CN102809427A - 自动对准光谱系统 - Google Patents

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Abstract

本发明的名称为“自动对准光谱系统”。呈现自动对准系统。该自动对准系统的一个实施例包括起动装置单元，其配置成引导第一激光束和第二激光束通过腔室，其中该第一激光束与该第二激光束共线。该自动对准光谱系统进一步包括接收器单元，其配置成接收穿过腔室的第一激光束和第二激光束。该接收器单元包括第一检测器，其配置成确定第一激光束的强度。该接收器单元还包括第二检测器，其配置成确定第二激光束从确定位置的偏离。此外，该自动对准光谱系统包括机动段，其配置成基于第二激光束的确定的偏离使起动装置单元对准基线位置。

Description

自动对准光谱系统
技术领域
本公开大体上涉及光谱系统，并且更具体地涉及自动对准光谱系统，其适于在诸如热回收蒸汽发生器(HRSG)腔室的、易于振动的环境中使用。
背景技术
许多电力要求受益于发电厂，这些发电厂在最小环境影响内提供低成本能量。另外，这些发电厂提供更好的可靠性和利用例如生物气或填埋气等替代燃料的脱离电网操作，其中示例是燃气涡轮和内燃机。燃气涡轮是巨大的引擎，其通过使引擎中的涡轮旋转将热加压燃烧气体的能量转换成机械能。接着，涡轮的这种旋转用于通过使用发电机而发电。之后，在联合循环电厂中，来自燃气涡轮的废气或残留气体通过HRSG腔室和栈(stack)而放出进入大气中。这些废气包括痕量的环境不友好气体，其可能潜在地危害大气和人类健康。因此，非常感兴趣和关注的是识别废气的成分和浓度并且使不友好气体到环境的排放最小化。
目前，可获得提取技术以用于监测废气(尤其是废气中的靶气体)的成分和浓度。这些技术的主要想法是提取废气的采样并且将其通过采样线输送到分析器。此外，通过诸如红外和/或紫外吸收测量的离线测量技术来测量靶气体的成分和浓度。遗憾的是，在气体提取的时间和跟着测量靶气体的成分和浓度的分析之间存在明显的延迟。从而，这些技术未能便于更好地控制废气排放到环境。
可以用于解决该问题的备选技术是可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)。TDLAS典型地通过在近红外和中红外光谱区域中操作的二极管激光器来实现。已经开发了用于感测和控制燃烧过程的TDLAS的多种技术。通常已知的技术是波长调制光谱、频率调制光谱和直接吸收光谱。这些技术的每个都基于由检测器在激光束穿过吸收介质(例如，HRSG腔室内部的气体)后接收的激光束的数量和性质之间的确定的关系。特定光谱带中的激光束可由腔室中的气体组分(gas species)吸收。由检测器接收的激光束的吸收光谱用于确定气体组分的成分和/或浓度。
在这些技术中，TDLAS典型地安装在栈中以确定腔室内部的废气的成分和/或浓度。栈可以是设置在HRSG腔室的出口侧处用于将残留气体释放到环境中的小圆柱形管。然而，TDLAS还可在HRSG腔室中实现用于期望的应用，例如气体浓度测量、气体温度测量、气体压力测量等。遗憾的是，由于HRSG腔室中恶劣的条件、振动和热变化，在HRSG腔室中实现TDLAS是困难的。这些条件可引起TDLAS系统的未对准，从而导致废气的错误测量。
目前，存在矫正TDLAS系统的未对准的多种技术。校正TDLAS系统的未对准的一个方式是手动矫正或调整TDLAS系统的未对准。然而，因为操作者可能必须伸手触及TDLAS系统来手动调整TDLAS系统，因此手动调整TDLAS系统是耗时的过程。同样，手动调整TDLAS系统在操作的电厂中可能是不现实的。此外，因为操作者不知道TDLAS未对准的方向，所以操作者可能必须采用试错法，这又是低效且耗时的过程。
因此，开发减少这样的错误测量的TDLAS系统的设计是期望的。特别地，期望开发检测TDLAS系统中未对准并且使TDLAS系统自动对准而不管HRSG腔室中或周围的环境条件如何的系统的设计。
发明内容
简短地，根据本技术的一个方面，呈现自动对准光谱系统。该自动对准光谱系统包括起动装置(launcher)单元，其配置成引导第一激光束和第二激光束通过腔室，其中该第一激光束与该第二激光束共线。该自动对准光谱系统进一步包括接收器单元，其配置成接收穿过腔室的第一激光束和第二激光束。该接收器单元包括第一检测器，其配置成确定第一激光束的强度。该接收器单元还包括第二检测器，其配置成确定第二激光束从确定位置的偏离。此外，该自动对准光谱系统包括机动段，其配置成基于第二激光束的确定的偏离使起动装置单元与基线位置对准。
根据本技术的进一步的方面，呈现自动对准光谱系统的方法。该方法包括将来自起动装置单元的至少第一激光束和第二激光束引导通过腔室的第一窗口，其中该第一激光束与该第二激光束共线。该方法进一步包括在腔室的第二窗口处接收共线的第一激光束和第二激光束。该方法还包括使第二激光束与第一激光束分开，以使得第一激光束入射在第一检测器上并且第二激光束入射在第二检测器上。另外，该方法包括确定入射在第二检测器上的第二激光束从确定位置的偏离。此外，该方法包括基于第二激光束的确定的偏离使起动装置单元对准基线位置。
根据本技术的另一个方面，呈现自动对准光谱系统。该自动对准光谱系统包括起动装置单元，其邻近腔室的第一窗口设置并且配置成引导第一激光束和第二激光束通过该腔室。该起动装置单元包括配置成发射第一激光束的第一激光源，和配置成发射第二激光束的第二激光源。该起动装置单元进一步包括第一分色镜，其设置在第一确定角度处，并且配置成使第一激光束传送通过该第一分色镜及沿着第一激光束的方向反射第二激光束，以使得第二激光束与第一激光束共线。起动装置单元还包括第一透镜，其设置在该第一分色镜下游以使第一激光束与第二激光束准直。此外，自动对准光谱系统包括接收器单元，其邻近腔室的第二窗口设置并且配置成接收穿过腔室的第一激光束和第二激光束。该接收器单元包括第二透镜，其邻近腔室的第二窗口设置并且配置成使第一激光束和第二激光束会聚。该接收器单元进一步包括第二分色镜，其邻近第二透镜设置并且配置成使第一激光束与第二激光束分开。该接收器单元还包括第一检测器，其设置在该第二分色镜下游并且配置成确定与入射在第一检测器上的第一激光束关联的强度。此外，该接收器单元包括第二检测器，其设置在该第二分色镜下游并且配置成基于入射在第二检测器上的第二激光束确定第二激光束从确定位置的偏离。另外，自动对准光谱系统包括机动段，其配置成基于第二激光束的确定的偏离使光谱系统对准基线位置。
附图说明
当下文详细描述参照附图(其中类似的符号在所有附图中代表类似的部件)阅读时，本公开的这些和其他的特征、方面和优势将变得更好理解，在附图中：
图1是根据本技术的方面的、可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)系统的图解图示；
图2是根据本技术的方面的、在TDLAS系统中使用的检测器的图解图示；
图3是根据本技术的、入射在图2的检测器上的第二激光束的位置信号的图形表示；
图4是图示根据本技术的方面的、用于使TDLAS系统自动对准的方法的流程图；以及
图5是图示根据本技术的方面的、用于使TDLAS系统的起动装置单元对准的方法的流程图。
具体实施方式
如将在下文详细描述的，呈现示范性可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)系统的多种实施例和用于使TDLAS系统自动对准的方法。通过采用下文描述的方法和TDLAS系统，废气测量的误差可以大致上最小化。
现在转向附图，并且参照图1，描绘根据本技术的方面的示范性光谱系统100的图解图示。可注意到，在某些实施例中，光谱系统100可以是可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)系统。大体上采用光谱系统100来确定在恶劣的易于振动的环境(例如，腔室102)中气体组分的浓度和/或成分。典型地，当确定或测量腔室102中气体组分的浓度和/或成分时，例如腔室102内部的热振动等恶劣的环境条件可导致光谱系统100未对准基线位置。术语基线位置用于指光谱系统的位置，在该位置可忽略误差或没有误差地测量腔室102中气体组分的浓度和/或成分。光谱系统100的该未对准可不利地导致腔室102中气体组分的错误测量。从而，使光谱系统维持在基线位置以便最小化腔室102中气体组分的测量误差，这是非常期望的。同样，使光谱系统100自动对准基线位置是期望的。
此外，在一个示例中，腔室102可以是热回收蒸汽发生器(HRSG)腔室，其耦合到例如燃气涡轮或内燃机等气体排放系统。在一个实施例中，腔室102可称作气体排放系统的排出路径。特别地，腔室102接收来自气体排放系统的废气或残留气体，并且将这样的废气排放到环境。
另外，废气中的气体组分归类为两个主要类别：主要组分和次要组分。主要组分包括例如CO2、H2O、N2和O2等环境友好气体。另一方面，次要组分包括例如NOx、SOx和CO等环境不友好气体。次要组分是不期望的气体，因为它们可以潜在地危害大气和环境。使光谱系统100自动对准基线位置以便于这些不期望组分的准确测量，这是期望的。
在当前预想的配置中，光谱系统100图解地图示为包括起动装置单元104、接收器单元106和控制器单元108。该起动装置单元104设置在腔室102的第一侧上，而接收器单元106设置在腔室102的第二侧上，其与腔室102的第一侧相对。特别地，接收器单元106安置在起动装置单元104的瞄准线位置以收集由起动装置单元104传送通过腔室102的激光束。
在图1中图示的实施例中，起动装置单元104安装在安装单元110上，该安装单元110操作地耦合到腔室102的第一窗口126。该第一窗口126可以是允许激光束穿过腔室102并且阻止废气流到腔室102外的光学窗口。在一个实施例中，该第一窗口126可具有安装法兰(未在图1中示出)，安装单元110的一端耦合到该安装法兰。安装单元110的另一端支撑起动装置单元104。
根据本技术的示范性方面，起动装置单元104包括第一激光源114、第二激光源116、第一分色镜122和准直仪124。在一个实施例中，该第一激光源114邻近该第一分色镜122设置。同样，该第一激光源114配置成以第一确定波长产生第一激光束118并且朝第一分色镜122传送该第一激光束118。选择该第一确定波长使得第一激光束118的特性对于由腔室102中气体组分的吸收和/或散射是敏感的。特别地，选择第一激光束118的第一确定波长使得由腔室102中的靶气体对第一激光束118的任何吸收和/或散射影响第一激光束118的强度。术语靶气体可用于指这样的气体，其浓度和/或成分将被确定以有助于控制这样的气体排放到环境。例如，靶气体可以是二氧化氮。
在图1的图示实施例中，以近红外波长朝第一分色镜122传送第一激光束118。在一个示例中，以在从大约1350 nm至大约1750 nm范围中的波长传送第一激光束118。在另一个示例中，以在从大约700 nm至大约2000 nm范围中的波长传送第一激光束118。在如在图1中描绘的确定方向“A”上光学传送第一激光束118。
可注意到，起动装置单元104对准基线位置。在操作期间，可干扰光谱系统100从基线位置的对准以及因此干扰起动装置单元104从基线位置的对准。
根据本技术的示范性方面，采用第二激光源116来确定起动装置单元104的任何不对准和/或腔室102中的物理干扰。在一个示例中，这些物理干扰可以是第一窗口126和/或第二窗口128的堵塞和/或阻塞。第二激光源116与第一分色镜122以确定的空间关系设置。在一个实施例中，第二激光源116大致上垂直于第一激光源114安置。第二激光源116配置成以第二确定的波长产生第二激光束120并且朝第一分色镜122传送该第二激光束120。该第二确定的波长被选择为在使得第二激光束120的特性对腔室102中所有气体组分不敏感的范围中。因为第二激光束120对腔室102中的所有气体组分不敏感，所以第二激光束120在接收器单元106处的任何偏离可解释为起动装置单元104的未对准和/或腔室102中的物理干扰。从而，根据本技术的示范性方面，采用例如第二激光束120等额外的激光束连同第一激光束118有助于识别并且随后矫正光谱系统100中的任何未对准。
在图1的图示实施例中，以在从大约400 nm至大约700 nm范围中的波长朝第一分色镜122传送第二激光束120。在如在图1中描绘的确定的方向“B”上光学传送第二激光束120。
此外，在一个实施例中，关于第一激光源114和第二激光源116以第一确定角度安置第一分色镜122。同样，在某些实施例中，第一分色镜122可设置在安装立方体(未在图1中示出)内部。采用该安装立方体用于使第一分色镜122初调到第一确定角度。第一确定角度可以是引导第二激光束120与第一激光束118共线的任何角度。因为第二激光束120与第一激光束118共线，所以第一激光束118的任何偏离可引起第二激光束120的对应的偏离。例如，如果第一激光束118偏离初始位置，第二激光束120也偏离其初始或确定位置。在图1的图示实施例中，以大约45度的角度安置第一分色镜122。然而，也设想使用其他角度。
此外，第一分色镜122沿着第一方向“A”接收第一激光束118。同时，第一分色镜122也沿着第二方向“B”接收第二激光束120。当接收第一激光束和第二激光束118、120时，第一分色镜122引导第一激光束118通过第一分色镜122。然而，第一分色镜122沿着第一激光束118的路径反射第二激光束120使得反射的第二激光束120与第一激光束118共线。在一个实施例中，第一分色镜122可称作束组合器，其使第一激光束118与第二激光束120组合，从而使第二激光束120与第一激光束118共线。
另外，第一激光束118和第二激光束120通过邻近第一分色镜122设置的准直仪124在腔室102上游准直。在一个实施例中，准直仪124可以是设置在第一分色镜下游来使第一激光束118与第二激光束120准直的第一透镜。共线的第一激光束和第二激光束大体上可由标号114引用。之后，共线的第一激光束和第二激光束144经由腔室102的第一窗口126被光学引导通过腔室102。
在图1中图示的实施例中，接收器单元106采用与起动装置单元104的相反的光学布置设置。标号146大体上指穿过腔室102并且通过第二窗口128退出腔室102的共线的第一激光束和第二激光束。接收器单元106配置成收集穿过腔室102的共线的第一激光束和第二激光束146。可注意，由接收器单元106接收的共线的第一激光束和第二激光束146可在穿过腔室102时被部分干扰和/或散射。
接收器单元106也安装在安装单元142上，该安装单元142操作地耦合到腔室102的第二窗口128。第二窗口128可以是允许共线的第一激光束和第二激光束146退出腔室102并且阻止废气流到腔室102外的光学窗口。在一个实施例中，第二窗口128可具有安装法兰(未在图1中示出)，安装单元142的一端耦合到该安装法兰。安装单元142的另一端支撑接收器单元106。
此外，在一个实施例中，接收器单元106包括第二透镜130、第二分色镜132、第一检测器134和第二检测器136。该第二透镜130邻近第二窗口128设置并且配置成使共线的第一激光束和第二激光束146会聚在邻近第二透镜130设置的第二分色镜132上。
在当前预想的配置中，关于第一检测器和第二检测器134和136以第二确定角度安置第二分色镜132。再次在这里，在一个实施例中，第二分色镜132可设置在安装立方体(未在图1中示出)内部。采用该安装立方体以对第二分色镜132做出初调以便使第二分色镜132对准第二确定角度。第二确定角度可以是使共线的第一激光束和第二激光束146的组成部分分成第一激光束和第二激光束的任何角度。在图1中图示的实施例中，以大约45度的角度安置第二分色镜132。由接收器单元106接收的第一激光束大体上由标号148表示，而在接收器单元106处接收的第二激光束大体上由标号150表示。
另外，第二分色镜132配置成允许第一激光束148穿过使得第一激光束148入射在第一检测器134上。同时，第二分色镜132反射第二激光束150使得第二激光束150入射在第二检测器136上。从而，第二分色镜132使第二激光束150与第一激光束148分开。
此外，第一检测器134设置在第二分色镜132下游来确定与第一激光束148关联的强度。特别地，第一检测器134基于第一激光束148的强度和其他特性确定废气的浓度和/或成分。可注意，腔室102中的靶气体吸收第一激光束148的至少一部分，这进而降低第一激光束148的强度。第一激光束148的该强度降低用于识别腔室102中的靶气体。在一个实施例中，第一检测器134可以是用于测量第一激光束148的强度的红外(IR)光电二极管。此外，在一个实施例中，该IR光电二极管将第一激光束148的信号传送到外部单元，例如用于测量和分析一个或多个靶气体的成分和/或浓度的激光吸收光谱(LAS)IR设置。
根据本技术的方面，第二检测器136设置在第二分色镜132下游并且配置成确定第二激光束150从确定位置的偏离。在一个实施例中，第二激光束150的确定位置可代表入射在第二检测器136的中心上的第二激光束150的位置。在光谱系统100的初始测试期间，通过运动支承(mount)或通过调整安装单元142上的螺钉来调整第二检测器136使得第二激光束150入射在第二检测器136的中心上，而第一激光束148入射在第一检测器134的中心上。特别地，初调第一检测器134和第二检测器136使得第一激光束148入射在第一检测器134的中心上，而第二激光束150入射在第二检测器136的中心上。
如将意识到的，在光谱系统100或电厂的操作期间，由于恶劣的环境条件，可存在光谱系统100的未对准。该未对准可因此导致起动装置单元104偏离基线位置。例如，电厂的热振动可使起动装置单元104偏离基线位置。起动装置单元104的该未对准或偏离导致第一激光束148和第二激光束150在它们相应的检测器上的入射点的偏离。从而，起动装置单元104的未对准可不利地导致靶气体中组分的错误测量和/或分析。
根据本技术的示范性方面，采用第二激光束150以有助于检测并且随后校正光谱系统100的任何未对准。特别地，起动装置单元104的未对准使第二激光束150入射在第二检测器136上的第一位置处。该第一位置可以是与确定位置不同的任何位置。因为第二激光束150对腔室102中的气体组分不敏感，所以第二激光束150从确定位置到第一位置的位置变化可归因于光谱系统100的未对准。在一个实施例中，光谱系统100的该未对准可由于启动期间的振动、起动装置单元104的加热或腔室102内部的热振动引起。
另外，在一个实施例中，第二检测器136可以是位置敏感光电检测器，专门采用该位置敏感光电检测器以有助于检测光谱系统100的任何未对准并且使光谱系统100自动对准基线位置。根据本技术的示范性方面，位置敏感光电检测器可包括象限光电二极管。该象限光电二极管136有助于确定第二激光束150的入射位置。特别地，该象限光电二极管136生成三个信号，其指示第二激光束150的偏离并且大体上由标号138表示。这些信号中的两个指示入射在象限光电二极管136上的第二激光束150的X-Y位置，而另一个信号指示第二激光束150的总功率。在一个示例中，该X-Y位置可以是第二激光束150的第一位置。在光谱系统100的自动对准中采用这些信号138。为此，从象限光电二极管136获得的信号138被传达到控制器单元108。第二检测器136的功能将参考图2更详细地描述。
在当前预想的配置中，控制器单元108配置成基于第二激光束150的偏离使起动装置单元104对准回到基线位置。特别地，控制器单元108从第二检测器136接收信号138。信号138指示第二激光束150从确定位置的偏离。此外，控制器单元108基于接收的信号138产生误差信号140。该误差信号140然后被传达到机动段112以使起动装置单元104对准回到基线位置。在一个实施例中，控制器单元108可包括预存指令集或基于接收的信号138计算误差信号140的代码。另外，控制器单元108将误差信号140或命令信号自动传达到机动段112用于使起动装置单元104自动对准回到基线位置。在一个实施例中，控制器单元108可靠近腔室102设置。在另一个实施例中，控制器单元108可以是主计算机，其设置在远程位点处并且无线耦合到起动装置单元104和接收器单元106。
如先前注意到的，机动段112配置成基于从控制器单元108接收的误差信号140使起动装置单元104对准回到基线位置。特别地，在一个实施例中，机动段112安装在安装单元110上并且耦合到起动装置单元104。机动段112使起动装置单元104在对应于误差信号140的方向上定向以便使起动装置单元104对准基线位置。举例来说，如果起动装置单元104在+X方向上移位，机动段112基于误差信号140使起动装置单元104在－X方向上定向，以使得起动装置单元104重新对准基线位置。
此外，在一个实施例中，机动段112包括双轴致动器，其配置成使起动装置单元104在至少两个不同的方向上以及至少一个角度处定向，以使起动装置单元104对准基线位置。机动段112中的该双轴致动器基于从控制器单元108接收的误差信号140使起动装置单元104定向。从而，通过采用第二激光源116、第二检测器136和控制器单元108，容易识别光谱系统100的未对准，特别是起动装置单元104的未对准，并且使起动装置单元104自动对准回到基线位置。另外，起动装置单元104自动对准基线位置允许接收器单元106进行腔室102中废气的无误差测量。在一些实施例中，机动段使光谱系统100对准基线位置。例如，机动段112可设置在接收器单元106处以使起动装置单元104和/或接收器单元106对准基线位置。
图2是根据本技术的方面的图1的光谱系统100中的第二检测器136的一个实施例200的图解图示。为便于理解本技术，参照图1的组件描述图2的组件。第二检测器200可以是光敏检测器，其设置在接收器单元106中以确定光谱系统100的任何未对准，尤其是起动装置单元104的未对准。如先前注意到的，起动装置单元104的未对准可由于腔室102中或起动装置104周围恶劣的环境条件引起。举例来说，这些恶劣的环境条件可包括启动期间的振动、起动装置单元104的加热或腔室102内部的热振动。
根据本技术的示范性方面，第二检测器200包括象限光电二极管。采用该光电二极管200用于确定光谱系统100的任何未对准。特别地，该象限光电二极管200确定第二激光束150从确定位置202的任何偏离。如先前注意到的，该确定位置202可以代表第二激光束150在没有第二激光束150的功率损失或具有能接受的第二激光束150的功率损失的情况下入射在象限光电二极管200上的位置。在一个实施例中，确定位置可以是在象限光电二极管200的中心(0,0)上。
为此，在光谱系统100的初始测试期间，手动调整和/或通过使用电信号调整象限光电二极管200使得第二激光束150入射在象限光电二极管200的中心上。因此，第二激光束150在象限光电二极管200上的该位置称作确定位置202。此外，在光谱系统100的操作期间，光谱系统100可由于某些环境条件而未对准。光谱系统100的该未对准可因此导致起动装置单元104的未对准，这进而可导致由起动装置单元104产生的、第一激光束118和第二激光束120的偏离。另外，由起动装置单元104产生的、激光束118、120的偏离可导致退出腔室102的激光束148、150的偏离。
然而，因为第一激光束148对于腔室102中的气体组分是敏感的，第一激光束148的偏离还可由于腔室102中气体组分的散射和/或吸收引起。因此，因为第一激光束148的偏离可由于未对准引起和/或由于腔室102中气体组分的散射和/或吸收引起，所以通过只采用第一激光束148可难以识别未对准。从而，根据本技术的方面，为了克服这样的不明确，采用对腔室102中所有气体组分不敏感的第二激光束150连同第一激光束148用于识别光谱系统100中的任何未对准，尤其是起动装置单元104的未对准。
此外，光谱系统100中的任何未对准使第二激光束150偏离确定位置202。举例来说，光谱系统100的未对准可导致第二激光束150现在入射在象限光电二极管200上的第一位置204上。该第一位置204可以是与确定位置202不同的任何位置。
在当前预想的配置中，采用象限光电二极管200来产生指示第二激光束150的位置的至少两个信号，例如X信号和Y信号(见图1)。此外，在一个实施例中，象限光电二极管200包括充当阴极(未在图2中示出)的公共衬底。同样，象限光电二极管200可包括两个或四个光电二极管元件。在图2中描绘的实施例中，象限光电二极管200包括安置在公共衬底上的四个独立光电二极管元件208、210、212、214。这四个光电二极管元件208、210、212、214由公共衬底上的小的间隙分开。特别地，公共衬底上的这四个光电二极管元件208、210、212、214中的每个形成如图2中描绘的四个象限Q1、Q2、Q3、Q4中的一个。
另外，光电二极管元件208、210、212、214中的每个充当阳极或活动区，其在光斑或激光束落到对应的活动区时变亮。例如，如果第二激光束150入射在象限Q1上，光电二极管元件208被照亮。在另一个示例中，如果第二激光束150入射在象限Q1和Q4上，对应的光电二极管元件208和214被照亮。
此外，每个光电二极管元件的阳极或活动区能分别被识别，以使得照亮单个象限的光斑或第二激光束150可以在电气上表现为与该象限关联。然而，如在图2中描绘的，该第二激光束150跨两个光电二极管元件208和214平移。因此，与第二激光束150关联的能量也跨相邻的光电二极管元件208和214分布。此外，能量在这两个光电二极管元件208和214上的分布产生来自光电二极管元件208和214中的每个的对应的电信号。这些电信号用于确定第二激光束150在象限光电二极管200上的位置。
在图2的图示实施例中，第二激光束150入射在与确定位置202不同的第一位置204上。如在上文注意到的，在光谱系统100的初始测试期间，调整象限光电二极管200使得第二激光束150入射在象限光电二极管200的中心位置202上，其中该中心位置代表确定位置202。在确定位置202处，象限光电二极管200生成至少两个位置信号X1和Y1。这两个位置信号X1和Y1指示第二激光束150入射在确定位置202上，这进而指示起动装置单元104对准基线位置。
如先前注意到的，光谱系统100的任何未对准例如导致第二激光束150偏离确定位置202并且入射在象限光电二极管200上的第一位置204处。因为第二激光束的第一位置204跨象限Q1和Q4遍布，所以对应于象限Q1和Q4的光电二极管元件208和214被照亮。此外，基于与入射在象限光电二极管200上的第二激光束150关联的能量，光电二极管元件208和214生成对应的电信号。在一个实施例中，光电二极管元件208生成电信号i1并且光电二极管元件214生成对应的电信号i4。同样，电信号i1和i4用于确定至少两个位置信号X2和Y2。位置信号X2指示第二激光束150沿着X轴在四个象限Q1、Q2、Q3和Q4中的位移。采用相似的方式，如在图2中描绘的，位置信号Y2指示第二激光束150沿着Y轴在四个象限Q1、Q2、Q3和Q4中的位移。从而，通过采用位置信号X2和Y2，可确定第二激光束150从确定位置202的偏离。另外，还基于位置信号X2和Y2的值确定第二激光束150的偏离方向。例如，如果X2信号的值是负值并且Y2信号的值是正值，则可确定第二激光束150朝图2的象限Q2偏离。
在一个实施例中，通过采用下列方程确定位置信号X2和Y2。
Figure 2012101700774100002DEST_PATH_IMAGE002
在方程(1)和(2)中，i1代表从象限Q1中的光电二极管元件208接收的电信号，而i2代表从象限Q2中的光电二极管元件210接收的电信号。相似地，i3代表从象限Q3中的光电二极管元件212接收的电信号，而i4代表从象限Q4中的光电二极管元件214接收的电信号。因为第二激光束150的第一位置204仅跨象限Q1和Q4遍布，所以元件210和212未被照亮。因此，当生成对应于Q1和Q4的电信号i1和i4时，未生成对应于Q2和Q3的电信号。
另外，还确定第二激光束150的总强度，连同位置信号X2和Y2。特别地，在一个实施例中，通过对从象限光电二极管200中对应的光电二极管元件接收的电信号i1、i2、i3、i4求和来确定第二激光束150的该总强度。第二激光束150的该总强度用于确定第二激光束150在接收器单元106处的总功率P2。采用相似的方式，在使第二激光束120穿过腔室102之前在起动装置单元104处计算第二激光束120的总功率P1。例如，P1代表第二激光束120在起动装置单元104处的总功率。
此外，第二激光束150的总强度或第二激光束150的功率P2用于确定第二激光束150的散射。因为第二激光束150对腔室102中的气体组分不敏感，所以第二激光束150的散射可主要由于腔室102的第一窗口126和第二窗口128中的至少一个上的尘埃粒子引起。另外，第二激光束150的散射可由于对窗口126、128或腔室102的任何物理干扰引起。第二激光束150的该散射导致第二激光束150的总强度损失，这进一步降低第二激光束150的功率P2。从而，通过将第二激光束150的功率P2与第二激光束120的功率P1比较，确定窗口126、128的堵塞或阻塞或腔室102中的任何气体物理干扰。
备选地，通过比较第二激光束150的功率P2与第二激光束150的初始功率Pint来检测第二激光束150的散射。该初始功率Pint可以是在第二激光束150入射在象限光电二极管200上的确定位置202上时获得的总功率。通过比较第二激光束150的功率P2与第二激光束150的初始功率Pint，第二激光束150的功率损失PL确定为：
Figure 2012101700774100002DEST_PATH_IMAGE004
。
采用确定的功率损失PL来确定光谱系统100的任何未对准。特别地，确定的功率损失PL用于确定功率损失PL是由于第二激光束150的散射引起还是由于光谱系统100的未对准引起(并且更特别地是由于起动装置单元104的未对准引起)。如果功率损失PL小于或等于确定阈值并且位置信号X1和Y1指示不存在第二激光束150从确定位置的偏离，则可确定功率损失是由于第二激光束150的散射引起。在一个实施例中，确定阈值可以是初始功率Pint的大约1%。如先前提到的，第二激光束150的散射可主要由于窗口126、128上或腔室102中的尘埃粒子引起。第二激光束150的该散射可导致第二激光束150从确定位置202的最小偏离。从而，由于第二激光束150的散射引起的功率损失PL也可以是最小的或可忽略的。
然而，如果功率损失PL大于确定阈值，则可确定功率损失是由于起动装置单元104的未对准引起。特别地，在图2中图示的实施例中，第二激光束150入射在第一位置204上，其中第一位置204包括象限光电二极管200的边缘或外围。更具体地，当第二激光束150的一部分入射在象限光电二极管200的Q1和Q4象限上时，第二激光束150的一些部分入射到象限光电二极管200的边界外部。因此，仅第二激光束150的一部分由光电二极管元件208、214检测。从而，当与初始功率Pint相比时，第二激光束150的功率P2小得多。具体地，在该示例中，第二激光束150的功率损失PL可以超出初始功率Pint的大约1%的确定阈值。因此，确定第二激光束150的功率损失是由于起动装置单元104的未对准引起。从而，通过使用涉及第二激光束150在接收器单元106处的位置和功率的信息，确定光谱系统100的任何未对准和/或腔室102中的物理干扰是可能的。
此外，在一个实施例中，由于第二激光束150的散射引起的第二激光束150的功率损失PL可用于确定第一激光束148的吸收功率损失PAB。特别地，第一检测器134基于第一激光束148的强度确定第一激光束148的总功率损失PTTL。该总功率损失PTTL至少包括第一激光束148的吸收功率损失PAB和散射功率损失PSC。该散射功率损失PSC是由于由腔室102中的尘埃粒子散射第一激光束148和/或腔室102中的第一和第二窗口126、128的阻塞引起。相似地，吸收功率损失PAB是由于由腔室102中的气体组分吸收第一激光束148引起。可注意到，在理想的光谱系统中，典型地只基于第一激光束148的吸收损失PAB测量气体组分。然而，在常规的光谱系统中，基于总功率损失PTTL测量气体组分，该总功率损失PTTL包括第一激光束148的散射功率损失PSC和吸收功率损失PAB两者。遗憾的是，使第一激光束148的吸收功率损失PAB与散射功率损失PSC分开是困难的过程。因此，当考虑功率损失PAB、PSC两者而不是只考虑吸收功率损失PAB时，这样的基于功率损失PAB、PSC两者的测量导致误差。
从而，根据本技术的示范性方面，通过比较第一激光束148的总功率损失PTTL与第二激光束150的功率损失PL确定第一激光束148的吸收功率损失PAB。特别地，采用第二激光束150的百分比(%)功率损失PL来确定第一激光束148的百分比(%)功率损失PSC。此外，第一激光束148的该百分比(%)功率损失PSC用于确定第一激光束148的吸收功率损失PAB。在一个实施例中，可通过采用下列方程确定第一激光束148的散射功率损失PSC。
Figure 2012101700774100002DEST_PATH_IMAGE006
在方程(4)中，
Figure 2012101700774100002DEST_PATH_IMAGE008
代表第一激光束148的波长，而
Figure 2012101700774100002DEST_PATH_IMAGE010
代表第二激光束150的波长。此外，Q代表激光束148、150的散射效率。因为波长
Figure DEST_PATH_IMAGE011
和
Figure 2012101700774100002DEST_PATH_IMAGE013
的值是已知的并且计算过第二激光束150的百分比(%)功率损失PL，所以可计算第一激光束148的百分比(%)功率损失PSC。此外，这样确定的第一激光束148的百分比(%)功率损失PSC用于计算第一激光束148的吸收功率损失PAB。吸收功率损失PAB可随后用于第一激光束148的散射校正。另外，第一激光束148的吸收功率损失PAB用于准确地测量气体组分的成分和浓度。从而，第二激光束150的散射功率损失PL用于第一激光束148的散射校正，由此使腔室102中的气体组分的错误测量最小化。
图3是根据本技术的方面的入射在第二检测器136(见图1)上的第二激光束150(见图1)的位置信号的图形表示300。为了便于理解本技术，曲线图300对应于入射在图2的象限光电二极管200上的第一位置204处的第二激光束150(见图1)。特别地，在图3中，位置信号306和308的值标绘为电压302随时间304的变化。同样，线310代表图2的位置信号X1和Y1，其中在第二激光束150入射在象限光电二极管200(见图2)的中心或确定位置202(见图2)上时产生位置信号X1和Y1。
此外，如在图2中描绘的，位置信号306和308对应于第二激光束150的第一位置204(见图2)。特别地，位置信号308对应于位置信号X2。采用相似的方式，位置信号306对应于位置信号Y2。此外，在图2的示例中，因为第二激光束150的第一位置204只沿着X轴偏移，所以位置信号X2的值中存在变化并且由图3中的曲线308表示。然而，因为在图2的示例中，不存在第二激光束150沿着Y轴的偏离，所以位置信号Y2的值与位置信号Y1的值仍大致上相似，如由图3中的曲线306描绘的。从而，第二激光束150从确定位置202的任何偏离导致生成至少两个位置信号，其指示偏离连同在象限光电二极管200上的偏离方向。
另外，曲线312代表入射在图2的象限光电二极管200的第一位置204上的第二激光束150的总功率P2。因为第二检测器136只检测第二激光束150的一部分，所以第二激光束150的功率损失PL超出初始功率Pint的大约1%的确定阈值。从而，第二激光束150的总功率P2表示为变化的电压曲线312。可注意到，如果在第二激光束150的总功率P2中没有功率损失PL，则曲线312可表示为水平线来代替变化的电压曲线。
现在参照图4，描绘了根据本技术的方面的图示用于使光谱系统(例如图1的光谱系统100)自动对准的方法的流程图400。具体地，该方法需要监测光谱系统100的对准以检测光谱系统100的任何未对准并且需要自动校正检测的未对准来使光谱系统100对准回到基线位置。为了便于理解本技术，参照图1和图2的组件描述该方法。该方法在步骤402开始，其中第一激光束118和第二激光束120经由光谱系统100的第一窗口126被引导通过腔室102。特别地，具有束组合器122的起动装置单元104从相应的激光束源114、116接收第一激光束118和第二激光束120。此外，束组合器122使第一激光束118与第二激光束120组合，从而使第二激光束120与第一激光束118共线。在一个实施例中，束组合器122包括第一分色镜122，其允许第一激光束118穿过第一分色镜122或传送第一激光束118以穿过第一分色镜122，同时沿着第一激光束118的方向反射第二激光束120，以使第二激光束120与第一激光束118共线，如在图1中描绘的。之后，包括共线的第一激光束118和第二激光束120的组合束144经由第一窗口126被引导通过腔室102。
随后，在步骤404，接收器单元106接收退出腔室102的第二窗口128的共线的第一激光束和第二激光束146。在一个实施例中，第二窗口128相对腔室102的第一窗口126设置。
同样，在步骤406，共线的第一激光束和第二激光束146被分开使得第一激光束148入射在第一检测器134上并且第二激光束150入射在第二检测器136上。特别地，接收器单元106包括分束器132，其使第二激光束150与第一激光束148分开。在一个实施例中，分束器132包括第二分色镜132，其将第一激光束118传送通过第二分色镜132使得第一激光束148入射在第一检测器134上。同时，第二分色镜132还反射第二激光束150使得第二激光束150入射在第二检测器136(例如图2的象限光电二极管200)上。
此外，在步骤408，第二检测器136确定第二激光束150从图2的确定位置202的任何偏离。在一个实施例中，确定位置202可以是第二激光束150入射在第二检测器136的中心上的位置。第二激光束150的偏离可由于恶劣的环境条件引起，其使第二激光束150偏离确定位置202而入射在第二检测器136上的第一位置204上。第一位置204可以是与确定位置202不同的任何位置。在一个实施例中，第二检测器136包括象限光电二极管200，其基于第二激光束150在该象限光电二极管200上的第一位置204产生至少两个位置信号X、Y。位置信号X指示象限光电二极管200上的第一位置204的X坐标。采用类似的方式，位置信号Y指示象限光电二极管200上的第一位置204的Y坐标。这些位置信号X、Y用于确定第二激光束150从确定位置202的偏离。另外，象限光电二极管200生成指示第二激光束150的总强度的功率信号。该功率信号用于确定第二激光束150的偏离是由于第二激光束150的散射引起还是起动装置单元104的未对准引起。
位置信号X、Y和功率信号随后被传达到控制器单元108。控制器单元108可靠近腔室102安置或放置在远程位点处。控制器单元108基于接收的位置信号X、Y和功率信号产生误差信号140。该误差信号140也称作命令信号并且指示第二激光束150从确定位置202的偏离。该误差信号140然后被传达到机动段112来使起动装置单元104对准回到基线位置，如由步骤410描绘的。耦合到起动装置单元104的机动段112使起动装置单元104沿着对应于误差信号140的方向定向。起动装置单元104的该定向使起动装置单元104重新对准基线位置。参照图5更详细地解释起动装置单元104的对准。
图5是根据本技术的方面图示用于使光谱系统(例如图1的光谱系统100)的起动装置单元104对准的方法的流程图500。可注意到，参照图5的流程图500更详细地解释图4的步骤408和410。为了便于理解本技术，参照图1和图2的组件描述该方法。该方法在步骤502开始，其中第二检测器136(见图1)，例如象限光电二极管200(见图2)，生成位置信号X和Y来指示入射在第二检测器136上的第二激光束150的第一位置204。位置信号X指示第二激光束150沿着X轴的偏离，而位置信号Y指示第二激光束150沿着Y轴的偏离。位置信号X和Y然后被传达到控制器单元108。
在步骤504，控制器单元108证实位置信号X是否在确定阈值范围以下。该确定阈值范围可限定为这样的范围，第二激光束150沿着X轴偏离到该范围外部可归因于光谱系统100的未对准。特别地，在步骤504，如果证实位置信号X在确定的阈值范围以下，用于使起动装置单元104对准的机动段112失效，如由步骤506指示的。
另一方面，在步骤504，如果确定位置信号X在确定的阈值范围以上，机动段112基于位置信号X的值移动“N”步，如由步骤508指示的。特别地，机动段112平移“N”步以使起动装置单元104重新对准基线位置。在一个示例中，机动段112可包括步进马达，其基于位置信号X的值移动大约10步。在一个实施例中，机动段112包括至少两个致动器：X致动器和Y致动器。采用该X致动器来使起动装置单元104在X方向上移动“N”步。如期望的话，机动段可另外或备选地处于接收器单元106处以使接收器单元106定向，从而使光谱系统100对准回到基线位置。
继步骤506或508后，控制器单元108证实位置信号Y的值，如由步骤510指示的。具体地，在步骤510，控制器单元108证实位置信号Y是否在确定的阈值范围以下。该确定的阈值范围可限定为这样的范围，第二激光束150沿着Y轴偏离到该范围外部可归因于光谱系统100的未对准。特别地，在步骤510，如果证实位置信号Y在确定的阈值范围以下，用于使起动装置单元104对准的机动段112失效，如由步骤512指示的。
重新参考步骤510，如果确定位置信号Y在确定的阈值范围以上，机动段112基于位置信号Y的值在Y方向上移动“N”步，如由步骤514指示的。在一个示例中，步进马达可对应于位置信号Y的值移动大约10步。如先前注意到的，机动段112包括X致动器和Y致动器。采用Y致动器来使起动装置单元104基于位置信号Y的值在Y轴方向上移动大约“N”步。继步骤512或514后，可对于另一组位置信号重复步骤502至514。
重新参考图4，操作图4的步骤402-410后，起动装置单元104基于从接收器单元106并且特别是第二检测器136接收的位置信号X、Y通过机动段112对准基线位置。
不管TDLAS系统周围或腔室中的环境条件如何，上文描述的方法和系统有助于使TDLAS系统(尤其是起动装置单元)自动对准基线位置。同样，因为TDLAS系统自动对准，腔室中废气的错误测量明显地减少。另外，因为TDLAS系统实时实现并且TDLAS系统也实时自动对准，腔室中废气的测量/分析的任何延迟可大致上被最小化。
尽管本文仅图示和描述本发明的某些特征，但本领域技术人员将想到许多修改和改变。因此，要理解所附权利要求意在涵盖落入本发明真正精神内的所有这样的修改和改变。

Claims (21)

1.一种自动对准光谱系统，包括：
起动装置单元，其配置成引导第一激光束和第二激光束通过腔室，其中，所述第一激光束与所述第二激光束共线；
接收器单元，其配置成接收穿过所述腔室的所述第一激光束和所述第二激光束，其中，所述接收器单元包括：
       第一检测器，其配置成确定所述第一激光束的强度；
       第二检测器，其配置成确定所述第二激光束从确定位置的偏离；以及
机动段，其配置成基于所述第二激光束的所确定的偏离使所述起动装置单元对准基线位置。
2.如权利要求1所述的自动对准光谱系统，其中，所述起动装置单元邻近所述腔室的第一窗口设置，并且所述接收器单元邻近所述腔室的第二窗口设置，并且其中，所述第二窗口与所述第一窗口相对。
3.如权利要求1所述的自动对准光谱系统，其进一步包括控制器单元，所述控制器单元耦合到所述机动段和所述接收接收器单元并且配置成：
基于所述第二激光束的所述确定的偏离生成误差信号；以及
基于所述误差信号驱动所述机动段，以使所述起动装置单元对准所述基线位置。
4.如权利要求1所述的自动对准光谱系统，其中，所述第二检测器配置成确定所述第二激光束从所述确定位置的所述偏离的方向。
5.如权利要求4所述的自动对准光谱系统，其中，所述机动段配置成使所述起动装置单元基于所述第二激光束的所述偏离的所确定的方向来定向。
6.如权利要求1所述的自动对准光谱系统，其中，所述起动装置单元包括：
第一激光源，其配置成以第一波长产生所述第一激光束，其中，所述第一激光束对于所述腔室中的一个或多个组分是敏感的；
第二激光源，其配置成以第二波长产生所述第二激光束，其中，所述第二激光束对于所述腔室中的所述一个或多个组分不敏感；
束组合器，其配置成：
       接收所述第一激光束和所述第二激光束；
       组合所述第一激光束与所述第二激光束，以使得所述第一激光束与所述第二激光束共线；以及
第一透镜，其设置在所述束组合器下游并且配置成使所述第一激光束与所述第二激光束准直。
7.如权利要求6所述的自动对准光谱系统，其中，所述束组合器包括第一分色镜，其设置在第一确定角度处并且配置成：
将所述第一激光束传送通过所述第一分色镜；以及
沿着所述第一激光束的方向反射所述第二激光束。
8.如权利要求1所述的自动对准光谱系统，其中，所述接收器单元进一步包括：
第二透镜，其邻近所述腔室的第二窗口设置并且配置成使所述第一激光束与所述第二激光束会聚；以及
分束器，其邻近所述第二透镜设置并且配置成使所述第一激光束与所述第二激光束分开。
9.如权利要求8所述的自动对准光谱系统，其中，所述分束器包括第二分色镜，其设置在第二确定角度处并且配置成：
将所述第一激光束传送通过所述第二分色镜，以使得所述第一激光束入射在所述第一检测器上；以及
反射所述第二激光束，以使得所述第二激光束入射在所述第二检测器上。
10.如权利要求1所述的自动对准光谱系统，其中，所述第二检测器包括光敏检测器，其配置成：
生成指示入射在所述光敏检测器上的所述第二激光束的第一位置的至少两个信号，其中，所述第一位置与所述确定的位置不同；以及
生成指示与所述第二激光束关联的功率的至少一个信号。
11.如权利要求10所述的自动对准光谱系统，其中，所述控制器单元配置成：
基于与所述第二激光束关联的所述功率确定所述第二激光束的功率损失；以及
将所述第二激光束的所确定的功率损失与确定阈值比较。
12.如权利要求11所述的自动对准光谱系统，其中，所述控制器单元配置成在所比较的功率损失大于所述确定阈值时识别所述起动装置单元的未对准。
13.如权利要求11所述的自动对准光谱系统，其中，所述控制器单元配置成在所比较的功率损失小于所述确定阈值并且所述第二激光束不偏离所述确定位置时识别所述第二激光束的散射。
14.一种自动对准光谱系统的方法，所述方法包括：
引导至少第一激光束和第二激光束从起动装置单元通过腔室的第一窗口，其中，所述第一激光束与所述第二激光束共线；
在所述腔室的第二窗口处接收所共线的第一激光束和第二激光束；
使所述第二激光束与所述第一激光束分开，以使得所述第一激光束入射在第一检测器上并且所述第二激光束入射在第二检测器上；
确定入射在所述第二检测器上的所述第二激光束从确定位置的偏离；以及
基于所述第二激光束的所确定的偏离使所述起动装置单元对准基线位置。
15.如权利要求14所述的方法，其中，使所述起动装置单元对准所述基线位置包括：
基于所述第二激光束的所述确定的偏离由控制器单元生成误差信号；
基于所述误差信号驱动耦合到所述起动装置单元的机动段，以使所述起动装置单元对准所述基线位置。
16.如权利要求14所述的方法，其中，引导至少所述第一激光束和所述第二激光束包括：
以第一波长产生第一激光束，其中，所述第一激光束对于所述腔室中的一个或多个组分是敏感的；
以第二波长产生所述第二激光束，其中，所述第二激光束对于所述腔室中的所述一个或多个组分不敏感；
将所述第一激光束与所述第二激光束组合，以使得所述第二激光束与所述第一激光束共线；以及
在所述腔室下游使所述第一激光束与所述第二激光束准直。
17.如权利要求14所述的方法，其中，确定入射在所述第二检测器上的所述第二激光束从所述确定位置的所述偏离包括：
生成指示入射在所述第二检测器上的所述第二激光束的第一位置的至少两个信号，其中，所述第一位置与所述确定位置不同；以及
生成指示与所述第二激光束关联的功率的至少一个信号。
18.如权利要求17所述的方法，其进一步包括：
基于与所述第二激光束关联的所述功率确定所述第二激光束的功率损失；
在所述功率损失小于确定阈值时识别所述第二激光束的散射；以及
在识别所述第二激光束的所述散射时，基于所述第二激光束的所述功率损失确定所述第一激光束的吸收功率损失；以及
基于所述第一激光束的所确定的吸收功率损失测量所述腔室中的气体组分。
19.一种自动对准光谱系统，包括：
起动装置单元，其邻近腔室的第一窗口设置并且配置成引导第一激光束和第二激光束通过所述腔室，其中，所述起动装置单元包括：
       第一激光源，其配置成发射所述第一激光束；
       第二激光源，其配置成发射所述第二激光束；
       第一分色镜，其设置在第一确定角度处并且配置成：
              使所述第一激光束传送通过所述第一分色镜；
              沿着所述第一激光束的方向反射所述第二激光束，以使得所述第二激光束与所述第一激光束共线；
       第一透镜，其设置在所述第一分色镜下游以使所述第一激光束与所述第二激光束准直；
接收器单元，其邻近所述腔室的第二窗口设置并且配置成接收穿过所述腔室的所述第一激光束和所述第二激光束，其中，所述接收器单元包括：
       第二透镜，其邻近所述腔室的所述第二窗口设置并且配置成使所述第一激光束和所述第二激光束会聚；
       第二分色镜，其邻近所述第二透镜设置并且配置成使所述第一激光束与所述第二激光束分开；
       第一检测器，其设置在所述第二分色镜下游并且配置成确定与入射在所述第一检测器上的所述第一激光束关联的强度；
       第二检测器，其设置在所述第二分色镜下游并且配置成基于入射在所述第二检测器上的所述第二激光束确定所述第二激光束从确定位置的偏离；以及
机动段，其配置成基于所述第二激光束的所确定的偏离使所述光谱系统对准基线位置。
20.如权利要求19所述的自动对准光谱系统，其进一步包括控制器单元，所述控制器单元耦合到所述机动段和所述接收器单元并且配置成：
基于所述第二激光束的所述确定的偏离生成误差信号；以及
基于所述误差信号驱动所述机动段，以使所述起动装置单元对准所述基线位置。
21.如权利要求20所述的自动对准光谱系统，其中，所述机动段包括双轴致动器，用于使所述起动装置单元在一个或多个方向上以及至少一个角度处定向，从而使所述起动装置单元对准所述基线位置。
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