CN103528992B - 畜舍内甲烷分布的测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种畜舍内甲烷分布的测量系统及测量方法,涉及畜牧养殖及管理领域。该系统包括有:可调谐激光器，用于发出调谐激光；可调反射镜，其在水平方向和垂直方向能够转动，用于对所述调谐激光进行反射；至少一锥形直角反射器,用于将所述经反射后的调谐激光进行反射,使其以平行于入射光的方向反射回所述可调反射镜中；激光收集模块，用于接收经所述可调反射镜反射回的激光光谱信号，并对所述激光光谱信号进行处理，得到甲烷光路的积分浓度；本发明可以获得甲烷在畜舍空间内的总体分布。

Description

畜舍内甲烷分布的测量系统及测量方法

技术领域

本发明涉及畜牧养殖及管理领域，特别涉及一种畜舍内甲烷分布的测量系统及测量方法。

背景技术

畜舍的甲烷排放是大气中甲烷的重要来源之一，也是温室效应的重要贡献来源。因此，对畜舍中的甲烷进行实时测定，对后续降排措施的采用、新型养殖方式的开发具有重要意义。

传统方法中,畜舍中的甲烷通过以下方式进行测量:（1）气体收集法，即将畜舍中的气体采集到气体收集袋，再带回实验室进行化学分析；（2）点式传感器方法，即用半导体、电化学、光学的方式接触式测量某一位置的甲烷浓度。

通过以上分析可以看出,传统的测量方法存在以下不足：1）气体收集法费时费力，且难以获得甲烷在空间中的分布状态，也不能得到甲烷浓度的实时变化趋势；2)点式传感器的方法仅仅可以获得某一位置、或某一路径内的甲烷浓度，但是，畜舍中的甲烷并不是均匀分布的，因此，这样的测量不能呈现甲烷的总体分布，不具有代表性。

发明内容

（一）解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供一种畜舍内甲烷分布的测量系统及测量方法，以获得甲烷在畜舍空间内的总体分布。

（二）技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

本发明提供一种畜舍内甲烷分布的测量系统，包括有:

可调谐激光器，用于发出调谐激光;

可调反射镜，其在水平方向和垂直方向能够转动，用于对所述调谐激光进行反射；

至少一锥形直角反射器，用于将所述经反射后的调谐激光进行反射，使其以平行于入射光的方向反射回所述可调反射镜中；

激光收集模块，用于接收经所述可调反射镜反射回的激光光谱信号，并对所述激光光谱信号进行处理，得到甲烷光路的积分浓度；

其中，所述可调谐激光器、可调反射镜及激光收集模块位于待测甲烷的一侧，至少一锥形直角反射器位于所述待测甲烷的另一侧。

优选的，所述系统进一步包括：

图像生成模块，用于根据所述甲烷光路的积分浓度，生成畜舍空气中的甲烷分布图。

其中，所述可调谐激光器能交替发出中心波长为1653nm和1331nm的调谐激光。

优选的，所述直角反射器由两个相互垂直的反射镜组成。

优选的，所述激光收集模块包括：

光电探测器，用于接收经所述可调反射镜反射回的激光光谱信号，并将其转化成电流信号后传递给谐波检测模块;

所述谐波检测模块，用于对所述电流信号中的二次谐波进行放大后输出；

浓度反演模块，用于将所述放大后的二次谐波进行浓度反演，得到甲烷光路的积分浓度。

其中，所述图像生成模块利用空间分布重构算法生成畜舍空气中的甲烷分布图。

其中，所述系统进一步包括：

温控模块，其位于所述可调谐激光器的基底，用于对所述可调谐激光器进行温度控制。

本发明还提供一种畜舍内甲烷分布的测量方法,包括以下步骤：

S1、将可调谐激光器发出的调谐激光，经可调反射镜反射后向所述至少一直角反射器进行发射；

S2、所述至少一锥形直角反射器将所述经反射后的调谐激光进行反射，使其以平行于入射光的方向反射回所述可调反射镜中；

S3、接收经所述可调反射镜反射回的激光光谱信号，并对所述激光光谱信号进行处理，得到甲烷光路的积分浓度。

优选的，所述方法进一步包括：

S4、根据所述甲烷光路的积分浓度，生成畜舍空气中的甲烷分布图。

优选的，所述步骤S3进一步包括：

S31、接收经所述可调反射镜反射回的激光光谱信号，并将其转化成电流信号；

S32、对所述电流信号中的二次谐波进行放大后输出；

S33、将所述放大后的二次谐波进行浓度反演，得到甲烷光路的积分浓度。

（三）有益效果

本发明提供的一种畜舍内甲烷分布的测量系统及测量方法，通过让调谐后的激光经可调反射镜发射，而所述可调反射镜可以在水平方向和垂直方向上转动，使得所述调谐激光的方向也可以改变，从而实现对不同空间位置的扫描，获得畜舍空间内各个光程甲烷的总体分布。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例的系统结构示意图；

图2为本发明一实施例的流程图；

其中，1-可调谐激光器，2-调制信号发生器，3-偏置信号发生器，4-温控模块，5-调谐激光经激光光纤，6-扩束器，7-光电探测器，8-流压转换电路，9-放大电路，10-滤波电路，11-谐波检测模块，12-电机控制板，13-水平步进电机，14-垂直步进电机，15-载镜平台，16-可调反射镜，17-输出端，18-直角反射器。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

本发明提供一种畜舍内甲烷分布的测量系统,包括有:

可调谐激光器，用于发出调谐激光;

可调反射镜，其在水平方向和垂直方向能够转动，用于对所述调谐激光进行反射；

至少一锥形直角反射器，用于将所述经反射后的调谐激光进行反射，使其以平行于入射光的方向反射回所述可调反射镜中；

激光收集模块，用于接收经所述可调反射镜反射回的激光光谱信号，并对所述激光光谱信号进行处理，得到甲烷光路的积分浓度；

其中，所述可调谐激光器、可调反射镜及激光收集模块位于待测甲烷的一侧，至少一锥形直角反射器位于所述待测甲烷的另一侧。

优选的，所述系统进一步包括：

图像生成模块，用于根据所述甲烷光路的积分浓度，生成畜舍空气中的甲烷分布图；其中，所述图像生成模块利用空间分布重构算法生成畜舍空气中的甲烷分布图。

优选的，所述直角反射器由两个相互垂直的反射镜组成，所述多个直角反射器组成的直角反射器阵列布设在待测甲烷的一端。

其中，所述可调谐激光器能交替发出中心波长为1653nm和1331nm的调谐激光。

优选的，所述激光收集模块包括：

光电探测器，用于接收经所述可调反射镜反射回的激光光谱信号，并将其转化成电流信号后传递给谐波检测模块;

所述谐波检测模块，用于对所述电流信号中的二次谐波进行放大后输出；

浓度反演模块，用于将所述放大后的二次谐波进行浓度反演，得到甲烷光路的积分浓度。

其中，所述系统进一步包括：

温控模块，其位于所述可调谐激光器的基底，用于对所述可调谐激光器进行温度控制，使得所述可调谐激光器在工作状态时保持恒温。

如图2所示，本发明还提供一种畜舍内甲烷分布的测量方法，包括以下步骤：

S1、将可调谐激光器发出的调谐激光，经可调反射镜反射后向所述至少一直角反射器进行发射；

S2、所述至少一锥形直角反射器将所述经反射后的调谐激光进行反射，使其以平行于入射光的方向反射回所述可调反射镜中；

S3、接收经所述可调反射镜反射回的激光光谱信号，并对所述激光光谱信号进行处理，得到甲烷光路的积分浓度。

优选的，所述方法进一步包括：

S4、根据所述甲烷光路的积分浓度，生成畜舍空气中的甲烷分布图。

优选的，所述步骤S3进一步包括：

S31、接收经所述可调反射镜反射回的激光光谱信号，并将其转化成电流信号；

S32、对所述电流信号中的二次谐波进行放大后输出；

S33、将所述放大后的二次谐波进行浓度反演，得到甲烷光路的积分浓度。

本实施例提供的一种畜舍内甲烷分布的测量系统及测量方法，通过让调谐后的激光经可调反射镜发射，而所述可调反射镜可以在水平方向和垂直方向上转动，使得所述调谐激光的方向也可以改变，从而实现对不同空间位置的扫描，获得畜舍空间内各个光程甲烷的总体分布。

实施例2：

如图1所示，本实施例对实施例1的系统和方法做进一步介绍：

可调谐激光器1交替发出中心波长为1653nm和1331nm的调谐激光，该波长为甲烷在近红外的主要吸收峰，功率在5-10mV；调制信号发生器2采用正弦波作为调制信号；偏置信号发生器3采用锯齿波的电流型号实现对所述调谐激光的波长扫描，通过出射透镜将所述调谐激光出射的光束口径控制为直径为4cm的圆形；温控模块4，其位于所述可调谐激光器1的基底，通过接收所述可调谐激光器1中半导体致冷器Pallter和热敏电阻的输入信号形成温度反馈，从而保证激光器的工作稳定使其在工作状态时保持恒温，约25℃（±0.2℃）范围内。

可调谐激光器1发出的调谐激光经激光光纤5与扩束器6相连，所述扩束器6的口径为4cm，将所述调谐激光扩束为直径4cm的平行光。

将扩束后的调谐激光经可调反射镜16反射，所述可调反射镜16固定在载镜平台15上，所述载镜平台15由水平步进电机13和垂直步进电机14驱动，使得所述可调反射镜16在水平方向和垂直方向能够转动，从而改变出射激光的方向；上述两步进电机均由电机控制板12控制，该实施例中所述电机控制板12有以ARM7为核心的嵌入式系统构成，能够实现对反射镜朝向的精准自动控制；所述可调反射镜16为石英材料的镀金镜片，两个步进电机控制所述可调反射镜16的振动幅度为20°。

至少一直角反射器18,放置在待测甲烷的另一侧，用于将所述经反射后的调谐激光进行反射，使其以平行于入射光的方向反射回所述可调反射镜16中；所述锥形直角反射器由两个相互垂直的反射镜组成，在该实施例中，所述至少一直角反射器18为12面直角反射器18组成3×4的反射器阵列，每个直角反射器之间的直线距离不超过50cm，每个反射镜的表面镀金，尺寸大于5cm*5cm。

所述激光收集模块，包括：光电探测器7，用于接收经所述可调反射镜反射回的激光光谱信号，并将其转化成电流信号，将所述电流信号经流压转换电路8、放大电路9、滤波电路10进行调理后传递给谐波检测模块11。

所述谐波检测模块11，用于对所述电流信号中的二次谐波进行放大后输出，在该实施例中，所述谐波检测模块11为由两个乘法器组成的锁相放大电路，该电路可以对电流信号中的二次谐波进行放大，最终在输出端17可以获得信号中的二次谐波信号；该谐波检测模块11可有效提高信噪比，去除噪声和初始光强的影响。

浓度反演模块，用于将所述放大后的二次谐波进行浓度反演，得到甲烷光路的积分浓度。

按照上述原理，通过不断调整水平步进电机13和垂直步进电机14来改变所述可调反射镜16的方向，逐次扫描不同的空间位置，从而得到空间内各个光程内的甲烷浓度，同时也可以通过增加直角反射器18的数量来增加测量的光路。

图像生成模块，用于根据所述甲烷光路的积分浓度，生成畜舍空气中的甲烷分布图；其中，所述图像生成模块利用空间分布重构算法生成畜舍空气中的甲烷分布图；所述空间分布重构算法，结合中间差值和气体扩散模型，计算出甲烷浓度在空间中的分布状态，并以灰度代表浓度，实时获得甲烷在空间中的分布图像。

显示模块，用于实时直观显示计算获得的畜舍空间内甲烷的分布图像。

本发明提供一种畜舍内甲烷分布的测量系统及测量方法，具有以下有益效果：

1）通过让调谐后的激光经可调反射镜发射，而所述可调反射镜可以在水平方向和垂直方向上转动，使得所述调谐激光的方向也可以改变，从而实现对不同空间位置的扫描，获得畜舍空间内各个光程甲烷浓度的总体分布；

2）可以获得畜舍内甲烷的分布图像，有效提高畜舍中甲烷浓度分布的检测效率；

3）结构简单，有效降低了实施的难度和成本。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种畜舍内甲烷分布的测量系统，其特征在于，包括有:

可调谐激光器，用于发出调谐激光；

可调反射镜，其在水平方向和垂直方向能够转动，用于对所述调谐激光进行反射；

至少一锥形直角反射器，用于将经反射后的调谐激光进行反射，使其以平行于入射光的方向反射回所述可调反射镜中；

激光收集模块，用于接收经所述可调反射镜反射回的激光光谱信号，并对所述激光光谱信号进行处理，得到甲烷光路的积分浓度；

其中，所述可调谐激光器、可调反射镜及激光收集模块位于待测甲烷的一侧，至少一锥形直角反射器位于所述待测甲烷的另一侧；

所述可调谐激光器能交替发出中心波长为1653nm和1331nm的调谐激光，分别用于低浓度和高浓度甲烷探测。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统进一步包括：

图像生成模块，用于根据所述甲烷光路的积分浓度，生成畜舍空气中的甲烷分布图。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述锥形直角反射器为锥角为90度的锥形反射镜，镜内镀金。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述激光收集模块包括：

光电探测器，用于接收经所述可调反射镜反射回的激光光谱信号，并将其转化成电流信号后传递给谐波检测模块；

所述谐波检测模块，用于对所述电流信号中的二次谐波进行放大后输出；

浓度反演模块，用于将放大后的二次谐波进行浓度反演，得到甲烷光路的积分浓度。

5.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述图像生成模块利用空间分布重构算法生成畜舍空气中的甲烷分布图。

6.如权利要求1-5任一项所述的系统，其特征在于，所述系统进一步包括：

温控模块，其位于所述可调谐激光器的基底，用于对所述可调谐激光器进行温度控制。

7.一种畜舍内甲烷分布的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将可调谐激光器发出的调谐激光，经可调反射镜反射后向至少一锥形直角反射器进行发射；

S2、至少一锥形直角反射器将经反射后的调谐激光进行反射，使其以平行于入射光的方向反射回所述可调反射镜中；

S3、接收经所述可调反射镜反射回的激光光谱信号，并对所述激光光谱信号进行处理，得到甲烷光路的积分浓度；

其中，所述可调谐激光器发出的调谐激光的中心波长为1653nm和1331nm，分别用于低浓度和高浓度甲烷探测。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：

S4、根据所述甲烷光路的积分浓度，生成畜舍空气中的甲烷分布图。

9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤S3进一步包括：

S31、接收经所述可调反射镜反射回的激光光谱信号，并将其转化成电流信号；

S32、对所述电流信号中的二次谐波进行放大后输出；

S33、将放大后的二次谐波进行浓度反演，得到甲烷光路的积分浓度。