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便携式非制冷红外气体成像仪技术与工业应用研究
摘要：化工、油气行业危险气体泄漏具有无色、扩散快、隐蔽性强的特点，传统点式巡检设备存在检测效率低、存在监测盲区等问题。便携式非制冷红外气体成像仪依托非制冷氧化钒红外焦平面探测、气云可视化算法、mini?TDLAS 激光光谱吸收、北斗 / GPS 定位等技术，实现非接触远距离的危险气体泄漏可视化巡检。本文以 IRV?Ⅱ?H?U1/U2 便携式非制冷红外气体成像仪为研究对象，阐述设备工作原理、硬件架构、核心功能，对比传统检测手段优势，分析设备在石油化工、生态环境、应急管理、电力行业的应用实践，同时剖析现有技术局限，对便携式气云成像装备的发展方向做出展望。
关键词：非制冷红外；氧化钒探测器；气云成像；TDLAS；便携式检漏；VOCs 泄漏；LDAR；工业安全巡检
0 引言
在石油化工、油气储运、电力运维生产现场，甲烷、氨气、六氟化硫、各类挥发性有机物（VOCs）泄漏会引发爆炸、中毒、环境污染等重大安全与环保事故。多数危险泄漏气体肉眼不可见，传统 PID、FID 点式检测仪需要逐点接触式测量，巡检工作量巨大，面对高架管道、复杂设备集群，极易出现漏检，难以直观观察气体扩散方向与泄漏源位置，无法满足现代化安全生产和泄漏?检测?修复（LDAR）规范的现场巡检需求。
红外光学气云成像（OGI）技术利用气体分子特征红外吸收光谱，把不可见泄漏气体转化为可视化图像，分为制冷型与非制冷型两大技术路线。制冷锑化铟探测器灵敏度高，但整机体积大、成本高、存在制冷机寿命限制，不利于现场单人便携作业；非制冷氧化钒探测器无需斯特林制冷机构，整机轻量化、续航持久、维护成本低，适合便携式手持场景，成为现场移动巡检装备重要发展方向。IRV?Ⅱ?H?U1/U2 便携式非制冷红外气体成像仪，集成非制冷长波红外探测、自研气云着色算法、mini?TDLAS 激光甲烷检测、AI 语音交互、卫星定位，实现泄漏气体可视化成像、浓度反演、轨迹渲染，为工业现场提供轻量化的泄漏检测解决方案。
1 设备总体技术原理
1.1 红外气云成像检测原理
不同危险气体分子存在固定红外特征吸收波段，U1 型号设备光谱响应 7?8.5μm，适配甲烷、二氧化硫、氟利昂等；U2 型号光谱响应 10.3?10.7μm，适配六氟化硫、氨气、乙烯、丙烯等气体。当背景红外辐射穿过泄漏气云，特定波段能量被气体分子吸收，红外探测器捕捉背景辐射的微弱变化，通过自研渐变伪彩气云着色算法，将无形气云渲染成可视化羽流图像，直观复现气体飘散轨迹，快速定位泄漏点位。
1.2 TDLAS 激光光谱检测原理
设备集成 mini?TDLAS 可调谐二极管激光吸收光谱模块，基于朗伯?比尔吸收定律，对甲烷开展主动激光定量检测，测量范围 0?50000ppm?m，响应时间 0.5s，与被动红外成像形成技术互补：红外成像负责大范围扫描发现可疑泄漏区域，TDLAS 实现目标气体精准定量，弥补纯热成像只能定性、难以精确读数的短板。
1.3 系统硬件总体架构
IRV?Ⅱ?H?U1/U2 便携式非制冷红外气体成像仪主要由五大单元构成：
1）红外探测单元：640×512 分辨率非制冷氧化钒 VOx 红外焦平面探测器，热灵敏度 NETD 达到 15mK，配置 19mm 手动调焦镜头，视场角 22.9°×18.4°；
2）可见光成像单元：1300 万像素可见光相机，实现红外热图像与可见光画面融合比对，辅助现场定位记录；
3）显示交互单元：5 英寸 OLED 触控显示屏，支持图像模式切换、调色板选择、AI 语音助手 “小睿” 语音参数设置；
4）TDLAS 激光检测单元：激光指示器、激光测距模块，实现甲烷定量检测；
5）存储通信与定位单元：标配 64GB SD 存储（最大扩展 2TB），支持 Wi?Fi、蓝牙、Type?C、可定制 4G/5G 通信；集成 GPS、北斗、GLONASS 多模定位，可单北斗定制，实现巡检轨迹、泄漏位置地理信息标记；
6）电源防爆单元：10000mAh 锂电池，整机重量仅 670g，本安型 Ex ic IIC T4 Gc 防爆认证，满足化工防爆作业环境。
整机关键硬件参数如表 1 所示。
表 1 IRV?Ⅱ?H?U1/U2 关键硬件参数
参数项目 | U1 型号 | U2 型号 |
红外探测器 | 非制冷氧化钒 640×512 | 非制冷氧化钒 640×512 |
红外响应波段 | 7?8.5μm | 10.3?10.7μm |
热灵敏度 NETD | 15mK | 15mK |
镜头配置 | 19mm 手动镜头 | 19mm 手动镜头 |
帧频 | 25Hz | 25Hz |
TDLAS 检测对象 | 甲烷 | 甲烷 |
TDLAS 测量范围 | 0?50000ppm·m | 0?50000ppm·m |
整机重量 | ≤1kg | ≤1kg |
连续工作时长 | ≥5h | ≥5h |
防爆等级 | 本安型防爆 | 本安型防爆 |
2 核心软件与算法功能
2.1 气云可视化与图像增强算法
设备搭载自研气云着色算法，支持气羽着色、气体图像增强、多灵敏度切换，采用渐变伪彩渲染泄漏气体飘散轨迹，支持热成像、画中画、热融合、可见光 4 种图像模式，提供 20 类调色板，可抑制工业现场复杂背景噪声，放大微弱泄漏信号，识别微量泄漏。设备支持 1?10 倍数字放大，IFOV 空间分辨率 0.68mrad，最小成像距离 0.3m，兼顾远距离扫描与近距离设备精细检漏。
2.2 AI 智能检测与语音交互
内置 AI 智能气体检测算法，实现自动识别气云、自动报警、气体浓度反演，输出 ppm?m 路径浓度；搭载 AI 智能体 “小睿”，支持全程语音设置设备参数，降低巡检人员操作门槛。同时集成测温算法，测温精度 ±2℃或读数 ±2%（取大），兼顾气体泄漏检测与设备红外测温双重作业需求。
2.3 数据记录与溯源管理
设备可录制 irv 红外视频、MP4 通用视频、jpg 图像，图像叠加 GPS / 北斗地理位置信息，完整记录泄漏现场图像、浓度数据、位置、时间信息，输出数据可以直接用于 LDAR 档案留存，满足《HJ1230?2021 工业企业挥发性有机物泄漏检测与修复技术指南》等行业规范对现场取证的要求。支持麦克风、扬声器，可录制现场音频注释，便于事后回溯分析。
3 设备应用场景与对比分析
3.1 主要应用场景
1）石油化工行业巡检：用于化工厂、储罐区、管线法兰、阀门的跑冒滴漏排查，巡检人员站在安全距离，快速扫描设备集群，发现微小 VOCs 泄漏，支撑企业 LDAR 泄漏检测修复工作。
2）生态环境执法：环保监察人员用于企业无组织排放现场执法，直观取证挥发性有机物逸散，为监管执法提供可视化证据，符合 GB37822?2019 挥发性有机物无组织排放控制标准。
3）电力行业巡检：变电站六氟化硫（SF?）开关设备检漏，U2 型号针对 SF?气体实现可视化检漏，替代传统肥皂水、点式传感器巡检。
4）应急管理现场处置：危化事故现场远距离排查气体扩散范围，快速定位泄漏源，辅助应急救援决策。
3.2 和传统检测手段对比
表 2 不同泄漏检测手段对比
检测方式 | 检测原理 | 优势 | 局限性 |
PID/FID 点式检测仪 | 接触式电化学 / 火焰离子检测 | 浓度数值精度高 | 逐点检测，效率低，无法看到气体扩散，存在盲区 |
制冷型手持气云成像仪 | 制冷 InSb 中波红外 | 灵敏度高，可检测微弱泄漏 | 重量偏大、价格高、制冷机有寿命限制，维护成本高 |
本设备（非制冷便携式） | 非制冷红外 + mini?TDLAS | 重量轻、续航长、成本适中，可视化气云，可定位泄漏源，本安防爆 | 灵敏度弱于制冷型，部分微弱泄漏受环境温差影响成像效果 |
非制冷手持成像仪适合大面积初筛巡检，优先锁定可疑泄漏点位；发现疑似点后，再搭配点式检测仪完成精准定量复核，形成 “成像初筛 + 点式精测” 的组合巡检方案，大幅提升现场工作效率。
4 现存技术局限
1）成像依赖气云与背景红外辐射差异，在昼夜温差小、雨雾沙尘恶劣环境，微弱泄漏气云对比度下降，存在漏检风险；
2）非制冷探测器固有 NETD 指标相比制冷 InSb 探测器存在差距，对于极微量泄漏识别能力有限；
3）被动红外成像只能输出路径浓度 PPM?M，不是空间真实体积浓度，需要结合模型换算；TDLAS 模块目前仅支持甲烷定量，其他气体只能做定性可视化，无法直接给出浓度数值；
4）现场复杂工业设备、管线、高温物体容易带来红外图像噪声，会产生少量虚警，需要巡检人员结合现场工况做人工甄别。
5 发展展望
1）探测器与光学升级：进一步优化非制冷探测器 NETD 热灵敏度，开发多波段滤光组件，拓展更多目标气体的定量检测能力；
2）AI 算法持续迭代：基于大量工业现场样本训练深度学习模型，自动区分真实气云与工业背景干扰，降低虚警率，实现气云自动识别、自动评估泄漏等级；
3）智能化数据链路：强化 4G/5G 无线传输能力，实现手持设备和企业安全平台、LDAR 管理系统无缝对接，巡检数据自动上云，自动生成巡检报告；
4）多装备协同作业：手持设备和固定气云成像摄像机、巡检机器人、无人机系统数据打通，构建 “定点监测 + 机器人巡检 + 人工手持复核” 的多层次工业气体泄漏监测体系。
6 结论
便携式非制冷红外气体成像仪 IRV?Ⅱ?H?U1/U2 将非制冷红外气云成像、mini?TDLAS 激光定量、卫星定位、AI 算法集成为轻量化手持设备，解决传统点式检测手段效率低下、无法可视化泄漏扩散轨迹的痛点，在石油化工、环保、电力、应急领域具备很高实用价值。虽然非制冷方案在极微弱泄漏检测性能不及制冷型装备，但凭借重量、续航、成本、本安防爆综合优势，适合大规模推广，作为现场初筛巡检核心装备。实际作业中应当采用 “可视化初筛 + 传统点式仪器复核” 的组合工作模式，同时持续优化硬件与 AI 算法，进一步降低虚警，拓展多气体定量检测能力，更好服务工业安全生产与生态环境监测。
参考文献
[1] HJ1230?2021，工业企业挥发性有机物泄漏检测与修复技术指南 [S].
[2] GB37822?2019，挥发性有机物无组织排放控制标准 [S].
[3] 袁盼。工业气体泄漏红外成像检测及差分光谱滤波检测方法研究 [J]. 航天返回与遥感，2021.
[4] 张磊，齐琼。气体遥感红外成像探测技术发展综述 [J]. 红外技术，2025.
[5] Dierks S, Kroll A. Quantification of Methane Gas Leakages using Remote Sensing and Sensor Data Fusion [J].Sensors,2023.
气云成像系统全系列关键词
一、产品系列名称
双光长焦制冷型、双光长焦非制冷型、双光标准型、双光迷你型、三光双非制冷标准型、三光制冷非制冷标准型、三光融合非制冷型、三光融合制冷型、球型摄像机、防爆轮式巡检机器人、机器狗巡检机器人、自动巡线无人机气云成像系统、手持制冷型红外气体成像仪、手持非制冷型红外气体成像仪
二、核心探测器 & 硬件技术
制冷锑化铟 InSb 探测器、斯特林制冷机、非制冷氧化钒 VOx 焦平面探测器、CMOS 可见光传感器、TDLAS 可调谐二极管激光吸收光谱、双光谱融合、三光谱融合、多光谱成像、AI 板卡 GPU、16GB 内存、8GB 内存、NETD 热灵敏度、像元间距、电动调焦镜头、50mm 标准镜头、100mm 长焦镜头、33 倍光学变焦、星光级低照度、伪彩渲染、渐变伪彩、气云羽流轨迹渲染
三、光谱波段
3?5μm（中波红外，制冷锑化铟）、3.2?3.5μm、7?8.5μm（甲烷型）、8?14μm（乙烯型）、可见光光谱通道、红外光谱通道、激光 TDLAS 通道；
光谱通道：双光谱（可见光 + 单红外）、三光谱（可见光 + 双红外 / 可见光 + 红外 + TDLAS）
四、核心功能关键词
气云成像、气体泄漏监测、非接触遥测、泄漏可视化、泄漏源定位、泄漏量评估、开放路径浓度 PPM?M、指定目标气体 PPM 定量；
7×24h 全天候监测、自动校准、手动校准、设备自检、故障报警；
智能视频分析：绊线检测、区域入侵检测、热成像 AI 目标分类、智能火点检测；
声光联动报警、报警视频录像回看；
高精度非接触测温、罐内液位监测；
云台 PTZ：360° 水平连续旋转、垂直俯仰、预置位、自动巡航、巡迹扫描；
语音对讲、表计识别、跑冒滴漏识别；
机器人无轨 SLAM 导航、自动归位自主充电；
无人机融合 SLAM、悬停凝视检测、多机集群协同；
手持设备 GPS 北斗定位、激光测距、音视频录制、图像调色板、气云增强；
LDAR 泄漏检测修复支持
五、可检测气体种类
烷类（甲烷、丙烷、丁烷、LPG）、芳香族（甲苯、二甲苯）、烯类（乙烯、丙烯、氯乙烯）、炔类（乙炔）、醇类（乙醇）、酮类（丙酮）；
六氟化硫、氨气、一氧化二氮、二氧化硫；
氟利昂全系列 R13/R123/R134A 等；
丙烯酸酯类、三氯乙烯、呋喃等 VOCs 挥发性有机物，400 余种挥发性气体
六、性能参数关键词
检测距离：1000m、500m、300m、150m、50?150m；
响应时间≤3s；
红外分辨率：320×256、640×512；
可见光 400 万像素；
帧频 20fps/25fps/50?60fps；
测温范围?40℃\+65℃（固定设备）、?20℃\550℃（迷你 / 球机）；
测温精度 ±2℃或 ±2% 取大；
恶劣环境适应性：雨、雪、雾、沙尘、夜间；
制冷机寿命 10000h/30000h；整机寿命 6 年 / 10 年；
防爆等级 Ex db ⅡC T6 Gb /Ex tb ⅢC T80℃ Db、本安 Ex ic IIC T4 Gc；
防护等级 IP68、IP66、IP65；
机器人续航 9h，无人机空载续航 110min，手持续航≥4?5h
七、通信与协议接口
千兆 RJ45 以太网、光纤输出、RS485；
视频编码 H.265/H.264/MPEG4；
流协议 RTSP；业务协议 TCP/IP、Restful?API、MQTT；
兼容海康大华 NVR，存储≥90 天；
4G/5G/Wi?Fi、蓝牙、USB?C、Micro?HDMI；
B/S 网页运维管理平台；第三方平台对接集成；
人员 / 设备 / 报警信息后台管理
八、结构材质与安装
合金材质、耐腐蚀耐高温；
防爆摄像机本体、防爆箱、云台；
固定支架安装；轮式 / 履带机器人载体；无人机吊舱挂载；便携手持；
重量、外形尺寸、整机功耗；DC20?60V、DC24V、AC220V 供电
九、应用行业场景
能源行业：煤矿、油气田、加油站、燃气管线、泵房站、长输管网；
化工行业：化工厂、化工园区、储罐区、危化品仓库、生产车间；
交通运输：港口码头、加气站、LNG 气体运输车船；
工业设施：各类工厂；
其他：城市管廊、受限空间、生态环境执法、安监消防应急、电力巡检、海上钻井平台、应急救援
十、行业标准
GB37822?2019、HJ1230?2021、GB20950?2020、HJ733?2014、GB20951?2020、GB20952?2020、应急管理综合行政执法装备配备标准
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