CN111351769A - 基于波长调制技术的痕量气体浓度场分布探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于波长调制光谱技术的大范围痕量气体浓度场分布探测方法，该方法以可调谐半导体激光器作为光源，通过检测多方位多角度下的目标组分波长调制吸收光谱，并结合计算机层析成像(CT)算法，可快速反演长达1公里光程量级的大范围水平空间痕量气体浓度场分布。该方法所使用的波长调制光谱技术具有高灵敏度、响应快速、无需基线拟合、光谱处理速度快等优势，CT算法具有反演二维场分布图像的能力，因此本发明可以实现大范围空间目标气体的可视化监测，有助于大面积工业园区有毒、有害、危险气体排放或者泄露的快速准确定位和输送过程分析，将进一步扩展TDLAS技术的应用方向和范围。

Description

基于波长调制技术的痕量气体浓度场分布探测方法

技术领域

本发明属于气体检测分析诊断领域，具体涉及一种基于波长调制光谱技术的大范围痕量气体浓度场分布探测方法，可以快速实现目标气体极低浓度二维场分布探测，比如NH₃、CH₄、CO、H₂S等化工园区有害危险泄漏气体。

背景技术

可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术作为一种高分辨率、高选择性、快速响应、结构简单、抗干扰能力强的非接触光学测量手段，已经在气体检测领域发挥了重要应用，具体包括温室气体测量(CO₂、CH₄、N₂O)、大气污染成分探测(CO、NO_x、NH₃)、危险气体泄漏检测(CH₄、H₂S、C₂H₄)等。

由于TDLAS是一种视线测量技术，即单光路测量得到的浓度其实是沿激光传输路径的平均值。对于大范围、大面积空间探测区域，气体浓度的空间分布通常呈现出非均匀特点，仅仅依靠单光路下的测量数据，无法获得目标气体的浓度空间分布信息。多组TDLAS探测系统的网络化布置方式虽然能够实现二维空间测量，但是大大增加了监测成本，并且也无法覆盖目标区域的所有空间、角落。

发明内容

针对现有技术以上缺陷或改进需求中的至少一种，研究基于TDLAS技术的气体浓度空间分布CT反演方法显得尤为必要，本发明提供了一种基于波长调制光谱技术的大范围痕量气体浓度场分布探测方法，利用多方位多角度下的TDLAS测量数据，结合计算机CT算法，可以获得高空间分辨的气体浓度场分布图像，进而精确追踪并锁定气体泄露源或者排放源位置；从而解决直接吸收光谱数据处理复杂、线型拟合耗时、测量灵敏度低，单光路测量空间分辨率低，多TDLAS仪器同时检测成本高、覆盖区域受限等难题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于波长调制光谱技术的大范围痕量气体浓度场分布探测方法，采用的探测装置包括数据采集处理单元、工控机及多套组件，每套组件均包括结构和功能均相同的信号发生单元、激光控制单元、可调谐半导体激光器、平面反射镜、收发一体水平扫描主机；多套组件中的各收发一体水平扫描主机分别位于探测区域的不同方位；

所述探测方法包括如下步骤：

(1)、首先根据待测气体的种类，从高分辨率分子光谱数据库中选择相应的测量吸收谱线，确定其中心频率v₀，线强S(T)，低态能级值E″；

(2)、针对已确定的目标气体吸收测量谱线，以可调谐半导体激光器作为检测光源，同时调节激光器控制单元的温度和电流，使可调谐半导体激光器的输出激光频率稳定在v₀预定范围内；

(3)、信号发生单元产生低频锯齿信号和高频正弦信号，经加法器同时输入到激光控制单元中，对可调谐半导体激光器出光频率进行调制；

(4)、将可调谐半导体激光器发出的经调制的激光准直后经过平面反射镜反射到达收发一体水平扫描主机，收发一体水平扫描主机实现指定角度的高精度自动旋转，经收发一体水平扫描主机发射出去的激光被探测区域边界上的多个不同的角反射镜接收，并原路返回到达第一收发一体水平扫描主机中的光电探测器；

其他的每套组件同样执行上述步骤(1)-(4)；

(5)、将多个不同收发一体水平扫描主机中接收到的调制吸收信号输送到数据采集处理单元，进行2f/1f信号解调，根据波长调制吸收光谱技术的实验室标定结果和2f/1f信号解调结果输出待测气体浓度数据，如下式(1)所示：

X＝k·V_2f/1f (1)

其中，V_2f/1f为测量得到的归一化2f/1f谐波信号，k为标定系数；

(6)、对探测区域进行网格离散化操作，某一条探测光束下目标吸收谱线的积分吸光度表示为其经过的所有n个网格的积分吸光度之和，如下式(2)所示：

PXS(T)L＝PS(T)x₁l₁+PS(T)x₂l₂+…+PS(T)x_nl_n (2)

其中，P是压强，X是单光路测量的路径平均浓度，S(T)是目标谱线的吸收线强，L是激光束被探测区域边界截得的几何长度，x_n是探测区域划分的网格内的气体浓度，l_n是激光束被离散网格截得的几何长度；

联立(1)式和(2)式，推导出归一化二次谐波信号2f/1f与各个离散网格下组分浓度的关系式，如下式(3)所示：

(7)、根据至少两个收发一体水平扫描主机获得的不同方位下不同角度处的波长调制吸收光谱，解调得到2f/1f信号后，再结合代数迭代算法求解以网格内的气体浓度为未知数的线性方程组，在工控机中反演并画出大范围浓度场分布图像。

优选地，在步骤(3)中，经调制后的激光频率和激光强度分别按如下两式确定：

其中，t是时间，

是低频锯齿扫描下的激光中心频率，随时间变化，a[cm^-1]为调制深度，f_m[Hz]为调制频率，

是激光中心频率v处的平均强度，i₀和i₂分别是归一化后的线性和非线性强度调制幅度，

是频率调制和强度调制的线性相移，

是频率调制和强度调制的非线性相移。

优选地，在步骤(7)中，利用多个不同的收发一体水平扫描主机在多个不同测点进行多角度测量数据采集，共获得J条测量光路，构成以网格内的气体浓度为未知数、以2f/1f信号为函数值的线性方程组，如下式所示：

选择计算机CT原理中的代数迭代算法求解该方程组，最终获得组分浓度场分布图像。

优选地，在步骤(7)之后，还包括如下步骤：

(8)、根据重建出来的浓度场分布图像，分辨浓度高低分区，从而进一步搜寻、确定目标气体的泄漏源和排放源位置。

优选地，所述角反射镜替换为反光贴；或者，若所述探测区域为室内环境，则可不设置所述角反射镜，使用墙壁、地面的散射光作为信号探测的源。

上述优选技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

1、本发明的基于波长调制光谱技术的大范围痕量气体浓度场分布探测方法，采用波长调制吸收光谱技术，对激光频率进行高频调制，有效抑制了背景噪声，提高了检测灵敏度和检测限，同时避免了传统TDLAS直接吸收场分布测量中吸收线型拟合求投影值的复杂耗时计算。

2、本发明的基于波长调制光谱技术的大范围痕量气体浓度场分布探测方法，利用收发一体的TDLAS主机扫描系统，结合开放光路长光程探测装置，能够实现大范围空间痕量气体的场分布测量，检测限将普遍达到ppm甚至以下量级。该方法设计了收发一体的光路传输结构和多角度扫描光束布局方案，能够大大简化激光发射接收系统，并且只需更换检测激光器，就可以实现从一种痕量气体分子到另一种痕量气体分子的大范围空间分布测量。

3、本发明的基于波长调制光谱技术的大范围痕量气体浓度场分布探测方法，将计算机层析成像(CT)算法应用到TDLAS气体检测领域，实现了浓度场分布图像的反演，快速反演1公里光程量级的大范围水平空间痕量气体浓度场分布，CT算法具有反演二维场分布图像的能力，因此本发明可以实现大范围空间目标气体的可视化监测，通过这种可视化监测可以准确锁定气体泄漏源和排放源的位置，有助于大面积工业园区有毒、有害、危险气体排放或者泄露的快速准确定位和输送过程分析，将进一步扩展TDLAS技术的应用方向和范围。

4、目前气体参数TDLAS二维分布测量研究主要集中在燃烧流场诊断领域，通常以H₂O作为探针组分，所使用的光谱检测技术也以直接吸收为主，并且测量区域是燃烧炉面这样的小尺度截面。本发明为了将TDLAS二维测量方法应用到大气环境多组分空间分布监测领域，采用开放光路的气体探测方式，扩大气体检测空间范围；利用波长调制吸收光谱技术，简化光谱处理流程、提高测量灵敏度和检测限；结合计算机CT算法，实现浓度场分布图像反演。最终在方法上弥补当前长光程气体检测仪只能测量组分单光路平均浓度的缺陷。

上述所有的方法优点有效地简化了TDLAS场分布探测的算法复杂度，拓展了TDLAS技术的应用方向和范围。

附图说明

图1是本发明的基于波长调制光谱技术的大范围痕量气体浓度场分布探测方法的一个测量实施例装置的俯视示意图；

图2是本发明的基于波长调制光谱技术的大范围痕量气体浓度场分布探测方法在实际测量时的2f/1f解调信号示意图；

图3是本发明的基于波长调制光谱技术的大范围痕量气体浓度场分布探测方法中基于两套收发一体水平扫描主机的场分布反演方法下网格划分和光束布局示意图。

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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。下面结合具体实施方式对本发明进一步详细说明。

作为本发明的一种较佳实施方式，如图1所示，本发明提供一种基于波长调制光谱技术的大范围痕量气体浓度场分布探测方法，采用的探测装置包括数据采集处理单元7、工控机8及多套组件，每套组件均包括结构和功能均相同的信号发生单元1、13、激光控制单元2、12、可调谐半导体激光器3、11、平面反射镜4、10、收发一体水平扫描主机5、9；多套组件中的各收发一体水平扫描主机5、9分别位于探测区域14的不同方位。

所述探测方法包括如下步骤：

(1)、首先根据待测气体的种类，从高分辨率分子光谱数据库中选择相应的测量吸收谱线，确定其中心频率v₀，线强S(T)，低态能级值E″；该谱线需避开应用环境中主要干扰组分的干扰吸收，谱线本身也要相对干净独立，附近没有过多的临近吸收，并且谱线吸收强度较强，满足波长调制最小吸收检测需求。

(2)、针对已确定的目标气体吸收测量谱线，以第一可调谐半导体激光器3作为检测光源，同时第一激光器控制单元2调节好合适的温度和电流，使第一可调谐半导体激光器3的输出激光频率稳定在v₀附近。经过调制的激光可以实现对目标吸收谱线的周期性检测。

(3)、第一信号发生单元1产生低频锯齿信号和高频正弦信号，经加法器同时输入到第一激光控制单元2中，对第一可调谐半导体激光器3出光在吸收光谱谱线处发生低频扫描和高频调制；经调制后的激光频率和激光强度分别按如下两式确定：

其中，t是时间，

是低频锯齿扫描下的激光中心频率，随时间变化，a[cm-¹]为调制深度，f_m[Hz]为调制频率，

是激光中心频率

处的平均强度，i₀和i₂分别是归一化后的线性(一阶)和非线性(二阶)强度调制幅度，

是频率调制和强度调制的线性相移，

是频率调制和强度调制的非线性相移。

(4)、将第一可调谐半导体激光器3发出的经低频扫描和高频调制的激光准直后经过区域固定角第一平面反射镜4反射到达第一收发一体水平扫描主机5，第一收发一体水平扫描主机5实现指定角度的高精度自动旋转，经第一收发一体水平扫描主机5发射出去的激光被探测区域14边界上的多个不同的角反射镜6接收，并原路返回到达第一收发一体水平扫描主机5中的光电探测器，开放光路可实现1公里量级的吸收光程探测。

其他的每套组件同样执行上述步骤(1)-(4)。例如第二信号发生单元13、第二激光控制单元12、第二可调谐半导体激光器11、第二平面反射镜10、第二收发一体水平扫描主机9，按照第一套组件中的各组成的操作方式，同样执行上述步骤(1)-(4)。如有其它套组件，也是同理执行。

(5)、将多个不同收发一体水平扫描主机(如第一收发一体水平扫描主机5，第二收发一体水平扫描主机9，均包含光路收发一体结构、电动旋转结构、信号探测传输结构)中接收到的不同角度下的带有吸收信息的调制光谱信号输送到数据采集处理单元7，经过数字锁相解调获得不同角度不同方位下的2f/1f信号，提取2f/1f信号峰值作为激光投影值，根据波长调制吸收光谱技术的实验室标定结果(利用待测组分的标准浓度气体，预先对解调的2f/1f信号峰值与浓度之间的线性关系进行实验室标定)和2f/1f信号解调结果输出待测气体浓度数据，如下式(1)所示：

X＝k·V_2f/1f (1)

其中，V_2f/1f为测量得到的归一化2f/1f谐波信号，k为标定系数。

(6)、对探测区域14进行网格离散化操作，某一条探测光束下目标吸收谱线的积分吸光度表示为其经过的所有n个网格的积分吸光度之和，如下式(2)所示：

PXS(T)L＝PS(T)x₁l₁+PS(T)x₂l₂+…+PS(T)x_nl_n (2)

其中，P是压强，X是单光路测量的路径平均浓度，S(T)是目标谱线的吸收线强，L是激光束被探测区域边界截得的几何长度，x_n是探测区域划分的网格内的气体浓度，l_n是激光束被离散网格截得的几何长度；

联立(1)式和(2)式，推导出归一化二次谐波信号2f/1f与各个离散网格下组分浓度的关系式，也即上述激光投影值的离散表达式，如下式(3)所示：

上式中V_2f/1f、L、k、l_n可以通过现场测量或者实验室标定得到，因此(3)式是一个关于网格内的气体浓度x_n的线性方程，对于大量的测量或者投影光路，将构成一个线性方程组。

图2所示的是实际测量过程中不同角度不同方位下数据采集处理单元7根据传输回来的调制光谱信号解调获得的2f/1f信号示意图(其中横轴为波数，纵轴为2f/1f信号)，信号峰值的高低差异反应了目标区域待测气体浓度的非均匀特征。

(7)、根据至少两个收发一体水平扫描主机获得的不同方位下不同角度处的波长调制吸收光谱，解调得到2f/1f信号后，再结合代数迭代算法求解以网格内的气体浓度为未知数的线性方程组，在工控机8中反演并画出大范围浓度场分布图像。

具体地，利用多个不同的收发一体水平扫描主机在多个不同测点进行多角度测量数据采集，共获得J条测量光路(以两个收发一体水平扫描主机为例，每个扫描主机获得J/2条测量光路)，构成以网格内的气体浓度为未知数、以2f/1f信号为函数值的线性方程组，如下式(4)所示：

选择计算机CT原理中的代数迭代算法求解该方程组，最终获得组分浓度场分布图像。

图3所示的是本方法实现浓度场分布测量时的目标区域网格划分和长光程投影光束的布局示意图。一条测量光路即对应一个测量方程，而一个网格对应一个浓度未知数，按照线性方程组理论，方程的个数要大于等于未知数的个数才能精确计算出各个未知数的数值。本发明采用代数迭代算法实现线性方程组求解，同时在求解过程中加入非负约束、范围限定、平滑准则，因此可以在方程数稍微小于未知数的情况下重建出浓度场图像。以图3所示为例，对于6×6的二维网格重建，未知数有36个，长光程投影光路有22条。根据实际测量环境，这里加入浓度场分布的相关限定，可以重建出较为准确的待测气体浓度场分布图像。

在步骤(7)之后，还包括如下步骤：

(8)、根据重建出来的浓度场分布图像，可以清晰地分辨浓度高低分区，从而进一步搜寻、确定目标气体的泄漏源和排放源位置。

本发明中的角反射镜根据实际测量环境也可以更换为反光贴，或者使用墙壁、地面的散射光作为信号探测的源，因此可大大扩展其应用范围或场合。

本领域的技术人员容易理解，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 (5)

1.一种基于波长调制光谱技术的大范围痕量气体浓度场分布探测方法，其特征在于，

采用的探测装置包括数据采集处理单元(7)、工控机(8)及多套组件，每套组件均包括结构和功能均相同的信号发生单元(1、13)、激光控制单元(2、12)、可调谐半导体激光器(3、11)、平面反射镜(4、10)、收发一体水平扫描主机(5、9)；多套组件中的各收发一体水平扫描主机(5、9)分别位于探测区域(14)的不同方位；

所述探测方法包括如下步骤：

(1)、首先根据待测气体的种类，从高分辨率分子光谱数据库中选择相应的测量吸收谱线，确定其中心频率v₀，线强S(T)，低态能级值E″；

(2)、针对已确定的目标气体吸收测量谱线，以可调谐半导体激光器(3、11)作为检测光源，同时调节激光器控制单元(2、12)的温度和电流，使可调谐半导体激光器(3、11)的输出激光频率稳定在v₀预定范围内；

(3)、信号发生单元(1、13)产生低频锯齿信号和高频正弦信号，经加法器同时输入到激光控制单元(2、12)中，对可调谐半导体激光器(3、11)出光频率进行调制；

(4)、将可调谐半导体激光器(3、11)发出的经调制的激光准直后经过平面反射镜(4、10)反射到达收发一体水平扫描主机(5、9)，收发一体水平扫描主机(5、9)实现指定角度的高精度自动旋转，经收发一体水平扫描主机(5、9)发射出去的激光被探测区域(14)边界上的多个不同的角反射镜(6)接收，并原路返回到达第一收发一体水平扫描主机(5)中的光电探测器；

其他的每套组件同样执行上述步骤(1)-(4)；

(5)、将多个不同收发一体水平扫描主机(5、9)中接收到的调制吸收信号输送到数据采集处理单元(7)，进行2f/1f信号解调，根据波长调制吸收光谱技术的实验室标定结果和2f/1f信号解调结果输出待测气体浓度数据，如下式(1)所示：

X＝k·V_2f/1f (1)

其中，V_2f/1f为测量得到的归一化2f/1f谐波信号，k为标定系数；

(6)、对探测区域(14)进行网格离散化操作，某一条探测光束下目标吸收谱线的积分吸光度表示为其经过的所有n个网格的积分吸光度之和，如下式(2)所示：

PXS(T)L＝PS(T)x₁l₁+PS(T)x₂l₂+…+PS(T)x_nl_n (2)

其中，P是压强，X是单光路测量的路径平均浓度，S(T)是目标谱线的吸收线强，L是激光束被探测区域边界截得的几何长度，x_n是探测区域划分的网格内的气体浓度，l_n是激光束被离散网格截得的几何长度；

联立(1)式和(2)式，推导出归一化二次谐波信号2f/1f与各个离散网格下组分浓度的关系式，如下式(3)所示：

(7)、根据至少两个收发一体水平扫描主机获得的不同方位下不同角度处的波长调制吸收光谱，解调得到2f/1f信号后，再结合代数迭代算法求解以网格内的气体浓度为未知数的线性方程组，在工控机(8)中反演并画出大范围浓度场分布图像。

2.如权利要求1所述的基于波长调制光谱技术的大范围痕量气体浓度场分布探测方法，其特征在于：

在步骤(3)中，经调制后的激光频率和激光强度分别按如下两式确定：

其中，t是时间，

是低频锯齿扫描下的激光中心频率，随时间变化，a[cm^-1]为调制深度，f_m[Hz]为调制频率，

是激光中心频率

处的平均强度，i₀和i₂分别是归一化后的线性和非线性强度调制幅度，

是频率调制和强度调制的线性相移，

是频率调制和强度调制的非线性相移。

3.如权利要求1所述的基于波长调制光谱技术的大范围痕量气体浓度场分布探测方法，其特征在于：

在步骤(7)中，利用多个不同的收发一体水平扫描主机在多个不同测点进行多角度测量数据采集，共获得J条测量光路，构成以网格内的气体浓度为未知数、以2f/1f信号为函数值的线性方程组，如下式所示：

选择计算机CT原理中的代数迭代算法求解该方程组，最终获得组分浓度场分布图像。

4.如权利要求3所述的基于波长调制光谱技术的大范围痕量气体浓度场分布探测方法，其特征在于，在步骤(7)之后，还包括如下步骤：

(8)、根据重建出来的浓度场分布图像，分辨浓度高低分区，从而进一步搜寻、确定目标气体的泄漏源和排放源位置。

5.如权利要求1-4任一项所述的基于波长调制光谱技术的大范围痕量气体浓度场分布探测方法，其特征在于：

所述角反射镜(6)替换为反光贴；

或者，若所述探测区域为室内环境，则可不设置所述角反射镜(6)，使用墙壁、地面的散射光作为信号探测的源。

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