災害氣體在環境中會帶有獨特的溫度特征和光譜特征。利用紅外高光譜探測手段能夠有效的利用氣體的溫度信息和光譜信息，從而對氣體進行甄別和檢測。傳統的高光譜一般指可見光近紅外波段，傳統高光譜是對地物目標的反射率信息進行分析，以達到相應的檢測目的。而紅外高光譜探測手段是利用對遠紅外波段的輻射能量進行相應的檢測分析，這部分信息主要利用的是目標的輻射信息（溫度信息）。從成像機理上，傳統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、信號模型、檢測模型的異同之處有十分重要的研究意義。

另外，軟件和硬件的發展是相輔相成的，紅外傳感器的發展，伴隨著紅外遙感相關技術的研究。目前紅外高光譜傳感器技術壁壘比較大，紅外高光譜數據獲取比較難，但紅外高光譜數據的應用具有極大的意義和價值。所以研究氣體的紅外高光譜數據仿真具有十分重要的意義，對氣體以及其他目標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：可以吸收對應頻率的紅外光能量，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。當光線穿透氣體時，氣體吸收特征頻率譜線光，導致光的能量下降。研究表明，每種氣體在紅外輻射波段都有不同數目的特征吸收譜線。由于特征頻率是由一定頻率范圍內的光組成的，因此特征吸收頻率具有一定的帶寬，并且帶寬中每個頻率被吸收的量不盡相同。通過相應的吸收模型和計算公式可以計算出紅外光線穿過氣體時被吸收能量的多少。氣體的濃度變化、光線穿過氣體時所走的路程、光線能量衰減的程度，三者的關系符合光吸收基本定律。

熱紅外輻射指的就是由于物質本身具有高于絕對零度的溫度，從而不斷向環境發射輻射能量的現象;它是物質溫度特性的一種表征形式。自然環境中，物體交換能量的方式都是通過輻射方式進行的，一個物體能量的變換取決于本身發射的能量，物質本身吸收的能量以及其他方式能量的綜合作用。當沒有其他方式的能量時，物質的溫度狀態只受其發射和吸收的情況影響;當發射和吸收的能量相等時，物質就處在了熱平衡狀態。自然環境中，熱量交換都是千變萬化的，通常物質都處于非平衡狀態，但如果細化到每個狀態，可以熱為物質在一定時間內熱量變化均勻平穩，處于瞬時的平衡狀態，這樣就需要熱學定律去描述物質的平衡狀態。

二、紅外高光譜圖像氣體檢測

（一）單一氣體目標檢測

圖1為單一氣體檢測系統框圖，首先根據氣體光譜庫氣體數據和MODTRAN大氣傳輸數據計算出氣體光譜特征數據（相當于s），然后對紅外高光譜圖像進行背景訓練，對全局圖像去均值，去除均值之后的結果即為x，如此，對數據逐點計算判別權值，最后完成檢測。利用上述三種檢測器計算出的結果是對圖像像素描述的權值，最終歸一化之后，變成0到1之間的描述權值，它的意義是：目標的權值應為1，背景的權值應為0，設定門限，權值大于門限的為目標，小于門限的為背景。

圖1 單一氣體檢測系統流程圖

利用檢測方法計算出的是像素的描述權值，選擇不同的閾值，則檢測結果會產生相應變化。如果氣體目標的真實檢測結果是已知的，對目標和非目標的檢測結果進行統計，并與真實數據進行比對，能夠較準確的反映檢測效果，定義檢測的四種客觀評價指標：發現概率DP（probability of detection）、漏檢概率MP（probability of miss），虛警概率FAP（probability of false alarm）以及背景的發現概率DBP（probability of detection of background）：

ROC（接收機操作特性）曲線，描述的是發現概率和虛警概率關系曲線，通常橫坐標是虛警概率，縱坐標為目標發現概率。由于檢測算法計算出的是權值，當選擇閾值不同時，發現概率和虛警概率也不同，但一一對應，這樣就會繪制出一條虛警概率與目標發現概率關系曲線，用來客觀評價檢測算法的好壞，好的檢測算法是讓虛警概率盡可能減小，同時發現概率盡可能的提高，最好的算法當然是虛警概率為0時，發現概率為1。

（二）混合氣體目標檢測

圖2為混合氣體檢測系統流程圖，首先根據氣體光譜庫以及大氣環境仿真，計算出氣體光譜特征;然后對紅外高光譜數據進行背景訓練，對圖像去均值;之后利用匹配濾波器（MF）對圖像進行檢測，檢測出混合氣體各氣體成分的檢測結果;利用檢測結果計算出混合氣體區域，然后利用線性光譜解混算法計算出混合區域氣體的豐度，也就是氣體分子量的比值。

圖2 混合氣體檢測系統流程圖

首先，根據氣體信號檢測模型，對氣體信號檢測的參數進行分析，并通過分析將紅外高光譜氣體檢測信號模型轉換成傳統的紅外高光譜信號檢測模型;之后選擇匹配濾波器、自適應余弦一致性濾波器和自適應匹配濾波器對單一氣體進行檢測，通過實驗發現這三種方法能夠實現對單一氣體進行檢測，同時驗證了氣體檢測在不同信噪比、不同光譜分辨率與不同大氣場景估計下的魯棒性;最后，通過模型分析，將混合氣體信號模型轉換成線性光譜混合模型，并利用匹配濾波器對混合區域進行檢測，同時對混合區域的氣體豐度（氣體分子量的百分比）進行了提取計算。

三、紅外光譜技術的優點

（一）安全性高，可操作性強

紅外光譜技術設計的檢測設備采用的是光信號，與傳統設備采用電信號相比，在煤礦等易燃易爆氣體集聚的場合，不會引起氣體燃燒和爆炸等情況的發生，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，當氣體濃度超過一定數值時容易引起元件的老化和中毒等情況，使測量結果出現偏差。采用紅外光譜技術來檢測氣體，可以避免這些情況的出現。而且采用紅外光譜技術產生的干擾信號弱，系統的信噪比較高。除此之外，系統具有靈敏度自動補償功能和零點自動補償功能，因此不需要定時校準，可操作性較強。

（二）選擇性好

由于每種氣體都具有特定的紅外吸收頻率，因此在檢測混合氣體時，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，使檢測混合氣體中的某種特定的氣體成為可能。

（三）反應靈敏，可靠性高

采用傳統的檢測方法做氣體檢測時，開啟檢測系統后往往無法直接工作，而是需要經過一段比較長的預熱時間。而采用紅外光譜技術的氣體檢測設備，在開機后短時間內就可以進行工作。即使氣體濃度僅僅發生微小變化，它也可以及時檢測到，反應十分靈敏。在實際檢測過程中，基于某些檢測方法設計的檢測系統很容易因為設備發熱等因素，導致測量的準確性和檢測出的數據不可靠。而采用紅外光譜吸收技術設計的氣體檢測設備，由于它是通過光信號來工作的，所以不會引起系統溫度升高等情況的出現，測量的數據不受干擾因素的影響，測量的穩定性和可靠性較高。

四、結束語

總而言之，氣體檢測技術的研究，有助于提高對災害氣體的監測和預警能力，能夠有效減少氣體災害對社會與自然造成的損害，具有極高的經濟和軍事應用價值。紅外高光譜遙感探測技術，能夠提供場景內物體的溫度特征和光譜特征，能夠有效的應用到氣體檢測中來。