CN110470606B - 应用于水稻田立体空间的甲烷浓度检测仪及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用光电探测技术领域，提供了一种应用于水稻田立体空间的甲烷浓度检测仪，所述检测仪包括依次连接的微处理器、信号发生器、激光光源模块、分段式探测结构光纤模块、信号处理模块，且所述信号处理模块与所述微处理器连接，所述分段式探测结构光纤模块包括相互连接的单模光纤与空芯带隙型光子晶体光纤。由于该检测仪采用的单模光纤、空芯带隙型光子晶体光纤造价低廉，大大降低了甲烷浓度检测仪的成本，并且可以大范围布置于待测空间内，实现待测气体空间分布的在线检测。

Description

应用于水稻田立体空间的甲烷浓度检测仪及检测方法

技术领域

本发明属于光电探测技术领域，尤其涉及一种应用于水稻田立体空间的甲烷浓度检测仪及检测方法。

背景技术

根据第5次IPCC报告称，甲烷是仅次于二氧化碳的第二大温室气体，其对温室效应的潜势是二氧化碳的25倍，我国稻田作为甲烷的主要排放源之一，排放量高达全球稻田甲烷排放的27.4％。因此，探测大范围稻田甲烷浓度纵向空间分布、实时变化规律等信息对稻田甲烷排放、稻株甲烷传输机理、温室气体减排、稻株生长状态等研究具有重要意义。

稻田产生的甲烷排放与吸收过程十分复杂，甲烷排放之前稻田产生的甲烷有80％-94％在土壤表层被氧化，其次产生的甲烷经过植株的通气组织、气泡以及分子扩散这3条途径在稻株纵向不同高度排放，稻株高度的增高和密集种植在一定程度上形成了稻田温室效应，甲烷的排放不但受甲烷的产生的影响，而且受甲烷的氧化以及传播途径的限制。传统稻田甲烷排放通量的检测方法如箱法、微气象学法、土壤空气浓度分析法及同位素法均只能在一定程度上反应稻田甲烷气体的排放总量，无法满足稻田生态系统的立体空间、在线监测的需求，对稻株内甲烷传输机制、温室气体减排策略无法提供有效的科学依据。

因此，能够对稻田甲烷气体浓度进行在线、低成本的大范围实时监测显得尤为迫切。

发明内容

本发明的目的在于提供一种应用于水稻田立体空间的甲烷浓度检测仪及检测方法，旨在解决现有技术中无法对稻田甲烷气体浓度空间分布进行在线、低成本的大范围实时监测的技术问题。

第一方面，本发明提供了一种应用于水稻田立体空间的甲烷浓度检测仪，所述检测仪包括依次连接的微处理器、信号发生器、激光光源模块、分段式探测结构光纤模块、信号处理模块，且所述信号处理模块与所述微处理器连接，所述分段式探测结构光纤模块包括相互连接的单模光纤与空芯带隙型光子晶体光纤。

优选的，所述分段式探测结构光纤模块中，单模光纤与空芯带隙型光子晶体光纤的数量为至少一个，且所述单模光纤与空芯带隙型光子晶体光纤之间间隔性连接。

优选的，所述空芯带隙型光子晶体光纤内部设置有通气孔。

优选的，所述通气孔的直径为10微米。

优选的，每段所述空芯带隙型光子晶体光纤中的通气孔数量为多个。

优选的，所述空芯带隙型光子晶体光纤的外层设置有防水透气材料。

优选的，所述防水透气材料为聚四氟乙烯材料。

优选的，所述检测仪还包括光纤分束器，所述光纤分束器与所述分段式探测结构光纤模块、信号处理模块分别连接。

优选的，所述激光光源模块为近红外分布反馈式激光器。

第二方面，本发明提供了一种应用于水稻田立体空间的甲烷浓度检测方法，包括：

微处理器向信号发生器输出数字信号，通过所述信号发生器控制激光光源模块的激光输出信号；

所述激光输出信号传输至分段式探测结构光纤模块，并经过所述分段式探测结构光纤模块中单模光纤与空芯带隙型光子晶体光纤之间的熔接处产生回波信号；

所述回波信号经光电转换后变为电信号后，采用信号处理模块进行数据处理并反馈给所述微处理器，以进行甲烷浓度的检测。

本发明示出的应用于水稻田立体空间的甲烷浓度检测仪采用了分段式探测结构光纤模块，该分段式探测结构光纤模块包括单模光纤、空芯带隙型光子晶体光纤，由于单模光纤、空芯带隙型光子晶体光纤造价低廉，大大降低了甲烷浓度检测仪的成本，并且可以大范围布置于待测空间内，实现待测气体空间分布的在线检测。

附图说明

图1是实施例一示出的应用于水稻田立体空间的甲烷浓度检测仪的结构框图。

图2是实施例一示出的应用于水稻田立体空间的甲烷浓度检测仪中分段式探测结构光纤模块4的一种结构框图。

图3是本发明实施例一示出的一种应用于水稻田立体空间的甲烷浓度检测仪的结构示意图。

图4是本发明实施例二示出的应用于水稻田立体空间的甲烷浓度检测仪的一种实现流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述：

实施例一：

图1示出本实施例提供的应用于水稻田立体空间的甲烷浓度检测仪。如附图1所示，本实施例提供的应用于水稻田立体空间的甲烷浓度检测仪包括依次连接的微处理器10、信号发生器20、激光光源模块30、分段式探测结构光纤模块40、信号处理模块50。分段式探测结构光纤模块4包括相互连接的单模光纤41与空芯带隙型光子晶体光纤42。

微处理器10产生数字信号控制信号发生器20产生两路信号，分别作为载波的高频正弦波以及用来扫过待测甲烷吸收峰的锯齿波信号。两路信号经硬件电路后所选用的激光光源模块30进行驱动，从而产生激光信号传输给分段式探测结构光纤模块40，以进行甲烷浓度的检测。信号处理模块50在接收微处理器经分段式探测结构光纤模块40反馈回来的回波信号后进行信号处理，并传输给微处理器10，进而微处理器10根据信号处理模块50传输的信号进行甲烷浓度的检测。

由于本实施例中的甲烷浓度检测仪采用的单模光纤、空芯带隙型光子晶体光纤造价低廉，大大降低了甲烷浓度检测仪的成本，并且可以大范围布置于待测空间内，实现待测气体空间分布的在线检测。

分段式探测结构光纤模块40中，单模光纤41与空芯带隙型光子晶体光纤42连接的熔接处存在回波信号，该回波信号传输至信号处理模块5，由于不同的回波信号在光纤中经过了不同光程，不同光程所引起的到达信号处理模块的时间延迟即为待测信号的相位差；同时，经过不通光程的回波信号被空芯带隙型光子晶体光纤42中的待测气体吸收并表现出不同程度的能量衰减，即其幅值逐级递减。因此，回波信号的相位信息反映探测中的空间位置，幅值信息则反映甲烷气体的浓度信息，实现甲烷气体的在线检测。

单模光纤41为实芯光纤，内部介质可以对所选波长的光进行几乎无损失的正向传播，传播过程中的背向回波强度极小，一般小于-60dB；空芯带隙型光子晶体光纤42与单模光纤41的区别在于其中心有一条空芯的通道，该通道可以允许气体或液体的注入或扩散，当特定波长的入射光通过注入特定吸收介质的空芯通道时，入射光则会被吸收，剩余的入射光能量则可用于计算吸收介质的成分或浓度。空芯带隙型光子晶体光纤42与单模光纤41的熔接处会存在一定耦合损失，且会有约-17dB以上的回波信号，通过将该回波信号作为检测仪的待测信号。

具体的，分段式探测结构光纤模块40中，单模光纤41与空芯带隙型光子晶体光纤42的数量为至少一个，且所述单模光纤与空芯带隙型光子晶体光纤之间间隔性连接，每个单模光纤与空芯带隙型光子晶体光纤之间通过熔接处进行连接。图2是分段式探测结构光纤模块40中单模光纤与空芯带隙型光子晶体光纤之间的连接示意图。

通过分段式探测结构，单模光纤-熔接-空芯带隙型光子晶体光纤结构可以多次循环连接，其中单模光纤起到入射光无损传输，更加方便选择测量点，空芯带隙型光子晶体光纤实现环境气体无扰动采集功能，大大提高了实现水稻田立体空间的甲烷浓度在线检测的灵活性和便利性。

可选的，带隙型光子晶体光纤42内部设置有通气孔，其直径为10微米，通气孔数量可按响应速度需求增加，当通气孔增加到3个时，响应时间可达到180s以内。外界气体以扩散形式进入光纤内部，当将空芯带隙型光子晶体光纤42置入待测环境中时，则可以通过气体扩散的方式，实现对环境中待测气体的无扰动测量，实现立体空间中特定待测气体时空特性的在线检测。根据比尔朗博定律，气体吸收光程与待测气体浓度存在数学关系，考虑到应用环境为农田环境，平均甲烷浓度在80ppm左右，每段空芯带隙型光子晶体光纤42至少保证在半米以上。

可选的，为进一步适应实际应用环境的复杂条件，空芯带隙型光子晶体光纤42的外层由聚四氟乙烯等材料进行防水透气处理。

可选的，检测仪还包括光纤分束器，所述光纤分束器与所述分段式探测结构光纤模块、信号处理模块分别连接。入射激光信号通过光纤分束器分为10％与90％两部分(实际应用中也可为其他比例，例如20％与80％、5％与95％，在此不对具体比例进行限定)：10％的入射信号作为参考信号直接传输至信号处理模块50，90％的入射信号传输至分段式探测结构光纤模块4。

图3是根据一示例性实施例示出的检测仪结构示意图，如图3所示，光纤分束器与分段式探测结构光纤模块40之间设置光环形器，光纤分束器输出的用作探测信号的入射信号通过光环形器传输给分段式探测结构光纤模块40，在经过分段式探测结构光纤模块40的传输发射回来的回波信号再经过光环形器传输给信号处理模块50。

具体的，光环形器将回波信号传输至红外探测器，经红外探测器进行光电转换后变为电信号。由于电信号为毫安级电流信号，信号处理模块5对该电信号进行处理时，将其转换为电压信号后经过前置放大电路提高信噪比，再经滤波电路滤出高频噪音，主放大电路将信号放大至数据采集电路可采集的电压幅值范围内，数据采集电路对模拟量电压信号进行模数转换后变为数字信号，反馈至微处理器进行信号提取，微处理器按相位信息区分回波信号所在空间位置，按幅值信息区分所在空间气体浓度，输出具有空间信息的气体浓度探测结果。

可选的，激光光源模块为近红外分布反馈式激光器。带隙型光子晶体光纤的中心波段位于1550nm，在该波段约10％的波长范围内，传输能量损耗极小，超过该范围能量随距离增加快速衰减，因此，采用中心波长位于1654nm附近的近红外DFB光源作为光源，成本较ICL、QCL等目前较为常用的气体检测用光源更低，且激光器、信号发生器、TEC温控电路、微处理器可与光纤气室分离工作。即布置多个分段式光纤气室，仅需要一个检测仪与其分时复用式连接，即可实时测得待测气体浓度。

在一示例性实施例中，激光光源模块可采用四川腾光的近红外中心波长位于1654nm的分布反馈式激光器，该激光器可进行调谐，设计中包络载波采用5KHz正弦波，扫描待测波峰采用频率为10Hz的锯齿波；空芯带隙型光子晶体光纤可采用NTK Photonics公司的HC-1550-02型光纤，通带波段为1490-1680nm，包含所选近红外甲烷吸收峰1654nm；DDS芯片选用ADI公司的AD9851；微处理器芯片为意法半导体公司的STM32F107，所选DA转换器为ADI公司的12位DA转换器AD667，其输入码值000H及FFFH分别对应输出-10V及+10V电压。

实施例二：

附图4为实施例二示出的应用于水稻田立体空间的甲烷浓度检测方法的实现流程图。实施例二示出的应用于水稻田立体空间的甲烷浓度检测方法适用于实施例一示出的检测仪。为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：

步骤S110，微处理器向信号发生器输出数字信号，通过所述信号发生器控制激光光源模块输出的激光信号；

步骤S120，所述激光信号传输至分段式探测结构光纤模块，并经过所述分段式探测结构光纤模块中单模光纤与空芯带隙型光子晶体光纤之间的熔接处产生回波信号；

步骤S130，所述回波信号经光电转换后变为电信号后，采用信号处理模块进行数据处理并反馈给所述微处理器，以进行甲烷浓度的检测。

具体的，如图3所示，微处理器产生数字信号控制信号发生器产生两路信号，分别作为载波的高频正弦波以及用来扫过待测甲烷吸收峰的锯齿波信号。两路信号控制激光光源模块(例如近红外分布反馈式激光器)进行驱动；激光光源模块发射的激光信号通过光纤分束器分为两部分，其中一部分激光信号作为参考信号直接传输至信号处理模块；另一部分激光信号传输至分段式探测结构光纤模块中，进入分段式探测结构光纤模块的激光信号首先经过单模光纤1，随后传输至单模光纤1与空芯带隙型光子晶体光纤1的熔接处1，单模光纤与空芯光子晶体光纤内部通光材料分别为硅介质与空气，熔接后由于介质突变，存在少量光能散射到光纤外部，即能量损失。其余能量发生反射、透射，透射信号作为后端探测的输入信号继续传播，反射信号经光环行器被探测器接收；入射光进入空芯带隙型光子晶体光纤1，经过光纤内的待测气体吸收后进一步衰减，随后传输如熔接处2，熔接处对入射激光造成一定衰减，并产生一定强度回波信号，剩余入射光继续向前传播；单模光纤2、熔接处2、空芯带隙型光子晶体光纤2所产生的入射光衰减，产生回波信号等现象与前面类似，空芯带隙型光子晶体光纤2的出射光通过反射镜全部反射，不在向前传播。

由于本发明中采用的单模光纤、空芯带隙型光子晶体光纤造价低廉，大大降低了甲烷浓度检测仪的成本，并且可以大范围布置于待测空间内，实现待测气体空间分布的在线检测。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种应用于水稻田立体空间的甲烷浓度检测仪，其特征在于，所述检测仪包括依次连接的微处理器、信号发生器、激光光源模块、分段式探测结构光纤模块、信号处理模块，且所述信号处理模块与所述微处理器连接，所述分段式探测结构光纤模块包括相互连接的单模光纤与空芯带隙型光子晶体光纤；

所述分段式探测结构光纤模块中，单模光纤与空芯带隙型光子晶体光纤的数量为至少一个，且所述单模光纤与空芯带隙型光子晶体光纤之间熔接连接；单模光纤-熔接-空芯带隙型光子晶体光纤的结构多次循环连接；

所述空芯带隙型光子晶体光纤内部设置有通气孔，外界气体以扩散形式进入所述空芯带隙型光子晶体光纤内部；

所述单模光纤与所述空芯带隙型光子晶体光纤连接的熔接处存在回波信号，所述回波信号的相位信息反映探测中的空间位置，幅值信息则反映甲烷气体的浓度信息。

2.如权利要求1所述的检测仪，其特征在于，所述通气孔的直径为10微米。

3.如权利要求1所述的检测仪，其特征在于，每段所述空芯带隙型光子晶体光纤中的通气孔数量为多个。

4.如权利要求1所述的检测仪，其特征在于，所述空芯带隙型光子晶体光纤的外层设置有防水透气材料。

5.如权利要求4所述的检测仪，其特征在于，所述防水透气材料为聚四氟乙烯材料。

6.如权利要求1所述的检测仪，其特征在于，所述检测仪还包括光纤分束器，所述光纤分束器与所述分段式探测结构光纤模块、信号处理模块分别连接。

7.如权利要求1所述的检测仪，其特征在于，所述激光光源模块为近红外分布反馈式激光器。

8.一种应用于权利要求1-7任意一项所述水稻田立体空间的甲烷浓度检测仪的检测方法，其特征在于，所述方法包括：

微处理器向信号发生器输出数字信号，通过所述信号发生器控制激光光源模块的激光输出信号；

所述激光输出信号传输至分段式探测结构光纤模块，并经过所述分段式探测结构光纤模块中单模光纤与空芯带隙型光子晶体光纤之间的熔接处产生回波信号；

所述回波信号经光电转换后变为电信号后，采用信号处理模块进行数据处理并反馈给所述微处理器，以进行甲烷浓度的检测；

所述分段式探测结构光纤模块中，单模光纤与空芯带隙型光子晶体光纤的数量为至少一个，且所述单模光纤与空芯带隙型光子晶体光纤之间熔接连接，单模光纤-熔接-空芯带隙型光子晶体光纤的结构多次循环连接；

所述空芯带隙型光子晶体光纤内部设置有通气孔，外界气体以扩散形式进入所述空芯带隙型光子晶体光纤内部；

所述回波信号的相位信息反映探测中的空间位置，幅值信息则反映甲烷气体的浓度信息。

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