双光长焦制冷型气体光谱摄像机技术及工业泄漏监测应用研究

双光长焦制冷型气体光谱摄像机技术及工业泄漏监测应用研究

摘要：化工园区、油气场站、炼油厂、港口储罐区等高危工业场所存在大量挥发性有机气体泄漏风险，气体泄漏具备无色、扩散迅速、隐蔽性强的特征，微小泄漏长期累积极易引发火灾、爆炸、人员中毒以及大气环境污染事故。传统点式检测设备、人工巡检模式难以实现大范围远距离全天候监测，存在巡检盲区大、响应滞后、无法可视化气云扩散状态等短板。双光长焦制冷型气体光谱摄像机 IRV‑Ⅱ‑L‑C 采用制冷碲镉汞（MCT）红外探测技术，搭载可见光与红外双光谱成像系统，配套高精度一体化云台，可实现最远 1000m 半径范围内危化气体泄漏 7×24 小时不间断在线监测。设备集成 AI 智能分析算法，完成气云可视化渲染、泄漏浓度计算、火点识别、区域入侵检测、自动声光报警、事件录像存储等功能，能够在雨、雪、沙尘、大雾等复杂恶劣工况稳定运行。本文围绕 IRV‑Ⅱ‑L‑C 双光长焦制冷型设备，阐述其检测原理、硬件系统架构、核心功能、关键技术参数，对比在线固定监测设备与便携式巡检设备的应用差异，开展多工业场景应用分析，剖析当前制冷型在线气云成像设备现存技术局限，并对该类装备未来发展方向进行展望，为化工、油气、煤矿等高危行业气体泄漏在线监控系统建设提供工程参考。

关键词：制冷红外；双光谱；气云成像；VOC 泄漏；在线监测；碲镉汞探测器；工业安防

0 引言

伴随我国石化、煤化工、油气开采储运行业高速发展，化工园区、炼油厂区、油气码头、大型罐区装置设备密集，管道法兰、阀门、泵体、储罐密封位置是挥发性有毒有害、易燃易爆气体泄漏高频点位。甲烷、丙烷、甲苯、二甲苯、乙烯、丙酮等工业气体大多肉眼不可见，一旦发生泄漏，如果不能第一时间发现处置，泄漏气体在空间积聚达到爆炸极限，就会带来重大安全生产隐患；无组织 VOCs 排放同时也会违反生态环境相关管控要求，造成企业环保合规风险。

现阶段国内企业气体泄漏管控主要分为两种手段，第一种为人员携带便携式检测仪现场巡检，第二种为定点安装催化燃烧、PID 等点式传感器。便携式设备依靠人员现场作业，适合短距离逐点排查，但受人员体力、作业时间限制，无法做到全天不间断值守，对于高架管廊、远距离储罐、危险隔离区域很难抵达；点式传感器仅可以监测传感器安装点位局部气体浓度，只能感知探头周边小范围空间，泄漏点距离传感器稍远就会漏报，无法看到气体扩散形态、飘散方向，也不能定位泄漏的具体位置，面对大范围厂区管控能力不足。

红外气云成像监测技术依靠气体分子红外特征吸收光谱，可以把不可见泄漏气云转化可视化图像，实现面式大范围监测，分为便携式手持设备和固定在线式监测设备两大类。其中固定安装的制冷型双光气云摄像机，搭载斯特林制冷碲镉汞探测器，探测器灵敏度远高于非制冷红外器件，适合远距离大场景持续监控，搭配全自动云台，能够覆盖整个厂区关键风险区域，实现无人值守全天候监测，弥补便携式巡检和点传感器的固有缺陷。IRV‑Ⅱ‑L‑C 双光长焦制冷型气体光谱摄像机，采用合金防爆机身，集成可见光高清摄像、制冷中波红外探测、大倍率电动变焦镜头、高精度重载云台、GPU 智能运算单元，具备气体泄漏成像测温、火点报警、安防入侵检测多重能力，在高危工业区域具备很高应用价值。本文针对该设备开展系统性研究，梳理技术体系，分析工程实践问题，为在线气云监控系统选型和落地提供依据。

1 双光长焦制冷型设备检测原理

1.1 制冷红外光谱气云成像原理

不同种类有机危化气体分子会对特定波长红外辐射产生选择性吸收，IRV‑Ⅱ‑L‑C 制冷红外探测器工作波段设置为 3.2‑3.4μm，该光谱区间正是烷类、芳香烃、烯烃、酮类大量工业 VOC 气体的特征吸收波段。背景环境物体向外辐射红外能量，当现场发生气体泄漏，飘散的气云穿过红外视场，会吸收对应波段红外辐射，造成该区域红外辐射能量衰减。

制冷型碲镉汞 MCT 焦平面探测器依靠斯特林制冷机把探测器芯片降低至低温状态，极大降低器件自身热噪声，相比非制冷探测器，可以捕捉极其微弱的红外辐射变化，远距离条件下依旧识别微弱泄漏信号。设备后端 AI 运算单元采集红外原始数据，完成滤波降噪、背景差分处理，通过渐变伪彩算法将无形气云渲染成可视化羽流图像，叠加到红外画面或者可见光实景画面上，直观展示泄漏位置、气云飘散走向、扩散覆盖范围，同时计算输出路径浓度 PPM・m 数值，完成泄漏事件定性加定量监测。

1.2 可见光‑红外双光谱协同工作机制

设备集成两套独立成像通道：400 万像素星光级可见光通道与制冷中波红外气体检测通道，两套光路同步采集画面，实现双光谱协同作业。可见光通道拥有 33 倍光学电动变焦，白天可以输出高清实景画面，看清现场设备、管线、人员；夜间星光级低照度性能，在光照极弱条件依旧获取清晰实景图像。红外通道不受光照条件约束，白天黑夜均可开展气体检漏，同时实现非接触红外测温。

系统支持双画面同步输出，既可以单独查看可见光画面、红外画面，也能够完成图像融合。当红外通道检测到气体泄漏、高温火点时，可以联动可见光镜头变焦，拉近聚焦报警点位，把气云渲染羽流叠加在可见光实景画面，运维人员在监控中心就能够直观区分现场设备与泄漏气云，快速确认现场实际情况，降低误判概率。双光谱架构同时兼顾气体安全监测和厂区视频安防，一套设备同时承担泄漏监控、火点检测、周界入侵防范多重任务，提升设备综合利用率。

1.3 智能分析与报警联动原理

设备内置独立 GPU 人工智能计算板卡，算力不小于 70TOPS，本地完成全部图像智能解析，无需外接服务器即可完成气云识别渲染、火点检测、绊线、区域入侵 AI 算法运算。当算法识别出泄漏气云、高温火点，或是人员越过设定警戒区域，系统会立刻触发本地声光报警，同步记录报警时刻视频图像，输出报警信号。设备支持自动定期自检，实时监测探测器、制冷机、云台硬件运行状态，如果部件发生故障，主动上传故障告警，提示运维人员维护检修，保障整套监测系统长期稳定运行。

2 IRV‑Ⅱ‑L‑C 硬件系统总体架构

IRV‑Ⅱ‑L‑C 双光长焦制冷型气体光谱摄像机整套系统主要包含双光摄像机本体、防爆接线箱体、重载智能云台三大部分，整机采用耐腐蚀合金材料打造，防爆等级 Ex d IIC T6 Gb，防护等级 IP66，能够适应工业现场腐蚀、风沙、雨水等恶劣环境，整套设备可以拆解为可见光成像单元、制冷红外探测单元、AI 运算单元、云台运动控制单元、网络传输供电单元五大模块。

2.1 可见光成像单元

可见光传感器采用 1/1.8 英寸逐行扫描 400 万 CMOS，输出分辨率 2688×1520。镜头为 5.8mm‑191.4mm 电动变焦镜头，实现 33 倍光学变焦，光圈 F1.2‑F1.5；视场角水平 60.1°~3.1°，可实现大角度全景观测，也可以放大观察千米外局部设备细节。星光级感光能力，彩色模式照度 0.001Lux@F1.5，黑白模式低至 0.0001Lux@F1.5，ICR 自动日夜切换。图像功能支持背光补偿、强光抑制、多模式白平衡，视频编码支持 H.265、H.264、MPEG4，兼顾画质与网络带宽消耗，适配工业视频存储传输需求。

2.2 制冷红外探测单元

红外核心为斯特林制冷碲镉汞 MCT 中波焦平面探测器，可选 320×256 或者 640×512 分辨率，工作波段 3.2‑3.4μm，配置 100mm 电调红外镜头，F 数 F1.2‑1.5，输出帧频 25fps。斯特林制冷机标准寿命 8000 小时，可升级选用 30000 小时长寿命版本，是远距离微弱泄漏检测的核心硬件基础。红外单元除气体成像之外，还具备高精度非接触测温功能，可识别设备过热、早期火点隐患，火点探测可以和气体泄漏检测联动报警。探测器捕捉原始红外信号后传输给本地 AI 板卡做图像处理，输出带气云渲染效果的红外视频流。

2.3 AI 运算处理单元

设备搭载自带 GPU 与 16GB 内存的 AI 板卡，算力≥70TOPS，所有智能算法全部在设备本地运行，不依赖后端平台。承担的工作包含红外图像降噪预处理、气云检测识别、气云伪彩渲染叠加、路径浓度计算、火点识别、绊线入侵、目标分类过滤、事件录像打标。本地处理模式减少网络传输压力，报警响应时间≤3s，一旦出现泄漏事件，设备即刻生成报警信息、保存录像，即便后端平台网络临时中断，设备本地依旧可以完成监测与事件记录，网络恢复之后再回传历史报警资料，提高系统可靠性。

2.4 智能重载云台单元

云台是实现大范围厂区扫描的执行机构，水平方向 0‑360° 连续无限制旋转，垂直转动范围 ±65°；转动速度水平 0.01°‑60°/s，垂直 0.01‑20°/s，步进精度 0.05°，定位精准。云台支持 256 组预置位，可以设置罐区、管廊、装卸站台等重点监测点位，执行自动巡航任务，设备按照设定顺序轮流扫描各个风险区域。整套云台供电 DC20‑60V，整机系统功耗≤100W。摄像机本体重量≤15kg，防爆箱重量≤20kg，云台本体重量≤39kg，采用支架固定安装方式，现场搭建需要充分考虑承重、抗风，保障长期户外运行稳定。

2.5 供电与网络传输单元

设备支持 220VAC 工业市电供电，电压在额定值 ±10% 区间能够稳定工作；同时兼容 DC 直流供电模式。网络接口具备千兆 RJ45 以太网以及光纤接口，视频流遵循 RTSP 协议，支持 TCP/IP、开放 API 接口，可以便捷接入企业现有安全监控平台、NVR 存储设备，兼容海康、大华主流硬盘录像机，录像存储时间可以满足 90 天以上保存需求。工作环境温度‑20℃~+60℃，湿度 10‑90%，设备支持自动校准、手动校准两种模式，适配一年四季温度湿度变化，保障图像与检测数据准确性。

3 设备核心功能与性能指标

3.1 气体泄漏监测功能

IRV‑Ⅱ‑L‑C 可检测烷类、芳香族、烯类、LPG、炔类、醇类、酮类等绝大多数工业常见挥发性气体，最大监测半径可达 1000m，系统响应时间≤3s。设备实时计算泄漏路径浓度，单位 PPM・m，把气云羽流以渐变伪彩形式渲染，叠加在可见光实景画面或者红外画面，直观展现气体流动扩散全过程。系统 7×24 小时不间断面式成像，区别于点传感器只采集单点数据，能够完整看到泄漏扩散范围，帮助工作人员评估风险等级，判断疏散范围。设备具备自动手动双重校准，运行期间周期性自检，硬件故障主动上报故障信息，方便运维管理。

3.2 多模式智能安防报警

除气体监测之外，设备集成多项安防算法：火点探测报警、绊线检测、区域入侵检测、人员目标过滤。针对化工厂区周界、危险装置区，划定虚拟警戒区域，当人员违规闯入，设备立刻触发报警。火点检测可以识别早期高温明火隐患，和气体泄漏监测形成双重安全防线。报警发生之后，设备现场输出声光提示，同步保存报警前后视频录像，录像文件附带时间、报警类型信息，支持后期回放追溯，为事故复盘提供视频证据。

3.3 环境适应性与可靠性

该设备可以在晴天、夜间、雨天、沙尘、下雪、薄雾多种复杂气象条件维持监测报警能力，整套系统设计寿命 6 年，能够 365 天不间断无人值守运行。IP66 防护等级、防爆外壳，直接部署在爆炸危险 1 区、2 区，适用于化工、油气等防爆场景。千兆网口与光纤双传输方案，适配厂区远距离布线场景；开放 API 协议，可对接企业现有智慧安全平台，实现报警信息统一弹窗、统一处置流程。

4 典型工业应用场景分析

4.1 化工园区与炼油厂监测

大型化工园区装置繁多，管廊绵延数公里，储罐数量多，高危点位分散。传统巡检很难做到时时刻刻监控全部风险点。将 IRV‑Ⅱ‑L‑C 部署在园区制高点，依靠云台 360° 巡航扫描，一台设备就可以覆盖一大片装置区、罐区。对于法兰、泵、阀门等泄漏高发位置设置预置巡航点位，定期扫描；一旦发生 VOCs 泄漏，千米距离即可发现气云图像，输出浓度数据并且报警。既可以预防爆炸安全事故，也能够监控无组织排放，辅助企业 LDAR 泄漏检测修复工作。对于远距离高架管廊，人员很难抵达巡检，在线制冷摄像机可以持续监控，弥补人工巡检时间上的空档。

4.2 油气田、油库、码头储罐区

油气场站、港口成品油码头，存储大量易燃易爆烃类物质，一旦储罐、装卸臂、输油管线发生甲烷、丙烷等介质泄漏，后果严重。现场空间开阔，监测距离需求大，正好发挥本设备最远 1000m 监测距离的优势。设备安装在码头栈桥、油库塔楼，对储罐组、装卸作业区实施全天候监控，夜间、大雾天气同样可以工作。当装卸作业过程出现意外泄漏，系统 3 秒内完成响应，现场声光报警，监控中心弹出报警画面，操作人员第一时间采取关停阀门、停止装卸作业等应急措施。

4.3 煤矿、加油加气站、泵房站

煤矿瓦斯主要成分为甲烷，加油加气站存在油气挥发风险，泵房站阀门管线密集。这类场所属于防爆危险区域，设备本身具备 Ex d IIC T6 防爆认证，可以直接安装使用。加油加气站把摄像机对准卸油区、储油罐区；煤矿地面瓦斯抽放站，监测管路法兰密封点。除气体检漏之外，同时监测现场是否出现明火、无关人员闯入危险作业区域，实现安全监测与安防一体化，减少现场设备数量，降低项目建设成本。

4.4 与便携式手持设备应用对比

制冷型固定在线摄像机与便携式非制冷手持红外成像仪属于互补装备，不存在互相替代关系。固定 IRV‑Ⅱ‑L‑C 优势是 7×24 小时无人值守、监测距离可达千米，适合重大危险源长期在线监控；缺点是设备造价高，斯特林制冷机存在寿命周期，需要定期维护，安装施工工程量大，只能定点监控，不能移动。便携式手持设备优势是灵活，巡检人员带到任意点位，成本相对更低，但是只能人员到场的时候开展检测，无法不间断值守，检测距离通常在百米级别。在实际工程中，推荐采用 “固定制冷在线摄像机值守重大危险源 + 人员手持设备现场复核排查" 组合模式。当在线设备发生报警之后，派出巡检人员携带便携式设备赶赴报警位置，近距离复核确认漏点，开展维修处理，两种装备互相配合，构建完整泄漏监测体系。

5 技术现存局限与未来发展展望

5.1 当前设备现存技术局限性

首先，斯特林制冷机属于易损耗部件，标准寿命 8000 小时，即便选用长寿命版本 30000 小时，运行一定年限之后仍然需要更换制冷机芯，后期运维成本高于非制冷设备；如果制冷机发生故障，红外气体检测功能直接失效，所以实际项目中需要建立定期检修维护制度。

其次，气象条件会对监测性能带来影响，浓雾、暴雨天气下红外信号衰减，最大有效监测距离会出现下降，在项目设计阶段，不能直接按照标称 1000m 极限距离规划，要预留安全距离余量。

第三，红外气云成像属于面式定性 + 路径浓度检测，输出 PPM・m 光程浓度，不等同于空间点位绝对浓度，系统只可以判断存在泄漏和相对强弱，不能够直接替代点式可燃气体探测器，工程设计中需要和点传感器配合使用，不能单独依靠气云摄像机作为安全报警手段。

第四，复杂工业现场高温设备、水蒸气、烟气会带来图像干扰，会产生虚警，虽然设备搭载 AI 过滤算法，但是现场仍需要结合场景做算法参数调试，优化过滤规则，降低误报警频次。

5.2 行业技术发展展望

第一，提升制冷探测器以及斯特林制冷机使用寿命，降低后期维护更换频次，进一步降低全生命周期使用成本；优化算法模型，引入更多场景样本训练 AI 模型，强化水汽、热设备干扰抑制能力，进一步压低虚警率。

第二，多设备协同联动，同一个厂区部署多台该型号摄像机组网，多设备对同一个泄漏区域交叉观测，实现对泄漏源位置的三角定位，自动解算泄漏源地理坐标，直接推送给巡检人员移动端，提升处置效率。

第三，拓展平台智能化能力，结合历史报警大数据，分析泄漏高发设备、高发时间段，给企业设备维护计划提供数据支撑，实现从事后报警向风险预判转变。

第四，标准化工程应用规范，当前在线气云成像设备应用越来越广，需要工程选型、布点距离、安装高度、调试验收相关标准，指导项目合理设计，避免过度夸大设备性能，保障项目真正发挥安全监测实效。

6 结语

双光长焦制冷型 IRV‑Ⅱ‑L‑C 气体光谱摄像机依托制冷碲镉汞探测器的高灵敏度，结合可见光‑红外双光谱、重载云台、本地 AI 智能分析技术，实现最大 1000m 半径范围危化气体 7×24 小时在线可视化监测，同时兼顾火点检测、周界安防多重功能，防爆防护性能满足化工、炼油、油气码头、煤矿等高危工业现场使用条件，弥补人工巡检、点式传感器的短板。

同时也应当客观认识设备存在制冷机芯损耗、气象条件影响检测距离、输出路径浓度等技术特点，工程实践不能把该设备作为安全检测手段，建议采用在线固定监测设备搭配便携式巡检设备、点式气体传感器的综合方案。随着算法迭代、硬件器件性能提升，制冷型在线气云成像装备会在工业安全生产、VOC 无组织排放监管领域发挥更加重要的作用，为化工高危行业风险管控提供有力技术支撑。

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