CN108152222B - 一种气体浓度场测量方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种气体浓度场测量方法和装置，其中，所述方法包括：S1，探测激光器发出的单光束通过点阵立体光栅后在测量空间中投射多条探测光束，所述多条探测光束经过反射体反射；所述探测激光器的波长为所述待测量气体吸收谱线的波长；S2，获取探测光强；所述探测光强为经所述反射体反射的所有探测光束的光强；S3，根据所述探测光强，获取待测量气体的浓度场。本发明提供的一种气体浓度场测量方法和装置，通过点阵立体光栅在测量空间中形成多条测量光束，无需通过扫描设备驱动激光器完成测量空间的扫描，节省了测量成本和测量时间，实现了气体浓度场快速实时的测量。

Description

一种气体浓度场测量方法和装置
技术领域
本发明涉及气体浓度场测量技术领域，尤其涉及一种气体浓度场测量方法和装置。
背景技术
可调谐二极管激光吸收光谱技术(Tunable Diode Laser AbsorptionSpectroscopy，TDLAS)是一种利用激光器波长调制通过被测气体的特征吸收区，在二极管激光器与长光程吸收池技术相结合的基础上发展起来的新的气体检测方法。TDLAS实现的原理主要包括：首先，依据有害气体的吸收谱线，选择合适的激光器光源，通过波长扫描技术驱动激光器发射具有扫描频率和调制频率信息的光束；其次，在气体池传输的光束被有害气体的吸收，吸收后的光束通过光电转换及锁相放大技术，提取一次谐波和二次谐波信号，通过二次谐波与一次谐波信号的比值来反演实现有害气体浓度的探测。
与传统的非光学检测方法相比，TDLAS因其精度高、灵敏度高、响应速度快、对恶劣环境适应性强和可同时检测多种气体等优点而广泛应用于工业生产环境监测、大气科学光谱测量和痕量分析等领域。
以畜禽养殖领域为例，畜禽养殖过程中产生大量有害气体，主要包括氨气(NH3)、硫化氢(H2S)、甲烷(CH4)等气体，气体浓度较高时将会导致畜禽的呼吸中枢麻痹，窒息死亡。因此，有效监测畜禽有害气体浓度，及时通风换气，能够有效改善动物健康和福利，提高经济效益。TDLAS技术凭借较高的灵敏度，为畜舍有害气体浓度监测提供了有效的手段。但是，基于TDLAS技术的有害气体浓度监测系统中使用单激光光束，仅能实现单光束光路中有害气体浓度的测量，并不能实现有害气体的浓度场的实时测量。需要通过TDLAS单激光光束在空间中进行扫描，来分别获取空间中不同扫描光路上的有害气体浓度，结合数学模型对空间有害气体浓度场进行反演。虽然这种方法能够实现空间中有害气体浓度场的测量，但需要多次扫描，费时费力，不能实时反映空间有害气体的浓度。
发明内容
本发明为解决现有技术中基于TDLAS技术的气体浓度场的测量需要多次扫描，不能实时反映气体浓度的问题，提供了一种气体浓度场测量方法和装置。
一方面，本发明提出一种气体浓度场测量方法，包括：S1，探测激光器发出的单光束通过点阵立体光栅后在测量空间中投射多条探测光束，所述多条探测光束经过反射体反射；所述探测激光器的波长为所述待测量气体吸收谱线的波长；S2，获取探测光强；所述探测光强为经所述反射体反射的所有探测光束的光强；S3，根据所述探测光强，获取待测量气体的浓度场。
优选地，所述步骤S1还包括：参考激光器发出的单光束通过所述点阵立体光栅后在测量空间中投射多条参考光束，所述多条参考光束经过所述反射体反射；所述参考激光器的波长区别于待测量气体吸收谱线的波长，所述多条探测光束与多条参考光束的传播路径一致，所述参考激光器和探测激光器交替动作；所述步骤S2还包括：获取参考光强；所述参考光强为经所述反射体反射的所有参考光束的光强；所述步骤S3进一步包括：根据所述参考光强和探测光强，获取待测量气体的浓度场。
优选地，还包括：S0，根据所述待测量气体的吸收谱线分别确定参考激光器和探测激光器波长。
优选地，所述步骤S1进一步包括：S11，所述参考激光器和探测激光器分别发出的单光束在反射镜和第一透镜的引导下沿同一预设光路传输；S12，所述参考激光器和探测激光器分别发出的单光束通过所述点阵立体光栅后在所述测量空间中投射多条参考光束和多条探测光束；S13，所述多条参考光束和多条探测光束分别照射在所述反射体上形成多个参考光斑和多个探测光斑并反射。
优选地，所述步骤S2进一步包括：所述多条参考光束和多条探测光束分别通过第二透镜进入近红外CCD探测器形成参考图像和探测图像；分别根据参考图像和探测图像获取所述参考光强和探测光强。
优选地，所述步骤S3进一步包括：S31，根据所述参考光强，计算所有参考光束对应的测量距离和所述反射体的反射率；S32，根据所述测量距离、反射率和探测光强，计算所有探测光束对应的待测量气体的浓度；S33，根据所有探测光束对应的待测量气体的浓度，获取待测量气体的浓度场。
另一方面，本发明提出一种气体浓度场测量装置，包括探测激光器、点阵立体光栅、反射体、光强获取模块和计算模块；所述光强获取模块与所述计算模块电连接；所述探测激光器用于发出波长为所述待测量气体吸收谱线的波长的单光束；所述点阵立体光栅将所述探测激光器发出的单光束转换为多条探测光束，并将所述多条探测光束照射在所述反射体上；所述反射体用于反射所述多条探测光束；所述光强获取模块用于接收经所述反射体反射的多条探测光束，并获取探测光强；所述探测光强为经所述反射体反射的所有探测光束的光强；所述计算模块根据所述探测光强获取待测量气体的浓度场。
优选地，还包括参考激光器和共光路模块；所述参考激光器用于发出波长为区别于待测量气体吸收谱线的波长的单光束，所述参考激光器和探测激光器交替动作；所述共光路模块使所述参考激光器和探测激光器发出的单光束沿同一预设光路传播并照射在所述点阵立体光栅上；相应的，所述点阵立体光栅还用于将所述参考激光器单光束分别转换为多条参考光束，并将所述多条参考光束照射在所述反射体上；所述反射体还用于反射所述多条参考光束；所述光强获取模块还用于接收经所述反射体反射的多条参考光束，并获取参考光强；所述参考光强为经所述反射体反射的所有参考光束的光强；所述计算模块还能够根据所述参考光强和探测光强获取待测量气体的浓度场。
优选地，所述光强获取模块包括第二透镜和近红外CCD探测器，所述近红外CCD探测器用于接收通过所述第二透镜的多条参考光束和多条探测光束，分别形成参考图像和探测图像，并根据参考图像和探测图像获取所述参考光强和探测光强。
优选地，所述计算模块包括参数计算单元、浓度计算单元和浓度场计算单元；所述浓度计算单元分别与所述参数计算单元和浓度场计算单元电连接；所述参数计算单元根据所述参考光强，计算所有参考光束对应的测量距离和所述反射体的反射率；所述浓度计算单元根据所述测量距离、反射率和探测光强，计算所有探测光束对应的待测量气体的浓度；所述浓度场计算单元根据所有探测光束对应的待测量气体的浓度，获取待测量气体的浓度场。
本发明提供的一种气体浓度场测量方法和装置，通过点阵立体光栅在测量空间中形成多条测量光束，无需通过扫描设备驱动激光器完成测量空间的扫描，节省了测量成本和测量时间，实现了气体浓度场快速实时的测量。
附图说明
图1为本发明具体实施例的一种气体浓度场测量方法的流程示意图；
图2为本发明具体实施例的一种气体浓度场测量装置的结构示意图；
图3为本发明具体实施例的一种气体浓度场测量装置的结构示意图；
附图标记说明：
201-探测激光器； 202-点阵立体光栅； 203-待测量气体；
204-反射体； 205-光强获取模块； 206-计算模块；
207-参考激光器； 208-共光路模块。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
基于TDLAS技术的气体浓度测量方法，需要通过TDLAS单激光光束在空间中进行扫描，来分别获取空间中不同扫描光路上的气体浓度，结合数学模型对空间有害气体浓度场进行反演。虽然这种方法能够实现空间中有害气体浓度场的测量，但需要多次扫描，费时费力，不能实时反映空间有害气体的浓度。
本发明在基于TDLAS的气体测量系统中，使用光栅片使得TDLAS系统的单激光光束按照光栅片上设定的图案均匀的投射到测量空间中，将会在测量空中形成很多条均匀的光束，即在测量空间中形成密集的测量光路，利用这种方法实现测量空间中有害气体浓度场的实时测量。
图1为本发明具体实施例的一种气体浓度场测量方法的流程示意图，如图1所示，一种气体浓度场测量方法，包括：S1，探测激光器发出的单光束通过点阵立体光栅后在测量空间中投射多条探测光束，所述多条探测光束经过反射体反射；所述探测激光器的波长为所述待测量气体吸收谱线的波长；S2，获取探测光强；所述探测光强为经所述反射体反射的所有探测光束的光强；S3，根据所述探测光强，获取待测量气体的浓度场。
具体地，首先，应用探测激光器发出单光束，所述单光束为波长与待测量气体吸收谱线波长一致的单激光光束。
所述单光束经过点阵立体光栅，形成多条探测光束，均匀透射在测量空间中。本发明具体实施例中，所述点阵立体光栅上设计的图案为密集斑点，但不限于此。
所述多条探测光束在穿过测量空间中的待测量气体时，待测量气体对所述多条探测光束进行吸收，所述多条探测光束的激光强度衰减。
所述多条探测光束通过测量空间，投射在反射体上，并被反射体反射。以畜舍有害气体浓度场测量系统为例，所述反射体为畜舍内的墙，但不限于此。
其次，获取经过反射体反射的所有探测光束的光强，即探测光强。
最后，根据上述步骤中获取的探测光强，即多条探测光束的光强，获取待测量气体的浓度场。其中，根据每一探测光束的光强，获取所述每一探测光束对应位置的待测量气体浓度，再根据同一时间各个位置的待测量气体浓度，获取待测量气体的浓度场。
此处，本发明具体实施例中，在根据探测光强获取待测量气体浓度时，为了进行多光束的识别，应用飞行时间技术及三角测量法，获取各个光束的相位差和幅度值，消除测量距离及反射率影响。其中，飞行时间(Time of Flight，FOT)技术，即传感器发出经调制的近红外光，遇物体后反射，传感器通过计算光线发射和反射时间差或相位差，来换算被拍摄景物的距离的一种技术。根据光强获取待测量气体浓度的方法不限于此。
本发明具体实施例中，通过点阵立体光栅在测量空间中形成多条测量光束，无需通过扫描设备驱动激光器完成测量空间的扫描，节省了测量成本和测量时间，实现了气体浓度场快速实时的测量。
基于上述具体实施例，一种气体浓度场测量方法，所述步骤S1还包括：参考激光器发出的单光束通过所述点阵立体光栅后在测量空间中投射多条参考光束，所述多条参考光束经过所述反射体反射；所述参考激光器的波长区别于待测量气体吸收谱线的波长，所述多条探测光束与多条参考光束的传播路径一致，所述参考激光器和探测激光器交替动作。
具体地，考虑到实际测量过程中，距反射体距离及反射体表面反射率不同，在上述探测激光器通过点阵立体光栅形成多条探测光束，并反射的基础上，加入参考激光器，所述参考激光器与探测激光器交替使用，且参考激光器与探测激光器使用的先后顺序不作限定。
首先，参考激光器发出单光束，所述单光束为波长区别与待测量气体吸收谱线波长的单激光光束。
所述单光束经过点阵立体光栅，形成多条参考光束，均匀透射在测量空间中。所述多条参考光束通过测量空间，投射在反射体上，并被反射体反射。此处，所述多条探测光束与多条参考光束的传播路径一致，投射在反射体后反射的路径也一致。不同于探测光束，参考光束在穿过测量空间中的待测量气体时，参考光束不被待测量气体吸收。
所述步骤S2还包括：获取参考光强；所述参考光强为经所述反射体反射的所有参考光束的光强。
所述步骤S3进一步包括：根据所述参考光强和探测光强，获取待测量气体的浓度场。
本发明具体实施例中，通过加入参考激光器，根据所述参考光强标定反射率及测量距离引起的气体浓度测量的误差，有助于提高待测量气体浓度场的测量精度。
基于上述任一具体实施例，一种气体浓度场测量方法，还包括：S0，根据所述待测量气体吸收谱线分别确定参考激光器和探测激光器的波长。
具体地，在进行测量之前，首先要确定待测量气体的种类，并根据所述待测量气体的吸收谱线分别确定参考激光器和探测激光器的线宽和中心波长。
例如，待测量气体为氨气、硫化氢和甲烷3种气体，测量这3种气体常用的探测激光器分别为1512nm、1590nm及1654nm，其波段包含在常规的近红外成像CCD响应波段范围，因此能够完成3种探测激光器发射光信号的探测与成像。考虑到实际测量过程中，距反射体距离及反射体表面反射率不同，选用区别于3种待测量气体吸收谱线的1310nm激光器为参考激光器。
基于上述任一具体实施例，一种气体浓度场测量方法，所述步骤S1进一步包括：S11，所述参考激光器和探测激光器分别发出的单光束在反射镜和第一透镜的引导下沿同一预设光路传输；S12，所述参考激光器和探测激光器分别发出的单光束通过所述点阵立体光栅后在所述测量空间中投射多条参考光束和多条探测光束；S13，所述多条参考光束和多条探测光束分别照射在所述反射体上形成多个参考光斑和多个探测光斑并反射。
具体地，首先，所述参考激光器和探测激光器分别发出的单光束在反射镜和第一透镜的引导下，从第一透镜射出沿同一预设光路传输。其中反射镜和第一透镜对上述参考激光器和探测激光器发出的单光束进行了合并，使两者在射入点阵立体光栅之前具备重合的路径。
其次，经过反射镜和第一透镜引导的单光束通过点阵立体光栅后,所述参考激光器发出的单光束转化为多条参考光束，所述探测激光器发出的单光束转化为多条探测光束，均匀透射在测量空间中。
接着，所述多条参考光束通过测量空间，投射在反射体上，并被反射体反射。此处，所述多条探测光束与多条参考光束的传播路径一致，投射在反射体后反射的路径也一致。
本发明具体实施例中，通过反射镜和透镜引导参考激光器和探测激光器发出的光束沿同一光路传输，确保了参考激光器发出光束反射后的光强能够标定反射率及测量距离引起的气体浓度测量的误差，
基于上述任一具体实施例，一种气体浓度场测量方法，所述步骤S2进一步包括：所述多条参考光束和多条探测光束分别通过第二透镜进入近红外CCD探测器形成参考图像和探测图像；分别根据参考图像和探测图像获取所述参考光强和探测光强。
具体地，经过反射体反射后的所述多条参考光束通过第二透镜进入近红外CCD探测器形成参考图像，经过反射体反射后的多条探测光束通过第二透镜进入近红外CCD探测器形成探测图像。
其中，所述近红外CCD探测器是一种硅基多通道阵列探测器，可以探测近红外光。CCD探测器一般是一维(线状)或二维(面状)的阵列，阵列由成千上万个独立的探测器元素(像元)组成。每个元素受到光的作用产生电荷——光越强，作用时间越长，产生的电荷越多。最终，读出电子元件把电荷从像元中引出，从而每个电荷都被读出测量。
分别根据参考图像和探测图像获取所述参考光强和探测光强。其中，参考光强为经所述反射体反射的所有参考光束的光强，每一参考光束的光强通过所述参考图像中对应位置的像元电荷获取；探测光强为经所述反射体反射的所有探测光束的光强，每一探测光束的光强通过所述探测图像中对应位置的像元电荷获取。
本发明具体实施例中，通过近红外CCD探测器的应用给出了参考光强和探测光强的获取方式。
基于上述任一具体实施例，一种气体浓度场测量方法，所述步骤S3进一步包括：S31，根据所述参考光强，计算所有参考光束对应的测量距离和所述反射体的反射率；S32，根据所述测量距离、反射率和探测光强，计算所有探测光束对应的待测量气体的浓度；S33，根据所有探测光束对应的待测量气体的浓度，获取待测量气体的浓度场。
具体地，首先，参考光强I1是经所述反射体反射的所有参考光束的光强，因而I1＝[I11，I12，…，I1n]，其中，n为所述参考光束的数量。
参考光强I1是关于反射体的反射率ρ和测量距离d的函数，即I1i＝f1(ρi，di)，i为所述参考光束的编号，i＝1,2,…,n，I1i为第i个参考光束的光强，ρi为第i个参考光束对应的反射率，di为第i个参考光束对应的测量距离。
其次，探测光强I0是经所述反射体反射的所有探测光束的光强，因而I0＝[I01，I02，…，I0n]，其中，n为所述探测光束的数量，与所述参考光束的数量相等。
探测光强I0是关于反射体的反射率ρ和测量距离d和待测量气体浓度c的函数，即I0i＝f0(ci，ρi，di)，i为所述探测光束的编号，与所述参考光束的编号一一对应，i＝1,2,…,n，I0i为第i个参考光束的光强，由于对应编码的参考光束与探测光束传输的路径和投射在反射体上的位置完全一致，故ρi也是第i个探测光束对应的反射率，di也是第i个探测光束对应的测量距离。
将上一步骤中获取的测量距离和反射率代入I0i＝f0(ci，ρi，di)，计算每一探测光束对应的待测量气体浓度c。
最后，根据上一步骤中同时获取的多条探测光束对应的待测量气体浓度，进行测量空间气体浓度场的三维还原，获取待测量气体的浓度场。
本发明具体实施例中给出了通过参考光强标定反射率及测量距离引起的气体浓度测量的误差的具体步骤，有助于提高待测量气体浓度场的测量精度。
基于上述方法具体实施例，图2为本发明具体实施例的一种气体浓度场测量装置的结构示意图，如图2所示，一种气体浓度场测量装置，包括探测激光器201、点阵立体光栅202、反射体204、光强获取模块205和计算模块206；所述光强获取模块205与所述计算模块206电连接；所述探测激光器201用于发出波长为所述待测量气体203吸收谱线的波长的单光束；所述点阵立体光栅202将所述探测激光器201发出的单光束转换为多条探测光束，并将所述多条探测光束照射在所述反射体204上；所述反射体204用于反射所述多条探测光束；所述光强获取模块205用于接收经所述反射体204反射的多条探测光束，并获取探测光强；所述探测光强为经所述反射体204反射的所有探测光束的光强；所述计算模块206根据所述探测光强获取待测量气体203的浓度场。
具体地，根据待测量气体203吸收谱线波长确定波长一致的探测激光器201，所述探测激光器201用于发出波长为所述待测量气体203吸收谱线的波长的单光束。
所述点阵立体光栅202用于接收所述探测激光器201发出的单光束，并将单光束转化形成多条探测光束，均匀透射在测量空间中。本发明具体实施例中，所述点阵立体光栅202上设计的图案为密集斑点，但不限于此。所述多条探测光束在穿过测量空间中的待测量气体203时，待测量气体203对所述多条探测光束进行吸收，所述多条探测光束的激光强度衰减。
所述多条探测光束通过测量空间，投射在反射体204上。所述反射体204用于反射所述多条探测光束。以畜舍有害气体浓度场测量系统为例，所述反射体204为畜舍内的墙，但不限于此。
经过反射体204反射的多条探测光束射入光强获取模块205，所述光强获取模块205用于接收经所述反射体204反射的多条探测光束，并获取探测光强，并将所述探测光强传输给所述计算模块206；所述探测光强为经所述反射体204反射的所有探测光束的光强。
所述计算模块206接收所述光强获取模块205发送的探测光强，并根据所述探测光强获取待测量气体203的浓度场。其中，根据每一探测光束的光强，获取所述每一探测光束对应位置的待测量气体203浓度，再根据同一时间各个位置的待测量气体203浓度，获取待测量气体203的浓度场。
本发明具体实施例中，通过点阵立体光栅202在测量空间中形成多条测量光束，无需通过扫描设备驱动激光器完成测量空间的扫描，节省了测量成本和测量时间，实现了气体浓度场快速实时的测量。
基于上述任一具体实施例，图3为本发明具体实施例的一种气体浓度场测量装置的结构示意图，如图3所示，一种气体浓度场测量装置，还包括参考激光器207和共光路模块208；所述参考激光器207用于发出波长为区别于待测量气体203吸收谱线的波长的单光束，所述参考激光器207和探测激光器201交替动作；所述共光路模块208使所述参考激光器207和探测激光器201发出的单光束沿同一预设光路传播并照射在所述点阵立体光栅202上；相应的，所述点阵立体光栅202还用于将所述参考激光器207单光束分别转换为多条参考光束，并将所述多条参考光束照射在所述反射体204上；所述反射体204还用于反射所述多条参考光束；所述光强获取模块205还用于接收经所述反射体204反射的多条参考光束，并获取参考光强；所述参考光强为经所述反射体204反射的所有参考光束的光强；所述计算模块206还能够根据所述参考光强和探测光强获取待测量气体203的浓度场。
具体地，考虑到实际测量过程中，距反射体204距离及反射体204表面反射率不同，在上述探测激光器201通过点阵立体光栅202形成多条探测光束，并反射的基础上，加入参考激光器207和共光路模块208，所述参考激光器207与探测激光器201交替使用，且参考激光器207与探测激光器201使用的先后顺序不作限定。
根据待测量气体203吸收谱线波长，确定波长区别于吸收谱线波长的参考激光器207。
所述参考激光器207和探测激光器201发出的单光束首先分别通过共光路模块208，所述共光路模块208使所述参考激光器207和探测激光器201发出的单光束沿同一预设光路传播，本发明具体实施例中，应用反射镜和第一透镜实现单光束的传播方向的引导，但不限于此。
所述参考激光器207和探测激光器201发出的单光束经过所述共光路模块208的引导后分别射入所述点阵立体光栅202，所述点阵立体光栅202分别将单光束转化形成多条参考光束和多条探测光束，均匀透射在测量空间中。所述多条参考光束和多条探测光束分别通过测量空间，投射在反射体204上，并被反射体204反射。
此处，所述多条探测光束与多条参考光束的传播路径一致，投射在反射体204后反射的路径也一致。不同于探测光束，参考光束在穿过测量空间中的待测量气体203时，参考光束不被待测量气体203吸收。
经过反射体204反射的多条探测光束和多条参考光束分别射入光强获取模块205，所述光强获取模块205用于接收经所述反射体204反射的多条探测光束和多条参考光束，并获取探测光强和参考光强，并将所述探测光强和参考光强传输给所述计算模块206；所述参考光强为经所述反射体204反射的所有参考光束的光强。
所述计算模块206接收所述光强获取模块205发送的探测光强和参考光强，并根据所述探测光强和参考光强获取待测量气体203的浓度场。
本发明具体实施例中，通过加入参考激光器207和共光路模块208，根据所述参考光强标定反射率及测量距离引起的气体浓度测量的误差，有助于提高待测量气体203浓度场的测量精度。
基于上述任一具体实施例，一种气体浓度场测量装置，所述光强获取模块205包括第二透镜和近红外CCD探测器，所述近红外CCD探测器用于接收通过所述第二透镜的多条参考光束和多条探测光束，分别形成参考图像和探测图像，并根据参考图像和探测图像获取所述参考光强和探测光强。
具体地，参考图3，所述光强获取模块205包括第二透镜和近红外CCD探测器。
经过反射体204反射后的所述多条参考光束通过第二透镜进入近红外CCD探测器形成参考图像，经过反射体204反射后的多条探测光束通过第二透镜进入近红外CCD探测器形成探测图像。
分别根据参考图像和探测图像获取所述参考光强和探测光强。其中，参考光强为经所述反射体204反射的所有参考光束的光强，每一参考光束的光强通过所述参考图像中对应位置的像元电荷获取；探测光强为经所述反射体204反射的所有探测光束的光强，每一探测光束的光强通过所述探测图像中对应位置的像元电荷获取。
本发明具体实施例中，通过近红外CCD探测器的应用给出了参考光强和探测光强的获取方式。
基于上述任一具体实施例，一种气体浓度场测量装置，所述计算模块206包括参数计算单元、浓度计算单元和浓度场计算单元；所述浓度计算单元分别与所述参数计算单元和浓度场计算单元电连接；所述参数计算单元根据所述参考光强，计算所有参考光束对应的测量距离和所述反射体204的反射率；所述浓度计算单元根据所述测量距离、反射率和探测光强，计算所有探测光束对应的待测量气体203的浓度；所述浓度场计算单元根据所有探测光束对应的待测量气体203的浓度，获取待测量气体203的浓度场。
具体地，所述计算模块206中，参数计算单元用于根据参考光强计算所有参考光束对应的测量距离和所述反射体204的反射率，并将所述测量距离和反射率发送给浓度计算单元。
首先，参考光强I1是经所述反射体204反射的所有参考光束的光强，因而I1＝[I11，I12，…，I1n]，其中，n为所述参考光束的数量。
参考光强I1是关于反射体204的反射率ρ和测量距离d的函数，即I1i＝f1(ρi，di)，i为所述参考光束的编号，i＝1,2,…,n，I1i为第i个参考光束的光强，ρi为第i个参考光束对应的反射率，di为第i个参考光束对应的测量距离。
浓度计算单元接收到所述参数计算单元发送的测量距离和反射率后，根据所述测量距离、反射率和光强获取模块205获取的探测光强，计算所有探测光束对应的待测量气体203的浓度，并将所有待测量气体203的浓度发送给浓度场计算单元。
其中，探测光强I0是经所述反射体204反射的所有探测光束的光强，因而I0＝[I01，I02，…，I0n]，其中，n为所述探测光束的数量，与所述参考光束的数量相等。
探测光强I0是关于反射体204的反射率ρ和测量距离d和待测量气体203的浓度c的函数，即I0i＝f0(ci，ρi，di)，i为所述探测光束的编号，与所述参考光束的编号一一对应，i＝1,2,…,n，I0i为第i个参考光束的光强，由于对应编码的参考光束与探测光束传输的路径和投射在反射体204上的位置完全一致，故ρi也是第i个探测光束对应的反射率，di也是第i个探测光束对应的测量距离。
将接收到所述参数计算单元发送的测量距离和反射率代入I0i＝f0(ci，ρi，di)，计算每一探测光束对应的待测量气体203的浓度c。
最后，浓度场计算单元根据浓度计算单元得出的同时获取的多条探测光束对应的待测量气体203的浓度，进行测量空间气体浓度场的三维还原，获取待测量气体203的浓度场。
本发明具体实施例中给出了通过参考光强标定反射率及测量距离引起的气体浓度测量的误差的具体步骤，有助于提高待测量气体203浓度场的测量精度。
为了更好地理解与应用本发明提出的一种气体浓度场测量方法及装置，本发明进行以下示例，且本发明不仅局限于以下示例。
参考图3，畜舍有害气体主要包括氨气、硫化氢和甲烷3种气体，测量这3种气体常用的探测激光器201分别为1512nm、1590nm及1654nm，其波段包含在常规的近红外成像CCD响应波段范围，因此能够完成3种探测激光器201发射光信号的探测与成像。考虑到畜舍有害气体测量过程中，距反射体204距离及反射体204表面反射率不同，选用区别于3种有害气体吸收谱线的参考激光器207为1310nm激光器，并使用TOF技术，用于距离及反射率差异引起测量误差的补偿。为了多光束的识别，使用TOF技术及三角测量法，获取各个光束的相位差和幅度值，消除测量距离及反射率影响。
有害气体浓度测量过程如下：
(1)打开参考激光器207，关闭探测激光器201，参考激光器207发出的单光束经过反射镜和透镜后，通过点阵立体光栅202形成多条参考光束照射反射体204，获取经过反射体204反射的参考光强，I11＝f1(d,ρ)；
(2)打开探测激光器201，关闭参考激光器207，探测激光器201发出的单光束经过透镜后，通过点阵立体光栅202形成多条探测光束照射反射体204，获取经过有害气体吸收后经反射体204反射的探测光强I10＝f0(d,ρ,c)；
(3)依据近红外CCD探测器获取的I11＝f1(d,ρ)，经过参数计算单元计算获取距离d和反射率ρ。
(4)依据近红外CCD探测器获取的I10＝f0(d,ρ,c)及计算获取的距离d和ρ，经过浓度计算单元计算获取近红外CDD图像中各像元的有害气体浓度，经由浓度场计算单元实现有害气体浓度场的实时探测。
最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种气体浓度场测量方法，其特征在于，包括：
S1，探测激光器发出的单光束通过点阵立体光栅后在测量空间中投射多条探测光束，所述多条探测光束穿过所述测量空间中的待测量气体投射在反射体上，并被所述反射体反射；所述探测激光器的波长为所述待测量气体吸收谱线的波长；
S2，获取探测光强；所述探测光强为经所述反射体反射的所有探测光束的光强；
S3，根据所述探测光强，获取待测量气体的浓度场；
所述步骤S1还包括：参考激光器发出的单光束通过所述点阵立体光栅后在测量空间中投射多条参考光束，所述多条参考光束经过所述反射体反射；所述参考激光器的波长区别于待测量气体吸收谱线的波长，所述多条探测光束与多条参考光束的传播路径一致，所述参考激光器和探测激光器交替动作；
所述步骤S2还包括：获取参考光强；所述参考光强为经所述反射体反射的所有参考光束的光强；
所述步骤S3进一步包括：根据所述参考光强和探测光强，获取待测量气体的浓度场；
所述步骤S1进一步包括：
S11，所述参考激光器和探测激光器分别发出的单光束在反射镜和第一透镜的引导下沿同一预设光路传输；
S12，所述参考激光器和探测激光器分别发出的单光束通过所述点阵立体光栅后在所述测量空间中投射多条参考光束和多条探测光束；
S13，所述多条参考光束和多条探测光束分别照射在所述反射体上形成多个参考光斑和多个探测光斑并反射。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：S0，根据所述待测量气体的吸收谱线分别确定参考激光器和探测激光器波长。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2进一步包括：所述多条参考光束和多条探测光束分别通过第二透镜进入近红外CCD探测器形成参考图像和探测图像；分别根据参考图像和探测图像获取所述参考光强和探测光强。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S3进一步包括：
S31，根据所述参考光强，计算所有参考光束对应的测量距离和所述反射体的反射率；
S32，根据所述测量距离、反射率和探测光强，计算所有探测光束对应的待测量气体的浓度；
S33，根据所有探测光束对应的待测量气体的浓度，获取待测量气体的浓度场。
5.一种气体浓度场测量装置，其特征在于，包括探测激光器、点阵立体光栅、反射体、光强获取模块和计算模块；所述光强获取模块与所述计算模块电连接；
所述探测激光器用于发出波长为待测量气体吸收谱线的波长的单光束；
所述点阵立体光栅将所述探测激光器发出的单光束转换为多条探测光束，所述多条探测光束穿过测量空间中的所述待测量气体，照射在所述反射体上；
所述反射体用于反射所述多条探测光束；
所述光强获取模块用于接收经所述反射体反射的多条探测光束，并获取探测光强；所述探测光强为经所述反射体反射的所有探测光束的光强；
所述计算模块根据所述探测光强获取待测量气体的浓度场；还包括参考激光器和共光路模块；
所述参考激光器用于发出波长为区别于待测量气体吸收谱线的波长的单光束，所述参考激光器和探测激光器交替动作；
所述共光路模块使所述参考激光器和探测激光器发出的单光束沿同一预设光路传播并照射在所述点阵立体光栅上；
相应的，所述点阵立体光栅还用于将所述参考激光器发出的单光束分别转换为多条参考光束，并将所述多条参考光束照射在所述反射体上；所述反射体还用于反射所述多条参考光束；所述光强获取模块还用于接收经所述反射体反射的多条参考光束，并获取参考光强；所述参考光强为经所述反射体反射的所有参考光束的光强；所述计算模块还能够根据所述参考光强和探测光强获取待测量气体的浓度场。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述光强获取模块包括第二透镜和近红外CCD探测器，所述近红外CCD探测器用于接收通过所述第二透镜的多条参考光束和多条探测光束，分别形成参考图像和探测图像，并根据参考图像和探测图像获取所述参考光强和探测光强。
7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述计算模块包括参数计算单元、浓度计算单元和浓度场计算单元；所述浓度计算单元分别与所述参数计算单元和浓度场计算单元电连接；
所述参数计算单元根据所述参考光强，计算所有参考光束对应的测量距离和所述反射体的反射率；
所述浓度计算单元根据所述测量距离、反射率和探测光强，计算所有探测光束对应的待测量气体的浓度；
所述浓度场计算单元根据所有探测光束对应的待测量气体的浓度，获取待测量气体的浓度场。
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