CN103091263B - 通过编码发送的远程吸收光谱法 - Google Patents
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Abstract
远程吸收光谱法使用经过考察的介质指向一个或者多个远程接收器的编码电磁发送。编码发送包括与感兴趣的吸收带一致的至少一个波长和线外带中的一个波长，并且控制在吸收带中和以外的光谱分量之间的预定关系。可以在接收器处评估光谱分量之间的关系以确定该关系与在发送器处的受控关系的偏离是否存在于接收器处。处理接收的光学信号与指定关系的偏离以指示吸收带中的辐射吸收。
Description
技术领域
本发明涉及远程吸收光谱法。
背景技术
用于分析诸如CO2、CH4、O2等气体的常规活性源吸收光谱法系统实施并置的发送器和接收器组件，并且这样需要短路径长度或者反射以向源位置返回发送的信号。经过长距离，从镜或者地面反射发送的信号以实现信号向搭配的接收器的返回。从这些系统中的悬浮成分或者粒子的散射返回引起来自反向散射辐射的附加误差。这一误差有效减少测量的吸收，因为反向散射返回仅完成经过被分析介质的部分路径。此外，如果所用反射体扩散，则产生系统中的大范围平方损耗从而阻止整个系统的长范围实施。
鉴于这些和其它技术的缺点，已经感觉需要一种用于测量介质或者大气中的组份，从而忽略部分路径散射返回并且在仅存在用于反射发送的辐射的扩散目标时减少发送功率损耗的技术。
发明内容
这里描述一种可应用于使用空间隔离和任意定位的发送器和接收器子系统的远程吸收光谱法的技术。可以生成多光谱电磁辐射以具有与介质的吸收带和线外带二者一致的光谱内容。可以比如通过代码集在发送之前修改辐射以限定在吸收带中的至少一个光谱分量与线外带中的至少一个光谱分量之间的关系。这一关系被控制成在时间上恒定并且在接收器处已知。接收器通过经过介质的视线传播接受发送的辐射并且分析所接收的辐射的光谱内容。所接收的辐射的光谱内容从发送器限定的关系的偏离可以可归因于介质对吸收带内的光谱分量的吸收。
本发明构思的上述和更多其它特征以及优点将在考虑本发明具体实施例的以下限定、描述和描述图时变得清楚。尽管这些描述讨论发明构思的某些实施例的具体细节，但是将理解变化可以并且确实存在而且在本领域技术人员阅读本公开内容之后将是显然的。
附图说明
图1A-1C图示了用于体现本发明总的发明构思的远程吸收光谱法的各种系统配置；
图2是体现本发明总的发明构思的示例远程吸收光谱仪(RAS)的高级示图；
图3A是体现本发明总的发明构思的示例光学RAS发送器的示意框图；
图3B是体现本发明总的发明构思的示例光学RAS接收器的示意框图；
图4是体现本发明总的发明构思的发送过程的流程图；以及
图5是体现本发明总的发明构思的示例分析过程的流程图。
具体实施方式
通过本发明构思的某些实施例来最好地描述本发明构思，这里参照附图详细地描述这些实施例，附图中相似标号全篇指代相似特征。将理解措词“发明”在这里使用时旨在于表明下文描述的实施例的基本发明构思而并非仅为实施例本身。还将理解总的发明构思不限于下文描述的示例实施例并且应当据此解读下文描述。
此外，这里可以包含数学表达，并且由此传达的那些原理将视为随之透彻地加以描述。将理解当使用数学时，这样是为了简洁描述解释的基本原理，并且除非另有表达，则未暗示或者不应推断其它目的。根据本公开内容整体将清楚这里的数学属于本发明，并且当旨在于数学表达的基本原理的实施例时，本领域普通技术人员将认识用于实现数学表达的原理的物理表现的诸多技术。
在图1A中，图示了可以体现本发明的示例远程吸收光谱仪(RAS)100。发送器110和接收器130相隔距离D，并且在发送器110与接收器130之间的体积由待分析的介质120占据。为此，发送器110经过介质120向接收器130发送多光谱电磁束125，该接收器接受和分析如利用介质120的性质所变换的电磁束125。选择束125的至少一个光谱带以对应于待测量的介质120的组份的吸收带。可以选择束125的其它光谱带以与其它吸收带一致，并且还可以使用其它光谱带作为参考信号。
发送器110可以限定和控制在束125的某些光谱成分之间的关系并且向接收器130提供这样的关系的知识。如这里所用，术语光谱成分指代电磁辐射的组成光谱元素，并且术语光谱内容指代辐射在其预定范围内的光谱构成。因此，光谱成分分布于辐射的光谱以包括其光谱内容。接收器130可以分析束125的接收的光谱分量并且根据发送的光谱的知识解析介质120的吸收性质。接收器130可以进行某些校正以补偿系统配置和这样的配置所引起的依赖于路径的变量。
RAS 100可以部署于基本上无边界的介质120如大气中，并且如图1A中所示，可以经过视线传播从发送器110向接收器130发送125。如这里所用，术语视线传播指代在从发送器110到接收器130的方向上电磁辐射的传播以便排除检测和处理比如通过图1A中所示散射122朝着发送器110传播的电磁辐射。在这一定义之下，只要从穿越发送的束排除这样的反射，视线传播就不排除使用反射器。
发送器110和接收器130可以任意地可定位，从而可以在部署基础上变化经过介质120的路径长度D。在发送器110与接收器130之间的距离D可能受系统配置如发送器功率和接收器灵敏度限制，但是如本领域普通技术人员在阅读本公开内容时将理解的那样，可以针对范围从数米到数百公里的距离实现本发明。
在图1B中，一个替代实施例允许发送器110经过介质122发送束127，其中这样的束有足够的宽度以在多个接收器132、134处经过视线传播被同时接收。电磁束127可以光谱上类似于参照图1A描述的电磁束、但是具有在发送器110处通过适当波束形成技术建立的更宽束宽。在图1C中所示又一实施方式中，发送器110可以比如由飞行器或者由卫星经过轨迹140运送，并且可以在发送器110沿着轨迹140移动时在分布式接收器136-138处通过经过介质124的视线传播接收代表性地图示为束128、128’和128”的电磁束。当比如在图1B和图1C的配置中使用多个接收器时，可以用如下方式聚合在每个接收器处执行的吸收分析，该方式提供扩展的空间区域的吸收概况。
在图2中所示示例实施例中，RAS 200包括用于发送表示为发送束240’的电磁束240的发送器210和用于接收表示为接收束240”的束240并且据此确定束240穿过的介质的吸收性质的接收器260。经过辐射生成器212实施示例发送器212，该辐射生成器可以包括诸如激光器、二极管、磁控管、真空管等辐射源和诸如聚焦光学器件、调制器、滤波器、电平监视器等辐射处理系统。发送器210还可以包括波束形成系统220，经过该波束形成系统形成并且向研究的介质递送发送束240’。波束形成系统220可以包括适合于RAS 200的操作电磁带的波束形成部件，这些部件包括但不限于折射元件(比如透镜)、反射元件(比如镜)、辐射器(比如天线)、频率选择元件(比如滤波器)和可以用来以所需束图案发送束240的其它元件。
示例发送器210包括控制器218，经过该控制器建立和控制发送束240’的光谱内容。束240例如包括这里称为分量242的光谱分量CA(λABS)和这里称为分量244的光谱分量CB(λREF)，其中CA(·)和CB(·)分别是对具有波长λABS和λREF的电磁辐射的调制编码函数。将理解符号CX(λX)携带有包含辐射源(如激光器)生成的光谱分量λX和通过对λX应用编码函数CX(·)(比如通过调制)而生成的光谱分量的电磁光谱的暗示。
作为参考，可以选择波长λABS以与研究的介质的化学组份的吸收带一致，并且可以选择λREF以落在线外带中。如这里所用，线外带是束240的电磁光谱中的排除λABS的带。在某些实施例中，选择λREF以落在其中吸收比在λABS处更少的光谱区域。
编码函数CA(·)和CB(·)可以被选择成在接收器260处区分光谱分量242、244并且可以被选择成比如在幅度、相位等上呈现时间可变的状态，从而可以按照指定标准控制束240的光谱性质。例如CA(·)和CB(·)可以是可以标识相应分量242、244的不同调制频率的独立幅度调制函数。可以独立变化调制函数的幅度以控制每个发送分量242、244中的光谱能量(这里分别表示为P(λABS)和P(λREF))。例如可以控制调制幅度使得根据例如可以是比例性的指定关系相对维持P(λABS)和(λREF)。在接收器260处，在P(λABS)与(λREF)之间的关系在发送器210处恒定的假设之下，该关系在接收器260处的变化可以置信地归因于介质的吸收。本领域普通技术人员可以认识到可以在不脱离本发明精神实质和预计范围前提下与本发明结合地使用其它编码方案。本发明的范围旨在于涵盖这样的替代方案。
对λABS和λREF应用CA(·)和CB(·)可以使束240的光谱内容的能量再分布。这样的再分布可以在很大光谱范围内。例如为了测量CO2的吸收，λABS可以是1.5711194微米，并且λREF可以是1.57116194微米。CA(·)可以是在比如50kHz的正弦幅度调制，并且CB(·)可以是在比如53kHz的正弦幅度调制。当向λABS应用CA(·)时，原先在1.5711194微米的一些能量再分布至6.0km。类似地，向λREF应用CB(·)将原先在1.57116194微米的一些能量再分布至5.7km。接收器260可以被配置成拒绝在比如微米范围以外的辐射并且这样将确信不检测公里范围中的能量水平的改变。然而包含1.5711194-1.57116194微米的带中的能量水平的改变可以是在接收器260处可检测的，这样50KHz和53kHz调制可以用来控制在那些波长中包含的能量的可检测水平。本发明的实施例可以利用这一控制以在发送器210处维持λABS与λREF之间的关系并且在接收器260处检测该关系的改变。
如图2中所示，控制器218可以生成电信号213以限定和维持在发送束240’中的分量242、244之间的关系。此外，生成器212可以向控制器218提供一个或者多个指示发送束240’的光谱内容电信号215。根据在信号215中提供的这种指示，控制器218可以确定在分量242、244之间的指定关系是否被恰当维持并且可以相应地对电信号213做出适当调整。
示例接收器260包括收集器250，经过该收集器接收束240”被接受并且提供至检测器262。收集器250可以包括聚焦元件，响应于可以生成哪一个或者多个电信号263，束240”经过这些聚焦元件聚焦至检测器262的有源区域上。电信号263可以代表接收束240”的光谱内容、即如束240已经行进穿过的介质所变换的束240的光谱内容。可以向分析器264提供电信号263，该分析器可以对接收束240”执行适当光谱分析以确定是否在发送束240’的光谱分量242、244之间的关系中携带其光谱内容的偏离。如果是这样，则如上文讨论的那样，可以报告偏离为由于介质吸收那些光谱分量中的一个或者多个光谱分量。
发送器210和接收器250可以沿着视线路径定位，从而束240可以单向穿过检查的介质。也就是说，发送器210和接收器260可以定位于空间中使得在除了来自发送器210的前向方向之外的方向上来自束240的散射辐射与检测器隔离。因此RAS 200的吸收测量免于如利用常规大气吸收光谱仪的情况那样的受反向散射引起的噪声污染。
图3A图示了光学RAS 300的示例发送器303，并且图3B图示了光学RAS 300的示例接收器307。先参照图3A，示例发送器303包括两个光学信道：吸收波长信道302和参考波形信道304。光学信道302、304包含相应的光学辐射源310、320、光学调制器312、322、分束器314、424和准直器316、326。吸收信道302的输出是光谱分量集382，并且参考信道304的输出是光谱分量集384，可以在束380中经过共同孔径370发送二者。本领域普通技术人员将认识和理解孔径370可以不是物理光阑，并且将理解孔径370的显式图示是出于描述和而非限制的目的来限定发送器303的光学边界。
辐射源310、320可以由在波长λABS和λREF发射这里分别称为激光311和激光321的相干光的相应激光器实施。激光311、312可以根据所选代码由光学调制器312、322调制。光学调制器312、322可以是适于对激光311、312应用相应代码的在调制频率独立操作的光电器件。可以如下文将描述的那样通过使用分束器314、324对调制的激光313、323采样并且提供给准直器316、326。准直器316、326可以由适当的束扩展器实施，调制光313、323经过这些束扩展器从孔径370显现为束380。将理解尽管在某些实施例中分量382、383可以在单独束中从发送器303显现，但是出于描述而非限制的目的，这里将引用这样的分离束如同在单个束380中包含这样的束一样。还将理解尽管在图3A中图示了单独准直器316、326，但是如光学领域技术人员将认识的那样可以经过单个共同准直器扩展调制光313、323。
示例发送器303包括控制信道306，通过该控制信道建立和控制光学信道302、304的光谱内容。可以通过适当硬件、固件和/或执行软件的可编程处理硬件实施并且可以通过模拟和/或数字硬件构建控制信道306。本领域普通技术人员将在阅读本公开内容时容易认识到可以用来实现控制信道306的许多控制方案。本发明的范围旨在于涵盖控制信道306的所有这样的实施例。
示例控制信道306包括编码器340，该编码器用于根据向编码器提供的电信号332生成调制代码。RAS 300不限于特定调制代码；并且可以在应用基础上例如考虑RAS 300的系统部件的调制和检测能力选择代码。编码器340可以生成电信号342、344，通过这些电信号独立操作调制器312、322以对每个光学信道302、304应用调制代码。编码器340可以生成例如在频率上固定的幅度调制代码。控制信号332可以向编码器340指示向信道302、304应用的相应代码的幅度水平，从而维持在光谱分量382、384之间的关系。在某些实施例中，该关系是在分量382中的发送光学能量与分量384的发送光学能量之间的预定比值。当这样实现时，示例编码器340修改每个光学信道302、304中的一个或者两个代码的幅度以便维持发送能量比值。可以向调制器312、322提供电信号342、344，由此在每个信道302、304中产生调制的激光313、323。
可以出于监视和控制在光谱分量382、384之间的关系而比如经过分束器314、324和光学检测器350对调制光313、323采样。光学检测器350可以是单片光学器件，该光学器件具有在尺度上足以接收采样束315、325的单个有源区域。在某些实施例中，可以向在采样束315、325与检测器350的有源区域之间的路径中插入聚焦光学器件(未图示)。光学检测器350应当具有充分动态范围以便在每个光学信道302、304中的调制变化时对涵盖λABS和λREF的光谱范围的改变作出响应。
检测器350可以生成可以向鉴别器360提供的电信号352，该电信号代表束380中的变化光谱条件。鉴别器又可以生成可以向控制器330提供的电信号334、336，这些电信号指示每个信道302、304中的变化光谱条件。示例鉴别器362包括各自根据对应光学信道302、304的调制代码来配置的相关器362、364。可以通过调谐至对应光学信道302、304中的调制代码的匹配滤波器实施这样的相关器362、364。当这样实现时，每个相关器362、364的输出是时变电信号334、336，该电信号指示与分别在波长λABS和λREF发送的能量成比例的在分量382、384中发送的光谱能量。
示例控制器330提供有信号334、336，由此监视和控制在每个信道302、304中的发送能量之间的关系。例如，如果指定关系是P(λABS)＝r0·P(λREF)，其中P(X)是在检测器350针对信道X测量的并且由鉴别器360提取的功率，则控制器330可以评估来自信号334、336的P(λABS)/P(λREF)以确定评估的比值与指定比值r0的偏离Δr、例如Δr＝(r-r0)，其中r是根据信号334、336计算的比值。可以在控制信号332中反映非零偏离Δr，编码器340可以响应于此对信号342、344作出适当调整以增加和/或减少调制光束313、323中的一个或者两个中的P(λABS)和/或P(λREF)。
图3B图示了用于RAS 300的示例接收器307。接收器307可以包括接收光学器件(比如望远镜370)，通过该光学器件，如发送器303发送的并且研究的介质所变换的束380被接受并且被聚焦到检测器373上。检测器373的构造可以类似于解码器350的构造(如果不相同的话)，但是本发明不限于此。检测器373可以生成电信号374，该电信号指示接收束380中的变化光谱条件。可以向鉴别器375，即经过相关器377、379提供检测器信号374，其中鉴别器375的构造可以类似于鉴别器360的构造(如果不相同的话)，但是本发明不限于此。鉴别器375的输出与每个光谱分量λABS和λREF的光谱能量成比例并且可以提供给相应积分器388、389以增加信号391、392中的信噪比。积分器388、389的积分可以通过根据比如发送器303与接收器307之间的距离D以及介质的组成这样的因素通过在数秒到数十小时之间的时间段的适当求和技术进行。可以向接收比值处理器390提供信号391、392，由此以与控制器330执行的评估类似的方式(如果不相同的话)评估关系reval＝P(λABS)/P(λREF)，但是本发明不限于此。接收比值处理器390可以生成可以向吸收处理器395提供的电信号394，该电信号指示评估的比值reval。
示例吸收处理器395根据reval/r0的评估来确定介质在λABS的吸收。如讨论的那样，RAS 300被实现为精确支配束380的光谱内容，从而λABS落在感兴趣的吸收带中、λREF在感兴趣的吸收带以外并且将发送比值P(λABS)/P(λREF)维持于r0。因而介质在λABS无任何吸收时，reval/r0基本上为1。reval/r0的评估从1的偏离可以合理置信程度地归因于介质在λABS的吸收。吸收处理器395可以对reval/r0应用校正措施以考虑发送路径的长度、经过介质的束380的方向、束发散、接收器数目和由此接受发送辐射的方式(诸如同时接收、时间依序等)以及其它因素。可以在信号396中向报告器397传达补偿的reval/r0的指示，该报告器可以用人类用户可感知的方式格式化由吸收处理器395进行的分析的结果。
将理解图3A-图3B中所示部件的功能分离仅是出于描述而非限制的目的。许多替代系统配置可以实施RAS 300而未脱离其精神实质和预计范围。
图4图示了示例发送过程400，RAS可以通过该发送过程发送辐射用于由接收器进行分析。在操作405中，根据向每个信道分配的代码调制相应信道(比如RAS 300的信道302、304所示的信道)中的辐射。在操作410中比如通过提供给共同检测器350来组合调制的辐射，并且在操作415中，比如由鉴别器360将组合辐射区分成单独分量，例如吸收带中的光谱分量和线外带中的光谱分量。在操作420和425中，评估区分的光谱分量以确定在代码限定的分量之间的关系是否在预定范围内。如果不是，则在操作430中比如通过增加或者减少调制幅度来调整调制以维持关系。如果该关系在操作425中确定的容限内，则在操作435中在束中发送分量。
图5图示了可与发送过程400一起使用的示例分析过程500。在操作505，比如由检测器420从发送束获得电信号。在操作510中，比如以与过程400中的操作415的方式相似的方式区分光谱分量，并且比如由积分器430在操作515中在所选时间间隔内对信号积分。在操作520中，评估积分的光谱分量以确定偏离是否存在于由代码限定的光谱分量之间的关系中和在接收的光谱分量之间的关系中。在操作525针对依赖于系统和发送路径的变化而补偿这样的偏离，并且在操作530中报告校正的偏离为介质的吸收。
上文描述旨在于举例说明本发明构思的可能实施方式而非限制。许多变化、修改和替代将在本领域技术人员阅读本公开内容时变得明显。例如与示出和描述的部件等效的部件可以替换前者，可以组合单独描述的元件和方法，并且描述为分立的元件可以分布于许多部件。因此不应参照上文描述、而是参照所附权利要求及其完全等效范围确定本发明的范围。
Claims (20)
1.一种用于检测介质中的吸收的装置，包括：
生成器，被配置用于生成多光谱电磁辐射，所述多光谱电磁辐射包括具有与已知物质的吸收带一致的波长的至少一个光谱分量和具有与线外带一致的波长的至少一个光谱分量，所述线外带离开所述吸收带的波长；
发送器，被配置用于：
利用相应的调制码来调制所生成的光谱分量，所述调制码定义了经调制的所述光谱分量中的具有所述吸收带波长的光谱内容和经调制的所述光谱分量中的具有所述线外带的波长的光谱内容之间的预定关系；
响应于确定经调制的所述光谱分量中的具有所述吸收带波长的光谱内容和经调制的所述光谱分量中的具有所述线外带的波长的光谱内容之间的关系不同于所述预定关系，修改所述调制码；并且
经过所述介质发送经调制的辐射；以及
至少一个接收器，其在空间上与所述发送器隔离并且相对于所述发送器任意可定位，所述接收器被配置为：
通过经过所述介质的视线传播来接受所发送的辐射；
测量所接收的辐射中的所述吸收带的光谱内容和所述线外带的光谱内容之间的关系；以及
根据所测量的所述吸收带的光谱内容和所述线外带光谱内容的关系和所述预定关系的偏离，确定与所述吸收带一致的波长处的吸收。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述发送器包括：
辐射信道，用于所述吸收带中的每个光谱分量和用于所述线外带中的每个光谱分量，每个辐射信道调制对应的光谱分量，从而维持其之间的关系。
3.根据权利要求2所述的装置，其中所述发送器包括：
每个辐射信道中的调制器，被配置用于根据向其提供的相应控制信号通过所述相应的调制代码调制所述对应的光谱分量；
检测器，被配置用于根据其上入射的所调制的辐射生成电信号，所述辐射来自所述吸收带中的至少一个光谱分量的所述辐射信道和所述线外带中的至少一个光谱分量的所述辐射信道；以及
控制器，被配置用于响应于所述检测器信号生成所述控制信号以便维持所述吸收带的光谱内容与所述线外带的光谱内容之间的所述关系。
4.根据权利要求3所述的装置，其中所述控制器包括用于生成用于相应辐射信道的调制代码并且在所述控制信号中提供所述代码的指示的编码器，所述编码器修改所述代码的参数以便以所述预定关系维持所述吸收带的光谱内容与所述线外带的光谱内容之间的所述关系。
5.根据权利要求4所述的装置，其中所述代码在所述接收器处识别所述发送器的相应辐射信道。
6.根据权利要求4所述的装置，其中所述代码是幅度调制代码，并且其所述参数是信号幅度。
7.根据权利要求4所述的装置，其中所述控制器包括鉴别器，所述鉴别器用于响应于来自所述检测器的所述信号生成鉴别器信号，从而所述鉴别器信号代表具有所述吸收带的波长的经调制的光谱分量中的和具有所述线外带的波长的经调制的光谱分量中的发送能量。
8.根据权利要求7所述的装置，其中所述鉴别器包括用于每个辐射信道的相关器，所述相关器响应于所述检测器信号被调谐至向对应辐射信道分配的所述代码以提供所述鉴别器信号中的对应鉴别器信号。
9.根据权利要求3所述的装置，其中所述接收器包括：
检测器，被配置用于根据其上入射的所接收的辐射来生成接收器信号；以及
分析器，被配置用于根据所述接收器信号测量所述吸收带的光谱内容和所述线外带的内容之间的关系，并且根据所测量的所述吸收带的光谱内容和所述线外带的光谱内容之间的关系与所述预定关系的偏离而计算与所述吸收带一致的波长处的吸收。
10.根据权利要求9所述的装置，其中所述分析器包括鉴别器，所述鉴别器用于响应于来自所述检测器的所述接收器信号生成鉴别器信号，每个所述鉴别器信号代表包括所述吸收带的光谱分量和所述线外带的光谱分量的所接收的辐射中的对应光谱分量的能量。
11.根据权利要求10所述的装置，其中所述鉴别器包括用于每个待分析的光谱分量的相关器，所述相关器响应于所述接收器信号被调谐至分配给对应光谱分量的所述代码以提供所述鉴别器信号中的对应鉴别器信号。
12.根据权利要求1所述的装置，其中所述发送器和接收器独立可定位于无边界的介质中。
13.根据权利要求12所述的装置，其中所述至少一个接收器包括与所述至少一个接收器相同的多个接收器。
14.根据权利要求13所述的装置，其中所述发送器包括波束形成器，所述发送的辐射由所述波束形成器分布以由所述接收器同时接受。
15.根据权利要求13所述的装置，其中所述发送器包括可移动平台，所述发送器通过所述可移动平台穿越轨迹，从其发送的穿过所述轨迹的所述辐射按照由所述轨迹限定的顺序由所述接收器接受。
16.一种用于检测介质中的吸收的方法，包括：
由发送器生成多光谱电磁辐射，所述多光谱电磁辐射包括具有与已知物质的吸收带一致的波长的至少一个光谱分量和具有与线外带一致的波长的至少一个光谱分量，所述线外带离开所述吸收带的波长；
利用相应的调制码来调制所生成的光谱分量，所述调制码定义了经调制的所述光谱分量中的具有所述吸收带的波长的光谱内容和经调制的所述光谱分量中的具有所述线外带的波长的光谱内容之间的预定关系；
响应于确定经调制的所述光谱分量中的具有所述吸收带波长的光谱内容和经调制的所述光谱分量中的具有所述线外带的波长的光谱内容之间的关系不同于所述预定关系，修改所述调制码；
经过所述介质发送经调制的辐射；
在接收器处通过经过所述介质的视线传播接受所发送的辐射；
测量所述吸收带的光谱内容和所述线外带的光谱内容；以及
根据所测量的所述吸收带的光谱内容和所测量的所述线外带的光谱内容之间的关系与所述预定关系的偏离，确定与所述吸收带一致的波长处的吸收。
17.根据权利要求16所述的方法，其中调制所述光谱分量包括：
用相应调制代码对具有所述吸收带的波长的所述光谱分量和具有所述线外带的波长的所述光谱分量进行编码；以及
修改所述代码的参数以便维持经调制的所述光谱分量中具有所述吸收带的波长的光谱内容与经调制的所述光谱分量中具有所述线外带的波长的光谱内容之间的所述预定关系。
18.根据权利要求17所述的方法，其中：
测量所述吸收带的光谱内容和所述线外带的光谱内容包括将所接收的辐射的表示与所述代码相关以产生所接收的光谱分量中具有所述吸收带的波长的表示和所述光谱分量中具有所述线外带的波长的表示；以及
确定所述吸收包括确定所述预定关系和由所述相关所产生的光谱分量的表示之间的关系的差异，并且将所述差异建立为所述偏离。
19.根据权利要求18所述的方法，还包括：
将具有所述吸收带的波长的经调制的所述光谱分量的能量与具有所述线外带的波长的经调制的所述光谱分量的能量之间的预定比例建立为所述预定关系。
20.根据权利要求19所述的方法，其中确定所述吸收包括：
将具有所述吸收带的波长的所接收的所述光谱分量的能量和具有所述线外带的波长的所接收的所述光谱分量的能量的所述比例与所述预定比例之间的差异归因于所述已知物质在所述介质中的吸收。
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|---|---|---|---|---|
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| CN113767274A (zh) * | 2019-08-23 | 2021-12-07 | 西门子股份公司 | 气体分析仪 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3819277A (en) * | 1970-09-23 | 1974-06-25 | Commissariat Energie Atomique | Photometric analyzer having two wavelengths for the determination of elements in a solution |
| EP0063431A1 (en) * | 1981-04-10 | 1982-10-27 | Masaaki Konomi | Spectroscopic analyzer system |
| CN1554022A (zh) * | 2001-09-11 | 2004-12-08 | ����ϵͳ��Ʒ�عɹ�˾ | 废气不透明度的测量装置 |
| CN1844893A (zh) * | 2006-03-24 | 2006-10-11 | 山西大学 | 矿井内单光束多波长混合气体浓度检测技术及装置 |
| CN101140220A (zh) * | 2007-10-18 | 2008-03-12 | 北京交通大学 | 一种基于光纤缓存器的多点光纤瓦斯传感系统 |
Family Cites Families (17)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4425503A (en) | 1980-08-05 | 1984-01-10 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army | Method for detecting the presence of a gas in an atmosphere |
| EP0059593B1 (en) * | 1981-03-02 | 1988-01-13 | Imperial Chemical Industries Plc | Method of and apparatus for monitoring gaseous pollutants |
| US4594511A (en) | 1985-03-29 | 1986-06-10 | Sri International | Method and apparatus for double modulation spectroscopy |
| US4998017A (en) * | 1989-05-01 | 1991-03-05 | Ryan Fredrick M | Method and arrangement for measuring the optical absorptions of gaseous mixtures |
| US6949734B2 (en) | 2003-04-22 | 2005-09-27 | Itt Manufacturing Enterprises, Inc. | Active remote sensing using a spectral lock-in technique |
| US7009170B2 (en) | 2003-06-26 | 2006-03-07 | Itt Manufacturing Enterprises, Inc. | Active remote sensing using a simultaneous spectral sampling technique |
| US7102751B2 (en) | 2003-11-11 | 2006-09-05 | Battelle Memorial Institute | Laser-based spectroscopic detection techniques |
| DE102005062910A1 (de) * | 2005-12-29 | 2007-07-05 | Basf Ag | Verfahren zur Bestimmung der Identität oder Nicht-Identität und Konzentration einer chemischen Verbindung in einem Medium |
| JP4657956B2 (ja) | 2006-03-14 | 2011-03-23 | 三菱電機株式会社 | 差分吸収ライダ装置 |
| US7586094B2 (en) * | 2007-01-30 | 2009-09-08 | Spectrasensors, Inc. | Background compensation by multiple-peak measurements for absorption spectroscopy-based gas sensing |
| EP2096421A1 (en) | 2008-02-29 | 2009-09-02 | Siemens Aktiengesellschaft | Apparatus and method for spectroscopic measurement of a medium and simultaneous data transmission |
| RU2507503C2 (ru) * | 2008-06-17 | 2014-02-20 | Конинклейке Филипс Электроникс Н.В. | Способ и устройство для проведения оптических исследований содержимого мутных сред |
| WO2010003805A1 (en) * | 2008-07-10 | 2010-01-14 | Rottapharm, S.L. | Novel therapeutic use of a pharmaceutical composition for the reduction of the number of aberrant crypt foci and for the prevention of colon cancer |
| SE533411C2 (sv) * | 2008-08-28 | 2010-09-21 | Senseair Ab | Ett för en spektralanalys av en komprimerad gas, såsom en gas vid små gaskoncentrationer vid atmosfärstryck, anpassat arrangemang |
| GB0817991D0 (en) | 2008-10-02 | 2008-11-05 | Enigma Diagnostics Ltd | Fluorescence based detection methods and apparatus |
| UA93569C2 (uk) * | 2009-03-24 | 2011-02-25 | Інститут Фізики Нан України | Спосіб визначення in situ bitamih-d-синтезувальної дози природного та штучного ультрафіолетового опромінення та персональний біодозиметр для його здійснення |
| US20110150035A1 (en) * | 2009-12-17 | 2011-06-23 | Hanson Ronald K | Non-intrusive method for sensing gas temperature and species concentration in gaseous environments |
-
2011
- 2011-10-31 US US13/285,292 patent/US9030663B2/en active Active
-
2012
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Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3819277A (en) * | 1970-09-23 | 1974-06-25 | Commissariat Energie Atomique | Photometric analyzer having two wavelengths for the determination of elements in a solution |
| EP0063431A1 (en) * | 1981-04-10 | 1982-10-27 | Masaaki Konomi | Spectroscopic analyzer system |
| CN1554022A (zh) * | 2001-09-11 | 2004-12-08 | ����ϵͳ��Ʒ�عɹ�˾ | 废气不透明度的测量装置 |
| CN1844893A (zh) * | 2006-03-24 | 2006-10-11 | 山西大学 | 矿井内单光束多波长混合气体浓度检测技术及装置 |
| CN101140220A (zh) * | 2007-10-18 | 2008-03-12 | 北京交通大学 | 一种基于光纤缓存器的多点光纤瓦斯传感系统 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20171212 |