CN105259125B - 室内气体的遥测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种室内气体的遥测装置及方法，所述室内气体的遥测装置包括：光源，所述光源用于发出测量光；光偏转模块，所述光偏转模块用于改变整个测量光的行进方向；探测器，所述探测器用于将接收到的所述测量光在待测区域内的反射光转换为电信号；分析模块，所述分析模块根据光谱技术处理接收到的所述电信号，从而获得室内气体的含量。本发明具有精度高、结构简单、体积小、低成本等优点。
Description
技术领域
本发明涉及光电分析，特别涉及室内气体的遥测装置及方法。
背景技术
天然气是一种易燃易爆气体，其主要成分是甲烷，爆炸极限为5％-16％。近几年在全国各地因燃气管道泄漏引发的爆炸事故时有发生，给居民的生命财产安全造成巨大的威胁。为此，燃气公司需要对天然气用户室内天然气设备的泄漏情况进行定期安全检测和不定期抽查。
目前广泛应用的室内天然气泄漏检测设备多基于电学方法，如催化燃烧式气体传感器、半导体金属氧化物气敏传感器、热传导式可燃气体传感器。但检测作业需要与物业、住户协调配合，使得室内燃气安检工作难度大、周期长、效率低，浪费了大量的人力物力。激光遥测仪是目前使用广泛的隔窗遥测室内天然气泄漏的装置。
激光气体遥测仪是目前使用广泛的隔窗遥测室内天然气泄漏的装置。操作者可以在安全区域内有效地检测难以到达甚至不能到达的区域，使用激光气体遥测仪不仅有效的提高了巡检的效率和质量，而且可以使得原来不能到达或不易到达的地方的巡检变为可能。但目前的隔窗激光气体遥测仪普遍存在的问题是，由于玻璃的阻隔，入射激光束会在窗玻璃的两侧界面产生反射光束1和反射光束2，反射光束间会在探测器上形成干涉，大大降低了对气体特征吸收峰的检测精度。
发明内容
为解决上述现有技术方案中的不足，本发明提供了一种检测精度高、应用领域广、安全的室内气体的遥测装置。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种室内气体的遥测装置，所述室内气体的遥测装置包括：
光源，所述光源用于发出测量光；
光偏转模块，所述光偏转模块用于改变整个测量光的行进方向；
探测器，所述探测器用于将接收到的所述测量光在待测区域内的反射光转换为电信号；
分析模块，所述分析模块根据光谱技术处理接收到的所述电信号，从而获得室内气体的含量。
根据上述的室内气体的遥测装置，优选地，所述光偏转模块进一步包括：
楔形透射器件，所述楔形透射器件固定在连接件的一侧，所述测量光穿过所述楔形透射器件；
连接件，所述连接件的另一侧固定有至少二个距离调节器；
至少二个距离调节器，所述至少二个距离调节器的长度可调，用于调整所述连接件相对于测量光的倾斜程度。
根据上述的室内气体的遥测装置，优选地，所述距离调节器是压电材料。
根据上述的室内气体的遥测装置，可选地，所述室内气体的遥测装置进一步包括：
无人机，所述光源、光偏转模块及探测器安装在所述无人机上。
根据上述的室内气体的遥测装置，优选地，所述分析模块安装在所述无人机上。
本发明的目的还在于提供了一种检测精度高、应用领域广的室内气体的遥测方法，该发明目的通过以下技术方案得以实现：
室内气体的遥测方法，所述室内气体的遥测方法包括以下步骤：
(A1)光源发出的测量光穿过光偏转模块后射入室内，并被反射；
(A2)探测器将接收到的反射光转换为电信号，并传送到分析模块；
若测量光在不同反射体的反射光间的干涉超出阈值，进入步骤(A3)；
若所述干涉不超出阈值，进入步骤(A4)；
(A3)调整光偏转模块相对测量光的倾斜度，使得穿过所述光偏转模块的测量光发生偏转，从而调整测量光在反射体上的入射角度，进入步骤(A1)；
(A4)分析模块根据吸收光谱技术得出室内待测气体的浓度。
根据上述的室内气体的遥测方法，优选地，所述光偏转模块的调整方式为：
调整安装在连接件一侧的至少二个距离调节器的长度，使得安装在所述连接件另一侧的楔形透射器件相对测量光的倾斜程度发生变化，从而调整测量光穿过所述楔形透射器件后的偏转角度。
根据上述的室内气体的遥测方法，优选地，所述距离调节器采用压电材料。
根据上述的室内气体的遥测方法，优选地，在步骤(A2)中，若所述干涉超出阈值，则调整施加到所述距离调节器上的电压值。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：
1.检测准确
实时监测在测量光在窗玻璃上的反射光束间的干涉作用，当干涉产生的噪声超出阈值后，通过调整测量光的偏转程度而调整测量光在窗玻璃上的入射角度，从而避免干涉，也即保证了检测精度；
2.应用领域广
将遥测装置安装在无人机上，使得可检测楼宇不同楼层的室内气体含量，无需操作人员进入室内检测，提高了检测效率，也保证了人员的生命安全。
附图说明
参照附图，本发明的公开内容将变得更易理解。本领域技术人员容易理解的是：这些附图仅仅用于举例说明本发明的技术方案，而并非意在对本发明的保护范围构成限制。图中：
图1是根据本发明实施例1的室内气体遥测装置的结构简图；
图2是根据本发明实施例的光偏转模块的结构简图。
具体实施方式
图1-2和以下说明描述了本发明的可选实施方式以教导本领域技术人员如何实施和再现本发明。为了教导本发明技术方案，已简化或省略了一些常规方面。本领域技术人员应该理解源自这些实施方式的变型或替换将在本发明的范围内。本领域技术人员应该理解下述特征能够以各种方式组合以形成本发明的多个变型。由此，本发明并不局限于下述可选实施方式，而仅由权利要求和它们的等同物限定。
实施例1：
图1示意性地给出了本发明实施例的一种室内气体的遥测装置的结构简图，如图1所示，所述室内气体的遥测装置包括：
光源，如半导体激光器，所述光源用于发出测量光，测量光的波长对应于待测气体的吸收谱线；
光偏转模块，所述光偏转模块用于调整整个测量光(测量光的所有光线)的行进方向，如图2所示，所述光偏转模块包括：
楔形透射器件11，所述楔形透射器件的光入射面和光出射面均为平面，之间保持倾斜，所述楔形透射器件固定在连接件的一侧；
连接件21，如平台，所述连接件的另一侧固定有至少二个距离调节器；
至少二个距离调节器31、32，所述至少二个距离调节器采用压电材料，使得在施加电压的情况下长度可调，用于调整所述连接件相对于测量光的倾斜程度。
探测器，所述探测器用于将接收到的所述测量光在待测区域内的反射光转换为电信号；
分析模块，所述分析模块根据光谱技术处理接收到的所述电信号，从而获得室内气体如甲烷的含量，分析模块是本领域的现有技术，在此不再赘述；
无人机，上述光源、光偏转模块、探测器及分析模块安装在所述无人机上。
本发明实施例的室内气体的遥测方法，所述室内气体的遥测方法包括以下 步骤：
(A1)无人机飞到不同的楼层，光源发出的测量光穿过光偏转模块后射入室内，并被窗玻璃反射；
(A2)探测器将接收到的反射光转换为电信号，并传送到分析模块；
若测量光在不同反射体的反射光间的干涉超出阈值，进入步骤(A3)；
若所述干涉不超出阈值，进入步骤(A4)；
(A3)调整光偏转模块相对测量光的倾斜度，使得穿过所述光偏转模块的测量光发生偏转(测量光的所有光线发生偏转，而非仅调整测量光中部分光线的偏转，如凸透镜、凹透镜对光束中部分光线的偏转作用)，从而调整测量光在反射体上的入射角度，进入步骤(A1)；具体调整方式为：
调整安装在连接件一侧的至少二个距离调节器的施加电压，使其长度变化，使得安装在所述连接件另一侧的楔形透射器件相对测量光的倾斜程度发生变化，从而调整测量光穿过所述楔形透射器件后的偏转角度；
(A4)分析模块根据吸收光谱技术得出室内待测气体如甲烷的浓度，具体计算方式可参见专利CN1204391C。
实施例2：
本发明实施例的一种室内气体的遥测装置，所述室内气体的遥测装置包括：
仅有的一个光源，如半导体激光器，所述光源用于发出脉冲光及测量光，测量光的波长对应于待测气体的吸收谱线；
光偏转模块，所述光偏转模块包括：
楔形透射器件，所述楔形透射器件的光入射面和光出射面均为平面，之间保持倾斜，所述楔形透射器件固定在连接件的一侧；
马达，所述楔形透射器件安装在所述马达的转动轴上，通过启动马达去调整所述光入射面相对测量光的倾斜角度，从而调整整个测量光(即所有光线)穿过楔形透射器件后的偏转角度，而非仅调整测量光中部分光线的偏转，如凸透镜、凹透镜对光束中部分光线的偏转作用；
仅有的一个探测器，仅有的一个探测器用于将接收到的被室内不同反射物反射回来的脉冲光信号转换为第一组电信号、以及将接收到的经室内待测气体吸收后并被室内反射物反射回来的测量光转换为第二电信号，并传送到分析模块；
分析模块，所述分析模块根据所述探测器得到第一组电信号的时间Δt差得出距离以及根据吸收光谱技术得出室内待测气体如甲烷的含量C：
d为室内窗户到墙壁的距离；K为标定系数；b0为零点系数；V2f为气体吸收二次谐波信号的强度；V1f为气体吸收一次谐波信号的强度；S(T)为吸收谱线的温度变化函数；B(P,T)为吸收谱线温度压力补偿关系函数；
无人机，上述光源、光偏转模块、探测器及分析模块安装在所述无人机上；
机载定位单元，所述机载定位单元包括：
摄像机，所述摄像机安装在所述无人机上；
存储器，所述存储器用于存储所述摄像机传送来的图像；
比对模块，所述比对模块用于比对图像及模板，偏差传送到控制模块；所述模板是所述摄像机拍摄的作为标准楼宇窗户的图像；所述比对模块提取图像中窗户的角点(角点提取可使用Harris算法或其他类似的图像特征提取算法)，与模板中窗户的角点对比；如果角点在图像的位置以及相互的角度、距离与模板基本一致(可以设定三个比较阈值，当位置、角度和距离均小于给定阈值时，认为一致)，则匹配成功，表示定位成功。
控制模块，所述控制模块用于调整所述旋翼无人机的空间位置及所述摄像机的姿态。
本发明实施例的室内气体的遥测方法，所述室内气体的遥测方法包括以下步骤：
定位步骤：需要调整无人机的位置，在楼房一层窗户外合适的检测位置处 拍摄一幅模板图像并存储；
无人机爬升一定高度，该高度约等于楼房的层高。爬升的高度可以通过GPS控制，或者操作员大概估计一个高度。无人机悬停之后，所携带的摄像机拍摄一幅图像，软件提取图像上窗户的角点(角点提取可使用Harris算法或其他类似的图像特征提取算法)，然后与模板图像上窗户的角点位置进行匹配，如果角点在图像的位置以及相互的角度、距离与模板基本一致(可以设定三个比较阈值，当位置、角度和距离均小于给定阈值时，认为一致)，则匹配成功，表示定位成功，进入遥测步骤。如果上述信息差异较大，说明定位失败。
如果定位失败，尝试旋转无人机或者旋转所携带的摄像机一定角度，再次拍摄图像，按照上述匹配方法与模板图像进行匹配，如果匹配成功，则表示定位成功，进入遥测步骤。
如果调整无人机及摄像机姿态之后仍然未成功，则需要调整无人机的高度，上升或者下降一定距离，然后重复上述步骤，直到定位成功；
(A1)光源发出的测量光穿过光偏转模块后射入室内，并被窗玻璃、墙壁反射；
(A2)探测器将接收到的反射光转换为电信号，并传送到分析模块；
若测量光在不同反射体的反射光间的干涉超出阈值，进入步骤(A3)；
若所述干涉不超出阈值，进入步骤(A4)；
(A3)调整光偏转模块相对测量光的倾斜度，使得穿过所述光偏转模块的测量光发生偏转，从而调整测量光在反射体上的入射角度，进入步骤(A1)；具体调整方式为：
启动马达旋转，使得安装在所述马达的转动轴上的楔形透射器件相对测量光的倾斜程度发生变化，从而调整测量光穿过所述楔形透射器件后的偏转角度；
(A4)激光器发出的脉冲光分别被窗户和墙壁反射，反射光到达探测器的时间不同，输出的第一组电信号传送到分析模块；
激光器发出的测量光射入室内，被室内气体吸收，并被墙壁反射，通过分 析探测器接收到的对应于待测气体的吸收谱线的测量光的强度的变化，输出的第二电信号通过无线方式传送到分析模块；
分析模块利用探测器接收到的第一电信号的时间差得到窗户到墙壁的距离d，进而根据公式及第二电信号得到待测气体如甲烷含量。
Claims (2)
1.一种室内气体的遥测装置，其特征在于，所述室内气体遥测装置安装于旋翼无人机上，所述室内气体的遥测装置包括：
光源，所述光源用于发出测量光；
光偏转模块，所述光偏转模块用于改变整个测量光的行进方向；
探测器，所述探测器用于将接收到的所述测量光在待测区域内的反射光转换为电信号；
分析模块，所述分析模块根据光谱技术处理接收到的所述电信号，若测量光在不同反射体的反射光间的干涉超出阈值，则调整光偏转模块相对测量光的倾斜度，使得穿过所述光偏转模块的测量光发生偏转，从而调整测量光在反射体上的入射角度；若测量光在不同反射体的反射光间的干涉未超出阈值，根据吸收光谱技术获得室内气体的含量；
所述光偏转模块进一步包括：
楔形透射器件(11)，所述楔形透射器件的光入射面和光出射面均为平面，之间保持倾斜，所述测量光穿过所述楔形透射器件；
马达，所述楔形透射器件(11)安装在所述马达的转动轴上，通过启动马达去调整所述光入射面相对测量光的倾斜角度，从而调整测量光穿过楔形透射器件后的偏转角度；
比对模块，所述比对模块用于比对图像及模板中窗户的角点，并将偏差传送到控制模块；提取图像如果角点在图像的位置以及相互的角度、距离与模板均小于预设阈值，则表示比对一致；所述模板是摄像机拍摄的作为标准楼宇窗户的图像；
控制模块，所述控制模块用于调整所述旋翼无人机的空间位置及所述摄像机的姿态。
2.一种室内气体的遥测方法，应用于权利要求1所述的遥测装置，所述方法包括以下步骤：
(A1)光源发出的测量光穿过光偏转模块后射入室内，并被反射；
(A2)探测器将接收到的反射光转换为电信号，并传送到分析模块；若测量光在不同反射体的反射光间的干涉超出阈值，进入步骤(A3)；若所述干涉不超出阈值，进入步骤(A4)；
(A3)调整光偏转模块相对测量光的倾斜度，使得穿过所述光偏转模块的测量光发生偏转，从而调整测量光在反射体上的入射角度，进入步骤(A1)；
(A4)分析模块根据吸收光谱技术得出室内待测气体的浓度。
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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 | ||
| CP03 | Change of name, title or address |
Address after: No.2 building, no.468 xinlai Road, Jiading District, Shanghai, 201821 Patentee after: Shanghai Hesai Technology Co., Ltd Address before: Room 306, building A4, 925 Yecheng Road, Jiading District, Shanghai, 201821 Patentee before: HESAI PHOTONICS TECHNOLOGY Co.,Ltd. |
|
| CP03 | Change of name, title or address | ||
| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |
Address after: No.2 building, no.468 xinlai Road, Jiading District, Shanghai, 201821 Patentee after: Shanghai Hesai Technology Co.,Ltd. Address before: No.2 building, no.468 xinlai Road, Jiading District, Shanghai, 201821 Patentee before: Shanghai Hesai Technology Co., Ltd |
|
| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |