CN109211879A - 一种气体遥测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种气体遥测装置，包括检测探头、旋转云台和控制模块，检测探头包括脉冲激光器发射腔、步进电机、连续变焦光学系统、收集镜头和光电采集系统，控制模块包括微控制器、延迟/脉冲信号发生器和脉冲激光器电源及控制系统，微控制器向延迟/脉冲信号发生器发送信号以起始变焦采集循环，接收光电采集系统的输出，计算和储存待测气体差分吸收光谱，微控制器重复起始一系列变焦采集循环，获得一系列待测气体差分吸收光谱，且计算一系列空间间隔内的待测气体平均浓度，得到待测气体浓度的空间分布函数。还公开一种气体遥测方法。本发明可实现以较高的空间分辨率对气体进行遥测，并精确绘制出气体浓度的空间分布。
Description
技术领域
本发明涉及气体遥测技术领域，具体来说，涉及一种将激光诱导等离子体与吸收光谱技术相结合的气体遥测装置及方法。
背景技术
在大区域范围内对气体进行原位、快速、非接触式的高灵敏度遥感探测的需求广泛存在于环境监测、工农业生产等领域。大数据技术以及人工智能技术的发展对获取信息数据的源头——传感技术也提出了更高的技术要求。对于气体遥测技术，不但要求通过气体遥测手段实现对目标待测气体有无的定性分析，更希望以较高的空间分辨率得到气体浓度在探测区域空间中的分布，为后续大数据和人工智能技术的运用提供全面详实的原始数据信息。例如：掌握工业园区内具体的污染气体浓度分布，可以有效锁定园区内各排放污染源，发现隐蔽的排污口，有效遏制偷排偷放行为；对农田上空区域的氨气进行遥感探测，氨气浓度在空间中的详细分布是后续得出农田氮肥施用以及氮肥损耗的重要信息线索之一。因此，一种不但可以对气体进行原位、快速、非接触式的高灵敏度探测，而且能够以较高的空间分辨率给出气体浓度空间分布的气体遥测技术具有广阔的应用前景。然而，当前已有的气体遥测技术手段都是基于气体在光束传播路径上的平均吸收效应而反演出气体的柱浓度或气体在该路径上的平均浓度，无法给出气体在光束传播通路上具体的浓度空间分布情况(即在光束传播通路上具体任意一点附近的气体浓度值)。对于上述以较高空间分辨率对气体浓度空间分布进行遥测的技术需求，均非理想手段。因此，当前尚缺乏可以有效实现以较高空间分辨率对气体进行遥测的装置与技术方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：
针对上述背景中所述的气体遥测技术需求，本发明提出一种将激光诱导等离子体与吸收光谱相结合的气体遥测装置及气体遥测方法，可实现以较高的空间分辨率对气体进行遥测，并精确绘制出气体浓度的空间分布。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种气体遥测装置，包括检测探头、旋转云台和控制模块，检测探头安装于旋转云台之上，随旋转云台旋转，控制模块与检测探头和旋转云台电连接且通信连接，
其中，检测探头包括脉冲激光器发射腔、步进电机、变焦光学系统、收集镜头和光电采集系统，所述脉冲激光器发射腔例如为调Q脉冲激光器发射腔，
脉冲激光器发射腔用于发射脉冲激光；
变焦光学系统与脉冲激光器发射腔光学对准，变焦光学系统与步进电机机械连接，步进电机通过机械结构实现变焦光学系统焦距按预定步长变化，用于将脉冲激光聚焦于不同的距离处，并击穿相应焦点处的空气分子，形成等离子体；
收集镜头与变焦光学系统相邻同向布置，用于收集等离子体的辐射光并将其转换为光电流，收集镜头包括两组光电探测通道，每一光电探测通道依次包括光学连通的收集透镜组、滤光片、电光开关和光电探测器，收集透镜组的焦点位于光电探测器的光敏面上，两个光电探测通道的滤光片中，其中一个滤光片只允许透过待测气体具有强烈吸收特征的波段，另一个滤光片则只允许透过空间中所有气体成分都没有吸收特征的波段，电光开关打开后允许透过滤光片的辐射光到达光电探测器，光电探测器与光电采集系统电连接，光电探测器响应出光电流并送入光电采集系统进行处理，光电采集系统对两组光电探测通道的光电流进行处理并送入控制模块，
旋转云台用于使检测探头指向不同方向；
控制模块包括微控制器、延迟/脉冲信号发生器和脉冲激光器电源及控制系统，微控制器分别与延迟/脉冲信号发生器、光电采集系统和旋转云台通信连接，延迟/脉冲信号发生器分别与步进电机、脉冲激光器电源及控制系统和电光开关通信连接，脉冲激光器电源及控制系统与脉冲激光器发射腔电连接，其中，微控制器向旋转云台发送云台驱动信号以控制检测探头的指向，微控制器向延迟/脉冲信号发生器发送起始信号以起始变焦采集循环，接收光电采集系统的输出，由此计算和储存当前焦距下的待测气体差分吸收光谱，在检测探头保持同一指向时，微控制器重复向延迟/脉冲信号发生器发送起始信号以重复起始一系列变焦采集循环，从而获得一系列待测气体差分吸收光谱，且通过空间气体浓度分布函数计算由所述步长定义的一系列空间间隔内的待测气体平均浓度，得到待测气体浓度沿当前方向上的空间分布函数。优选地，所述微控制器向延迟/脉冲信号发生器发送起始信号以起始变焦采集循环，包括：延迟/脉冲信号发生器收到起始信号之后向步进电机发送步进电机驱动信号，以便改变变焦光学系统的焦距，在步进电机驱动信号发出并延迟t1时间后，延迟/脉冲信号发生器向脉冲激光器电源及控制系统发出激光器驱动信号，例如为调Q信号，脉冲激光器发射腔随即发射脉冲激光，在激光器驱动信号发出并延迟t2时间后，延迟/脉冲信号发生器向电光开关发送电光开关控制信号，在此信号的驱动下，电光开关打开。
优选地，在所述一系列变焦采集循环中，t1保持不变，而t2随着焦距的增大而增大，且t2与焦距呈线性关系。
优选地，差分吸收光谱表示为：
其中，待测气体的特征波长为λ，而在λ0附近，空间中所有气体成分都没有吸收特征，Ii(λ)为在特征波长下的光强，Ii(λ0)为在无吸收波长下的参考光强，Ii0(λ)为等离子体i在λ波段所辐射出的原始光谱强度，Ii0(λ0)为等离子体i在λ0波段所辐射出的原始光谱强度，为常量，σ为待测气体在λ附近的吸收系数，Ai为对等离子体i辐射光的收集效率，fi为等离子体i产生的焦距，Ci为待测气体在光程fi上的平均浓度。
优选地，通过以下空间气体浓度分布函数计算由所述步长定义的一系列空间间隔内的待测气体平均浓度：
其中，
S(fi)是光程为fi的差分气体吸收光谱，S(fj)是光程为fj的差分气体吸收光谱，fj等于fi+设定步长。
优选地，以一系列空间间隔内的待测气体平均浓度为插值节点，通过三次样条插值，解析出待测气体浓度沿当前方向上的空间分布函数。
在另一实施例中，提供一种气体遥测方法，包括以下步骤：
(1)设置变焦光学系统焦距；
(2)生成脉冲激光，通过变焦光学系统将所述脉冲激光聚焦，击穿焦点处的空气分子，形成等离子体；
(3)在与变焦光学系统相同位置处收集等离子体辐射光的在待测气体的特征波长下的光强和在无吸收波长下的参考光强，通过计算得到此焦距的差分吸收光谱；
(4)按设定步长改变变焦光学系统的焦距，重复以上步骤(2)至(3)，获得不同焦距下的差分吸收光谱；
(5)通过空间气体浓度分布函数计算由所述步长定义的一系列空间间隔内的待测气体平均浓度；
(6)以所述一系列空间间隔内的待测气体平均浓度为插值节点，通过插值法解析出待测气体浓度沿当前方向上的空间分布函数；
(7)改变变焦光学系统的指向，在各个方向上重复上述过程，实现三维空间内各个方向上的气体浓度分布检测，绘制气体浓度三维空间分布。
优选地，在所述步骤(3)中，通过下式计算得到差分吸收光谱：
其中，待测气体的特征波长为λ，而在λ0附近，空间中所有气体成分都没有吸收特征，Ii(λ)为在特征波长下的光强，Ii(λ0)为在无吸收波长下的参考光强，Ii0(λ)为等离子体i在λ波段所辐射出的原始光谱强度，Ii0(λ0)为等离子体i在λ0波段所辐射出的原始光谱强度，σ为待测气体在λ附近的吸收系数，Ai为对等离子体i辐射光的收集效率，fi为等离子体i产生的焦距，Ci为待测气体在光程fi上的平均浓度。
优选地，在所述步骤(5)中，通过以下空间气体浓度分布函数计算由所述步长定义的一系列空间间隔内的待测气体平均浓度：
其中，
S(fi)是光程为fi的差分气体吸收光谱，S(fj)是光程为fj的差分气体吸收光谱，fj等于fi+设定步长。
优选地，在所述步骤(6)中，所述插值法为三次样条插值。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1.本发明提出将激光诱导等离子体作为气体吸收光谱检测的主动探测光源，与传统气体遥测技术相比无需另外添置人工光源或者依赖太阳光等被动光源，检测时所受制约较少，更加灵活，应用场景更加广泛；
2.等离子体演化过程中伴随有强烈的发光现象，且辐射光能较强，更容易被探测到。与某些基于主动入射光束后向散射回波信号的传统气体遥测技术相比，本发明所提出的检测装置和方法中探测信号更易获取，检测灵敏度更高；
3.本发明提出通过连续变焦的光学系统将激光脉冲会聚于不同焦距处并产生等离子体，此技术方法采用便捷的光学手段，可以根据检测需要，将主动探测光源“放置”于各个位置，为各个方向上空间气体的检测提供了灵活多变的技术手段；
4.本发明所提出的气体遥测装置及方法提供了一套的气体遥测技术方案，与传统气体遥测技术相比，在对气体进行远距离探测的同时还实现了三维空间气体浓度分布的高分辨率探测与绘制。
附图说明
图1为本发明所提出的气体遥测装置示意图。
图2为装置系统内各模块连接方式示意图。
图3为步进电机驱动信号、调Q信号以及电光开关控制信号时序示意图。
图4为等离子体辐射光收集示意图，图中示意了遥测装置系统中收集镜头内的收集透镜组对不同距离处等离子体辐射光的收集情况。
图5为气体浓度空间分布遥测方法示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本发明所提出的气体遥测装置及方法借助于连续变焦的光学系统将激光脉冲会聚于不同焦距处并击穿空气分子形成等离子体。将等离子体在其演化的初始阶段所辐射出的具有连续光谱特征的光能作为气体吸收光谱检测的主动探测光源。分别在激光脉冲发射端收集不同焦距处产生的等离子体所辐射的光能，则可以探测到空间分布的待测气体在不同光程下的吸收光谱。基于不同焦距下所获得的待测气体吸收光谱，根据本发明所提出的遥测方法，最终可以实现以较高的空间分辨率对空间气体浓度分布的检测与绘制。本发明所提出的内容主要包括两部分，分别为气体遥测装置与相应的气体浓度空间分布遥测方法。
一、气体遥测装置
本发明所提出的气体遥测装置如图1所示，由检测探头、控制机箱以及旋转云台三部分构成，检测探头与控制机箱通过缆线连接，检测探头安装于旋转云台之上。检测探头内集成有调Q脉冲激光器发射腔、步进电机、连续变焦光学系统、收集镜头以及光电采集系统；控制箱内集成有调Q脉冲激光器电源及控制系统、延迟/脉冲信号发生器以及微控制器。控制机箱内的调Q脉冲激光器电源及控制系统通过装置缆线内的电源供电线缆、控制线缆以及水冷管与调Q脉冲激光器发射腔进行连接。微控制器、延迟/脉冲信号发生器、调Q脉冲激光器、收集镜头、光电采集系统、步进电机以及旋转云台之间的连接情况如图2所示。延迟/脉冲信号发生器与步进电机、调Q脉冲激光器电源及控制系统、电光开关进行电连接；步进电机与连续变焦光学系统进行机械连接；微控制器与延迟/脉冲信号发生器以及旋转云台进行电连接。光电探测器、电光开关、滤光片以及收集透镜组按如图2中所示顺序组合集成在收集镜头内部。步进电机可以通过机械结构改变连续变焦光学系统中各镜组(变倍组与补偿组)之间的相对位置，实现光学系统焦距的连续变化。调Q脉冲激光器出射的脉冲激光经过光学系统后，根据当前光学系统的焦距会聚于不同焦点处，击穿该处空气分子并产生等离子体。延迟/脉冲信号发生器通过预先编程设置并保存步进电机驱动信号、调Q信号以及电光开关控制信号的时序关系。收集透镜组的焦点位于光电探测器的光敏面上，当电光开关打开时，等离子辐射光经过透镜组会聚后，穿过滤光片与电光开关后正好聚焦于光电探测器光敏面上，引起光电流信号并被光电采集系统获取、处理。两个滤光片为窄带带通滤光片，其中一个滤光片只允许透过目标待测气体具有强烈吸收特征的波段；另一个滤光片则只允许透过另一波段，在该波段范围内，空间中所有气体成分都没有吸收特征。
检测时，调Q脉冲激光器启动，并等待外部调Q信号的输入并随之出射激光脉冲。微控制器向延迟/脉冲信号发生器发送起始信号。延迟/脉冲发生器收到起始信号之后向步进电机发送驱动信号。步进电机在接收到驱动信号之后通过机械结构改变连续变焦光学系统内部各镜组之间的相对位置，从而实现光学系统焦距的变化。上升沿触发的调Q信号在步进电机驱动信号发出并延迟t1时间后由延迟/脉冲信号发生器向调Q脉冲激光器发出。随后，调Q脉冲激光器出射激光脉冲，脉冲激光经过连续变焦光学系统后会聚于当前的焦点处，击穿该处空气中的分子并诱导激发出等离子体。随着等离子体的演化，在微秒量级的时间内，等离子体开始辐射出连续的光谱，该连续的光谱将作为气体吸收光谱检测的光源。在调Q信号发出之后延迟t2时间，延迟/脉冲信号发生器将向电光开关发送电光开关控制信号。在此信号的驱动下，电光开关打开，等离子体辐射的光束经过空间气体吸收后分别经过收集透镜组、滤光片以及电光开关后到达光电探测器。电光开关在电光开关控制信号的控制下，快速的打开并保持打开状态一段时间后再次关闭，等待下一次控制信号的到来。考虑到光在空气中的传输速度，对应于等离子体产生的不同距离，电光开关控制信号对于调Q信号的延迟t2将各不相同，t2将随着等离子体产生距离的增大而增大，且该延迟时间与等离子体产生距离呈线性关系。步进电机驱动信号、调Q信号、电光开关控制信号之间的时序延迟如图3示意。光电采集系统获取光电探测器产生的光电流并进行放大、模/数转换后送入微控制器进行计算。检测过程中，沿同一方向反复进行上述过程，使连续变焦光学系统分别处于不同的焦距状态，从而沿同一方向在不同焦距处将等离子体激发并分别获取其辐射光谱。这些辐射光谱中携带着空间中待测气体成分在不同光程下的吸收信息，基于这些吸收信息可以检测得到该方向上气体的浓度分布，浓度分布的解析计算方法如以下内容所述。此外，微控制器通过云台驱动信号控制云台的水平角度转动与俯仰角度转动，在各个方向上重复上述过程，可以实现三维空间内各个方向上的气体浓度分布检测，从而实现气体浓度三维空间分布的绘制。
二、气体浓度空间分布遥测方法
本发明提出将激光脉冲沿同一方向会聚于空间中不同距离远的位置并产生等离子体，分别接收这些不同焦距处等离子体的辐射光得到同一方向上不同光程的气体吸收光谱，基于这些吸收光谱信息实现空间气体浓度分布的检测与绘制。如果仅仅将这些不同距离的吸收光谱分离开来单独分析，则只能得到气体在不同吸收光程下的柱浓度或者平均浓度。本发明将这些与不同距离相对应的气体吸收光谱相互关联，提出气体浓度空间分布的遥测方法。
如图4所示，等离子体i与等离子体j为两个在不同焦距处形成的等离子体。假设待测气体在λ附近存在较强的吸收，而在λ0附近无吸收现象，则对于等离子体i，系统装置在λ附近所得光谱强度Ii(λ)为：
其中Ii0(λ)为等离子体i在λ波段所辐射出的原始光谱强度，其经过空间气体吸收后强度降为Ii(λ)，σ为待测气体在λ附近的吸收系数；Ai为遥测系统对等离子体i辐射光的收集效率，与焦距有关；fi为等离子产生的焦距，也是辐射光被吸收的光程；Ci为气体在通路fi上的平均浓度。类似的，对于等离子j，遥测系统在λ附近所获取的光谱强度Ij(λ)为：
虽然对于不同的等离子体,其在λ波段的原始辐射光谱强度Ii0(λ)与Ij0(λ)不同，但是在激光脉冲特性稳定的前提下，其辐射光谱特征稳定，不同等离子体辐射光谱中不同波段光谱强度的比值保持不变，与等离子体形成的位置等因素无关。对于图4中两个等离子体：
如果采用反射式光辐射收集系统，其辐射光收集效率在不同波长处相等，则两等离子体辐射光被空间中待测气体的吸收情况可描述为：
公式(4)-(5)表明，采用差分吸收光谱方法可以对因不同电离程度、不同产生距离而导致的光谱强度差异进行归一化，从而消除其对光谱标定的影响，为气体浓度分布的反演提供基础。
基于上述差分吸收光谱，进一步解析空间气体浓度分布函数。图5为气体浓度空间分布遥测方法示意图。图中示意了两个相邻的不同焦距下(即不同吸收光程下)气体的平均吸收光谱与两焦点间隔空间内的气体平均浓度之间的关系。当连续变焦光学系统的两相邻焦点足够近时，相应两焦点间隔空间内的气体浓度平均值则近似描述了该空间位置处气体的浓度值。如图5所示，系统在焦距fi处产生等离子体，等离子体的辐射光经过长度为fi的光程到达遥测系统并被收集。期间，辐射光将被光程上的待测气体吸收，通过上述差分吸收光谱方法最终得到光程为fi的气体吸收光谱S(fi)可表示为：
其中σ为在待测气体吸收波长处的吸收截面；类似的，在焦距fj处产生等离子体后所获取光程为fj的气体吸收光谱S(fj)：
则等离子体i与等离子体j之间的气体平均浓度C(f)可表示为：
通过激光发射光学系统的连续变焦，基于公式(6)-(8)得到一系列空间间隔内的气体平均浓度C(f1)、C(f2)、……、C(fn),以此为插值节点，通过三次样条插值，最终可以解析出气体浓度沿该方向上的空间分布函数C(f)。
具体实施以空间中二氧化氮(NO2)气体浓度分布的检测作为示例，为此两个窄带滤光片分别选择400纳米和666纳米作为中心透过波长，两者波长透过带宽均为20纳米。其中，透过中心波长为400纳米的滤光片用于获取NO2气体的吸收特征，另一个滤光片用于获取未经吸收的参考光强，两者即为上述差分吸收光谱。若未有NO2存在，则此差分吸收光谱即等于上述公式(3)所描述的K值。检测前K值已被提前保存在微控制器中。以检测现场水平面两垂直方向和垂直水平面方向为坐标轴建立球坐标空间并表示检测空间范围，其中检测时云台的仰角范围为30°-90°，方位角范围为0°-90°；激光诱导等离子体产生的最远距离(即检测半径)为99米，距离范围为0.9米-99米。同一方向上激光诱导等离子体形成的间隔为0.9米，云台仰角变化间隔10°，方位角变化间隔10°。
检测开始，系统接通电源，调Q脉冲激光器电源及控制系统、步进电机、收集镜头中电光开关均处于待机状态，等待控制驱动信号的到来。延迟/脉冲信号发生器提前保存好步进电机驱动信号、调Q信号以及电光开关控制信号三者之间的时序延迟以及各自信号的持续时间。微控制器首先通过云台驱动信号控制云台到达初始检测位置，即仰角为30°、方位角为0°。微控制器向步进电机发送步进电机复位信号使其复位，从而使得连续变焦光学系统的焦点暂时位于无穷远，即处于无焦状态。此后，微控制器向延迟/脉冲信号发生器发送起始信号。接到起始信号后，延迟/脉冲信号发生器向步进电机发送步进电机驱动信号，步进电机改变连续变焦光学系统内部变倍组、补偿组中各镜组之间的位置关系，从而将连续变焦光学系统的焦距设置为0.9米。延迟500毫秒后，延迟/脉冲信号发生器向调Q脉冲激光器电源及控制系统发送上升沿触发的调Q信号，调Q脉冲激光器发射腔随即发射出激光脉冲。该脉冲激光经过连续变焦光学系统后被会聚于当前的焦距处，击穿空气分子并产生等离子体。在调Q信号上升沿发送并延迟16纳秒后，延迟/脉冲信号发生器向2个电光开关发送电光开关控制信号，2个电光开光随即打开，允许等离子体辐射出的光束通过并最终到达相应光电探测器光敏面上。光电探测器响应出光电流并送入光电采集系统进行放大、模/数转换等处理后送入微控制器，微控制器记录此时收集得到的NO2差分吸收光谱。随后，云台保持扫描的起始方向不变，微控制器再次向延迟/脉冲信号发生器发送起始信号，上述过程进行重复。连续变焦光学系统的焦距依次由步进电机设置为1.8米、2.7米、……、99米；调Q信号相对于步进电机的延迟保持不变，均为500毫秒，电光开关控制信号相对于调Q信号的延迟依次为16纳秒、22纳秒、……、670纳秒，电光开关打开的保持时间均为100纳秒。在不同焦距下，微控制器依次获取相应的差分吸收光谱，并基于上述公式(1)-(8)所描述的气体浓度空间分布遥测方法计算NO2气体浓度沿该初始方向上的空间分布。
旋转云台从仰角30°、方位角0°开始，在同一个仰角下，依次进行上述检测过程并以10°为间隔更改方位角，直到完成从0°到90°的扫描；然后以10°间隔增大仰角，继续重复上述过程，直到仰角从30°变化到90°。当整个待检测空间范围的扫描完成时，最终可以实现在仰角为30°-90°、方位角为0°-90°、检测半径为0.9-99米的空间范围内对NO2气体浓度空间分布的检测和绘制。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
Claims (10)
1.一种气体遥测装置，其特征在于，包括检测探头、旋转云台和控制模块，检测探头安装于旋转云台之上，随旋转云台旋转，控制模块与检测探头和旋转云台电连接且通信连接，
其中，检测探头包括脉冲激光器发射腔、步进电机、变焦光学系统、收集镜头和光电采集系统，
脉冲激光器发射腔用于发射脉冲激光；
变焦光学系统与脉冲激光器发射腔光学对准，变焦光学系统与步进电机机械连接，步进电机通过机械结构实现变焦光学系统焦距按预定步长变化，用于将脉冲激光聚焦于不同的距离处，并击穿相应焦点处的空气分子，形成等离子体；
收集镜头与变焦光学系统相邻同向布置，用于收集等离子体的辐射光并将其转换为光电流，收集镜头包括两组光电探测通道，每一光电探测通道依次包括光学连通的收集透镜组、滤光片、电光开关和光电探测器，收集透镜组的焦点位于光电探测器的光敏面上，两个光电探测通道的滤光片中，其中一个滤光片只允许透过待测气体具有强烈吸收特征的波段，另一个滤光片则只允许透过空间中所有气体成分都没有吸收特征的波段，电光开关打开后允许透过滤光片的辐射光到达光电探测器，光电探测器与光电采集系统电连接，光电探测器响应出光电流并送入光电采集系统进行处理，光电采集系统对两组光电探测通道的光电流进行处理并送入控制模块，
旋转云台用于使检测探头指向不同方向；
控制模块包括微控制器、延迟/脉冲信号发生器和脉冲激光器电源及控制系统，微控制器分别与延迟/脉冲信号发生器、光电采集系统和旋转云台通信连接，延迟/脉冲信号发生器分别与步进电机、脉冲激光器电源及控制系统和电光开关通信连接，脉冲激光器电源及控制系统与脉冲激光器发射腔电连接，其中，微控制器向旋转云台发送云台驱动信号以控制检测探头的指向，微控制器向延迟/脉冲信号发生器发送起始信号以起始变焦采集循环，接收光电采集系统的输出，由此计算和储存当前焦距下的待测气体差分吸收光谱，在检测探头保持同一指向时，微控制器重复向延迟/脉冲信号发生器发送起始信号以重复起始一系列变焦采集循环，从而获得一系列待测气体差分吸收光谱，且通过空间气体浓度分布函数计算由所述步长定义的一系列空间间隔内的待测气体平均浓度，得到待测气体浓度沿当前方向上的空间分布函数。
2.根据权利要求1所述的气体遥测装置，其特征在于，所述微控制器向延迟/脉冲信号发生器发送起始信号以起始变焦采集循环包括：延迟/脉冲信号发生器收到起始信号之后向步进电机发送步进电机驱动信号，以便改变变焦光学系统的焦距，在步进电机驱动信号发出并延迟t1时间后，延迟/脉冲信号发生器向脉冲激光器电源及控制系统发出激光器驱动信号，脉冲激光器发射腔随即发射脉冲激光，在激光器驱动信号发出并延迟t2时间后，延迟/脉冲信号发生器向电光开关发送电光开关控制信号，在此信号的驱动下，电光开关打开。
3.根据权利要求2所述的气体遥测装置，其特征在于，在所述一系列变焦采集循环中，t1保持不变，而t2随着焦距的增大而增大，且t2与焦距呈线性关系。
4.根据权利要求1所述的气体遥测装置，其特征在于，差分吸收光谱表示为：
其中，待测气体的特征波长为λ，而在λ0附近，空间中所有气体成分都没有吸收特征，Ii(λ)为在特征波长下的光强，Ii(λ0)为在无吸收波长下的参考光强，Ii0(λ)为等离子体i在λ波段所辐射出的原始光谱强度，Ii0(λ0)为等离子体i在λ0波段所辐射出的原始光谱强度，为常量，σ为待测气体在λ附近的吸收系数，Ai为对等离子体i辐射光的收集效率，fi为等离子体i产生的焦距，Ci为待测气体在光程fi上的平均浓度。
5.根据权利要求4所述的气体遥测装置，其特征在于，通过以下空间气体浓度分布函数计算由所述步长定义的一系列空间间隔内的待测气体平均浓度：
其中，
S(fi)是光程为fi的差分气体吸收光谱，S(fj)是光程为fj的差分气体吸收光谱，fj等于fi+设定步长。
6.根据权利要求1所述的气体遥测装置，其特征在于，以一系列空间间隔内的待测气体平均浓度为插值节点，通过三次样条插值，解析出待测气体浓度沿当前方向上的空间分布函数。
7.一种气体遥测方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)设置变焦光学系统焦距；
(2)生成脉冲激光，通过变焦光学系统将所述脉冲激光聚焦，击穿焦点处的空气分子，形成等离子体；
(3)在与变焦光学系统相同位置处收集等离子体辐射光的在待测气体的特征波长下的光强和在无吸收波长下的参考光强，通过计算得到此焦距的差分吸收光谱；
(4)按设定步长改变变焦光学系统的焦距，重复以上步骤(2)至(3)，获得不同焦距下的差分吸收光谱；
(5)通过空间气体浓度分布函数计算由所述步长定义的一系列空间间隔内的待测气体平均浓度；
(6)以所述一系列空间间隔内的待测气体平均浓度为插值节点，通过插值法解析出待测气体浓度沿当前方向上的空间分布函数；
(7)改变变焦光学系统的指向，在各个方向上重复上述过程，实现三维空间内各个方向上的气体浓度分布检测，绘制气体浓度三维空间分布。
8.根据权利要求7所述的气体遥测方法，其特征在于，在所述步骤(3)中，通过下式计算得到差分吸收光谱：
其中，待测气体的特征波长为λ，而在λ0附近，空间中所有气体成分都没有吸收特征，Ii(λ)为在特征波长下的光强，Ii(λ0)为在无吸收波长下的参考光强，Ii0(λ)为等离子体i在λ波段所辐射出的原始光谱强度，Ii0(λ0)为等离子体i在λ0波段所辐射出的原始光谱强度，σ为待测气体在λ附近的吸收系数，Ai为对等离子体i辐射光的收集效率，fi为等离子体i产生的焦距，Ci为待测气体在光程fi上的平均浓度。
9.根据权利要求7所述的气体遥测方法，其特征在于，在所述步骤(5)中，通过以下空间气体浓度分布函数计算由所述步长定义的一系列空间间隔内的待测气体平均浓度：
其中，
S(fi)是光程为fi的差分气体吸收光谱，S(fj)是光程为fj的差分气体吸收光谱，fj等于fi+设定步长。
10.根据权利要求7所述的气体遥测方法，其特征在于，在所述步骤(6)中，所述插值法为三次样条插值。
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