災(zāi)害氣體在環(huán)境中會(huì)帶有獨(dú)特的溫度特征和光譜特征。利用紅外高光譜探測(cè)手段能夠有效的利用氣體的溫度信息和光譜信息，從而對(duì)氣體進(jìn)行甄別和檢測(cè)。傳統(tǒng)的高光譜一般指可見光近紅外波段，傳統(tǒng)高光譜是對(duì)地物目標(biāo)的反射率信息進(jìn)行分析，以達(dá)到相應(yīng)的檢測(cè)目的。而紅外高光譜探測(cè)手段是利用對(duì)遠(yuǎn)紅外波段的輻射能量進(jìn)行相應(yīng)的檢測(cè)分析，這部分信息主要利用的是目標(biāo)的輻射信息（溫度信息）。從成像機(jī)理上，傳統(tǒng)的高光譜和紅外波段的高光譜有所不同，所以，研究這兩者在成像模型、信號(hào)模型、檢測(cè)模型的異同之處有十分重要的研究意義。

另外，軟件和硬件的發(fā)展是相輔相成的，紅外傳感器的發(fā)展，伴隨著紅外遙感相關(guān)技術(shù)的研究。目前紅外高光譜傳感器技術(shù)壁壘比較大，紅外高光譜數(shù)據(jù)獲取比較難，但紅外高光譜數(shù)據(jù)的應(yīng)用具有極大的意義和價(jià)值。所以研究氣體的紅外高光譜數(shù)據(jù)仿真具有十分重要的意義，對(duì)氣體以及其他目標(biāo)物體的紅外高光譜輻射特性分析與特征提取具有十分重大的指導(dǎo)意義。

一、紅外光譜吸收原理

眾所周知，光是由許多單一顏色的光組成的，由此可知，紅外光是由許多處于紅外頻率以外的光組成的。每種氣體都具有一種性質(zhì)：可以吸收對(duì)應(yīng)頻率的紅外光能量，氣體吸收紅外光能量中頻率最高的被稱為氣體的特征吸收頻率。當(dāng)光線穿透氣體時(shí)，氣體吸收特征頻率譜線光，導(dǎo)致光的能量下降。研究表明，每種氣體在紅外輻射波段都有不同數(shù)目的特征吸收譜線。由于特征頻率是由一定頻率范圍內(nèi)的光組成的，因此特征吸收頻率具有一定的帶寬，并且?guī)捴忻總€(gè)頻率被吸收的量不盡相同。通過相應(yīng)的吸收模型和計(jì)算公式可以計(jì)算出紅外光線穿過氣體時(shí)被吸收能量的多少。氣體的濃度變化、光線穿過氣體時(shí)所走的路程、光線能量衰減的程度，三者的關(guān)系符合光吸收基本定律。

熱紅外輻射指的就是由于物質(zhì)本身具有高于絕對(duì)零度的溫度，從而不斷向環(huán)境發(fā)射輻射能量的現(xiàn)象;它是物質(zhì)溫度特性的一種表征形式。自然環(huán)境中，物體交換能量的方式都是通過輻射方式進(jìn)行的，一個(gè)物體能量的變換取決于本身發(fā)射的能量，物質(zhì)本身吸收的能量以及其他方式能量的綜合作用。當(dāng)沒有其他方式的能量時(shí)，物質(zhì)的溫度狀態(tài)只受其發(fā)射和吸收的情況影響;當(dāng)發(fā)射和吸收的能量相等時(shí)，物質(zhì)就處在了熱平衡狀態(tài)。自然環(huán)境中，熱量交換都是千變?nèi)f化的，通常物質(zhì)都處于非平衡狀態(tài)，但如果細(xì)化到每個(gè)狀態(tài)，可以熱為物質(zhì)在一定時(shí)間內(nèi)熱量變化均勻平穩(wěn)，處于瞬時(shí)的平衡狀態(tài)，這樣就需要熱學(xué)定律去描述物質(zhì)的平衡狀態(tài)。

二、紅外高光譜圖像氣體檢測(cè)

（一）單一氣體目標(biāo)檢測(cè)

圖1為單一氣體檢測(cè)系統(tǒng)框圖，首先根據(jù)氣體光譜庫(kù)氣體數(shù)據(jù)和MODTRAN大氣傳輸數(shù)據(jù)計(jì)算出氣體光譜特征數(shù)據(jù)（相當(dāng)于s），然后對(duì)紅外高光譜圖像進(jìn)行背景訓(xùn)練，對(duì)全局圖像去均值，去除均值之后的結(jié)果即為x，如此，對(duì)數(shù)據(jù)逐點(diǎn)計(jì)算判別權(quán)值，最后完成檢測(cè)。利用上述三種檢測(cè)器計(jì)算出的結(jié)果是對(duì)圖像像素描述的權(quán)值，最終歸一化之后，變成0到1之間的描述權(quán)值，它的意義是：目標(biāo)的權(quán)值應(yīng)為1，背景的權(quán)值應(yīng)為0，設(shè)定門限，權(quán)值大于門限的為目標(biāo)，小于門限的為背景。

圖1 單一氣體檢測(cè)系統(tǒng)流程圖

利用檢測(cè)方法計(jì)算出的是像素的描述權(quán)值，選擇不同的閾值，則檢測(cè)結(jié)果會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)變化。如果氣體目標(biāo)的真實(shí)檢測(cè)結(jié)果是已知的，對(duì)目標(biāo)和非目標(biāo)的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并與真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，能夠較準(zhǔn)確的反映檢測(cè)效果，定義檢測(cè)的四種客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)：發(fā)現(xiàn)概率DP（probability of detection）、漏檢概率MP（probability of miss），虛警概率FAP（probability of false alarm）以及背景的發(fā)現(xiàn)概率DBP（probability of detection of background）：

ROC（接收機(jī)操作特性）曲線，描述的是發(fā)現(xiàn)概率和虛警概率關(guān)系曲線，通常橫坐標(biāo)是虛警概率，縱坐標(biāo)為目標(biāo)發(fā)現(xiàn)概率。由于檢測(cè)算法計(jì)算出的是權(quán)值，當(dāng)選擇閾值不同時(shí)，發(fā)現(xiàn)概率和虛警概率也不同，但一一對(duì)應(yīng)，這樣就會(huì)繪制出一條虛警概率與目標(biāo)發(fā)現(xiàn)概率關(guān)系曲線，用來(lái)客觀評(píng)價(jià)檢測(cè)算法的好壞，好的檢測(cè)算法是讓虛警概率盡可能減小，同時(shí)發(fā)現(xiàn)概率盡可能的提高，最好的算法當(dāng)然是虛警概率為0時(shí)，發(fā)現(xiàn)概率為1。

（二）混合氣體目標(biāo)檢測(cè)

圖2為混合氣體檢測(cè)系統(tǒng)流程圖，首先根據(jù)氣體光譜庫(kù)以及大氣環(huán)境仿真，計(jì)算出氣體光譜特征;然后對(duì)紅外高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行背景訓(xùn)練，對(duì)圖像去均值;之后利用匹配濾波器（MF）對(duì)圖像進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)出混合氣體各氣體成分的檢測(cè)結(jié)果;利用檢測(cè)結(jié)果計(jì)算出混合氣體區(qū)域，然后利用線性光譜解混算法計(jì)算出混合區(qū)域氣體的豐度，也就是氣體分子量的比值。

圖2 混合氣體檢測(cè)系統(tǒng)流程圖

首先，根據(jù)氣體信號(hào)檢測(cè)模型，對(duì)氣體信號(hào)檢測(cè)的參數(shù)進(jìn)行分析，并通過分析將紅外高光譜氣體檢測(cè)信號(hào)模型轉(zhuǎn)換成傳統(tǒng)的紅外高光譜信號(hào)檢測(cè)模型;之后選擇匹配濾波器、自適應(yīng)余弦一致性濾波器和自適應(yīng)匹配濾波器對(duì)單一氣體進(jìn)行檢測(cè)，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)這三種方法能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)單一氣體進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)驗(yàn)證了氣體檢測(cè)在不同信噪比、不同光譜分辨率與不同大氣場(chǎng)景估計(jì)下的魯棒性;最后，通過模型分析，將混合氣體信號(hào)模型轉(zhuǎn)換成線性光譜混合模型，并利用匹配濾波器對(duì)混合區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)對(duì)混合區(qū)域的氣體豐度（氣體分子量的百分比）進(jìn)行了提取計(jì)算。

三、紅外光譜技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

（一）安全性高，可操作性強(qiáng)

紅外光譜技術(shù)設(shè)計(jì)的檢測(cè)設(shè)備采用的是光信號(hào)，與傳統(tǒng)設(shè)備采用電信號(hào)相比，在煤礦等易燃易爆氣體集聚的場(chǎng)合，不會(huì)引起氣體燃燒和爆炸等情況的發(fā)生，具有較高的防爆性和安全性。由于每種儀器都具有各自的適用范圍，當(dāng)氣體濃度超過一定數(shù)值時(shí)容易引起元件的老化和中毒等情況，使測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)偏差。采用紅外光譜技術(shù)來(lái)檢測(cè)氣體，可以避免這些情況的出現(xiàn)。而且采用紅外光譜技術(shù)產(chǎn)生的干擾信號(hào)弱，系統(tǒng)的信噪比較高。除此之外，系統(tǒng)具有靈敏度自動(dòng)補(bǔ)償功能和零點(diǎn)自動(dòng)補(bǔ)償功能，因此不需要定時(shí)校準(zhǔn)，可操作性較強(qiáng)。

（二）選擇性好

由于每種氣體都具有特定的紅外吸收頻率，因此在檢測(cè)混合氣體時(shí)，由于各種氣體都具有各自的特征頻率光譜，彼此之間互相隔離，互不干擾，使檢測(cè)混合氣體中的某種特定的氣體成為可能。

（三）反應(yīng)靈敏，可靠性高

采用傳統(tǒng)的檢測(cè)方法做氣體檢測(cè)時(shí)，開啟檢測(cè)系統(tǒng)后往往無(wú)法直接工作，而是需要經(jīng)過一段比較長(zhǎng)的預(yù)熱時(shí)間。而采用紅外光譜技術(shù)的氣體檢測(cè)設(shè)備，在開機(jī)后短時(shí)間內(nèi)就可以進(jìn)行工作。即使氣體濃度僅僅發(fā)生微小變化，它也可以及時(shí)檢測(cè)到，反應(yīng)十分靈敏。在實(shí)際檢測(cè)過程中，基于某些檢測(cè)方法設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)很容易因?yàn)樵O(shè)備發(fā)熱等因素，導(dǎo)致測(cè)量的準(zhǔn)確性和檢測(cè)出的數(shù)據(jù)不可靠。而采用紅外光譜吸收技術(shù)設(shè)計(jì)的氣體檢測(cè)設(shè)備，由于它是通過光信號(hào)來(lái)工作的，所以不會(huì)引起系統(tǒng)溫度升高等情況的出現(xiàn)，測(cè)量的數(shù)據(jù)不受干擾因素的影響，測(cè)量的穩(wěn)定性和可靠性較高。

四、結(jié)束語(yǔ)

總而言之，氣體檢測(cè)技術(shù)的研究，有助于提高對(duì)災(zāi)害氣體的監(jiān)測(cè)和預(yù)警能力，能夠有效減少氣體災(zāi)害對(duì)社會(huì)與自然造成的損害，具有極高的經(jīng)濟(jì)和軍事應(yīng)用價(jià)值。紅外高光譜遙感探測(cè)技術(shù)，能夠提供場(chǎng)景內(nèi)物體的溫度特征和光譜特征，能夠有效的應(yīng)用到氣體檢測(cè)中來(lái)。