CN104655576B - 基于后向散射回光的自由状态气体参数远程测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于后向散射回光的自由状态气体参数远程测量方法，包括步骤：步骤A：向被测量气体所在空间区域发射脉冲激光；步骤B：持续测量得到非吸收特征谱线回光强度、吸收特征谱线回光强度；步骤C：获取大气环境散射回光特性的基本参数；步骤D：利用所述补偿参数对吸收特征谱线回光强度进行补偿；步骤E：根据非吸收特征谱线回光强度以及补偿后的吸收特征谱线回光强度，获得被测量气体的特性。本发明采用宽光谱激光作为光源，不需要测量环境参数，根据气体的光谱吸收特性进行气体种类和气体浓度测量，将回光的散射特性和吸收特性有机分离，测量准确，且采用离散式特征气体回光测量技术。

Description

基于后向散射回光的自由状态气体参数远程测量方法

技术领域

本发明涉及气体参数测量方法，具体地，涉及基于后向散射回光的自由状态气体参数远程测量方法。

背景技术

从检测原理分，气体浓度、种类的检测方法主要包括电阻式气敏元件测量法、超声技术测量法、气象色谱测量法、载体催化燃烧法、示踪气体浓度衰减法、光干涉测量法、光谱吸收气体测量法。

1)电阻式气敏元件测量法：利用电阻式气敏元件的阻值与周围气体浓度有确定性关系的特点，通过测量气敏元件的电阻值即可获得待测气体的浓度；

2)超声技术测量法：超声波在某种气体中的传播速度与当前气体温度和气体性质有一定的关系，通过测量其传输速度和气体温度就可以推算出气体浓度；

3)气象色谱测量法：不同气体在通过色谱柱时期速度不同，不同浓度气体的色谱存在明显差异，利用该特点可以获得气体浓度；

4)载体催化燃烧法：以催化载体型气敏元件作为浓度的传感器，当可燃气体在元件表面催化燃烧后，电阻增加，其增量与可燃气体的浓度成正比，通过测量其电阻增量即可获取可燃气体浓度；

5)示踪气体浓度衰减法：向被测空间注入一定量的示踪气体，在通风后使示踪气体的浓度得到稀释，通过测量示踪气体浓度的变化，间接求出通风量；

6)光干涉测量法：同一光源发出的光被分为两路光，经不同传输路径后汇集到一起，通过光干涉现象体现其光程差，由于光程差与路径上的气体成分、浓度、折射率关联，可获取气体浓度；

7)光谱吸收气体测量法：光在气体中传播时，特定气体分子将对特定波长光进行吸收，通过测量激光通过气体传输后的吸收谱特性和光强，可以获取气体分子的浓度和种类。

现有技术存在的弱点主要存在于：

-在自由空间状态下，对难以接近区域的气体参数进行有效测量：1)、3)、4)三种方法需要将检测元件放置于气体内，对于难以接近的区域是很难实现的；2)、3)、5)、6)、7)则均需要构建发射装置、接收装置和样品空间，其样品空间通常需要对现场气体进行抽样，对于难以接近的区域实际上是难以实现的。

-现有测量方法需要获取较准确的气压、温度等环境参数，但在很多情况下这些环境参数难以有效获取，导致测量误差较大；

-除7)以外，其他测量方法均难以通过测量结果直接判断气体类型。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于后向散射回光的自由状态气体参数远程测量方法。

根据本发明提供的一种基于后向散射回光的自由状态气体参数远程测量方法，包括如下步骤：

步骤A：向被测量气体所在的被测量空间区域发射脉冲激光；

步骤B：持续测量得到所述脉冲激光的后向散射回光数据，其中，所述后向散射回光数据包括：非吸收特征谱线回光强度、吸收特征谱线回光强度；

步骤C：根据非吸收特征谱线中某一谱线的回光强度，获取大气环境散射回光特性的基本参数，作为吸收特征谱线回光强度由于大气散射导致的强度衰减因子的补偿参数；

步骤D：利用所述补偿参数对吸收特征谱线回光强度进行补偿；

步骤E：根据非吸收特征谱线回光强度以及补偿后的吸收特征谱线回光强度，获得被测量气体的如下任一种或任多种数据：

-种类；

-浓度；

-空域扩散分布特性；

-传输路径空间分布特性。

优选地，脉冲激光为采用数十mJ、脉冲宽度不超过100ns、谱宽大于1μm以上的宽光谱脉冲激光。

优选地，所述步骤E，包括如下步骤：

根据如下公式计算得到被测量气体的散射强度系数α、被测量气体的吸收强度系数γ(λ)：

I₁＝I₀{exp(-αL)-exp[-α(L+Δ)]}exp(-αL) 式1)

I₂＝I₀{exp[-(α+γ(λ))L]-exp[-(α+γ(λ))(L+Δ)]}exp[-(α+γ(λ))L] 式2)

L＝ct/2 式3)

其中，I₁为非吸收特征谱线回光强度，I₂为补偿后的吸收特征谱线回光强度，I₀为脉冲激光强度，α为被测量气体的散射强度系数，L为脉冲激光的传输距离，Δ为传输路径上的采样间隔，γ(λ)为被测量气体在吸收特征谱线λ处的吸收强度系数，c为光速，t为从脉冲激光发射到回光测量的时间间隔；

根据如下公式计算得到被测量气体浓度N：

N＝γ(λ)/τ 式4)

其中，τ为单位浓度被测量气体吸收系数，N为被测量气体浓度。

优选地，所述步骤E，包括如下步骤：

步骤i：根据吸收特征谱线回光强度的变化特性，获取被测量气体的空域扩散分布特性。

优选地，所述脉冲激光的发射源通过机动平台机动运输，且所述脉冲激光的发射方向不变；持续测量得到所述脉冲激光的后向散射回光数据，以获取对应于机动平台运输轨迹的多个后向散射回光数据；

所述步骤i包括如下步骤：

步骤i1：将机动平台的运输轨迹中的多个位置点与相应位置点处所获取后向散射回光数据一一对应，获得空域内气体的空域扩散分布特性。

优选地，所述步骤E，包括如下步骤：

步骤I：根据吸收特征谱线回光强度的时间特性，计算被测量气体在传输路径空间分布特性。

优选地，所述步骤I包括如下步骤：

步骤I1：以激光脉冲发射时间为时间轴原点，将测量获得的单脉冲激光的吸收特征谱线回光强度对应到时间轴上；

步骤I2：在时间轴上进行吸收特征谱线回光强度抽样，获得与各抽样时间点对应的吸收特征谱线回光强度；

步骤I3：根据光速和抽样时间计算获得各抽样时间点对应的脉冲激光的后向散射回光的传输距离；

步骤I4：将各抽样时间点对应的吸收特征谱线回光强度与传输距离一一对应，获得被测量气体在传输路径空间分布特性。

优选地，通过设置有窄带滤光片的单元探测器获取所述后向散射回光数据。

优选地，所述步骤E包括如下步骤：

根据吸收特征光谱中谱线的波长，确定被测量气体的种类。

优选地，每次测量中，向被测量气体所在空间区域仅发射1个脉冲激光。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、采用宽光谱激光作为光源，根据气体的光谱吸收特性进行气体种类和气体浓度测量；

2、采用脉冲激光后向散射特性，获得测量路径上的气体浓度分布；

3、在测量吸收特征谱线的对应波段激光的后向散射回光特性(含散射特性和吸收特性)的同时，测量所发射脉冲激光的宽光谱中非特征吸收谱线的对应波段激光的后向散射回光特性(无吸收，仅含散射特性)，将回光的散射特性和吸收特性有机分离，不需要测量环境参数，测量准确；

4、采用离散式特征气体回光测量技术，可根据需要，调整滤光片参数，简单增加基本测量单元就可实现对多种气体参数的测量，避免直接光谱分布测量导致的测量时间过长，测量谱范围有限等问题。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为气体浓度测量原理图；

图2为本发明方法的原理示意图；

图3为本发明方法的工作流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明提供的方法采用超宽谱脉冲激光，利用后向散射回光测量技术和光谱测量技术，可对自由空间气体参数进行远距离、非接触式测量，无需对测量区域气体进行取样，就可快速获取气体种类、浓度等参数。

图1示出了气体浓度测量原理：

1、入射光照射到气体上，将会产生后向散射回光；

2、后向散射回光的强度与传输距离、气体浓度、吸收特性和散射特性有关；

图1中，相对强度，是指：以发射光源强度为标准进行归一化处理，即，将入射光强强度设为1，而不依赖于具体的入射光强强度；相对距离，是指：以设定最大探测距离为标准进行归一化处理，即，将最大探测距离设定为100，而不依赖于具体的探测距离；(注：该相对距离也可根据需求定为1)。其中，相对强度、相对距离均可看做一个无量纲的理想数字，可避免对具体设计值的约束。

本发明提供的方法提供的基本功能包括：

1、指定谱段范围内的宽光谱脉冲激光发射能力：保证在单次测量过程中仅存在一个脉冲光在自由空间传输，避免多个脉冲激光彼此后向散射回光之间的干扰；利用宽光谱特性，可以对多种吸收特征谱线进行回光测量，获取被测量气体的种类。

2、吸收特征谱线回光测量能力：采用窄带滤光片结合单元探测器的方法获取吸收特征谱线回光强度，可根据需求采取不同中心波长的窄带滤光片结合单元探测器的组合方式，根据非吸收特征谱线回光强度、吸收特征谱线回光强度获取被测量气体浓度，根据吸收特征谱线的波长确定气体种类。其中，吸收强度：脉冲激光通过被测量气体区域后，由于吸收效应导致的强度损失程度。

3、非吸收特征谱线回光测量能力：选取非吸收特征谱线中的某一波长的谱线，通过该波长的非吸收特征谱线回光强度，实时获取大气环境散射回光特性的基本参数，作为特征谱线回光强度由于大气散射导致的强度衰减因子的补偿参数。

利用式1)获得被测量气体的散射强度系数α，利用式2)获得被测量气体的消光系数α+γ(λ)，则，通过α+γ(λ)-α获得被测量气体的吸收强度系数。

4、气体空间分布范围测量能力：根据气体吸收特征谱线回光强度的变化特性，获取被测量气体扩散分布范围。

5、吸收特征谱线数据库：典型气体吸收谱线库，分析气体种类。

具体地，本发明提供的基于后向散射回光的自由状态气体参数远程测量方法，其主要原理是：采用数十mJ、脉冲宽度不超过100ns、谱宽大于1μm以上的宽光谱脉冲激光，其中，根据具体应用要求，可以在大气窗口范围内选择相应的激光光谱谱宽，例如，0.4μm～2μm、3μm～5μm、或者8μm～12μm)。通过激光发射装置将宽光谱脉冲激光发射出去；在测量路径上，由于后向散射回光效应，在宽光谱脉冲激光的发射端将持续接收到来自于传输路径(即测量路径)上的激光后向散射回光。在不考虑吸收特性的情况下，后向散射回光强度只受传输路径上的气体浓度、气体尺寸等参数的影响；当存在被测量气体时，在被测量气体吸收特征谱线上的后向散射回光强度将与被测量气体的浓度、分布范围等参数相关，通过同时测量后向散射回光中的非吸收特征谱线回光强度、吸收特征谱线回光强度，可以在未知大气环境中准确获得被测量气体的浓度；利用吸收特征谱线回光强度的变化特性，可以获取被测量气体的空域扩散分布特性。

其中，根据吸收特征谱线回光强度的变化特性，获取被测量气体的空域扩散分布特性，具体为：所述脉冲激光的发射源通过机动平台机动运输，且所述脉冲激光的发射方向不变；持续测量得到所述脉冲激光的后向散射回光数据，以获取对应于机动平台运输轨迹的多个后向散射回光数据；进一步具体地，包括步骤：步骤i1：将机动平台的运输轨迹中的多个位置点与相应位置点处所获取后向散射回光数据一一对应，获得空域内气体的空域扩散分布特性。

关于步骤i1，具体实现过程包括：

-将用于测量脉冲激光后向散射回光的测量装置搭载在机动平台上，运输至指定位置，调节激光发射方向，指向被测量区域；

-测量装置发射脉冲激光，持续测量得到所述脉冲激光的后向散射回光数据，获取指定方向的后向散射回光数据；

-机动平台做机动运输，保持测量装置发射方向不变，持续测量，抽样获取对应机动平台运输轨迹内多个抽样位置处的一系列后向散射回光数据；

-将机动平台的运输轨迹中的多个抽样位置点与相应位置处所获取后向散射回光数据一一对应，则实现特定空域内气体的空域扩散分布特性。

设定被测量气体的散射强度系数为α，被测量气体的吸收强度系数为γ(λ)，被测量气体浓度为N，被测量气体单位浓度气体吸收系数为τ，脉冲激光的传输距离为L，Δ为传输路径上的采样间隔，脉冲激光强度为I_O；

则，

非吸收特征谱线回光强度I₁可定义为：

I₁＝I₀{exp(-αL)-exp[-α(L+Δ)]}exp(-αL) 式1)

吸收特征谱线回光强度I₂可定义为：

I₂＝I₀{exp[-(α+γ(λ)L]-exp[-(α+γ(λ))(L+Δ)]}exp[-(α+γ(λ))L] 式2)

其中I₁,I₂均为可测量，I₀，Δ为已知量，

L＝ct/2 式3)

其中，c为光速，t为从脉冲激光发射到回光测量的时间间隔；

则根据式1)可计算出散射强度α，通过式2)可计算出散射强度和吸收强度之和α+γ(λ)，因此，通过式1)和式2)可计算出吸收强度系数γ，因此可计算气体浓度为：

N＝γ/τ 式4)

实现本方法的基本框架如图3所示：

步骤一、宽光谱脉冲激光发射，通过光敏元件产生触发信号；

步骤二：触发信号同时启动同步计时器、吸收特征谱线回光测量模块和非吸收特征谱线回光测量模块；

步骤三：吸收特征谱线回光测量模块和非吸收特征谱线回光测量模块持续测量宽光谱激光的后向散射回光；

步骤四：当吸收特征谱线回光测量模块和/或非吸收特征谱线回光测量模块接收到超过设定阈值的异常回光值(脉冲激光照射到非自由空间)或设定区域完成测量(通过设定同步计时器的时长)时，回光测量模块停止本次测量；

步骤五：数据模块利用非吸收特征谱线回光测量模块测量数据(含非吸收特征谱线回光强度)对吸收特征谱线回光测量模块数据(含吸收特征谱线回光强度和吸收特性谱线)进行补偿处理，获取气体吸收强度，并根据吸收强度计算气体浓度；并根据吸收特性的强度被测量计算气体浓度，根据时间特性，计算被测量气体在传输路径空间分布特性；其中，传输路径空间分布指的是传输路径上的空间分布其原理是脉冲激光在传输路径上传输时，传输路径上的每一点均会产生散射回光，而这每一点与光走过的路径相关，也就是与传输时间相关，通过计算不同散射回光的强度可以计算出传输路径上的分布。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (9)

1.一种基于后向散射回光的自由状态气体参数远程测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤A：向被测量气体所在的被测量空间区域发射脉冲激光；

步骤B：持续测量得到所述脉冲激光的后向散射回光数据，其中，所述后向散射回光数据包括：非吸收特征谱线回光强度、吸收特征谱线回光强度；

步骤C：根据非吸收特征谱线中一谱线A的回光强度，获取大气环境散射回光特性的基本参数，作为吸收特征谱线回光强度由于大气散射导致的强度衰减因子的补偿参数；

步骤D：利用所述补偿参数对吸收特征谱线回光强度进行补偿；

步骤E：根据非吸收特征谱线回光强度以及补偿后的吸收特征谱线回光强度，获得被测量气体的如下任一种或任多种数据：

-种类；

-浓度；

-空域扩散分布特性；

-传输路径空间分布特性；

所述步骤E，包括如下步骤：

根据如下公式计算得到被测量气体的散射强度系数α、被测量气体的吸收强度系数γ(λ)：

I₁＝I₀{exp(-αL)-exp[-α(L+Δ)]}exp(-αL) 式1)

I₂＝I₀{exp[-(α+γ(λ))L]-exp[-(α+γ(λ))(L+Δ)]}exp[-(α+γ(λ))L] 式2)

L＝ct/2 式3)

其中，I₁为非吸收特征谱线回光强度，I₂为补偿后的吸收特征谱线回光强度，I₀为脉冲激光强度，α为被测量气体的散射强度系数，L为脉冲激光的传输距离，Δ为传输路径上的采样间隔，γ(λ)为被测量气体在吸收特征谱线λ处的吸收强度系数，c为光速，t为从脉冲激光发射到回光测量的时间间隔；

根据如下公式计算得到被测量气体浓度N：

N＝γ(λ)/τ 式4)

其中，τ为单位浓度被测量气体吸收系数，N为被测量气体浓度。

2.根据权利要求1所述的基于后向散射回光的自由状态气体参数远程测量方法，其特征在于，脉冲激光为采用数十mJ、脉冲宽度不超过100ns、谱宽大于1μm以上的宽光谱脉冲激光。

3.根据权利要求1所述的基于后向散射回光的自由状态气体参数远程测量方法，其特征在于，所述步骤E，包括如下步骤：

步骤i：根据吸收特征谱线回光强度的变化特性，获取被测量气体的空域扩散分布特性。

4.根据权利要求3所述的基于后向散射回光的自由状态气体参数远程测量方法，其特征在于，所述脉冲激光的发射源通过机动平台机动运输，且所述脉冲激光的发射方向不变；持续测量得到所述脉冲激光的后向散射回光数据，以获取对应于机动平台运输轨迹的多个后向散射回光数据；

所述步骤i包括如下步骤：

步骤i1：将机动平台的运输轨迹中的多个位置点与相应位置点处所获取后向散射回光数据一一对应，获得空域内气体的空域扩散分布特性。

5.根据权利要求1所述的基于后向散射回光的自由状态气体参数远程测量方法，其特征在于，所述步骤E，包括如下步骤：

步骤I：根据吸收特征谱线回光强度的时间特性，计算被测量气体在传输路径空间分布特性。

6.根据权利要求5所述的基于后向散射回光的自由状态气体参数远程测量方法，其特征在于，所述步骤I包括如下步骤：

步骤I1：以激光脉冲发射时间为时间轴原点，将测量获得的单脉冲激光的吸收特征谱线回光强度对应到时间轴上；

步骤I2：在时间轴上进行吸收特征谱线回光强度抽样，获得与各抽样时间点对应的吸收特征谱线回光强度；

步骤I3：根据光速和抽样时间计算获得各抽样时间点对应的脉冲激光的后向散射回光的传输距离；

步骤I4：将各抽样时间点对应的吸收特征谱线回光强度与传输距离一一对应，获得被测量气体在传输路径空间分布特性。

7.根据权利要求1所述的基于后向散射回光的自由状态气体参数远程测量方法，其特征在于，通过设置有窄带滤光片的单元探测器获取所述后向散射回光数据。

8.根据权利要求1所述的基于后向散射回光的自由状态气体参数远程测量方法，其特征在于，所述步骤E包括如下步骤：

根据吸收特征光谱中谱线的波长，确定被测量气体的种类。

9.根据权利要求1所述的基于后向散射回光的自由状态气体参数远程测量方法，其特征在于，每次测量中，向被测量气体所在空间区域仅发射1个脉冲激光。