一种高光谱成像化学气体检测识别方法

摘要

一种高光谱成像化学气体检测识别方法，本发明涉及化学气体检检测识别方法。本发明解决了现有的基于化学方法对化学气体的检测和识别的方法需要到现场取样和检测速度慢的技术问题。本发明先在被检测地区无化学气体时拍摄光谱图像，得到背景的像素向量，再从化学气体光谱库中得到被检测化学气体光谱向量，然后对被检测地区拍摄光谱图像，并用滤波器滤波，将滤波器的输出值按大小顺序排列，再设定化学气体的门限，将滤波器的输出值和化学气体的门限输入判决器，记录大于门限的滤波器的输出值，得到含有化学气体的像素集合；将含有化学气体的像素利用最小化马氏距离的方式判断，识别出气体类别。可用于对化工厂污染气体排放的检测和环境监测领域。

主权项

1.一种高光谱成像化学气体检测识别方法，其特征在于高光谱成像化学气体检测识别方法按以下步骤进行：步骤一：在被检测地区无化学气体时，用红外线摄像装置采用波长为8μm～13μm内的至少三个不同波段拍摄具有K个像素的图像，每一个波段拍摄一张图像，由这些图像的对应的像素点获得背景的K个像素向量x_k，其中k＝1，2，3，……，K；K表示整幅图像的像素个数；步骤二：用计算背景的像素向量x_k的均值的极大似然估计值再用计算背景的像素向量x_k的方差的极大似然估计矩阵其中为像素向量x_k的转置向量；步骤三：对于N种需要检测的目标化学气体，根据化学气体光谱库中的数据，得到气体光谱库中化学气体光谱向量s_i，其中i＝1，2，3，……，N；步骤四：在被检测地区，用红外线摄像装置采用波长为8μm～13μm内的至少三个不同波段拍摄具有K个像素的图像，每一个波段拍摄一张图像，由这些图像的对应的像素点获得被检测地区的K个像素向量z_j，其中j＝1，2，3，……，K；步骤五：先令i＝1；步骤六：利用$y_{i,j}=\frac{s_i^T{\hat{\Sigma }}_b^{-1}(z_j-{\hat{\mu }}_b)}{s_i^T{\hat{\Sigma }}_b^{-1}{s}_i}$对步骤四得到的K个像素向量z_j计算滤波器的输出值y_i，1，y_i，2，y_i，3，……y_i，j-1，y_i，j，y_i，j+1，……，y_i，k并按从大到小的顺序排列，再计算前[αK]个输出值的均值的极大似然估计值E[Y]和方差的极大似然估计值Var[Y]，同时将第[αK]个输出值记为u_i；其中为矩阵的逆阵；α＝5％～10％；步骤七：利用$E\left[Y\right]=\frac{\sigma }{1-\xi }$和$\mathrm{Var}\left[Y\right]=\frac{{\sigma }^2}{{(1-\xi )}^2(1-2\xi )}$计算出参数σ和ξ；再用于检测第i种化学气体的门限${\eta }_i=u_i+\frac{\sigma }{\xi }[{\left(\frac{\alpha }{P_{\mathrm{FA}}}\right)}^2-1];$其中P_FA为虚警概率，P_FA＝10^-3～10^-5；步骤八：将步骤六计算出的每一个滤波器的输出值y_i，1，y_i，2，y_i，3，……y_i，j-1，y_i，j，y_i，j+1，……，y_i，k与步骤七计算出的第i种化学气体的门限${\eta }_i=u_i+\frac{\sigma }{\xi }[{\left(\frac{\alpha }{P_{\mathrm{FA}}}\right)}^2-1]$一同输入判决器进行比较，判断是否有大于门限的滤波器的输出值，如果否，则令i加1，执行步骤六；如果是，执行步骤九；步骤九：记录大于门限的输出值对应的像素向量z_i及对应的第i种化学气体；步骤十：然后判断i是否等于N，如果否，令i加1，执行步骤六；如果是，则执行步骤十一；步骤十一：步骤八中记录的大于门限的输出值对应的像素向量用z_c表示，c＝1，2，……，C；对应的化学气体在气体光谱库中的光谱向量用s_d表示，其中d＝1，2，3，……，D；令c＝1，d＝1；其中C表示大于门限的输出值对应的象素向量的个数的最大值，D表示对应的化学气体种类的最大值；步骤十二：计算${\Delta }_{c,d}=\sqrt{{(Z_c-{\hat{\mu }}_b-{\hat{a}}_d{s}_d)}^T{\hat{\Sigma }}_b^{-1}(Z_c-{\hat{\mu }}_b-{\hat{a}}_d{s}_d)}$计算马式距离Δ_c，d，其中，${\hat{a}}_d=\frac{s_d^T{\hat{\Sigma }}_b^{-1}(z_c-{\hat{\mu }}_b)}{s_d^T{\hat{\Sigma }}_b^{-1}{s}_d},$为背景的均值的极大似然估计值，背景的方差的极大似然估计矩阵的逆阵，第d种化学气体在气体光谱库中的光谱向量的转置；步骤十三：判断d是否为1，若是，令d加1，执行步骤十二；若否，则执行步骤十四；步骤十四：判断Δ_c，d≤Δ_c，d-1，若是，记录d气体；若否，执行步骤十五；步骤十五：判断d是否等于D，若否，则令d加1，执行步骤十二；若是，执行步骤十六；步骤十六：将第c个监测到威胁的气体判定成最后记录的化学气体且令c加1；步骤十七：判断c是否等于C，若否，令c加1，执行步骤十二；若是，则执行步骤十八；步骤十八：计算出每个检测出化学气体的像素所对应的空间坐标，完成化学气体的检测识别。