2XX气体的NECL测试数据

2

ΔT1/KNECL/(ppm∙m)R/%

6.3

MRGC的实验室测量

利用不同空间频率的黑体四条带靶，观察者可以测出一组随空间频率变化的MRGC值，具体的测

试步骤为：

1)将目标测试靶切换为黑体四条带靶，双孔挡板位于参考气室一侧的孔装入黑体空白靶，调整

气体红外成像检测系统与四条带靶标的间隔距离到合适位置，使双孔挡板覆盖系统全部成像视场，

四条带靶标图案位置处于视场中心，通过靶标盘选择合适的四条带靶；

2)通入氮气对气室及整个气路进行清洗，调节目标黑体的温度，当采集到的图像均匀且完全观

察不到四条带靶标时，固定此时的温度；

3)控制气室内待测气体的温度为Tg2，使之与背景间的温差相对稳定，逐渐增大或减小气室内

待测气体的浓度，当观察者恰可分辨出四条带靶标图案时，记录此时四条带靶标的空间频率fs和待

9

测气体浓度c，气室长度为l，此时待测气体浓度分布沿像检测系统视线路径的积分值即为对应的最

小可分辨气体浓度MRGC，假设气室内待测气体浓度均匀分布，则MRGC可表示为此时待测气体浓度

与腔室长度的乘积。

4)改变目标四条带靶标尺寸或检测距离，重复步骤1)到4)。

将MRGC测量结果填入表6.3。

表6.3XX气体的MRGC测试数据

最小可分辨气体浓度

空间频率/f0Tg2/K背景黑体温度/K

MRGC/(ppm∙m)

根据表6.3的MRGC测试数据，将空间频率f0和MRGC的关系绘制为散点图并使用曲线拟合，这

里给出示例，如图6所示。

图6XX气体的MRGC拟合曲线

6.4

MDGC的实验室测量

根据MDTD测试标准，结合MDGC的测试定义，MDGC的测试步骤如下：

1)将目标测试靶切换为黑体圆孔靶，双孔挡板位于参考气室一侧的孔装入黑体空白靶标，使用

氮气清洗输气管道及气室，减少干扰气体的影响，调整检测系统到合适位置，使圆孔靶成像图案位

于检测系统的视场中心；

2)当气室内待测气体的浓度为零时，从小到大逐渐增大黑体辐射源的温度，记录目标黑体与背

景黑体之间温差为负值且观察者恰好不能观测到黑色圆状目标图案时的目标黑体的温度为T-，再从

大到小逐渐减小目标黑体的温度，记录目标黑体与背景黑体之间温差为正值且观察者恰好不能观测

到白色圆状目标图案时的目标黑体的温度为T+；

10

3)计算系统等效零辐射差的目标温度为Tg=(T-+T+)/2；

4)设置目标黑体的温度为Tg，此时观察者无法从成像图像中定位到圆状目标，逐渐增大或减小

气室内待测气体浓度，当观察者恰可观测到圆状目标图案时，记录此时的待测气体浓度和圆孔靶标

的角直径；

5)改变圆孔靶标的角直径，重复步骤1)到5)。

将MDGC测试结果填入表6.4。

表6.4XX气体的MDGC测试数据

最小可探测气体浓度

角直径T/K背景黑体温度/K

gMDGC/ppm·m

根据表4.4的MRGC测试数据，将角直径和MDGC的关系绘制为散点图并使用曲线拟合，这里给

出示例，如图7所示。

图7XX气体的MDGC拟合曲线

11

前言

本文件在制定过程中主要参考了GJB2340-95《军用热像仪通用规范》、JJG1007--2007《温度

计量名词术语及定义》、GB／T19870--2018《工业检测型红外热像仪》、GB/T27418-2017《测量不

确定度评定和表示》等相关标准，结合我国工业气体泄漏气云红外成像检测系统的性能评价标准，

指定本规范。

本文件规定了工业气体泄漏气云红外成像检测系统的性能评价技术规范要求，正文部分共分六

章包括标准的适用范围、规范性引用文件、总体要求、定义及其性能测试模型、气体泄漏红外成像

检测系统性能测试系统以及测试的要求和方法。

本文件按照GB/T1.1-2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》起草。

某些内容可能涉及专利，本文件的发布机构不承担识别这些专利的责任。

本文件由北京理工大学提出。

本文件由中国国际科技促进会归口。

本文件起草单位：北京理工大学、北京智慧共享技术服务有限公司、中国石油集团安全环保技

术研究院有限公司、中石化安全工程研究院有限公司、中国计量科学院研究院、中海油节能环保服

务有限公司、北京锐百凌科技有限公司和国防科技工业光学一级计量站。

本文件主要起草人：王霞、金伟其、裘溯、蒋益民、孙秉才、朱亮、徐英莹、张旭。

本文件为首次发布。

1

工业气体泄漏气云红外成像检测系统的性能评价技术规范

1.范围

本文件规定了工业气体泄漏气云红外成像检测系统的性能评价技术与系统的总体要求，包括技

术的术语和定义、模型等技术要求。本文件适用于工业气体泄漏气云红外成像检测系统的性能评价。

2.规范性引用文件

下列文件对于本文件的应用是必不可少的。所有引用文件及其最新版本（包括所有的修改单）

适用于本文件。

GJB2340-95《军用热像仪通用规范》

JJG1007--2007《温度计量名词术语及定义》

GB/T19870--2018《工业检测型红外热像仪》

GB/T27418-2017《测量不确定度评定和表示》

GJB9146-2017《非制冷红外焦平面探测器通用规范》

3.术语与定义

3.1

信噪比SIGNAL-NOISERATIO，SNR

是指一个电子设备或者电子系统中信号与噪声的比例。

3.2

噪声等效温差NoiseEquivalentTemperatureDifference，NETD

红外热成像系统成像质量的一种客观的评价参量，定义为通过热成像系统观察一个低空间频率的圆

形或方形靶标时，视频信号信噪比（S/N）为1时，黑体目标与黑体背景之间的温差。

3.3

最小可分辨温差MinimumResolvableTemperatureDifference，MRTD

MRTD是综合评价热成像系统温度分辨力和空间分辨力的重要参数。其定义为：对于处于均匀黑体背

景中具有某一空间频率的高宽比1比7的四个条带黑体目标的标准条带图案，由观察者在显示屏上作无

限长时间的观察。当目标与背景之间额温差从零逐渐增大到观察者确认能分辨出四个条带的目标图案为

止，此时目标与背景之间的温差成为该空间频率下的最小可分辨温差

2

3.4

最小可探测温差MinimumDetectableTemperatureDifference，MDTD

MDTD是综合评价热成像系统温度分辨力和空间分辨力的重要参数。定义为：当观察者的观察时间不

受限制时，在热成像系统显示屏上恰好能分辨出一定尺寸的方形或圆形目标及其所处的位置时，目标与

背景之间的温差称为对应目标尺寸的最小可探测温差MDTD。

3.5

气云Gascloud

指气体泄漏所形成的漂浮烟羽，大多数工业气体在可见光波段通常表现为无色、无味和无嗅。

3.6

PPMPartspermillion

体积比浓度表示方法。对于气体，PPM一般指摩尔分数或体积分数。

体积浓度表示法：一百万体积的空气中所含污染物的体积数，即1ppm＝1立方厘米（cm³）/立方米

（m³）=10-6；

质量体积浓度表示法：每立方米空气中所含污染物的质量数，常用的表示单位是mg/m³或g/m³。

换算关系：PPM数值=气体质量浓度mg/m3（毫克/立方米）×22.4÷M分子量

3.7

气体（线）浓度Gas(line)concentration

是指在气云红外成像检测系统与气云连线的方向上，泄漏气云在单位路径上的气体气云的线（积分）

浓度，常用单位为PPM·M表示为路径积分体积浓度。

3.8

气云红外成像检测系统Gascloudinfraredimagingdetectionsystem

通常由高清晰彩色摄像机与IRFPA成像相机组合，用于采集气体泄漏气云的可见光视频和红外热成

像检测系统。其中热成像的响应工作波段通常有制冷型中波红外(3~5m)IRFPA、长波红外

(8~12m)IRFPA，非制冷型长波红外(8~12m)IRFPA和宽波段红外(3~14m)IRFPA。

3.9

性能评价系统Performanceevaluationsystem

对工业气体泄漏气云红外成像检测系统进行性能测试的评价系统。

3.10

最小可探测泄漏速率MinimumDetectableLeakRates，MDLR

MDLR定义为检测系统能够直接探测到目标气体的最小泄漏量，其与风速、气体浓度、背景温度、

3

泄漏点到探测系统的距离等密切相关。

3.11

噪声等效浓度路径长度NoiseEquivalentConcentrationPathLength，NECL

系统信噪比为1时对应的目标气体浓度；被用于描述热像仪对气体目标的浓度探测极限。

3.12

最小可分辨气体浓度MinimumResolvableGasConcentration，MRGC

恰好能分辨四条带靶标时对应的目标气体浓度；描述热像仪对低对比度气体目标的浓度极限分辨能

力。

3.13

最小可探测气体浓度MinimumDetectableGasConcentration，MDGC

恰好能探测到圆孔靶标时对应的目标气体浓度；用于描述热像仪对弱小气云目标的浓度探测极限。

4.总体要求

1）对于MDLR、NECL、MRGC和MDGC这四种评价标准，都需要排除空气中的二氧化碳和水汽等对

红外辐射有吸收作用的气体，防止对测量造成影响。

2）在实验室条件下测量各性能指标时，需要准确控制如背景温度、气体浓度、气体流量等与测

量结果直接相关的变量。

3）测量时需要考虑可能存在环境或人为的干扰因素的影响。

5）生理光学和视觉系统的机能特性(包括人眼对光源照度、色温、色度、像倾斜、光袖不平行

度、视度等)的要求。

5）实验环境应无强环境热辐射。

6）测量前应该先将仪器预先开机一段时间进行预热。

5.气体泄漏气云成像检测系统的性能检测系统

5.1

气体泄漏气云成像检测系统的性能检测系统

气体泄漏气云成像检测系统的性能检测方法通常以常规红外成像系统的性能评价方法为基础，但与

之不同的是由于气体目标物理形态上的特殊性，搭建的性能检测系统的过程相对更复杂，且由于具有多

指标评价，性能检测系统的结构设计需要兼容各功能模块。一般地，要完成整个评价测试系统的设计，

首先需要分功能设计多个子系统模块，通过简要地规范各个子系统的性能要求确保整个测试系统能够满

足测量要求。集成多指标测量的评价测试系统可有效减少搭建不同性能评价指标测试系统的繁琐操作，

4

从而降低实验操作的复杂程度，提高实验测量的效率。多指标测量系统集成的关键在于根据各性能指标

的评价测试系统的设计原理和结构特征，统一其中功能相似的组件，保留并整合其它重要的组件，设计

各具功能的子系统模块，并合理布局各部分的占用空间和所处位置。

泄漏气体自身固有特性包括红外吸收、气体浓度和温度、气体压力、气体扩散漂移、气云大小等，

使用气体泄漏气云成像检测系统时首先需要采用与待测气体吸收特性对应的成像波段，且在实验室条件

下，采用特定的气室约束气体云团尺寸，并从安全性考虑采用常压设计。此外，以气体为目标，需要稳

定且温度可控的背景才能进行客观的测量。于是，气体泄漏气云成像检测系统的性能测试需在常压、待

测气体温度和气体浓度稳定可测量、背景均匀且温度稳定可控的黑体条件下进行。

性能评价测试系统的原理框图如图1所示。实验室测试系统主要由面型黑体辐射源及其控制器、气

体混合设备、红外气室(分目标气室和参考气室两个腔室)、恒温水浴箱、铜管换热器、气体泵、测试系

统黑箱、上位机、气体泄漏报警器、黑体靶标转盘、黑体双孔挡板、浓度计、温度计等。气体红外成像

检测系统放置在测试系统黑箱外侧对黑体靶标聚焦成像，利用上位机控制黑体辐射源的温度和气体浓度

混合设备的输出浓度和流量，并利用转台控制黑体靶标轮盘切换靶标，采集系统输出图像数据用于测量

各评价指标。由于测量MDLR时往往需要在通风良好的环境中，出于安全性的考虑，在常规缺乏有效通

风排气条件的实验室测量环境，不建议进行MDLR的测量。

气体泄漏

气云成像

检测系统

图1气体泄漏气云成像检测系统的性能评价系统框图

性能评价系统采用大尺寸面型黑体源（图2给出典型示例），为系统提供温度可控的大面积均匀黑

体辐射源。靶标盒采用如图3所示的靶标转轮，在电控专利上安装若干黑体靶标，靶标包括测试MRGC

的不同频率四条带镂空靶标、测试MDGC的不同口径的镂空圆孔靶标，靶轮外近贴开有两个圆孔的黑体

5

平板，两个圆孔分别连接参考气室和测试气室。采用如图4所示双气室模式，气室长度为L，前后两个

窗口均由具有红外透射性质的硒化锌材料制成，窗口表面镀制工作波段较为平坦的宽波段3~14μm增透

膜，为减少实验环境对气室内气体温度的影响，制作气室外框时选用导热性较差的材料，并在外框上合

适位置设置气体进出口、温度计探针等安装孔，用于实时检测气室内的温度变化。

图2面型黑体SR-800N及其控制设备ControlMaster

图3安装在性能评价系统靶标盒的靶标转轮

图4红外双气室图5DC-1030恒温水浴箱

5.2

性能评价系统的测试条件

性能评价系统的的实验室要求为：温度控制23+/3℃，相对湿度RH控制65+/15%，测量时不超

6

过3人，且尽量减少人员走动；图1中排气管直接连到室外，并保持排气效果通畅。

在实验室条件下测量常用的4种评价指标MDLR、NECL、MRGC和MDGC，还需要注意：

(1)NECL、MRGC和MDGC三种性能评价指标是评价气云成像检测系统对待测气体的可检测性能，

需要提供均匀混合的待测气体作为目标，而MDLR是观察者通过气云成像检测系统对待测气体泄漏速

率探测极限的直观反映；

(2)测量NECL需要计算沿成像系统视线方向有待测气体和无待测气体这两条路径的光谱辐射

差值，从而将不同待测气体浓度与系统输出图像信噪比对应，而MRGC和MDGC的测量结果分别由人

眼恰能分辨四条带目标图案或定位圆状目标图案时待测气体的浓度给出；

(3)在实验室条件下测量各性能指标时，需要准确控制如背景温度、气体浓度、气体流量等与

测量结果直接相关的变量；

(4)测量时需要考虑可能存在环境或人为的干扰因素的影响。

一方面，使利用气体红外成像检测系统测量MRGC和MDGC时聚焦的目标靶标被充满待测气体的

目标气室所覆盖；另一方面，通过比较系统在同一时刻接收到参考气室和目标气室两者间的光谱辐

射，采集系统的输出图像信号，可将此时目标气室内待测气体的浓度对应系统的输出图像信噪比用

于描述系统性能。

测量时，将红外双气室安装在黑体辐射源与黑体双孔挡板之间，并在双气室分别充入参考气体

(氮气)和待测气体。系统以氮气为载气，用于冲洗气室和气体管路并与待测气体进行混合，通过改

变充入浓度调节气室的氮气和待测气体的比例，获得需要的待测气体的浓度；通过调节恒温水浴箱

的水温，控制流经铜管换热器的待测气体温度；通过微型气体循环泵，对整个管路中的气体进行循

环制冷并使其浓度均匀。

6.测量方法与要求

下面给出MDLR、NECL、MRGC和MDGC的测试方法。

6.1

MDLR的实验室测量

风向和风速会对MDLR的测量结果造成较大影响，然而一般实验室无法提供风速稳定的测试环

境，因此在实验室环境测量气体红外成像检测系统对待测气体在某种条件下的MDLR值时，将严格控

制在无风的环境下进行。当使用有限容积的红外气室时，成像系统无法长时间观测以不同速率通入

气室内的待测气体，因此实际测量MDLR时，仅需要应用评价测试系统中的部分组件即可，将评价测

试系统内红外气室、靶标、靶标盘及双孔挡板等替换为8mm口径的出气管，测量不同温差下的MDLR

7

具体步骤如下：

1)启动并设置气体泄漏报警器的报警浓度在可安全实验范围内，调整检测系统与出气口之间的

距离为L0，调节背景黑体辐射源温度使之与待测气体间形成一定温差ΔT0，背景黑体温度为Tb0，待

测气体温度为Tg，ΔT0=Tb0-Tg，调整检测系统的位置使成像图像清晰，出气口位于视场中心附近。

2)检测系统稳定工作后，先输出较大速率的待测气体，使观察者可以通过显示器观察到气柱，

逐渐减小出气口待测气体的泄漏速率，当观察者恰可探测到目标气体时对应的泄漏速率值，即气体

泄漏红外成像检测系统的最小可探测泄漏速率MDLR(ΔT0)。

3)保持其他测试条件不变，改变ΔT0，重复步骤2)。

将测试数据填入表6.1所示的表格。

表6.1XX气体的MDLR测试数据

∆T0(K)

MDLR(ml/min)

6.2

NECL的实验室测量

测量NECL时使用实验室研制的非制冷型气体红外成像检测系统，与制冷型气体红外成像检测设

备相比，使用非制冷型气体红外成像检测设备进行测量时，不能忽略其空间噪声，计算噪声需要综

合考虑检测系统探测器的时间噪声和空间噪声。测量过程中实际检测对象为某浓度待测气体和无待

测气体两条路径上检测系统接收到的光谱辐射差异。由于无法直接通过实验测量出信噪比为1时对

应的待测气体浓度，通常利用经验拟合公式给出系统信噪比与待测气体浓度的关系：

SNR(cl)Alog10(cl)BclD(1)

式中，A、B、D为拟合方程的拟合参数；假设气室内待测气体浓度混合均匀，cl为待测气体浓度与

光学路径长度的乘积。为测量不同温差下的NECL，利用评价测试系统进行测量的步骤为：

1)取下双孔挡板的空白靶和靶标盘上相应的目标测试靶，调节背景黑体温度为Tb1，使之与气

室内待测气体温度Tg1的差值ΔT1一定，ΔT1=Tb1-Tg1，调整气体红外成像检测系统的位置，使双孔

挡板高发射率一面覆盖检测系统的全部视场；

2)利用无红外吸收的氮气清洗管道和气室，待气体红外成像检测系统稳定工作后开始测量，在

整个测试过程中设置并固定检测系统的增益水平，采集连续100帧14位图像原始数据；

3)从步骤2)所得图像数据中目标气室和参考气室成像区域分别选定成像均匀的30*30大小矩

形区域，计算两矩形区域内像元信号的平均值分别为Itest和Iref，可将两气室测试信号的转换系数表

述为：

8

ˆ(2)

GItest/Iref

4)将浓度为c的待测气体通入长度为l的目标气室，气室内待测气体浓度混合均匀并稳定后，

采集连续100帧14位图像原始数据；

5)计算参考气室选定矩形区域内各像元信号随时间变化的标准偏差σt(x,y,cl)，时间噪声

_^

由σt(x,y,cl)的平均值σt(cl)乘以G表示；空间噪声由各帧图像数据中对应矩形区域内像元信

_^

号的标准偏差σs(t,cl)在连续100帧的均值σs(cl)乘以G表示；则信号衰减ΔS(cl)可表述为

ˆ(3)

SI'refGI'test

’’

其中，Itest和Iref分别表示目标气室和参考气室选定矩形区域内像元信号的平均值；

6)调节目标气室内待测气体浓度，重复步骤4)和5)；

7)计算不同浓度待测气体的系统输出图像信噪比SNR(cl)：

ˆ22(4)

SNRclScl/Gtclscl

8)结合测试数据，利用拟合式(4.1)计算并记录NECL值。

9)改变背景与目标气室内待测气体间的温差，重复步骤2)至9)。

将根据拟合结果计算所得的NECL测量结果填入表6.2。