CN109916837B - 采样时延分布式多点激光甲烷检测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采样时延分布式多点激光甲烷检测系统及方法，其通过将特定光谱的激光光波转换成若干束光波，再利用光电探测单元探测波经各甲烷检测室中的甲烷吸收后的光信号并将其转换成电信号，然后通过处理器计算得到该电信号的采样系数X；当采样系数X大于等于0.98时，将采样得到的电信号进行甲烷浓度计算；当采样系数X小于0.98时，电信号波形自动延时一个采样点，直至修正后的电信号与驱动电流信号进行互相关处理得到的采样系数X大于等于0.98；最后对进行延时修正后的电信号进行计算处理，得到各通道采样的电信号波形对应的甲烷气体浓度。本发明可以实现长距离宽范围的多点检测，且具有测量准确度高，抗干扰能力强的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种采样时延分布式多点激光甲烷检测系统及方法
背景技术
传统甲烷检测系统主要采用载体催化、热释电和红外原理。基于载体催化原理的甲烷检测系统存在易受其他气体影响、检测范围窄、稳定性差等问题；基于热释电原理的甲烷检测系统存在受环境温度影响大、检测精度低、稳定性差等问题；基于红外原理的甲烷检测系统存在易受烷烃气体干扰、受水气影响大、稳定性差等问题。与传统甲烷检测系统相比，基于激光原理的甲烷检测系统具有测量灵敏度高、稳定性好、抗干扰性强等优势，正逐步应用于煤矿、城市管廊等环境中的甲烷浓度检测。目前，国内外激光甲烷检测系统主要分为光纤、空间光和遥测三类，均为点式结构。由于激光器价格昂贵，很大程度上限制了激光甲烷检测系统的推广应用。
但目前的分布式多点激光甲烷检测系统均没有考虑长光缆传输过程中，光波延时、色散等造成的甲烷测量误差，造成激光甲烷检测系统在长距离光缆大于4km的条件时，会产生很大的测量偏差。
发明内容
本发明的目的是提供一种采样时延分布式多点激光甲烷检测系统及方法，以解决现有在长距离光缆大于4km的条件时，会产生很大的测量偏差的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种采样时延分布式多点激光甲烷检测系统，包括
激光发射单元，用于提供特定光谱的激光光波；
光分束器，用于将激光发射模块发射出的激光光波转换成若干路光波后分别传输至不同的甲烷检测室；
光电探测单元，用于采集光波经各甲烷检测室中的甲烷吸收后的光信号，并将所述光信号转换成电信号；
处理器，用于同步采样光电探测单元得到的电信号和激光发射单元的驱动电流信号，并使光电探测单元得到的电信号与激光发射单元的驱动电流信号进行互相关处理得到采样波形的采样系数X；当采样系数X大于等于0.98时，将采样得到的电信号进行甲烷浓度计算；当采样系数X小于0.98时，电信号波形自动延时一个采样点，直至修正后的电信号与系统FPGA中保存的驱动电流信号进行互相关处理得到的相关系数X大于等于0.98；最后对进行延时修正后的电信号进行计算处理，即可得到各通道采样的电信号波形对应的甲烷气体浓度。
进一步地，所述激光发射单元包括用于提供激光的DFB激光器以及与所述DFB激光器连接的用于控制DFB激光器发射出特定光谱的激光光波的DFB激光器驱动和温控系统。
进一步地，所述特定光谱的激光光波的中心波长为1653.7nm，扫描范围为1653.6nm～1653.8nm。
进一步地，光分束器转换出的若干路光波通过导光光缆传输至甲烷检测室，光波经甲烷检测室中的甲烷吸收后的光波通过光纤准直器耦合进导光光缆后传输至光电探测单元。
进一步地，所述光电探测单元包括用于采集光波经甲烷检测室中的甲烷吸收后的光信号的光电检测模块和用于将光信号转换成电信号的信号处理模块。
进一步地，光电探测单元得到的电信号和激光发射单元的驱动电流信号由同步电路时钟控制，每通道同步采样2000个数据点，采样率为100KS/s。
此外，本申请还提供了一种采样时延分布式多点激光甲烷检测方法，包括步骤：
S1：将具有特定光谱的激光光波转换成若干路光波后分别传输至不同的甲烷检测室；
S2：用于采集光波经各甲烷检测室中的甲烷吸收后的光信号，并将所述光信号转换成电信号；
S3：同步采样光电探测单元得到的电信号和激光发射单元的驱动电流信号，并使光电探测单元得到的电信号与激光发射单元的驱动电流信号进行互相关处理得到采样波形的采样系数X；当采样系数X大于等于0.98时，将采样得到的电信号进行甲烷浓度计算；当采样系数X小于0.98时，电信号波形自动延时一个采样点，直至修正后的电信号与系统FPGA中保存的驱动电流信号进行互相关处理得到的相关系数X大于等于0.98；
S4：对进行延时修正后的电信号进行甲烷浓度计算，得到各通道采样的电信号波形对应的甲烷气体浓度。
进一步地，所述采样系数X的具体计算方法为：
其中，An为激光发射单元的驱动电流信号，信号幅值和长度可变；Bn为系统在驱动电流信号An下光电探测单元得到的电信号，n＝0.....1999。
进一步地，所述甲烷浓度计算方法为：对得到采样得到的电信号依次进行锁相放大、谐波提取、滤波处理、线性拟合和温度压强补偿处理。
本发明的有益效果为：本发明适用于煤矿、城市综合管廊、石油、化工、家用天然气等领域，可以实现长距离宽范围的多点检测，具有测量准确度高，抗干扰能力强的特点。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，在这些附图中使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为采样时延分布式多点激光甲烷检测系统的原理框图；
图2为采样时延分布式多点激光甲烷检测方法的算法流程图。
具体实施方式
如图1所示的样时延分布式多点激光甲烷检测系统，包括激光发射单元、光分束器、光电探测单元和处理器。
激光发射单元用于提供特定光谱的激光光波。所述激光发射单元包括用于提供激光的DFB激光器以及与所述DFB激光器连接的用于控制DFB激光器发射出特定光谱的激光光波的DFB激光器驱动和温控系统。所述特定光谱的激光光波的中心波长为1653.7nm，扫描范围为1653.6nm～1653.8nm。
光分束器用于将激光发射模块发射出的激光光波转换成若干路光波后分别传输至不同的甲烷检测室。在本实施例中，光分束器可采用光波经1/8光分束器(根据光多路分束器可扩展)后，转换成8路光波。
当采样气室中有甲烷气体时，处于1653.68nm～1653.75nm的光波被甲烷按比例吸收后，携带信息的光波再由光纤准直器耦合进导光光缆，再由光电探测单元采集导光光缆输出的光信号，并将所述光信号转换成电信号。所述光电探测单元包括用于采集光波经甲烷检测室中的甲烷吸收后的光信号的光电检测模块和用于将光信号转换成电信号的信号处理模块。
上述处理器可采用FPGA，利用由FPGA控制A/D采样电路得到多路光电探测单元采样的电信号；光电探测单元得到的电信号和激光发射单元的驱动电流信号由同步电路时钟控制，每通道同步采样2000个数据点，采样率为100KS/s。在通过处理器将光电探测单元得到的电信号与激光发射单元的驱动电流信号进行互相关处理得到采样波形的采样系数X；当采样系数X大于等于0.98时，将采样得到的电信号进行甲烷浓度计算；当采样系数X小于0.98时，电信号波形自动延时一个采样点(可设定时延为0.001ms，具体时延时间后期根据系统设定)，直至修正后的电信号与系统FPGA中保存的驱动电流信号进行互相关处理得到的相关系数X大于等于0.98；最后对进行延时修正后的电信号进行计算处理，即可得到各通道采样的电信号波形对应的甲烷气体浓度。
此外，本申请还提供了一种采样时延分布式多点激光甲烷检测方法，包括步骤：
S1：将具有特定光谱的激光光波转换成若干路光波后分别传输至不同的甲烷检测室；
S2：用于采集光波经各甲烷检测室中的甲烷吸收后的光信号，并将所述光信号转换成电信号；
S3：如图2所示，同步采样光电探测单元得到的电信号和激光发射单元的驱动电流信号，并使光电探测单元得到的电信号与激光发射单元的驱动电流信号进行互相关处理得到采样波形的采样系数X；当采样系数X大于等于0.98时，将采样得到的电信号进行甲烷浓度计算；当采样系数X小于0.98时，电信号波形自动延时一个采样点，直至修正后的电信号与系统FPGA中保存的驱动电流信号进行互相关处理得到的相关系数X大于等于0.98；
S4：对进行延时修正后的电信号进行甲烷浓度计算，得到各通道采样的电信号波形对应的甲烷气体浓度。
其中，所述采样系数X的具体计算方法为：
其中，An为激光发射单元的驱动电流信号，信号幅值和长度可变；Bn为系统在驱动电流信号An下光电探测单元得到的电信号，n＝0.....1999。
所述甲烷浓度计算方法为：对得到采样得到的电信号依次进行锁相放大、谐波提取、滤波处理、线性拟合和温度压强补偿处理。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (8)
1.一种采样时延分布式多点激光甲烷检测系统，其特征在于，包括
激光发射单元，用于提供特定光谱的激光光波；
光分束器，用于将激光发射模块发射出的激光光波转换成若干路光波后分别传输至不同的甲烷检测室；
光电探测单元，用于采集光波经各甲烷检测室中的甲烷吸收后的光信号，并将所述光信号转换成电信号；
处理器，用于同步采样光电探测单元得到的电信号和激光发射单元的驱动电流信号，并使光电探测单元得到的电信号与激光发射单元的驱动电流信号进行互相关处理得到采样波形的采样系数X；当采样系数X大于等于0.98时，将采样得到的电信号进行甲烷浓度计算；当采样系数X小于0.98时，电信号波形自动延时一个采样点，直至修正后的电信号与系统FPGA中保存的驱动电流信号进行互相关处理得到的相关系数X大于等于0.98；最后对进行延时修正后的电信号进行计算处理，即可得到各通道采样的电信号波形对应的甲烷气体浓度；
所述采样系数X的具体计算方法为：
其中，An为激光发射单元的驱动电流信号，信号幅值和长度可变；Bn为系统在驱动电流信号An下光电探测单元得到的电信号，n＝0……1999。
2.根据权利要求1所述的采样时延分布式多点激光甲烷检测系统，其特征在于，所述激光发射单元包括用于提供激光的DFB激光器以及与所述DFB激光器连接的用于控制DFB激光器发射出特定光谱的激光光波的DFB激光器驱动和温控系统。
3.根据权利要求1或2所述的采样时延分布式多点激光甲烷检测系统，其特征在于，所述特定光谱的激光光波的中心波长为1653.7nm，扫描范围为1653.6nm～1653.8nm。
4.根据权利要求1或2所述的采样时延分布式多点激光甲烷检测系统，其特征在于，光分束器转换出的若干路光波通过导光光缆传输至甲烷检测室，光波经甲烷检测室中的甲烷吸收后的光波通过光纤准直器耦合进导光光缆后传输至光电探测单元。
5.根据权利要求1所述的采样时延分布式多点激光甲烷检测系统，其特征在于，所述光电探测单元包括用于采集光波经甲烷检测室中的甲烷吸收后的光信号的光电检测模块和用于将光信号转换成电信号的信号处理模块。
6.根据权利要求1所述的采样时延分布式多点激光甲烷检测系统，其特征在于，光电探测单元得到的电信号和激光发射单元的驱动电流信号由同步电路时钟控制，每通道同步采样2000个数据点，采样率为100KS/s。
7.一种采用权利要求1-6任一所述的甲烷检测系统进行甲烷检测的甲烷检测方法，其特征在于，包括步骤：
S1：将具有特定光谱的激光光波转换成若干路光波后分别传输至不同的甲烷检测室；
S2：采集光波经各甲烷检测室中的甲烷吸收后的光信号，并将所述光信号转换成电信号；
S3：同步采样光电探测单元得到的电信号和激光发射单元的驱动电流信号，并使光电探测单元得到的电信号与激光发射单元的驱动电流信号进行互相关处理得到采样波形的采样系数X；当采样系数X大于等于0.98时，将采样得到的电信号进行甲烷浓度计算；当采样系数X小于0.98时，电信号波形自动延时一个采样点，直至修正后的电信号与系统FPGA中保存的驱动电流信号进行互相关处理得到的相关系数X大于等于0.98；所述采样系数X的具体计算方法为：
其中，An为激光发射单元的驱动电流信号，信号幅值和长度可变；Bn为系统在驱动电流信号An下光电探测单元得到的电信号，n＝0……1999；
S4：对进行延时修正后的电信号进行甲烷浓度计算，得到各通道采样的电信号波形对应的甲烷气体浓度。
8.根据权利要求7所述的甲烷检测方法，其特征在于，所述甲烷浓度计算方法为：对得到采样得到的电信号依次进行锁相放大、谐波提取、滤波处理、线性拟合和温度压强补偿处理。
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