CN101308090B - 一种火场多参量激光波长调制光谱检测方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种火场多参量激光波长调制光谱检测方法和装置，火灾烟气产物通过烟气预处理装置处理后，由抽气泵吸入怀特池，多路激光控制器按照分时复用工作方式对多只DFB激光器进行波长扫描和波长调制，合波器将各路激光合用一路光纤依次输出，经光纤准直器准直后送入怀特池中对火灾烟气产物进行探测，光电探测器将经怀特池多次反射和吸收的激光的光强信号转换为电信号，送入两只锁相放大模块进行选频放大获得基频分量和二次谐波分量，多路数据采集卡将锁相放大器的输出电压信号转变成数字信号，送入微型电子计算机进行实时数据处理，得到包含火场氧浓度、多种毒性气体浓度和烟雾浓度的火场多参量信息。本发明能实现对火场多参量的实时在线监测，具有实时性、多组分、高灵敏度、气体选择性强、可靠性高、抗环境干扰能力强等优点。

Description

一种火场多参量激光波长调制光谱检测方法和装置

技术领域：

本发明属于火灾监测技术领域，特别是涉及激光吸收气体分析检测方法及其装置。

背景技术：

火场多参量包括火场氧浓度、多种毒性气体浓度和烟雾浓度，是影响火灾中人员逃生和实施救援的重要因素。在气体的分析检测方法中，目前常见的检测方法主要有以下几种：利用电极和电解液对气体进行检测的电化学法；利用半导体气体器件检测的电气方法；利用气体对光的折射率或光吸收等特性来检测气体的光学法等。这些方法各有适用领域，但受探测机理的局限，电化学法和电气方法存在传感器寿命短、易“中毒”、交叉干扰严重、响应时间长等缺陷，无法满足火场多参量检测所要求的多组分同时检测以及强的气体选择性。现有的基于光学方法的检测设备具有灵敏度高，气体选择性强等优点，但在实际使用中仍存在以下缺陷：

①傅立叶变换红外光谱法(FTIR)，可以在很宽的红外波段，对气体浓度进行测量分析，虽然该方法灵敏度高，能实现多种毒性气体同时分析、测量，但需要采用分光元件和扫描方式，并且需要对气体进行取样，只能在实验室进行气体测量分析，无法实现对火灾现场的气体产物进行在线实时检测。

②现有的光学方法，气体检测设备光路较为脆弱，易受环境干扰影响，更难以实现同时对烟雾浓度的监测。

③现有的气体监测方法均难以做到对多组分气体的实时在线检测。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种能对火场多参量进行同时在线检测的高灵敏度的火场多参量激光波长调制光谱检测方法与装置，以克服现有技术的上述缺陷，实现火灾烟气中多组分气体的在线实时检测，为火灾救援工作提供科学的参考依据。

本发明的技术解决方案是：

一种火场多参量激光波长调制光谱检测方法，其特征在于：设立多只激光器，其中心波长分别对应火场多参量中待检测气体的吸收线；多路激光控制器对各只激光器分别产生幅度和频率可调的低频锯齿扫描电流，按照分时复用的时序实现其激光波长扫描；同时，产生正弦调制电流，按照分时复用的时序实现其激光波长调制；提供分时复用的时序同步信号给数据采集卡；并提供正弦调制电流基频f参考信号和倍频2f参考信号给锁相放大模块；各只激光器输出的激光依次输出，送入充有火灾烟气产物的怀特池中，经怀特池多次反射和吸收的出射激光由光电探测器接收，光电探测器的输出信号分别送入两只锁相放大模块，对输出信号中的基频分量和二次谐波分量进行选频放大，分别送入多路数据采集卡进行A/D转换，微型电子计算机对采集到的各路激光的基频分量和二次谐波分量进行实时数据处理，得到待测火灾烟气产物中的各种气体浓度和烟雾浓度。

所述的火场多参量激光波长调制光谱检测方法，其特征在于所述的各只激光器输出的激光通过合波器合用一路光纤依次输出，经过光纤准直器准直后送入到怀特池中。

所述的火场多参量激光波长调制光谱检测方法，其特征在于所述的激光器共有四只，采用DFB半导体激光器，其中心波长分别对应CO₂、CO、HCN和O₂的吸收线；所述的光电探测器为选用InGaAs光电二极管作为接收器件，其光谱响应范围为900～1700nm。

所述的火场多参量激光波长调制光谱检测方法，其特征在于所述的多路激光控制器控制各激光器的工作温度。

所述的火场多参量激光波长调制光谱检测方法，其特征在于所述的怀特池的进气口安装有烟气预处理装置，出气口安装有抽气泵，抽气泵工作，将环境中的火灾烟气经烟气预处理装置处理后抽进怀特池中。

一种火场多参量激光波长调制光谱检测装置，包括有激光器，多路激光控制器，怀特池，光电探测器，锁相放大模块，多路数据采集卡，微型电子计算机，其特征在于：所述的激光器有多只，各激光器均外接多路激光控制器以控制其工作电流与温度，所述的激光器的出射激光通过光纤分别接入合波器，合波器的输出光纤与怀特池的入光口间接有光纤准直器，怀特池的进气口安装有烟气预处理装置，出气口安装有抽气泵；所述的怀特池的出光口处安装有光电探测器，光电探测器的输出信号分成二路接入二只锁相放大模块，二只锁相放大模块的输出信号经过多路数据采集卡送到微型电子计算机；所述的多路激光控制器与锁相放大模块和多路数据采集卡之间连接有信号线实现信号传输。

所述的一种火场多参量激光波长调制光谱检测装置，其特征在于所述的激光器共有四只，采用DFB半导体激光器，其中心波长分别对应CO₂、CO、HCN和O₂的吸收线；所述的光电探测器为选用InGaAs光电二极管作为接收器件，其光谱响应范围为900～1700nm。

所述的烟气预处理装置为外购，其具有除去烟气中水分、较大颗粒物、降低烟气温度的功能。

本发明采用一台多路激光控制器、多只激光器、一只合波器、一只光纤准直器、一个怀特池、一只光电探测器、两只锁相放大模块、一块多路数据采集卡、一台微型电子计算机及烟气预处理装置、抽气泵和怀特池进出口管路，构成激光波长调制光谱火场多参量检测装置。

本发明中，多路激光控制器主要实现以下功能：(1)产生幅度和频率可调的低频锯齿扫描电流，实现激光波长扫描；(2)产生正弦调制电流，实现激光波长调制，并提供基频(f)参考信号和倍频(2f)参考信号给锁相放大模块；(3)控制各激光器的工作温度；(4)控制多只激光器检测通道的工作时序，实现多激光器分时复用，并提供分时时序同步信号给多路数据采集卡。本发明中使用的多只激光器，其中心波长分别对应火场多参量中待检测气体的吸收线；激光器采用DFB半导体激光器，其突出优点为波长调谐速度很快而且输出谱线很窄(＜50MHz)，单色性好。合波器将多路激光器输出的激光合用一束光纤依次传输，经安装在怀特池光路前端的光纤准直器准直后送入怀特池中。

本发明火灾烟气的测量原理：

根据Lambert-Beer定律，当一束光强为I₀的输入平行光入射到待测气体中时，光通过气体发生衰减，输出光强I(t)与输入光强I₀(t)和气体浓度之间的关系为

I(t)＝I₀(t)exp[-α(v)CL]                (1)

式中α(v)为气体吸收系数，即气体在一定频率v处的吸收线型；L是吸收路径的长度；C是待测气体的浓度。

系统对半导体激光器的直流驱动电流上附加一个缓慢变化的锯齿波周期扫频电流和一个幅度较小的正弦调制电流，光源的频率和输出光强也受到相应调制：

v＝v₀+v_msinωt                          (2)

I₀(t)＝I₀[1+ηsinωt]                   (3)

式中，v₀为光源未经调制时的中心频率；v_m为频率的调制幅度；η为光强调制系数；ω＝2πf，f为电流调制频率。将(2)式和(3)式代入(1)式，则有：

I(t)＝I₀(1+ηsinωt)exp[-α(v₀+v_msinωt)CL]      (4)

在近红外波段，气体吸收系数很小，满足α(v)CL＜＜1，光源的调制幅度也很小，即η＜＜1，这样(4)式可近似为：

I(t)＝I₀[1+ηsinωt-α(v₀+v_msinωt)CL]       (5)

由于实验是在大气压下进行，吸收线型可以用Lorentz线型来描述：

$\mathrm{\α}\left(v\right)=\frac{{\mathrm{\α}}_0}{1+{\left(\frac{v-v_g}{\mathrm{\δv}}\right)}^2}---\left(6\right)$

式中α₀表示纯气体在吸收线中心的吸收系数；v_g和δv分别对应吸收的中心频率和吸收线半宽。于是当光源输出中心波长被精确锁定在气体吸收峰上，即v₀＝v_g时，将(6)式代入(5)式，并展开为傅立叶级数序列，得到基频分量和二次谐波分量的系数分别为：

I_f＝I₀η    I_2f＝-kα₀CLI₀                   (7)

式中，

$k=\frac{2[2+x^2-{(1+x^2)}^{1/2}]}{x^2{(1+x^2)}^{1/2}}$ x＝v_m/δv                         (8)

于是有：

$\frac{I_{2f}}{I_f}=-\frac{k}{\mathrm{\η}}{\mathrm{\α}}_0\mathrm{CL}---\left(9\right)$

由此可见，二次谐波和一次谐波的比值不含I₀项，这样用其作为系统的输出可以消除光源波动等因素带来的干扰。(9)式中，除待测气体浓度C，其他参数均为常量，系统输出与气体浓度成正比关系。通过标准气标定，可以获得待测气体的浓度。

当激光在怀特池中传播时，除了被待测气体吸收外，还受到烟粒子的吸收或散射作用或这两者的共同(消光)作用，正常接收平行光的光电接收器上接收的辐射能通量将减弱。按照国家标准GB4715规定，本发明测得减光系数，以表示烟雾浓度，减光系数用下式表示：

$m=\frac{10}{d}1g\frac{P_0}{P}---\left(10\right)$

式中，m为减光系数，单位为dB/m；d为试验烟的光学测量长度；P₀为无烟时接收的辐射功率；P为有烟时接收的辐射功率。按照(7)式计算结果，分别测量有烟时接收的基频分量I_f和无烟时接收的基频分量I_f0，以

代替

代入(10)式可以获得减光系数，以表征烟雾浓度。

经过研究发现，火场多参量中的气体组分对激光光强衰减很弱，相对于火灾烟雾造成的光强衰减可以忽略，对减光系数的测量影响很小；而火灾烟雾也不会产生高频分量，影响气体组分浓度的检测。因此本系统可以对多种气体组分和火灾烟雾进行同时检测，而不会产生交叉干扰。

本发明使用的4只DFB半导体激光器的中心波长分别对应O₂和其他3种待检测气体的吸收线，实施中只需更换不同波长的激光器就可实现对不同气体的检测，具有很好的气体选择性。

本发明采用激光波长调制光谱方法，提出一种全新的能够同时在线检测火场氧浓度，多种毒性气体浓度和烟雾浓度的火场多参量监测方法和装置。由于采用了4只DFB半导体激光器，其波长调谐速度快，输出谱线很窄，可以准确地将输出波长调谐在待测气体吸收峰上，并有效消除组分间的干扰；多路激光控制器按照分时复用方式驱动4只激光器，能够实现对4种气体组分同时检测；采用合适的算法和数据处理方法，利用系统光路对烟雾的消光系数进行了测量，实现了火场多参量的实时同时检测。本发明能从根本上解决传统的探测方法存在的缺陷，具有实时性、多组分、高灵敏度、强的气体选择性、可靠性高、抗环境干扰能力强等优点，适用于各种环境场所的火场多参量在线检测。

本发明的推广应用将推动我国火灾探测技术的发展，实现对火场多参量的实时在线监测。

附图说明：

附图1为本发明火场多参量激光波长调制光谱检测装置的系统构成示意图。

附图2为多路激光控制器结构示意图。

附图3为怀特池多次反射原理示意图。

附图4为本发明的数据实时分析处理流程图。

具体实施方式：

实施例1

本实施例火场多参量激光波长调制光谱检测装置，由一台多路激光控制器1、四只DFB激光器12、一只合波器2、一只光纤准直器3、一个怀特池4、一只光电探测器5、两只锁相放大模块6、一块多路数据采集卡7、一台微型电子计算机8及烟气预处理装置9、抽气泵10和进出口管路11等组成。烟气预处理装置9将监测现场的烟气送入怀特池4的进气口，另一端的出气口与抽气泵10连接；光纤准直器3安装在怀特池光路入口处，光电探测器5安装在怀特池光路出口处，其输出信号分成两路，同时送入两只锁相放大模块6；多路数据采集卡7插在微型电子计算机8的主板上，两只锁相放大模块的信号输出端与数据采集卡的模拟输入口相连。

为提高光电探测的灵敏度，采用怀特池来提高光程。本实施例中所使用的怀特池4利用球面反射镜成像原理制成，怀特池4主要由一块主镜和两块次镜组成，主镜和次镜的曲率半径一致，主镜和次镜之间的中心间隔和曲率半径相等，这样主次镜之间就形成了共焦腔，光束在主次镜之间来回反射。怀特池多次反射原理图如附图3所示。

本实施例中采用4只DFB激光器，中心波长分别为1609.0nm、1567.133nm、1537.965nm和1273.0nm，分别对应CO₂、CO、HCN和O₂的吸收线；多路激光控制器按分时复用工作方式驱动4只DFB激光器12，对其进行波长扫描和波长调制，并负责：(1)向多路数据采集卡7提供波长扫描的分时时序同步信号13，保证数据采集的同步，(2)向锁相放大模块6提供正弦波长调制的基频f和倍频2f参考信号14。合波器将4路激光器12输出的激光合为一束，采用光纤传输，经安装在怀特池4光路前端的光纤准直器3准直后送入怀特池中。光电探测器5选用InGaAs光电二极管作为接收器件，其光谱响应范围为900～1700nm。

工作时，监测现场的烟气经烟气预处理装置9处理后，由抽气泵10通过进气口吸入怀特池4中；由多路激光控制器1驱动4只DFB激光器12发光，经合波器2和光纤准直器3送入怀特池，激光在怀特池4中经多次反射和吸收衰减后，出射到光电探测器5上，由光电探测器5转换为电信号，分两路送入两只锁相放大模块6中进行选频放大，获得基频(f)分量和二次谐波(2f)分量，然后由多路数据采集卡7进行A/D转换，转换后的数字量送入微型电子计算机8进行实时数据分析处理。在进行数据分析处理时，参照公式(9)，只需事先对待测气体浓度进行标定，获得4种待测气体的浓度-I_2f/I_f曲线，将数据采集卡7采集到的数据代入标定曲线即可获得多种待测气体浓度；参照公式(10)，只需事先采集无烟时的基频分量，将数据采集卡7采集到的有烟基频分量代入公式(10)，即可获得表征烟雾浓度的减光系数。于是就同时获得了包含火场氧浓度、多种毒性气体浓度和烟雾浓度的火场多参量信息。

Claims (3)

1.一种火场多参量激光波长调制光谱检测方法，其特征在于：其检测装置，包括有激光器，多路激光控制器，怀特池，光电探测器，锁相放大模块，多路数据采集卡，微型电子计算机，所述的激光器有4只，各激光器均外接多路激光控制器以控制其工作电流与温度，所述的激光器的出射激光通过光纤分别接入合波器，合波器的输出光纤与怀特池的入光口间接有光纤准直器，怀特池的进气口安装有烟气预处理装置，出气口安装有抽气泵；所述的怀特池的出光口处安装有光电探测器，光电探测器的输出信号分成二路接入二只锁相放大模块，二只锁相放大模块的输出信号经过多路数据采集卡送到微型电子计算机；所述的多路激光控制器与锁相放大模块和多路数据采集卡之间连接有信号线实现信号传输；所述的激光器采用DFB半导体激光器，中心波长分别为1609.0nm、1567.133nm、1537.965nm和1273.0nm，分别对应CO₂、CO、HCN和O₂的吸收线；所述的光电探测器为选用InGaAs光电二极管作为接收器件，其光谱响应范围为900～1700nm；

具体检测方法如下：所述的4只激光器的中心波长分别对应火场多参量中待检测气体的吸收线；多路激光控制器对各只激光器分别产生幅度和频率可调的低频锯齿扫描电流，按照分时复用的时序实现其激光波长扫描；同时，产生正弦调制电流，按照分时复用的时序实现其激光波长调制；提供分时复用的时序同步信号给数据采集卡；并提供正弦调制电流频率f参考信号和倍频2f参考信号给锁相放大模块；各只激光器输出的激光依次输出，送入充有火灾烟气产物的怀特池中，经怀特池多次反射和吸收的出射激光由光电探测器接收，光电探测器的输出信号分别送入两台锁相放大模块，对输出信号中的基频分量和二次谐波分量进行选频放大，分别送入多路数据采集卡进行A/D转换，微型电子计算机对采集到的各路激光的基频分量和二次谐波分量进行实时数据处理，得到待测火灾烟气产物中的各种气体浓度和烟雾浓度；

所述的抽气泵工作，将环境中的火灾烟气经烟气预处理装置处理后抽进怀特池中；根据Lambert-Beer定律，当一束光强为I₀的输入平行光入射到待测气体中时，光通过气体发生衰减，输出光强I(t)与输入光强I₀(t)和气体浓度之间的关系为

I(t)＝I₀(t)exp[-α(ν)CL]     (1)

式中α(ν)为气体吸收系数，即气体在一定频率ν处的吸收线型；L是吸收路径的长度；C是待测气体的浓度；

系统对半导体激光器的直流驱动电流上附加一个缓慢变化的锯齿波周期扫频电流和一个幅度较小的正弦调制电流，光源的频率和输出光强也受到相应调制：

ν＝ν₀+ν_msinωt     (2)

I₀(t)＝I₀[1+ηsinωt]     (3)

式中，ν₀为光源未经调制时的中心频率；ν_m为频率的调制幅度；η为光强调制系数；ω＝2πf，f为正弦电流调制频率，将(2)式和(3)式代入(1)式，则有：

I(t)＝I₀(1+ηsinωt)exp[-α(ν₀+ν_msinωt)CL]      (4)

在近红外波段，气体吸收系数很小，满足α(ν)CL＜＜1，光源的调制幅度也很小，即η＜＜1，这样(4)式近似为：

I(t)＝I₀[1+ηsinωt-α(ν₀+ν_msinωt)CL]     (5)

由于实验是在大气压下进行，吸收线型用Lorentz线型来描述：

$\mathrm{\α}\left(\mathrm{\ν}\right)=\frac{{\mathrm{\α}}_0}{1+{\left(\frac{\mathrm{\ν}-{\mathrm{\ν}}_g}{\mathrm{\δ\ν}}\right)}^2}---\left(6\right)$

式中α₀表示纯气体在吸收线中心的吸收系数；ν_g和δν分别对应吸收的中心频率和吸收线半宽，于是当光源输出中心波长被精确锁定在气体吸收峰上，即ν₀＝ν_g时，将(6)式代入(5)式，并展开为傅立叶级数序列，得到基频分量和二次谐波分量的系数分别为：

I_f＝I₀η   I_2f＝-kα₀CLI₀     (7)

式中，

$k=\frac{2[2+x^2-{(1+x^2)}^{1/2}]}{x^2{(1+x^2)}^{1/2}},x={\mathrm{\ν}}_m/\mathrm{\δ\ν}---\left(8\right)$

于是有： $\frac{I_{2f}}{I_f}=-\frac{k}{\mathrm{\η}}{\mathrm{\α}}_0\mathrm{CL}---\left(9\right)$

由此可见，二次谐波和一次谐波的比值不含I₀项，这样用其作为系统的输出消除光源波动的因素带来的干扰，9)式中，除待测气体浓度C，其他参数均为常量，系统输出与气体浓度成正比关系，通过标准气标定，获得待测气体的浓度；

当激光在怀特池中传播时，除了被待测气体吸收外，还受到烟粒子的吸收或散射作用或这两者的共同作用，正常接收平行光的光电接收器上接收的辐射能通量将减弱，按照国家标准GB4715规定，测得减光系数，以表示烟雾浓度，减光系数用下式表示：

$m=\frac{10}{d}\lg \frac{P_0}{P}---\left(10\right)$

式中，m为减光系数，单位为dB/m；d为试验烟的光学测量长度；P₀为无烟时接收的辐射功率；P为有烟时接收的辐射功率，按照(7)式计算结果，分别测量有烟时接收的基频分量I_f和无烟时接收的基频分量I_f0，以

代替

代入(10)式获得减光系数，以表征烟雾浓度。

2.根据权利要求1所述的火场多参量激光波长调制光谱检测方法，其特征在于所述的各只激光器输出的激光通过合波器合用一路光纤依次输出，经过光纤准直器准直后送入到怀特池中。

3.根据权利要求1所述的火场多参量激光波长调制光谱检测方法，其特征在于所述的多路激光控制器控制各激光器的工作温度。

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