CN105300912B - 基于吸收光谱遥感技术的多种危险气体监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于吸收光谱遥感技术的多种危险气体监测系统，包括空中系统和地面系统，所述空中系统包括飞行器平台和搭载于飞行器平台上的激光雷达模块；所述激光雷达模块包括：激光发射子模块、激光回波接收子模块、气体浓度自标定子模块。本发明能够同时检测多种危险气体，并能确定各种危险气体的浓度，并利用飞行器搭载，可以远离地面工作在空中，实现对危险气体泄漏源和危险气体扩散的安全距离的测定和定位等反向追踪功能，在电子地图上实时准确描绘出各个空间点位置上不同危险气体的实时分布图和扩散趋势图。

Description

基于吸收光谱遥感技术的多种危险气体监测系统

技术领域

本发明涉及多种危险气体同时测量方法，具体地，涉及基于吸收光谱遥感技术的多种危险气体监测系统，尤其是一种基于红外吸收光谱遥感技术的自由空间多组分危险气体远程(飞行器，或无人)机载测量和反向追踪定位的系统。

背景技术

从检测原理进行分类，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。

现有技术存在的不足之处主要在于：

-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：上述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；上述2)、3)、5)、6)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。另外，光谱吸收气体测量法是一种可以实现对自由空间气体进行遥测的方法，但现有基于光谱吸收的技术中，要么一台仪器只能检测出一种危险气体，并能确定危险气体的类型；要么一台仪器能同时检测出多种危险气体，但不确定各种危险气体的类型；仪器只能定点检测，或者在地面附近由人或者车载工具移动检测；仪器不能给出危险气体的具体浓度值，或者给出的浓度值不够准确，只能用于超限报警。

经检索，发现如下相关专利文献。

申请(专利)号：CN200720020787.3

名称：实时移动遥测有毒易燃气体的检测仪

该专利文献公开了一种实时移动遥测有毒易燃气体的检测仪，由反射镜、镜筒、防尘片、光电探测器、激光器、准直镜DSP信号处理器和激光驱动器组成，反射镜安装在镜筒的左端部，凹面向右，在反射镜的聚焦点处安装有光电探测器和DSP信息处理器的接口；在镜筒的右端部安装有激光器准直镜和激光驱动器的接口，准直镜与光电探测器和反射镜同轴线；激光驱动器及DSP信息处理器共同单独封装在一个仪器盒内，通过电缆和光纤分别与光电探测器和准直镜联接。在激光器准直镜与光电探测器之间设有防尘片，防尘片固定在镜筒上。

该专利文献的缺点至少包括如下几点：

1、该专利文献公开的技术方案采用的激光接收系统是同轴单个非球面组成的反射式结构形式，接收系统受单个镜面校正大视场像差能力的限制，轴外大视场的成像存在很大的像散和彗差，所以无法满足多路激光系统地物目标的同时接收，从而无法实现多组分危险气体的同时探测。这种同轴式结构无法避免对激光信号中心遮拦的问题，至少激光回波能量的25％被损失，系统通过增大口径来弥补能量，但是仪器体积增大，为了实现同等能力的探测灵敏度，光学设计的难度增加；这种结构中的主镜面中心一般为开孔形式，是为了实现激光能量的收集，但是往往存在轴外视场直射杂散光的问题，从而干扰正常成像；大视场、快焦比、宽波段、无任何中心遮拦透射式结构相比同等口径反射式结构而言，光学效率更高，成像质量优良，光学容差更大，仪器容易实现、抗振性能好、且外形尺寸更紧凑。

2、该专利文献公开的技术方案的使用范围限于检测生产现场和非生产现场的有毒易燃气体的浓度，主要局限于地面附近，检测范围有限。要想远离地面在空中工作，实现在一定空域范围内移动检测的问题，必须依赖于飞行器。

3、该专利文献公开的技术方案仪器在探测器前没有加装滤光片，在有太阳光干扰的外场条件下不能正常完成气体检测。

4、该专利文献公开的技术方案仪器本身没有自定标系统，检测现场的温度气压与出厂标定时的温度气压发生变化时，很难准确给出各种危险气体的浓度信息。

5、该专利文献公开的技术方案仪器局限于现场检测，很难在大区域的电子地图上准确描绘出各个空间点位置上不同危险气体的实时分布图和扩散趋势图。

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吸收光谱遥感技术的多种危险气体监测系统。

根据本发明提供的一种基于吸收光谱遥感技术的多种危险气体监测系统，包括空中系统，所述空中系统包括飞行器平台和搭载于飞行器平台上的激光雷达模块；

所述激光雷达模块包括：激光发射子模块、激光回波接收子模块、气体浓度自标定子模块；

所述激光发射子模块，用于向地面发射不同波长的激光，其中，各个波长与各种特定危险气体的吸收光谱特征峰之间分别一一对应；

激光回波接收子模块，用于接收被地面反射回的激光，得到反射激光数据；

气体浓度自标定子模块包括多组浓度标定组件，每组浓度标定组件包括依次设置的分束镜、气体吸收池以及光探测器B；各组浓度标定组件中的气体吸收池内分别充有已知浓度C_r的所述各种特定危险气体；在每组浓度标定组件中，分束镜用于对激光发射子模块发射的激光进行分束，并将分束得到的激光能量入射气体吸收池；光探测器B用于接收已经过气体吸收池的激光能量，得到吸收激光数据。

优选地，所述激光回波接收子模块包括依次设置的光学镜片组、多组激光回波接收组件；

光学镜片组用于将从地面反射回的激光收集提供给各组激光回波接收组件；

每组激光回波接收组件包括依次设置的滤光片A以及光探测器A；从地面反射回的激光经过滤光片A射向光探测器A，进而光探测器A得到反射激光数据；

其中，各组激光回波接收组件中的滤光片A所选取的波长与各种特定危险气体的吸收光谱特征峰之间分别一一对应。

优选地，气体吸收池是长条形的密封玻璃管，玻璃管长度方向上的两端分别是入射窗口、出射窗口。

优选地，还包括数字信号处理单元；

所述数字信号处理单元，用于根据所述反射激光数据、吸收激光数据，计算待测气体的浓度值C_a。

优选地，所述反射激光数据包括P_1fa、P_2fa；所述吸收激光数据包括P_1fr、P_2fr；

所述计算待测气体的浓度值的计算公式如下：

其中，C_a表示待测气体的浓度，C_r表示气体吸收池中特定危险气体的已知浓度，P_1fa、P_2fa分别表示被光探测器A接收到的所述被地面反射回的激光的一次谐波值、二次谐波值，P_1fr、P_2fr分别表示经过气体吸收池后被光探测器B接收到的激光能量的一次谐波值、二次谐波值。

优选地，所述光学镜片组采用透射式光学镜片组，其中，所述透射式光学镜片组由两组复式透镜组成，每组复式透镜包含一片凸透镜和一片凹透镜；所述透射式光学镜片组中的两片凸透镜和两片凹透镜共四片透镜共轴设置。

优选地，还包括地面系统；

所述地面系统包括数据接收模块，其中，所述数据接收模块用于接收来自空中系统的数据；

所述地面系统还包括如下任一个或任多个模块：

飞行器地面控制模块，用于控制飞行器平台的飞行路线、飞行速度、飞行高度；

光谱处理与气体反演模块，用于根据来自空中系统的数据进行待测气体浓度的反演；

数据分析模块，用于根据来自空中系统的数据进行待测气体浓度的扩散趋势分析；

数据回放显示模块，用于对存储于地面系统中的历史数据进行回放显示；

数据实时显示模块，用于对所述来自空中系统的数据和/或地面系统生成的当前数据进行实时显示；

反向追踪功能模块，用于追踪待测气体的浓度梯度变化的方向，对飞行器平台的飞行路线的重新规划。

优选地，所述来自空中系统的数据包括待测气体的浓度；

所述反向追踪功能模块，用于根据实时得到的待测气体的浓度，得到相邻时刻的待测气体的浓度的变化值，根据变化值的正、负分别判断出待测气体的浓度的变化是浓度递增、浓度递减，进而按照浓度递增的追踪方向或者浓度递减的追踪方向规划出飞行器平台的飞行路线。

优选地，所述来自空中系统的数据包括待测气体的浓度；所述光谱处理与气体反演模块，用于反演从地面到飞行器平台路径上的待测气体的路径浓度，其中，所述路径浓度，是指：激光束行进的路径上的积分浓度。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1)一台仪器能够同时检测多种危险气体，并能确定各种危险气体的类型；

2)仪器由飞行器搭载，可以远离地面工作在空中，并在一定空域范围内移动检测。

3)仪器自身具有自定标系统，可以准确给出各种危险气体的路径浓度值。

4)仪器的地面监控终端能够在电子地图上准确描绘出各个空间点位置上不同危险气体的实时分布图和扩散趋势图。

5)根据用户需求设置，可实现对危险气体泄漏源和危险气体扩散的安全距离的测定和定位等反向追踪功能。

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为空中系统工作原理图。

图2为探测器光谱响应曲线。

图3为气体吸收池的结构示意图。

图4为空中系统和地面系统的结构示意图。

图5为监测系统的结构原理图。

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，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

根据本发明提供的一种基于吸收光谱遥感技术的多种危险气体监测系统，包括空中系统和地面系统。

所述空中系统包括飞行器平台和搭载于飞行器平台上的激光雷达模块。

激光雷达模块用于实现对飞行器平台到地面这段路径上待测气体的探测，获取各种待测气体的路径浓度数据，激光雷达模块获取的各种待测气体的路径浓度数据，可以通过飞行器平台上的数传模块传输到地面系统；飞行器平台上还可以设置摄像模块以及卫星导航模块，其中，摄像模块实现激光光斑周围景物的拍摄，并把拍摄的图像数据通过数传模块传输到地面系统，卫星导航模块根据事先设定或地面系统提供的的监测飞行路线实现飞行器平台的自主导航。

所述激光雷达模块包括：激光发射子模块、激光回波接收子模块、气体浓度自标定子模块；

所述激光发射子模块，用于向地面发射不同波长的激光，其中，各个波长与各种特定危险气体的吸收光谱特征峰之间分别一一对应；所述激光发射子模块主要由一组不同发射波长的激光器阵列及激光器阵列的控制电路组成，各个激光的发射波长对应各个特定危险气体的吸收光谱特征峰(所述对应，是指：激光的发射波长与特定危险气体的吸收光谱特征峰保持一致，比如甲烷气体的吸收光谱特征峰是1653.7nm，则选用的激光的发射波长也必须是1653.7nm)。这些激光从飞行器平台上朝向地面发射出去，到达地面后又被反射回到飞行器平台上，被所述激光回波接收子模块接收。

例如，激光发射子模块可以主要由一组6只不同发射波长的激光器阵列及其控制电路组成，各个波长对应特定危险气体的吸收光谱特征峰，这些激光波长和对应的危险气体(待测气体)分别包括：1268.7nm/HF；1512nm/NH₃；1532.68nm/C₂H₂；1567nm/CO；1578nm/H₂S；1653nm/CH₄。其中，符号/表示：待测气体对应的吸收波长/待测气体的分子式。

激光回波接收子模块，用于接收被地面反射回的激光，得到反射激光数据。激光在整个传输路径上如果不遭遇相应的危险气体，激光回波能量的衰减不显著，这种衰减主要来自于地面吸收和大气环境气体的散射，如果遭遇相应的危险气体，则激光回波能量的衰减较显著，除了被地面吸收和大气环境气体的散射之外，危险气体的吸收占据很大的比重。

气体浓度自标定子模块利用从激光发射子模块所发射激光中分出的能量，实现各种危险气体的浓度标定，是从地面到飞行器平台路径上危险气体浓度测量的依据。气体浓度自标定子模块包括多组浓度标定组件，每组浓度标定组件包括依次设置的分束镜、气体吸收池以及光探测器B；各组浓度标定组件中的气体吸收池内分别充有已知浓度C_r的所述各种特定危险气体；在每组浓度标定组件中，分束镜用于对激光发射子模块发射的激光进行分束，并将分束得到的激光能量入射气体吸收池；光探测器B用于接收已经过气体吸收池的激光能量，完成光电转换，得到吸收激光数据。

优选地，所述激光回波接收子模块包括依次设置的光学镜片组、多组激光回波接收组件；

光学镜片组用于将从地面反射回的激光收集提供给各组激光回波接收组件；

每组激光回波接收组件包括依次设置的滤光片A以及光探测器A；从地面反射回的激光经过滤光片A射向光探测器A，进而光探测器A完成光电转换得到反射激光数据；

其中，各组激光回波接收组件中的滤光片A所选取的波长与各种特定危险气体的吸收光谱特征峰之间分别一一对应。

优选地，气体吸收池是长条形的密封玻璃管，玻璃管长度方向上的两端分别是入射窗口、出射窗口。

在光探测器A与光探测器B之后可以设置光电信号处理子模块，所述光电信号处理子模块是一组电路板，实现光探测器弱信号的放大、模数转换、数字信号处理。光电信号处理子模块获取的数据进一步传递给所述数传模块。数传模块具体是一套无线数据发射模块，实现飞行器上激光雷达模块到地面系统之间的数据传递。

例如，光探测器弱信号放大采用一级或多级放大电路，实现电流信号到电压信号的转换，可变增益的小信号放大，有源滤波，然后送至模数转换芯片转换成数字信号。

优选地，所述空中系统或者地面系统还包括数字信号处理单元；所述数字信号处理单元用于实现气体吸收池中标准危险气体浓度的计算，计算结果作为标尺来反演从地面到飞行器路径上的危险气体路径浓度。其中，所述路径浓度，是指：激光束行进的路径上的积分浓度，单位是ppm·m。ppm是气体浓度单位，物理含义是“一百万体积的空气中所含待测物的体积数”，m代表的是距离的单位“米”。

所述数字信号处理单元，用于根据所述反射激光数据、吸收激光数据，计算待测气体的浓度值C_a。

优选地，所述反射激光数据包括P_1fa、P_2fa；所述吸收激光数据包括P_1fr、P_2fr；

所述计算待测气体的浓度值的计算公式如下：

其中，C_a表示待测气体的浓度，C_r表示气体吸收池中特定危险气体的已知浓度，P_1fa、P_2fa分别表示被光探测器A接收到的所述被地面反射回的激光的一次谐波值、二次谐波值，P_1fr、P_2fr分别表示经过气体吸收池后被光探测器B接收到的激光能量的一次谐波值、二次谐波值。

路径浓度的计算原理为：

使用相关检测技术提取激光回波(即被地面反射回的激光)的谐波信号中的一次谐波分量、二次谐波分量；谐波信号中的一次谐波分量、二次谐波分量分别表示为：

P_1f＝KS_DCβ (1)

P_2f＝KS_DChα₀×2C_R (2)

其中，P_1f是一次谐波分量，P_2f是二次谐波分量，K是常数系数，S_DC是向地面所发射激光的初始激光功率中的直流分量，β是激光功率调制系数，h是激光调制深度相关系数(为常数系数，可以是激光器阵列的控制电路决定的常数系数)，α₀是待测气体的吸收线中心处的吸收系数，C_R是待测气体的待修正浓度；

把式(1)、式(2)式相比得到：

进一步地，待测气体的待修正浓度C_R经修正后得到待测气体的浓度C_a，为了能够确定待测气体的浓度C_a，需要气体浓度自标定子模块，气体浓度自定标子模块中的气体吸收池中充有已知浓度C_r的特定危险气体，根据式(3)：

其中，P_1fr表示穿过气体吸收池后被光探测器B接收到的激光能量的一次谐波值，P_2fr表示表示穿过气体吸收池后被光探测器B接收到的激光能量的二次谐波值；

根据式(3)：

其中，P_1fa表示被光探测器A接收到的被地面反射回的激光的一次谐波值，P_2fa表示被光探测器A接收到的被地面反射回的激光的二次谐波值；

分束镜、气体吸收池以及光探测器B构成激光光束的自定标通道，自定标通道只吸收一次，所以不用除以2。光探测器A构成激光光束的地面气体测量通道。由于自定标通道、地面气体测量通道这两个通道使用同一激光光源，另外由于100m左右的高度可以认为气体吸收池内气压、温度均与地面相同，进而气体吸收系数相同，所以上式(4)和式(5)中的值相同，式(4)和式(5)两式相比可以消去这些量，即：

由式(6)就可以实时确定待测气体的浓度值。

例如，气体吸收池阵列由6个气体吸收池组成，气体吸收池是长条形的密封玻璃管，玻璃管的两端分别是入射窗口和出射窗口，如图3所示。每个气体吸收池里都充有某一种特定浓度的待测危险气体，可以分别是HF、NH₃、C₂H₂、CO、H₂S、CH₄六种气体。激光经地面反射的光被气体吸收池前面的一片分束镜分得2％的激光能量进入气体吸收池，然后被气体吸收池后面的光探测器接收，光探测器B完成光电转换，把电信号输出到光电信号处理子模块。光探测器B有6只，每只光探测器分别感应一束穿过气体吸收池的激光能量。其典型的光谱响应曲线如图2所示。

数字信号处理单元可以由FPGA和嵌入式处理器组成，实现危险气体浓度的计算。FPGA完成实时性要求较高的信号处理算法，将处理后的中间结果送至嵌入式处理器，嵌入式处理器进行进一步处理并将最终结果通过通信端口发送至数传子模块。

数字信号处理单元所执行的数字信号处理方法主要完成参考通道和自标定通道中每一路激光回波信号的一次谐波和二次谐波检测，后者与前者的比值给出了气体浓度信息。谐波检测算法可以是相关检测算法，也可以是锁相放大器检测算法。光电信号处理子模块获取的数据进一步传递给飞行器数传子模块。

优选地，所述光学镜片组采用透射式光学镜片组，其中，所述透射式光学镜片组由两组复式透镜组成，每组复式透镜包含一片凸透镜和一片凹透镜；所述透射式光学镜片组中的两片凸透镜和两片凹透镜共四片透镜共轴设置。

透射式光学镜片组实现了宽波段、大视场、快焦比、无任何中心遮拦高效率的高质量红外成像。具体地：(1)探测器尺寸、探测目标以及光谱响应范围等系统参数决定了光学系统的设计指标。本发明的特点是成像视场大且焦比大，这给设计带来了难度。单纯的一个凸透镜不可能校正轴外大视场的像差，需要与其它凹透镜组合起来实现球差、像散的补偿。通常来说光学系统的镜面数越多，像差的校正能力越强。一般情况下，凸透镜和凹透镜组合使用，而本发明采用两组这样的复式透镜组成可以校正大视场引入的像差。(2)4片透镜共轴设置，考虑到结构布局的可实施性，透镜分离开便于装配时的调整，透镜优化设计也同时兼顾了仪器整体体积越小越好的特点。

在透射式接收系统与激光反射系统设计和实施过程中，实现了与激光器光轴高精度的匹配耦合，大大提高了接收系统对激光回波能量的收集能力。红外光学镜头设计涵盖从近红外到短波红外的宽波段成像；大视场设计思路解决了对多个波长/多个气体源同时探测的难题；快焦比有效地提高了系统的探测效率，并减小了仪器的包络尺寸，具体地，焦比为焦距与口径的比值，它反映了光学系统的聚光能力，通过设置系统参数实现快焦比，从而有效地提高了系统的探测效率；透射式系统相比反射式同轴系统而言，视场更大，结构更紧凑，最重要的是无中心遮拦，光学效率更高；光学工艺实施充分考虑了背景光和杂散光的抑制问题，采用窄带滤光片和高效率透过镀膜工艺控制，减小了除探测信号以外的背景影响。

优选地，还包括地面系统，所述地面系统包括数据接收模块，其中，所述数据接收模块用于接收来自空中系统的数据；所述数据接收模块负责与硬件之间的数据交换，负责读取远程传输进来的光谱数据和GPS数据，并将数据按照约定的格式转换为可以应用的光谱数据和GPS数据。提供给其他单元进行实时处理与显示。

所述地面系统还包括如下任一个或任多个模块：

飞行器地面控制模块，用于控制飞行器平台的飞行路线、飞行速度、飞行高度；

光谱处理与气体反演模块，用于根据来自空中系统的数据进行待测气体浓度的反演；

数据分析模块，用于根据来自空中系统的数据进行待测气体浓度的扩散趋势分析；数据分析模块负责对数据进行分析，包括：统计数据的极大值和极小值，方差，标准差等，指定的气体浓度的空间曲线；多时相气体扩散分析；交互式修改气体浓度范围，估算空间分布的面积等。

数据回放显示模块，用于对存储于地面系统中的历史数据进行回放显示；数据回放显示模块负责将多个时间采集到的数据加载到系统中，进行多时相数据的回放，可以看到不同时间上的气体范围的扩散过程。

数据实时显示模块，用于对所述来自空中系统的数据和/或地面系统生成的当前数据进行实时显示；数据实时显示模块负责将实时处理得到的待测气体浓度实时显示在屏幕上。具备两种显示模式，一种是联合测量点的经纬度显示在一个带有遥感底图的地图上。当采集的数据点较多的时候，进行数据内插得到整幅图像的气体浓度数据。另一种是单点显示在时间轴的坐标系上。

反向追踪功能模块，用于追踪待测气体的浓度梯度变化的方向，对飞行器平台的飞行路线的重新规划。

优选地，所述来自空中系统的数据包括待测气体的浓度；

所述反向追踪功能模块，用于根据实时得到的待测气体的浓度，得到相邻时刻的待测气体的浓度的变化值，根据变化值的正、负分别判断出待测气体的浓度的变化是浓度递增、浓度递减，进而按照浓度递增的追踪方向或者浓度递减的追踪方向规划出飞行器平台的飞行路线。

优选地，所述来自空中系统的数据包括待测气体的浓度；所述光谱处理与气体反演模块，用于反演从地面到飞行器平台路径上的待测气体的路径浓度，其中，所述路径浓度，是指：激光束行进的路径上的积分浓度。

数传子模块具体是一套无线数据发射模块，实现飞行器上激光雷达模块到地面监控模块之间的数据传递。数据传递方式包括但不限于无线局域网，2G/3G/4G无线通信，蓝牙，ZigBee，以及其他医、工、科无线频段内的其他通信方式。

地面系统中的地面监控模块用于实现人机交互功能，把飞行器平台上的激光雷达模块下传的各种危险气体浓度数据展示在人机交互界面上，具体包括在电子地图上准确描绘出各个空间点位置上不同危险气体的实时分布图和扩散趋势图。进一步地，地面监控模块包括计算机硬件子模块和监控软件子模块。计算机硬件子模块具体是一台性能适宜的计算机，用来运行监控软件。监控软件子模块实现人机交互功能，把机上激光雷达模块下传的各种危险气体浓度数据展示在人机交互界面上。通过软件内置的算法模块，将测量得到的现场气体浓度，结合GPS数据，内插得到测量区域的气体浓度的空间分布范围，以图文形式提供给消防指挥决策者气体泄漏现场信息。具有图形化的气体浓度显示，与地图联合显示，多时刻测量的数据播放显示，气体浓度等值线自动划分，自定义浓度范围划分，区域面积统计计算，气体扩散趋势分析等功能，能为消防应急指挥提供辅助分析。监控软件子模块的体系结构主要采用层次结构进行软件平台的组织，即通过由上至下的体系结构设计和由下至上的体系结构实现的步骤实现(如图5所示)。其中，由系统底层数据表达模型及相关的数学方法实现软件平台中的不同功能模块，进而通过消息控制及接口调用实现软件平台的相关功能。

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化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (8)

1.一种基于吸收光谱遥感技术的多种危险气体监测系统，其特征在于，包括空中系统，所述空中系统包括飞行器平台和搭载于飞行器平台上的激光雷达模块；

所述激光雷达模块包括：激光发射子模块、激光回波接收子模块、气体浓度自标定子模块；

所述激光发射子模块，用于向地面发射不同波长的激光，其中，各个波长与各种特定危险气体的吸收光谱特征峰之间分别一一对应；

激光回波接收子模块，用于接收被地面反射回的激光，得到反射激光数据；

气体浓度自标定子模块包括多组浓度标定组件，每组浓度标定组件包括依次设置的分束镜、气体吸收池以及光探测器B；各组浓度标定组件中的气体吸收池内分别充有已知浓度C_r的所述各种特定危险气体；在每组浓度标定组件中，分束镜用于对激光发射子模块发射的激光进行分束，并将分束得到的激光能量入射气体吸收池；光探测器B用于接收已经过气体吸收池的激光能量，得到吸收激光数据；

所述的基于吸收光谱遥感技术的多种危险气体监测系统，其特征在于，还包括地面系统；

所述地面系统包括数据接收模块，其中，所述数据接收模块用于接收来自空中系统的数据；

所述地面系统还包括如下任一个或任多个模块：

飞行器地面控制模块，用于控制飞行器平台的飞行路线、飞行速度、飞行高度；

光谱处理与气体反演模块，用于根据来自空中系统的数据进行待测气体浓度的反演；

数据分析模块，用于根据来自空中系统的数据进行待测气体浓度的扩散趋势分析；

数据回放显示模块，用于对存储于地面系统中的历史数据进行回放显示；

数据实时显示模块，用于对所述来自空中系统的数据和/或地面系统生成的当前数据进行实时显示；

反向追踪功能模块，用于追踪待测气体的浓度梯度变化的方向，对飞行器平台的飞行路线的重新规划。

2.根据权利要求1所述的基于吸收光谱遥感技术的多种危险气体监测系统，其特征在于，所述激光回波接收子模块包括依次设置的光学镜片组、多组激光回波接收组件；

光学镜片组用于将从地面反射回的激光收集提供给各组激光回波接收组件；

每组激光回波接收组件包括依次设置的滤光片A以及光探测器A；从地面反射回的激光经过滤光片A射向光探测器A，进而光探测器A得到反射激光数据；

其中，各组激光回波接收组件中的滤光片A所选取的波长与各种特定危险气体的吸收光谱特征峰之间分别一一对应。

3.根据权利要求1所述的基于吸收光谱遥感技术的多种危险气体监测系统，其特征在于，气体吸收池是长条形的密封玻璃管，玻璃管长度方向上的两端分别是入射窗口、出射窗口。

4.根据权利要求1所述的基于吸收光谱遥感技术的多种危险气体监测系统，其特征在于，还包括数字信号处理单元；

所述数字信号处理单元，用于根据所述反射激光数据、吸收激光数据，计算待测气体的浓度值C_a。

5.根据权利要求4所述的基于吸收光谱遥感技术的多种危险气体监测系统，其特征在于，所述反射激光数据包括P_1fa、P_2fa；所述吸收激光数据包括P_1fr、P_2fr；

所述计算待测气体的浓度值的计算公式如下：

<mrow> <msub> <mi>C</mi> <mi>a</mi> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>C</mi> <mi>r</mi> </msub> <mo>&amp;times;</mo> <mfrac> <msub> <mi>P</mi> <mrow> <mn>2</mn> <mi>f</mi> <mi>a</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mn>2</mn> <msub> <mi>P</mi> <mrow> <mn>1</mn> <mi>f</mi> <mi>a</mi> </mrow> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>&amp;times;</mo> <mfrac> <msub> <mi>P</mi> <mrow> <mn>1</mn> <mi>f</mi> <mi>r</mi> </mrow> </msub> <msub> <mi>P</mi> <mrow> <mn>2</mn> <mi>f</mi> <mi>r</mi> </mrow> </msub> </mfrac> </mrow>

其中，C_a表示待测气体的浓度，C_r表示气体吸收池中特定危险气体的已知浓度，P_1fa、P_2fa分别表示被光探测器A接收到的所述被地面反射回的激光的一次谐波值、二次谐波值，P_1fr、P_2fr分别表示经过气体吸收池后被光探测器B接收到的激光能量的一次谐波值、二次谐波值。

6.根据权利要求2所述的基于吸收光谱遥感技术的多种危险气体监测系统，其特征在于，所述光学镜片组采用透射式光学镜片组，其中，所述透射式光学镜片组由两组复式透镜组成，每组复式透镜包含一片凸透镜和一片凹透镜；所述透射式光学镜片组中的两片凸透镜和两片凹透镜共四片透镜共轴设置。

7.根据权利要求1所述的基于吸收光谱遥感技术的多种危险气体监测系统，其特征在于，所述来自空中系统的数据包括待测气体的浓度；

所述反向追踪功能模块，用于根据实时得到的待测气体的浓度，得到相邻时刻的待测气体的浓度的变化值，根据变化值的正、负分别判断出待测气体的浓度的变化是浓度递增、浓度递减，进而按照浓度递增的追踪方向或者浓度递减的追踪方向规划出飞行器平台的飞行路线。

8.根据权利要求1所述的基于吸收光谱遥感技术的多种危险气体监测系统，其特征在于，所述来自空中系统的数据包括待测气体的浓度；所述光谱处理与气体反演模块，用于反演从地面到飞行器平台路径上的待测气体的路径浓度，其中，所述路径浓度，是指：激光束行进的路径上的积分浓度。