CN105122038B - 开路式气体检测器 - Google Patents

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Abstract

在实施方式中，公开了一种开路式气体检测器，其可包括成像或非成像光学组件。所述检测器可包括组件，其允许大约1的由所述检测器接收的辐射的对准误差而不引起假警报。在实施方式中，所述检测器可包括分束器或波分多路复用滤波器，其允许由所述检测器接收的所述辐射的更多由传感器来检测。

Description

开路式气体检测器
技术领域
本教导涉及用于开路式路径气体检测的装置以及方法。
发明背景
使用非色散红外光谱法来检测碳氢化合物气体是公认的。这本质上涉及沿着受监测的区域中的路径使红外辐射透射；选择红外辐射的波长，使得其由所关注的气体(在下文中称作“目标气体”)所吸收，但是大体上不由受监测的区域的氛围中的其它气体吸收。测量已沿着受监测的区域中的路径穿过的辐射的强度且辐射的强度上的衰减给出受监测区域中的目标气体量的测量。
然而，除了由目标气体的吸收之外的因素还使红外辐射衰减，所述因素包括检测束的遮蔽，辐射的大气散射，(例如)由灰尘或冷凝造成的透镜表面的污染和组件的老化。通过使用参考波段来明显改善红外气体检测器的可靠性；此参考通常是不同波长下的红外辐射，所述波长理想的是目标气体并不展现明显吸收的波长。可以使用多于一个参考波长下的辐射；同样地，可以使用多于一个目标波长。测量目标气体确实吸收的(若干)波长((若干)“样本”波长)下获得的信号与目标气体不明显吸收的(若干)波长((若干)“参考”波长)下获得的信号之间的比率更准确地测量由环境条件引起的衰减，这是因为在大多数情况下，(若干)参考波长下的信号和(若干)样本波长下的信号将都类似地受使辐射衰减的效果(除了目标气体的存在之外)所影响。
通常，在笔直束路径的相对端存在单独发射器和接收器单元。或者，组合发射源和接收器且束在测量路径的远端从回射器弹开。为了便携使用，已制造使用具有适合自然反照率的远程物镜来代替回射器的检测器。所选气体(或气体类)的存在从束中的适合红外波长的其吸收检测。测量路径中的雨、雾等等还可减小接收信号的强度，所以通常在一个或多个参考波长下进行同时测量。接着从测量和参考波长下的信号损耗的比率改变推断由束拦截的气体的量。通常通过微处理器执行计算，所述微处理器还执行多种检查以验证测量且防止假警报。
当前开路式气体检测器使用包括分束器的成像光学系统以为各个检测器提供信号，其中各个检测器具有专属带通干涉滤波器以允许适当波长透射至预期检测器。在使用分束器的这个布置中，因为一半束发送至各个检测器，所以各个信道中信号损耗是50％。这个布置对双光信道之间的略微不对准具灵敏性而可导致两个检测器上的非均匀图像和错误气体确定。因为不能在未对准光电二极管上准确地接收辐射，所以光学发射器与接收器之间的对准上的即使微小改变(＜0.1度)或部分束阻挡可导致不正确执行。
所需要的是改善型开路式路径气体检测系统，其允许不能忍受发射器和接收器的较大对准误差以及发射器和接收器的部分束阻挡的操作。
附图简述
附图(其包含在说明书中并构成本说明书的一部分)图示了本教导的实施方式并与具体实施方式一起用于解释本教导的原理。在图中：
图1是根据本公开的实施方式的开路式路径气体检测系统的示例示意性表示。
图2更详细地示出了根据本公开的实施方式的包括具有WDM滤波器的成像系统205的接收器单元110的示例组件。
图3示出了根据本公开的实施方式的包括具有分束器的非成像系统305的接收器单元110的示例组件。
图4示出了图3的接收器单元110的非成像系统305中的某些组件的特写。
图5示出了根据本公开的实施方式的包括具有WDM滤波器的非成像系统505的接收器单元110的示例组件。
图6示出了图5的接收器单元110的非成像系统505的某些组件的特写视图。
图7示出了图3和图5的非成像光学系统的某些组件的特写视图。
图8示出了类似于图3和图5的接收器单元的特写视图，其中传入辐射在对准误差的两个状态中。
图9示出了根据本公开的实施方式的接收器单元的另一实例。
图10示出了根据本公开的方面的示例光谱。
图11示出了根据本公开的方面的另一示例光谱。
图12示出了在整个接收器-发射器对准误差的度数范围内的图2、图3和图5的光学系统比率的性能的图。
图13示出了照度图，其将成像和非成像光学系统的光学性能图示为角对准误差上所对应的强度的测量。
具体实施方式
现在详细参考在附图中图示的本教导的示例实施方式。在可能的情况下，在整个图式中使用相同参考数字以指称相同或相似部件。
在实施方式中，开路式路径气体检测系统包括具有成像或非成像光学系统的接收单元。成像系统实施方式提供远距离发射器光源的清晰形成的图像。在非成像系统实施方式中，可利用非成像科勒透镜布置提供非成像均匀照明。在这个非成像科勒透镜布置中，落入于光电二极管上的光图案的形状从光的宽广平坦的照亮区域而言称作“顶帽照明”。这个照明形状可帮助减少或消除输出信号不稳定性，其造成为使热点在物镜后焦面周围移动的光源弧漂移。同样，这个照明形状可帮助消除光电二极管的主动区域上的强度的空间和时间改变且提供稳定的检测信号。结果，可使用非成像科勒照明光学器件改善落入于光电二极管上的照明强度，所述光学器件可容许光轴对准误差的至多±1.5度的对准误差。相比之下，具有相同物镜的常规成像系统只允许小得多的对准误差量。科勒非成像透镜布置还可减少或防止假警报，其源自于由移动通过光束的鸟、人或设备引起的部分束阻挡。
在实施方式中，开路式路径气体检测系统可使用波分多路复用(WDM)滤波器以将输入束分离为两个波长。使用WDM滤波器的这个布置通过在不同波长下使用波长选择性滤波器而相比于常规分束器使各个信道中的信号强度加倍，其中第一波长由WDM滤波器反射，而第二波长透射通过WDM滤波器。
在实施方式中，开路式路径气体检测系统可被操作来通过使WDM滤波器与非重叠带通滤波器和额外光电二极管级联来检测多个气体。
此外，在实施方式中，由于场对准因发射器和接收器的独立运动(诸如在大风浪的海上大型船舶弯曲)而降级，所以成像系统的外围可能经历明显差分边缘效应。这导致光电二极管的主动区域上的强度的空间和时间改变。因此，仪器可能指示不准确。为了减轻这个效应，可以通过利用参考通道孔隙的非成像系统顶帽照明方案调整主动/参考比率而在光轴移动超出适当操作的边缘时导致向上比率轨迹。这个方向在光轴不稳定性的周期期间不会引起假气体警报。
图1是根据本公开的实施方式的开路式路径气体检测系统的示例示意性表示。虽然图1图示开路式路径气体检测系统的多种组件、模块和/或特征，但是所属领域技术人员将认识到这些组件、模块和/或特征是示例性且开路式路径气体检测系统可包括任何数量和类型的组件、模块和/或特征。
如图1中所示，开路式路径气体检测系统100可包括发射器单元105，其可被操作来沿着路径将辐射提供至接收器单元110。路径可包括存在目标气体的区域109和存在洁净空气的区域111。在实施方式中，发射器单元105和接收器单元110可包括相似组件且各可被操作来执行发射和接收功能两者且可被操作为收发器。单词“发射器”、“发射”、“接收器”、“接收”和类似术语的使用仅仅描述开路式气体检测器系统的组件的功能。在实施方式中，发射器单元105可正以发射器模式操作，但还可用作接收器。这同样适用于接收器单元110。
发射器单元105可包括可被操作来支撑和安置辐射源114的外壳112、一个或多个调节、聚焦和/或导向光学组件或发射器光学组件116以及孔隙118。辐射源114可被操作来产生各种波长和/或强度中的辐射。发射器光学组件116可被操作来导向、修改、调节或改变来自辐射源114的辐射。可取决于其中使用开路式气体检测器系统100的特定情形和环境而选择辐射源114和/或发射器光学组件。例如，辐射源114可包括可调谐激光二极管，其可被操作来产生非常窄的波段中的红外辐射束。此外和/或替代地，辐射源114可被操作来产生在一个或多个波长下且具有较宽或较窄波长线宽的辐射。可调谐激光二极管仅仅是辐射源114的一个实施例。可使用其它适合辐射源。例如，发射器光学组件116可包括可操纵光学元件(诸如可操纵镜)和一个或多个准直光学器件，其可从辐射源114接收辐射且将辐射沿着可具有实质长度(例如，20m至1,000m)的测量路径导向至接收器单元110。发射器单元105可包括一个或多个控制器(未示出)，其可被操作来控制辐射源114和/或发射器光学组件116的特定操作模式，其中操作模式可包括来自发射器单元105的辐射的预定波长范围、线宽范围和/或强度范围。
可选择由辐射源114产生的辐射的波长或波长范围，使得辐射具有将沿着测量路径由一个或多个目标气体吸收的频率。在实施方式中，辐射源114的输出波长可改变以跨越一个或多个目标气体的气体吸收带扫描。
接收器单元110可包括：外壳120，其可被操作来支撑和安置孔隙122；一个或多个透镜组件(可选)124；光学组件126，其可被操作来使入射辐射分离，诸如波分多路复用(WDM)滤波器或分束器；和检测器128a、128b。可调整孔隙122大小以允许所期望的辐射量进入外壳120中。滤波组件F1133和F2135可以是干涉带通滤波器，其可被操作来滤出不关注的波长中的辐射。辐射可通过孔隙122接收、穿过透镜组件124和WDM滤波器126且导向至检测器128a、128b上。辐射可通过孔隙122接收且穿过WDM滤波器126且导向至检测器128a、128b上而产生给出入射于检测器128a、128b上的辐射强度的测量的信号。信号被处理以提取主动和参考的比率以确定目标气体是否存在。信号可通过接收器单元110上的无线收发器130或通过有线连接132传输至控制器134上的无线收发器136来进行处理、分析和/或报告。
在实施方式中，可使用在下文进一步讨论的成像和非成像光学组件来构造接收器单元110。非成像光学系统可被操作来使发射源与接收器之间的光能的传送最佳化。设计是基于以下的一些部分或组合：边缘光线原理；流线方法；同时多表面设计(SMS)；Milano方法；复合抛物面聚光器；或科勒整合。集光率守恒是这些方法的特性。所有这些技术将为所属领域技术人员所熟悉。
例如，当接收器单元110包括非成像光学组件时，接收器单元110可包括一个或多个束成形光学元件140和142，其可被操作来改变束的形状(分布)或使辐射均质化，使得具有几乎均匀的照明分布的辐射提供至检测器128a、128b的光敏元件。束成形光学元件140和142可取决于接收器单元110内的组件的特定布置而布置于滤波器133和135的前面或后面或主动和参考光电二极管的前面。例如，几乎均匀的照明可具有组成分布宽度的大部分的顶帽状或平坦分布。各种光学元件可包括一个或多个束成形光学元件140和142，其包括(但不限于)科勒透镜、复眼式聚光器、微透镜阵列或微透镜均束器、刻面管和复合抛物面装置。还可使用其它合适束成形/均质化光学元件。下文说明描述了接收器单元，其具有科勒透镜以提供顶帽状照明分布。然而，这仅仅是示例性且下文对科勒透镜的任何参考可被上文讨论的适合束成形/均质化光学元件的任何一个所替代。
在实施方式中，可在单个收发器装置中提供与发射器单元105和接收器单元110关联的操作和功能。在实施方式中，发射器单元105和接收器单元110两者可以是单个收发器装置。在实施方式中，发射器单元105可以是单个收发器装置，其可被操作来将辐射沿着路径导向至反射装置，诸如回射器、具有适合自然反照率的(若干)物镜或其它合适反射装置。
通过非限制性实施例，在可燃碳氢化合物气体与光束在两个模块之间相交时，某些IR波长由气体吸收，但其它IR波长未被吸收。IR吸收量由碳氢化合物气体的浓度确定。位于接收器模块中的一个或多个光学检测器和关联的电子器件可测量吸收。相对于非吸收波长下的光的强度(参考信号)测量吸收光的强度(主动信号)的改变。微处理器计算气体浓度且将比率值转换为模拟或数字输出信号，接着所述信号传达至外部控制和通告系统。
例如，对于某些普通碳氢化合物气体，适合峰值吸收波长包括(但不限于)1.6μm、2.3μm和3.3μm。因此，对于根根据本教导的原理的将检测可燃碳氢化合物的设备的示例性实施方案，适合的是选择集中于1.6μm、2.3μm和/或3.3μm上或附近的第一和/或第二光谱带。然而，这只是示例性。对于碳氢化合物气体和对于非碳氢化合物气体两者，其它波长同样适合。第一和第二光谱带的中心波长因实施方案不同而显著变化。适于特定实施方案的精确波长灵敏性将取决于各种因素，其包括(但不限于)给定实施方案意在检测的气体的类型或若干类型。各种频宽可适合于第一和第二光谱带。在根据本教导的原理的将被调适来检测碳氢化合物气体的气体检测器的实施方案中，第一和第二光谱带可分别具有大约0.10μm和0.30μm的带宽。然而，这些带宽只是示例性。例如，对于某些替代实施方案，用于第一光谱带的大约30nm的带宽和用于第二光谱带的大约100nm的带宽可以是合适的。
本教导并非限于仅碳氢化合物气体的检测或仅可燃气体的检测。本教导的实施方案可适合于检测以不同于周围环境、氛围或气体的速率吸收IR辐射和/或使IR辐射透射的大体上任何气体。例如，本教导的某些实施方案可适合于检测对环境恶化造成危害的气体，诸如制冷剂或灭火剂。同样地，某些实施方案可适合于检测有毒或致癌气体，诸如工业副产品。更特定来说，本教导的实施方案可适合于检测包括(但不限于)氯化碳氟化合物(CFC)、硫化氢、卤素、溴、氰化氢等等的气体。此外，本教导的实施方案可适合于同时和独立地检测多于一种类型的气体。进一步来说，可使用被构造来允许使用不同波长下的多个信道进行检测的额外WDM滤波器来检测多个气体。
通过非限制性实施例的方式，计算机处理器可用于分析强度，其由检测器单元在所关注的波长下测量且由处理器与检测器单元在不发生IR的气体吸收的参考波长下检测的光的强度相比较。这个检测方法俗称差分光学吸收光谱法(DOAS)。这个DOAS方法论是一种确定所关注的气体的浓度的简单、便宜的方法。或者，再次使用计算机处理器，由检测器单元在所期望波长下于一段时间间隔内测量强度，其后额外地利用吸收相同波长的光的已知浓度气体的气体室在检测器单元处在相同波长下于一段时间间隔内测量光还可以用作一种确定所关注气体的浓度的方法论。这个检测方法俗称气体滤波相关辐射测量术(GFCr)。因为GFCr允许对已知浓度的所关注气体的测量的恒定参考，所以其具有提供改善型精度和准确性的可能性。
图2更详细地示出了根据本公开的实施方式的包括具有WDM滤波器的成像系统205的接收器单元110的示例组件。虽然图2图示接收器单元110的多种组件、模块和/或特征，但是所属领域技术人员将认识到这些组件、模块和/或特征是示例性且接收器单元110可包括任何数量和类型的组件、模块和/或特征。
如图2中所示，接收器单元110的光学组件可包括成像系统205，借以辐射210通过接收器单元110的孔隙122接收且成像至检测器或光电二极管235和250上。物镜215布置于接收器单元110内的孔隙122附近以将辐射210聚集和导向至光学元件220上。在实施方式中，光学元件220可以是波分多路复用(WDM)滤波器，其可被操作来通过波长使辐射210分离。例如，WDM滤波器可被操作来使辐射210分离为第一波长部分225和第二波长部分240。第一波长部分225反射通过第一滤波器230(例如，参考滤波器)且至第一光电二极管235(例如，参考光电二极管)上。第二波长部分240透射通过第二滤波器245(例如，主动滤波器)且至第二光电二极管250(例如，主动光电二极管)上。如在整个本公开中所使用，术语“主动”是指以下事实：由这个滤波器透射的红外辐射受将经由吸收检测的气体的存在所影响，然而术语“参考”是指以下事实：由这个滤波器透射的红外辐射不受将被检测的气体的存在所影响。在实施方式中，两个滤波器本身并不为气体类型或种类的识别或区别提供必要条件，即，检测器(光电二极管)将响应于在主动波长下吸收的任何气体而不会就哪种类型的气体已经横穿光束路径通知给用户。在实施方式中，滤波器可包括多于一个滤波器，其允许气体家族内的气体类型和气体量的识别。在实施方式中，WDM滤波器可被构造来允许不同波长下的多个信道检测多个气体。
关于成像系统205的布置，因为来自第一波长部分225的焦点285和290以及来自第二波长部分240的焦点295和297错过光电二极管235和250的主动区域，所以如果辐射从针对第一波长部分225的中心或零偏移位置275偏移了分别由255和270表示的±1°以及辐射从针对第二波长部分240的中心或零偏移位置280偏移了分别由293和296表示的±1°，那么辐射不能在接收器单元110的光电二极管235和250上接收且不可被操作来从光电二极管235和250解析信号。
图3示出了根据本公开的实施方式的包括具有分束器的非成像系统305的接收器单元110的示例组件。虽然图3图示接收器单元110的多种组件、模块和/或特征，但是所属领域技术人员将认识到这些组件、模块和/或特征是示例性且接收器单元110可包括任何数量和类型的组件、模块和/或特征。
如图3中所示，接收器单元110的光学组件包括非成像系统305，借以辐射310通过接收器单元110的孔隙122和物镜315接收且提供至检测器或光电二极管340和360。物镜315布置于接收器单元110内的孔隙122附近以将辐射310聚集和导向至光学元件320上。在实施方式中，光学元件320可以是分束器，其可被操作来使辐射310分离为第一或反射部分325和第二或透射部分345。在实施方式中，分束器可以是50/50分束器，其中入射于分束器上的辐射310可被均匀地分开以产生具有相等强度的第一或反射部分325和第二或透射部分345。第一或反射部分325导向通过第一滤波器330(例如参考滤波器)和第一科勒透镜335(例如参考科勒透镜)至第一光电二极管340(例如参考光电二极管)上。第二或透射部分345导向通过第二滤波器350或主动滤波器和第二科勒透镜355(例如主动科勒透镜)至第二光电二极管360(例如主动光电二极管)上。场阑390可包括于第一滤波器330的进入面附近且场阑395可包括于第二滤波器350的进入面附近。场阑390和395可发挥作用以控制到达滤波器330和350且因此接收于光电二极管340和360上的辐射量。场阑390(参考场阑)和场阑395(主动场阑)可取决于接收器单元的特定使用而调整且可被定制以符合特定需求。例如，一些应用需要±1°视场以限制相邻发射器信号进入接收器单元中，但其它应用可容许±1.5°视场，其可具有更大场对准误差容许度和更长维护呼叫周期。一般来说，接收器单元的大型视场(FOV)可在环境改变期间允许更大发射器至接收器束对准误差，这可在初始场安装对准期间导致增加的维护时间间隔和更有效的发射器检测。在实施方式中，主动场阑395的直径可大于参考场阑390的直径。在这个实施方式中，如果场对准不在规格内，那么可能获得假或负气体读数。关于非成像系统305的布置，辐射可由接收器单元110接收并从零偏移位置375偏移了分别由365和370表示的±1°且仍可被操作来从光电二极管340和360解析信号。图3的布置通过包括接收器单元的增加的视场(FOV)，接收器单元的延长的服务时间间隔(上门服务之间的时间量)和增加输出信号稳定性来提供优于常规设计的众多优点。
图4示出了图3的接收器单元110的非成像系统305中的某些组件的特写。至接收器单元110的传入辐射310可包括具有多于一个波长的辐射，例如，辐射310包括波长λ1和λ2。例如，辐射310可包括具有2.125μm的第一波长λ1和2.315μm的第二波长λ2。可取决于开路式气体检测器系统的操作条件而选择其它适合波长。辐射310入射于分束器320上，其可被操作来将辐射310分为第一或反射部分325和第二或透射部分345，其中第一或反射部分325和第二或透射部分345两者包括具有λ1和λ2两者的波长(例如，包括2.125μm和2.315μm的波长)的辐射。例如，分束器320可以是50％分束器，其中辐射310的50％反射至参考信道且辐射310的50％透射至主动信道。由分束器320分离的辐射的两个部分325和345将都包括具有波长λ1和λ2(例如，包括2.125μm和2.315μm的波长)的辐射。第一滤波器330和第二滤波器350可被操作来通过阻挡(即，吸收)一个波长或一个范围的波长和/或使其反射且使另一波长或另一范围的波长透射来选出所期望的波长或所期望范围的波长。在实施例中，第一滤波器330可被操作来使具有大约λ1(例如，大约2.125μm)的波长的辐射透射且第二滤波器350可被操作来使具有大约λ2(例如，大约2.315μm)的波长的辐射透射。接着具有大约λ1(例如，大约2.125μm)的波长的辐射提供至第一科勒透镜335和第一光电二极管340且具有大约λ2(例如，大约2.315μm)的波长的辐射提供至第二科勒透镜355和第二光电二极管360。
图5示出了根据本公开的实施方式的包括具有WDM滤波器的非成像系统505的接收器单元110的示例组件。虽然图5图示接收器单元110的多种组件、模块和/或特征，但是所属领域技术人员将认识到这些组件、模块和/或特征是示例性且接收器单元110可包括任何数量和类型的组件、模块和/或特征。
如图5中所示，接收器单元110的光学组件包括非成像系统505，借以辐射510通过接收器单元110的孔隙和物镜515接收且提供至检测器或光电二极管540和560。物镜515布置于接收器单元110内的孔隙122附近以将辐射510聚集和导向至光学元件520。在实施方式中，光学元件520可以是波分多路复用(WDM)滤波器，其可被操作来通过波长使辐射510分离。例如，WDM滤波器可被操作来使辐射510分离为第一波长部分525和第二波长部分545。第一波长部分525导向通过第一滤波器530(例如参考滤波器)和第一科勒透镜535(例如参考科勒透镜)且至第一光电二极管540(例如参考光电二极管)上。第二波长部分545导向通过第二滤波器550(例如主动滤波器)和第二科勒透镜555(例如主动科勒透镜)至第二光电二极管560(例如主动光电二极管)上。关于非成像系统505的布置，辐射可由接收器单元110接收并从零偏移位置575偏移了分别由565和570表示的±1°或更大且仍可被操作来从光电二极管540和560解析信号。类似于场阑390和395的场阑590和595还可被包括且如关于图3讨论的场阑般发挥作用。
图6示出了图5的接收器单元110的非成像系统505的某些组件的特写视图。虽然图6图示接收器单元110的多种组件、模块和/或特征，但是所属领域技术人员将认识到这些组件、模块和/或特征是示例性且接收器单元110可包括任何数量和类型的组件、模块和/或特征。
如图6中所图示，与接收器单元的第一滤波器530和第二滤波器550组合的WDM滤波器520可被操作来通过波长使入射辐射510分离。在所示的实施例中，WDM滤波器520可被操作来使包括大约λ1的第一波长和大约λ2的第二波长两者的传入辐射510分离。例如，第一波长λ1可以是大约2.125μm且第二波长λ2可以是大约2.315μm。WDM滤波器520可通过使大约100％的第一波长λ1(例如，2.125μm)反射至参考信道且使大约100％的第二波长λ2(例如，2.315μm)透射至主动信道来使辐射510分离。WDM滤波器将入射辐射510的第一波长部分λ1525导向至第一滤波器530和第一科勒透镜535直至第一光电二极管540且将入射辐射510的第二波长部分λ2545导向至第二滤波器550和第二科勒透镜555直至第二光电二极管560。第一滤波器530和第二滤波器550可被操作来通过阻档(即，吸收)一个波长或一个范围的波长和/或使其反射且使另一波长或另一范围的波长透射来选出所期望的波长或所期望范围的波长。在实施例中，第一滤波器530可被操作来使具有第一波长λ1(例如，大约2.125μm的波长)的辐射透射且第二滤波器550可被操作来使具有第二波长λ2(例如，大约2.315μm的波长)的辐射透射。接着具有第一波长λ1(例如，大约2.125μm的波长)的辐射提供至第一科勒透镜535和第一光电二极管540且具有第二波长λ2(例如，大约2.315μm的波长)的辐射提供至第二科勒透镜555和第二光电二极管560。WDM滤波器还可如上文在具有分束器的图2的布置中所讨论般发挥作用。
图7示出了图3和图5的非成像光学系统的某些组件的特写视图。虽然图7图示接收器单元110的多种组件、模块和/或特征，但是所属领域技术人员将认识到这些组件、模块和/或特征是示例性且接收器单元110可包括任何数量和类型的组件、模块和/或特征。
如图7中所示，辐射示出于五个代表性位置上，其进入第一滤波器330或530和第一科勒透镜335或535且至光电二极管340或540的示例性1mm直径的主动区域上。同样地，这个布置可图示辐射进入第二滤波器350或550和第二科勒透镜355或555且至光电二极管360或560的示例性1mm大小的主动区域上。五个位置包括零偏移位置(0°)710、分别±0.5°偏移715和720和分别±1°偏移725和730。入射于光电二极管740的主动区域上的光点735趋向于大于740的主动区域的大小。例如，光点735的直径可以在大约1mm与1.5mm之间。在这个实施例中，当接收器单元110将具有±1°对准误差的辐射接收至具有1mm直径的主动区域的光电二极管上时，主动区域仍可被操作来完全接收辐射。因此，这个布置允许接收单元的制造、安装和/或操作期间的对准需求变得容易。类似于场阑390和395的场阑750还可以被包括且如关于图3讨论的场阑般发挥作用。
图8示出了类似于图3和图5的接收器单元的特写视图，其中传入辐射在对准误差的两个状态中。零偏移辐射805连同分别±1°对准误差辐射810和815一起示出，其由图3的分束器320或图5的WDM滤波器520分离。通过分束器320或WDM滤波器520使第一辐射部分提供至第一滤波器330或530和第一科勒透镜335或535且至第一光电二极管340或540上且使第二辐射部分提供至第二滤波器350或550和第二科勒透镜355或555且至第二光电二极管360或560上。类似于那些场阑390和395的场阑850和855还可被包括且如关于图3讨论的场阑般发挥作用。非成像光学器件的布置在不损失光电二极管上的信号质量下允许传入辐射的至多±1°对准误差。
图9示出了根据本公开的实施方式的另一示例接收器。虽然图9图示接收器单元905的多种组件、模块和/或特征，但是所属领域技术人员将认识到这些组件、模块和/或特征是示例性且接收器单元965可包括任何数量和类型的组件、模块和/或特征。
如图9中所图示，辐射910通过接收器单元905的孔隙和物镜915接收且提供至检测器或光电二极管945和955。物镜915布置于接收器单元965内的孔隙附近以将辐射910聚集和导向至光学元件920和925。在实施方式中，光学元件920可以是带通滤波器，其可被操作来使具有(例如)大约第一波长λ1与大约第二波长λ2之间的波长的辐射透射且光学元件925可以是波分多路复用(WDM)滤波器，其可被操作来通过波长使辐射910分离。例如，WDM滤波器可被操作来使辐射910分离为第一波长部分930和第二波长部分935。第一波长部分930导向通过第一科勒透镜940(例如，参考科勒透镜)且至第一光电二极管945(例如，参考光电二极管)上。第二波长部分935导向通过第二科勒透镜950至第二光电二极管955(例如，主动光电二极管)上。类似于那些场阑390和395的场阑960和965还可被包括且如关于图3讨论的场阑般发挥作用。关于非成像系统905的布置，辐射可以由接收器单元905接收并从零偏移位置偏移了±1°且仍可操作来从光电二极管945和955解析信号。
图10示出了根据本教导的实施方式的由WDM滤波器修改的示例光谱(强度对波长)。在1005处，透射光谱示出为具有波长λ1和λ2的宽峰。在1010处，透射示出为由WDM滤波器修改，其中λ1处或大约λ1处的辐射由WDM滤波器反射且λ2处或大约λ2处的辐射由WDM滤波器透射。在1015处，1005和1010的光谱和在波长λ1和λ2处或大约波长λ1和λ2处具有不同透射峰值。
图11示出了根据本教导的实施方式的由WDM滤波器修改的另一示例光谱(强度对波长)。光电二极管的光谱响应范围可横跨涵盖λ1和λ2的波长范围。例如，光谱响应范围可包括大约1.2μm与大约2.6μm之间的范围。在1105处，光谱示出为在波长λ1处或大约波长λ1处(例如，2.125μm处或大约2.125μm处)具有谷值，这是由于辐射的这个部分由WDM滤波器反射且峰值在波长λ2处或大约波长λ2处(例如，2.315μm处或大约2.315μm处)，这是由于辐射的这个部分由WDM滤波器透射。在1110处，对于参考滤波器，光谱示出为在λ1处或大约λ1处具有透射峰值。在1115处，对于主动滤波器，光谱示出为在λ2处或大约λ2处具有透射峰值。在1120处，1105、1110和1115的和示出为在波长λ1和λ2处或大约波长λ1和λ2处具有不同透射峰值。
图12示出了接收器光轴在非刻意对准误差期间时的图2、图3、图5和图9的光学系统的性能的图。在图12中，在暴露于零气体水平期间存在上和下比率行动阈值水平。上阈值水平错误地表明“负气体”，其通常由极端对准误差或部分束阻挡引起。下阈值水平表明易燃气体的错误存在。比率阈值之间的空间指示安全操作。随着比率低于下水平，指示气体的危险水平。成像光学系统倾向于在对准误差情境期间产生明显误差，诸如因大风弯曲的安装杆或穿过机车引起的地面局部下沉或海洋应用中因波浪作用弯曲的船体。顶帽光束形状减轻对准误差问题。
图13示出了照度图，其将成像和非成像光学系统的光学性能图示为角对准误差上所对应的强度的测量。中心两个尖锐集中的峰值1305和1310展示在成像光学设计中对准误差的角改变时，主动和参考光电二极管上的照明的改变。示出了具有顶帽光学器件的非成像光学系统的可比较扫描来用于比较。光强度在两个光电二极管中几乎均匀而示出了对准误差稳定性上的改善。在图中，两组曲线下的功率几乎相等。
以上描述是说明性且所属领域技术人员可想到会发生构造和实施方式的变化。描述为单数或整合的其它资源在实施方式中可以是复数或分布式，且描述为多个或分布式的资源在实施方式中可被组合。本教导的范围相应地旨在只由以下权利要求书所限制。

Claims (21)

1.一种开路式气体检测器，其包括：
光学元件，其可被操作来从物镜光学元件接收辐射且使所述辐射分离为第一辐射部分和第二辐射部分；
第一束成形光学元件，其可被操作来接收所述第一辐射部分；
第一光电二极管，其包括第一主动感测区域，其可被操作来从所述第一束成形光学元件接收所述第一辐射部分；
滤波器，其可被操作来接收所述第二辐射部分且对其滤波以产生第二滤波辐射部分；
第二束成形光学元件，其可被操作来接收所述第二滤波辐射部分；和
第二光电二极管，其包括第二主动感测区域，其可被操作来从所述第二束成形光学元件接收所述第二滤波辐射部分，且其中
所述第一束成形光学元件和所述第二束成形光学元件可被操作来跨越所述第一光电二极管的整个第一主动感测区域和所述第二光电二极管的所述主动感测区域提供大体上均匀的照明强度分布。
2.根据权利要求1所述的开路式气体检测器，其中所述光学元件包括分束器。
3.根据权利要求1所述的开路式气体检测器，其中所述光学元件包括波分多路复用(WDM)滤波器。
4.根据权利要求1所述的开路式气体检测器，其进一步包括参考滤波器，所述参考滤波器可被操作来接收所述第一辐射部分且对其滤波以产生将提供至所述第一光电二极管的第一滤波辐射部分。
5.根据权利要求2所述的开路式气体检测器，其中所述分束器可被操作来产生具有大体上相等强度的所述第一辐射部分和所述第二辐射部分。
6.根据权利要求3所述的开路式气体检测器，其中所述WDM滤波器可被操作来通过波长使所述辐射分离。
7.根据权利要求1所述的开路式气体检测器，其中所述光学元件、所述物镜光学元件、所述滤波器、所述第一束成形光学元件和所述第二束成形光学元件的任何一个或组合包括反射光学组件、折射光学组件或反射光学组件和折射光学组件两者。
8.根据权利要求1所述的开路式气体检测器，其进一步包括：
参考场阑，其定位于所述光学元件与所述第一束成形光学元件之间的所述第一辐射部分的焦点附近；和
主动场阑，其定位于所述光学元件与所述第二束成形光学元件之间的所述第二辐射部分的焦点附近。
9.根据权利要求8所述的开路式气体检测器，其中所述参考场阑包括具有小于所述主动场阑的孔隙的直径的孔隙。
10.根据权利要求9所述的开路式气体检测器，其中所述主动场阑的所述孔隙和所述参考场阑的所述孔隙可被调整来补偿由所述光学元件接收的所述辐射的对准上的改变。
11.根据权利要求1所述的开路式气体检测器，其中所述第一束成形光学元件和所述第二束成形光学元件包括一个或多个科勒透镜、一个或多个复眼式透镜、一个或多个微透镜阵列、一个或多个微透镜均束器、一个或多个刻面管、一个或多个复合抛物面透镜和其组合的任何一个或组合。
12.一种开路式气体检测器，其包括：
光学元件，其可被操作来从物镜光学元件接收辐射且使所述辐射分离为第一辐射部分和第二辐射部分，其中，所述光学元件是波分多路复用(WDM)滤波器，其可被操作来使所述辐射分离为第一波长部分和第二波长部分；
第一光电二极管，其包括第一主动感测区域，其可被操作来接收所述第一波长部分；
第二滤波器，其可被操作来接收所述第二波长部分且对其滤波以产生第二滤波波长部分；和
第二光电二极管，其包括第二主动感测区域，其可被操作来从所述第二滤波器接收所述第二滤波波长部分。
13.根据权利要求12所述的开路式气体检测器，其中所述物镜光学元件包括反射光学组件、折射光学组件或反射光学组件和折射光学组件两者。
14.根据权利要求12所述的开路式气体检测器，其进一步包括参考滤波器，所述参考滤波器可被操作来接收所述第一波长部分且对其滤波以产生将提供至所述第一光电二极管的第一滤波波长部分。
15.根据权利要求12所述的开路式气体检测器，其进一步包括：
参考场阑，其定位于所述光学元件与第一科勒透镜之间的所述第一辐射部分的焦点附近；和
主动场阑，其定位于所述光学元件与第二科勒透镜之间的所述第二辐射部分的焦点附近。
16.根据权利要求15所述的开路式气体检测器，其中所述参考场阑包括具有小于所述主动场阑的孔隙的直径的孔隙。
17.根据权利要求16所述的开路式气体检测器，其中所述主动场阑的所述孔隙和所述参考场阑的所述孔隙可被调整来补偿由所述光学元件接收的所述辐射的对准上的改变。
18.根据权利要求12所述的开路式气体检测器，其中第一科勒透镜和第二科勒透镜可被操作来跨越所述第一光电二极管的所述第一主动感测区域和所述第二光电二极管的所述第二主动感测区域的整个部分提供大体上均匀的照明强度分布。
19.根据权利要求12所述的开路式气体检测器，其中提供至所述第一光电二极管的所述第一主动感测区域和所述第二光电二极管的所述第二主动感测区域的所述辐射包括跨越所述第一光电二极管的所述第一主动感测区域和所述第二光电二极管的所述第二主动感测区域的整个部分的大体上均匀的照明强度分布。
20.根据权利要求12所述的开路式气体检测器，其中所述检测器包括允许发射器至接收器对准误差的足够大小的视场。
21.根据权利要求12所述的开路式气体检测器，其中额外WDM滤波器被构造来允许不同波长下的多个信道检测多个气体。
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