CN105021567A - 非接触远程激光大气环境监测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及非接触远程激光大气环境监测系统，包括地面系统和高空系统，其中所述地面系统包括可移动装置和设置于所述可移动装置上的激光光源和信号接收分析装置，所述高空系统包括飞行器和设置于所述飞行器上的反射装置。所述激光光源发射的激光是中红外光，波段为3-5μm。所述激光光源发射波长覆盖污染气体吸收峰的中红外探测激光，所述高空系统的反射装置将探测激光反射回地面系统的信号分析装置，所述信号分析装置接受反射回来的探测信号并对其进行处理。该系统可实现远距离非接触大气环境实时监测。
Description
技术领域
本发明涉及激光气体检测领域，具体涉及一种非接触远程激光大气环境监测系统及方法。
背景技术
激光气体探测技术是利用气体在近红外以及中红外波段的特征吸收，对气体进行检测与分析的技术。该技术具有探测精度高，响应快，探头不会中毒，可在高浓度气体或缺氧环境下工作等优势。目前，激光气体分析系统已经在冶金、石化、化工、环保等重要流程工业领域有成熟的应用，成为流程工业自动化系统的重要组成部分。
TDLAS(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy)技术是目前应用中最为成熟的激光气体探测技术。它采用的光源是窄线宽可调谐半导体激光器，要求半导体激光光谱宽度远小于气体吸收谱线的宽度(DFB，DBR激光器)。许多碳氢气体以及有毒气体(如CH4,CO,NOx,SOx等)的基频吸收峰在3～5微米的中红外波段，气体在该波段的吸收比在近红外波段的吸收高2～3个数量级。然而目前应用中比较成熟的半导体激光器波长主要在近红外波段，激光器输出功率在几十毫瓦数量级。因而探测距离受限制，一般小于50米。
目前基于TDLAS的气体探测系统，在实际应用场景中，主要有两种应用方式：第一种是激光光源与探测系统在同一端，光源发出探测激光，经气体吸收以后的信号通过背景体散射，收集散射信号进行分析；第二种是激光光源与探测系统分两端，主要应用于工厂烟气分析，发射单元与接收单元通过标准法兰对准固定在被测烟气管道的两侧，以实现在线实时烟气分析。
如上所述的两种实现途径，均需要一定的“接触”，需要待测气体周围有不透明介质将信号散射回探测器或者需要将探测器安装在烟气管道上。对于高空气体监测分析，由于缺乏散射体以及无法安装探测器，需要真正的“非接触”探测，当前应用中的两种途径均不能满足需求。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术中半导体激光器发出的激光波长较长、探测距离较短和探测过程中需要一定的“接触”的问题，提出一种非接触远程大气监测系统及方法。
为此目的，本发明采用的技术方案是：非接触远程激光大气环境监测系统，包括地面系统和高空系统，所述地面系统包括可移动装置和设置于所述可移动装置上的激光光源和信号接收分析装置，所述高空系统包括飞行器和设置于所述飞行器上的反射装置；所述激光光源发射的激光是中红外光，波段为3-5μm，地面系统的信号接收分析装置接收高空系统飞行器上的反射装置反射的激光。
波段为3-5μm，覆盖了污染气体的吸收峰。所述激光光源发射波长覆盖污染气体吸收峰的中红外探测激光，所述高空系统的反射装置将探测激光反射回地面系统的信号分析装置，所述信号分析装置接受反射回来的探测信号并对其进行处理。该系统可实现远距离非接触大气环境实时监测。
优选地，所述激光光源的功率大于1W。
优选地，所述反射装置对3-5μm波段的中红外激光的反射率较高。
优选地，所述反射装置使探测激光沿着发射路径返回。
优选地，所述地面系统和所述高空系统均可灵活移动，实现多点监测以及对气体污染区域的定位。
非接触远程激光大气环境监测的方法是：地面系统的激光光源发射探测激光至高空系统的反射装置；所述反射装置将所述探测激光反射回地面系统的信号接收分析装置；所述信号接收分析装置接受并分析反射回地面系统的探测激光；改变地面系统和高空系统的位置重复以上步骤。
优选地，对每一固定的高空系统的位置，地面系统改变位置以不同的角度发射探测激光至高空系统的反射装置。地面系统改变位置在地面10-10000米的尺度，可以覆盖一个中等城市(或带区的城市的一个区级区域)的主要区域，高空系统可以圆形盘旋在空中(以50-5000米的半径盘旋在同一高度，可以是圆或椭圆形轨迹)。
本发明的有益效果，通过采用本发明所公开的非接触远程大气监测系统及方法，可以实现对污染气体的非接触的远距离的高空探测。提出一种非接触远程大气监测系统及方法。其中所述地面系统包括可移动装置和设置于所述可移动装置上的激光光源和信号接收分析装置，所述高空系统包括飞行器(无人机)和设置于所述飞行器上的反射装置。双方均为移动式测量结构，采用无人机可以使监测的效率大大提高。当然也不排除无人机上可以携带其它大气污染监测仪表，如各种化学传感器，可用于广泛监测标的大气污染状况。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制。
图1示出了以监测工厂烟气排放气体为例的系统工作示意图。
图2示出了地面系统与高空系统面内移动位置实现污染气体分析和定位的工作示意图。
图3示出了利用地空锥体扫描监测进行污染气体定位工作示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的实施例进行详细描述。
实施例1：
如图1所示，一种非接触远程大气环境监测系统，包括地面系统和高空系统，其中所述地面系统包括可移动装置和设置于所述可移动装置上的激光光源和信号接收分析装置，所述高空系统包括飞行器和设置于所述飞行器上的反射装置。
所述激光光源为中红外激光光源，波长覆盖3-5μm，激光功率大于1W，负责发射探测激光至高空系统的反射装置。
所述反射装置用于接受并反射探测激光，并且使探测激光沿着反射路径返回。飞行器(无人机)采用四旋翼无人飞行器，便于稳定控制其飞行轨道，携带双曲面形的反射镜使地面系统更易测量到反射。
所述信号接受分析装置用于接受反射回的探测信号，并对探测信号进行分析处理，给出所监测烟气气体的信息。
非接触远程激光大气环境监测的方法是：地面系统的激光光源发射探测激光至高空系统的反射装置；所述反射装置将所述探测激光反射回地面系统的信号接收分析装置；所述信号接收分析装置接受并分析反射回地面系统的探测激光；改变地面系统和高空系统的位置重复以上步骤。
实施例2：
图2是地面系统与高空系统面内移动位置实现污染气体分析和定位的工作示意图。当地面系统位于1位置，高空系统位于4位置时，地面系统发射探测激光至高空系统，高空系统中的反射装置对探测激光进行反射并使探测激光沿着原路径返回，地面系统中的信号接受分析装置接受反射回的探测激光并进行分析，得到污染气体的信息，并推知在位置1和4的路径上有污染气体，但是由于污染气体在开放空间，不能确定污染气体的集中位置。当地面系统移动到2位置，高空系统移动到3位置，如果同样监测到污染气体信息，那么可以就污染气体其中的位置进行定位。
实施例3：
实施例3与实施例2类似，区别之处是对于每一固定的高空系统位置，地面系统需要改变位置以不同角度发射探测激光至高中系统中的反射装置，如图3所示。高空系统固定在4位置，地面系统在1地面位置一定范围内改变位置以不同入射角度发射探测激光至高空系统的反射装置，形成一个以地面位置1附近为底面，以4位置为顶点的锥体。进一步，高空系统移动至3位置，地面系统在地面位置2一定范围内改变位置以不同入射角度发射探测激光至高空系统的反射装置，形成一个以2地面位置附近为底面，以3位置为顶点的另一个锥体，两个锥体相交，从而对污染气体实现更好地位置定位。依照此原理，通过改变高空系统位置以及地面系统位置，可以形成很大的监测网络，从而对大气环境进行大范围的实时监测。
对每一固定的高空系统的位置，地面系统改变位置以不同的角度发射探测激光至高空系统的反射装置。地面系统改变位置在地面500-1000米的尺度，高空系统可以盘旋在空中(以1000-5000米的半径盘旋在同一高度，可以是圆或椭圆形轨迹)。地面系统与飞行器同时运动时，将每个时间单元的点均记录空地连线(地面坐标与空中坐标的连线)和此刻的空气测量数据，构成一个区域的空气测量网格单元；许多网格单元可以构成对空气污染的分布的全区域测量。
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。
Claims (9)
1.非接触远程激光大气环境监测系统，其特征在于，包括地面系统和高空系统，所述地面系统包括可移动装置和设置于所述可移动装置上的激光光源和信号接收分析装置，所述高空系统包括飞行器和设置于所述飞行器上的反射装置；所述激光光源发射的激光是中红外光，波段为3-5μm，地面系统的信号接收分析装置接收高空系统飞行器上的反射装置反射的激光。
2.根据权利要求1所述的非接触远程激光大气环境监测系统，其特征在于，所述激光光源的功率大于1W。
3.根据权利要求1所述的非接触远程激光大气环境监测系统，其特征在于，所述反射装置对3-5μm波段的中红外激光的反射率较高。
4.根据权利要求1所述的非接触远程激光大气环境监测系统，其特征在于，所述反射装置使探测激光沿着发射路径返回。
5.根据权利要求1所述的非接触远程激光大气环境监测系统，其特征在于，所述地面系统和所述高空系统均可灵活移动，实现多点监测以及对气体污染区域的定位。
6.非接触远程激光大气环境监测方法，其特征在于，地面系统的激光光源发射探测激光至高空系统的反射装置；所述反射装置将所述探测激光反射回地面系统的信号接收分析装置；所述信号接收分析装置接受并分析反射回地面系统的探测激光；改变所述地面系统和所述高空系统的位置重复以上步骤。
7.根据权利要求6所述的非接触远程激光大气环境监测方法，其特征在于，对每一固定的所述高空系统的位置，所述地面系统改变位置以不同的角度发射探测激光至高空系统的反射装置。
8.根据权利要求6所述的非接触远程激光大气环境监测方法，其特征在于，飞行器（无人机）采用四旋翼飞行器，便于稳定控制其飞行轨道，携带双曲面形的反射镜使地面系统更易测量到反射。
9.根据权利要求6所述的非接触远程激光大气环境监测方法，其特征在于，对每一固定的高空系统的位置，地面系统改变位置以不同的角度发射探测激光至高空系统的反射装置；地面系统改变位置的尺度为500-1000米，高空系统以1000-5000米的半径盘旋在同一高度；地面系统与飞行器同时运动时，将每个时间单元的点均记录空地连线即地面坐标与空中坐标的连线和此刻的空气测量数据，构成一个区域的空气测量网格单元；许多网格单元构成对空气污染的分布的全区域测量。
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