CN112345424B - 波长调谐单像素探测气体扩散和浓度分布的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于单像素成像与气体浓度检测领域；在工业生产过程中，有害气体泄漏事故时有发生，气体泄漏危害生命安全和设备的运行，现有检测方法成本高检测范围小，存在巨大检测盲区，本发明提供一种波长调谐单像素探测气体扩散和浓度分布的方法及装置，将波长调谐与锁相放大用于单像素成像，利用气体对特定波长的红外光吸收的特性，实现气体扩散和浓度空间分布的差分探测成像，获得气体扩散的三维信息，提高探测成像信噪比和气体扩散浓度分布检测的精度，具有低成本、高灵敏度、无分辨率限制、大监测范围等优点，不需要为制冷，使用寿命长。

Description

波长调谐单像素探测气体扩散和浓度分布的方法及装置

技术领域

本发明涉及单像素成像与气体泄漏检测技术，更具体的说，涉及一种波长调谐单像素探测气体扩散和浓度分布的方法及装置。

背景技术

在工业生产过程中，有害气体泄漏事故时有发生，例如地下矿井、化学工厂、煤气管道等领域，气体的泄漏会危害工人的生命安全和设备的正常运行，所以气体泄漏分布可视化检测是一个非常重要的安全课题。

现阶段检测有害气体方法有三种，一种是点式探测，其缺点是只能检测到局部一点上气体情况，不能知道气体的扩散分布情况，存在巨大检测盲区，具有较为明显的局限性；第二种是传统的红外相机直接成像检测，但是其需要配备制冷设备，制冷设备具有寿命限制，此外其主要依赖于阵列式光电元件，设备成本昂贵、复杂且笨重；第三种基于红外CCD成像在波段大于1100nm后存在价格昂贵问题，同时监测范围小，仅适用于小场景监测的缺点。

综上，在工业生产中，亟需一种操作简单、成本低、探测视野范围大的气体泄漏分布可视化检测技术。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种波长调谐单像素探测气体扩散和浓度分布的方法及装置，该发明能够实现不可见气体扩散和浓度空间分布的差分探测成像，获取气体扩散的三维信息，提高探测成像信噪比，提升气体扩散浓度分布检测精度。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种波长调谐单像素探测气体扩散和浓度分布的方法，将波长调谐与锁相放大用于单像素成像，利用气体对特定波长的红外光吸收的特性，实现气体扩散和浓度空间分布的差分探测成像，获得气体扩散的三维信息，提高探测成像信噪比和气体扩散浓度分布检测的精度，具体步骤如下：

步骤1.从结构照明基底图案中选择目标场景投影的结构照明基底图案，预期重建成像的待测气体(6)的扩散分布图像O(x，y)的图像分辨率为M×N，产生M×N个二维基底图案Φ(x，y)，其中x∈(0,1,2,…，M-1)，y∈(0,1,2,…，N-1)；

步骤2.将步骤1中获得的所有二维基底图案Φ(x，y)载入空间光调制器产生预期的照明结构光，照明结构光照射待测气体，待测气体对两种中心波长不同的照明结构光吸收不相同，调谐激光器中心波长，在照明结构光的中心波长为λ_吸收时，光电探测器获得的经过待测气体吸收的照明结构光的强度系数

照明结构光的中心波长为λ_不吸收时，光电探测器获得的经过待测气体吸收的照明照明结构光的强度系数

其中·^*表示两个二维矩阵对应元素乘积，T{}为正交变换，u∈(0,1,2,…，M-1)，v∈(0,1,2,…，N-1)；

步骤3.将步骤2中探测获得的I(u,v)λ_吸收和I(u,v)λ_不吸收分别输入锁相放大模块后输出

ΔI(u,v)为经过锁相放大待测气体吸收与不吸收的强度系数之差，其中L为放大系数；将步骤3重复M×N次后，获得M×N变换域谱矩阵S(u,v)；

步骤4.通过正交反变换获得待测气体扩散的空间二维分布的重建的扩散分布图像O(x,y)∝T^-1{S(u,v)}，对重建二维图形的灰度信息分析提取，获得待测气体扩散的浓度分布信息。

进一步，步骤1中的结构照明基底图案通过正交变换获得，包括Hadamard(哈达玛)基底图案、傅里叶基底图案、离散余弦基底图案、Krawtchouk基底图案。

进一步，步骤2中调谐空间结构光的中心波长照射待测气体的方法如下：

方法1.以每个基底图案的调制时间为一个周期T，激光器发出的待测气体吸收的波长为λ_吸收的红外光照射待测气体，持续时间为T/2，然后将红外光的波长调制为λ_不吸收照射待测气体，持续时间为T/2，一个周期T结束后偏转下一基底图案，重复操作M×N次直至M×N个基底图案投影完成；

方法2.以每个基底图案的调制时间为一个周期T，激光器发出的待测气体吸收的波长为λ_吸收的红外光照射待测气体，重复操作M×N次直至M×N个基底图案投影完成，持续时间为M×N×T，然后将红外光的波长调制为λ_不吸收照射待测气体，重复操作M×N次直至M×N个相同的基底图案投影完成，持续时间为M×N×T；

方法3.以每个基底图案为一个周期T，激光器发出待测气体吸收的波长为λ_吸收的红外光，经DMD调制后得到照明结构光照射待测气体，持续时间为T/2，然后将红外光的波长调制为λ_不吸收，经DMD调制后照射待测气体，持续时间为T/2，持续时间为T/2，波长为λ_吸收的红外光作为待测信号输入锁相放大器，波长为λ_不吸收的红外光作为参考信号输入锁相放大器。

一种波长调谐单像素探测气体扩散和浓度分布的装置，包括可调谐光发射系统、探测系统和信号接收及分析处理系统，可调谐光发射系统发出的激光经过探测系统探测后，利用信号接收及分析处理系统对待测气体吸收后的空间结构光信号进行接收、分析处理，可调谐光发射系统包括可调谐的激光器和准直扩束镜；探测系统具有四种实现方式：

a.主动透射式探测系统，可调谐发射系统发出的光束先经过空间光调制器调制，再通过投影透镜射入待测气体后，光信号输入信号接收及分析处理系统；

b.主动反射式探测系统，可调谐发射系统发出的光束先经过空间光调制器调制，通过投影透镜和采集分束镜射入待测气体，光信号再利用采集分束镜反射后，光信号输入信号接收及分析处理系统；

c.被动透射式探测系统，可调谐发射系统发出的光束先射入待测气体，再经过投影透镜和空间光调制器，光信号输入信号接收及分析处理系统；

d.被动反射式探测系统，可调谐发射系统发出的光束先经过采集分束镜射入待测气体，光信号再利用采集分束镜反射后，经过投影透镜和空间光调制器输入信号接收及分析处理系统。

进一步，信号接收及分析处理系统包括控制空间光调制器偏转形状、速度的处理器、接收并转换探测系统输出的光信号的光电转换器和设置采样率的采集卡，采集卡输出的信号输入处理器。

进一步，光电转换器和采集卡之间设置用于信号放大的锁相放大器。

综上所述，发明具有以下有益效果：

本发明利用单像素相机监测有害气体分布的成像新技术，具有低成本、高灵敏度、无分辨率限制、大监测范围等优点，通过主动投射不同波长的照明结构光场，面阵由单点光电探测器获取反射或者透射光强信号，然后利用波长调谐结合正交变换计算成像算法，实现有害气体扩散情况成像。

与现有点式有害气体检测技术相比，本发明具有监测面大，监测盲区小的优点，气体扩散情况及浓度分布直观明了；与现有点阵红外检测技术相比，本发明不需要额外制冷，使用寿命更长久；与现有红外CCD成像相比，本发明的探测波段更广，探测视野范围更大和分辨率更高。

附图说明

图1为基于正交变换结构光波长实时调谐时序图；

图2为基于正交变换结构光波长单调谐时序图；

图3为本发明的主动透射式单像素不可见气体浓度分布成像装置图；

图4为本发明的主动反射式单像素不可见气体浓度分布成像装置图；

图5为本发明的被动透射式单像素不可见气体浓度分布成像装置图；

图6为本发明的被动反射式单像素不可见气体浓度分布成像装置图。

图中：1-处理器，2-可调谐的激光器，3-准直扩束镜，4-空间光调制器，5-投影透镜，6-待测气体，7-光电转换器，8-锁相放大器，9-采集卡，10-采集分束镜。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1～6所示，本发明公开了一种波长调谐单像素探测气体扩散和浓度分布的方法，将波长调谐与锁相放大用于单像素成像，待测气体在某一波长的红外光有明显吸收，导致在此波长下采集到的红外光发生衰减，被测气体吸收的红外光的中心波长为λ_吸收，吸收为零或者衰减较小的红外光为不吸收红外光，不吸收红外光的中心波长为λ_不吸收，利用气体对特定波长的红外光吸收的特性，实现气体扩散和浓度空间分布的差分探测成像，获得气体扩散的三维信息，提高探测成像信噪比和气体扩散浓度分布检测的精度，具体步骤如下：

步骤1.从结构照明基底图案中任选其一作为对目标场景投影的结构照明基底图案，结构照明基底图案通过正交变换获得，包括Hadamard(哈达玛)基底图案、傅里叶基底图案、离散余弦基底图案、Krawtchouk基底图案，其他正交变换获得的基底图案也适用于本发明，预期重建成像的待测气体6的扩散分布图像O(x，y)的图像分辨率为M×N，产生M×N个二维基底图案Φ(x，y)，其中x∈(0，1，2,…，M-1)，y∈(0，1，2,…，N-1)，Φ(x，y)由相应正交变换产生，每个二维基底图案Φ(x，y)具有唯一对应的变换域分量。

步骤2.将步骤1中获得的所有二维基底图案Φ(x，y)载入空间光调制器4产生预期的照明结构光，照明结构光照射待测气体6，待测气体对两种中心波长不同照明结构光吸收不相同，调谐激光器2中心波长，每个基底图案在空间光调制器4上的调制时间相同，调制时间为T，在前T/2时间段内，照明结构光的中心波长为λ_吸收时，光电探测器7获得的经过待测气体6吸收的照明结构光的强度系数为

在后T/2时间段内，调谐照明结构光的中心波长为λ_不吸收，光电探测器7获得的空间结构光的强度系数为

其中·^*表示两个二维矩阵对应元素乘积，T{}为正交变换，u∈(0,1,2,…，M-1)，v∈(0,1,2,…，N-1)。

调谐空间结构光的中心波长照射待测气体6方法如下：

方法1.以每个基底图案的调制时间为一个周期T，激光器2发出待测气体6吸收的波长为λ_吸收的红外光照射待测气体6，持续时间为T/2，然后将红外光的波长调制为λ_不吸收照射待测气体6，持续时间为T/2，一个周期T结束后偏转下一基底图案，重复操作M×N次直至M×N个基底图案投影完成。

方法2.以每个基底图案的调制时间为一个周期T，激光器2发出待测气体6吸收的波长为λ_吸收的红外光照射待测气体6，重复操作M×N次直至M×N个基底图案投影完成，持续时间为M×N×T，然后将红外光的波长调制为λ_不吸收照射待测气体6，重复操作M×N次直至M×N个相同的基底图案投影完成，持续时间为M×N×T。

方法3.以每个基底图案为一个周期T，激光器发出待测气体6吸收的波长为λ_吸收的红外光，经DMD调制后得到的照明结构光照射待测气体，持续时间为T/2，然后将红外光的波长调制为λ_不吸收，经DMD调制后得到的照明结构光照射待测气体，照射待测气体，持续时间为T/2，持续时间为T/2，波长为λ_吸收的红外光作为待测信号输入锁相放大器，波长为λ_不吸收的红外光作为参考信号输入锁相放大器。

步骤3.将步骤2中探测获得的I(u,v)λ_吸收和I(u,v)λ_不吸收分别输入锁相放大模块后输出

ΔI(u,v)为经过锁相放大待测气体吸收与不吸收的强度系数之差，其中L为放大系数；将步骤3重复M×N次后，获得M×N变换域谱矩阵S(u,v)。

步骤4.通过正交反变换获得待测气体6扩散的空间二维分布的重建的扩散分布图像O(x,y)∝T^-1{S(u,v)}，对重建二维图形的灰度信息分析提取，获得待测气体6扩散的浓度分布信息。

本发明还公开了一种波长调谐单像素探测气体扩散和浓度分布的装置，所述装置包括可调谐光发射系统、探测系统和信号接收及分析处理系统，可调谐光发射系统发出的激光经过探测系统探测后，利用信号接收及分析处理系统对待测气体6吸收后的空间结构光信号进行接收、分析处理，可调谐光发射系统包括可调谐的激光器2和准直扩束镜3，由于激光器发出的激光的中心波长数量级为μm级别的，需要对光源进行扩束，激光器2发出的激光经过准直扩束镜3形成照明结构光。

探测系统具有四种实现方式：

a.主动透射式探测系统，可调谐发射系统发出的光束先经过空间光调制器4调制，再通过投影透镜5射入待测气体6后，光信号输入信号接收及分析处理系统。

b.主动反射式探测系统，可调谐发射系统发出的光束先经过空间光调制器4调制，通过投影透镜5和采集分束镜10射入待测气体6，光信号再利用采集分束镜10反射后，光信号输入信号接收及分析处理系统。

c.被动透射式探测系统，可调谐发射系统发出的光束先射入待测气体6，再经过投影透镜5和空间光调制器4，光信号输入信号接收及分析处理系统。

d.被动反射式探测系统，可调谐发射系统发出的光束先经过采集分束镜10射入待测气体6，光信号再利用采集分束镜10反射后，经过投影透镜5和空间光调制器4输入信号接收及分析处理系统。

信号接收及分析处理系统包括接收并转换探测系统输出的光信号的光电转换器7和采集卡9，采集卡9输出的信号输入处理器1；处理器1控制空间光调制器4偏转形状，速度等，采集卡9用于设置和调整采样率，光电转换器7和采集卡9之间设置用于信号放大的锁相放大器8，当应用场景不复杂时，可以不设置锁相放大器8实现同样的功能。

通过以下6个实施例对本发明进一步说明。

实施例1：

待测气体为甲烷气体，甲烷在多处波长具有明显的吸收峰，本实施例选择甲烷在中心波长为1651nm的红外光具有较强的吸收性，在中心波长为1650nm的红外光不吸收为例,在1651nm处，吸收率为40％左右，在1650nm处吸收几乎为0，扩散图像的分辨率为128×128，结构照明基底图案选择Hadamard基底图案，利用Hadamard变换原理，公式如下：

式中，I_H(u，v)为扩散分布图像O(x，y)在变换域的系数，(x，y)是空间域的坐标，(u，v)为Hadamard域的坐标，H{}为扩散分布图像O(x，y)的二维Hadamard变换的系数，公式(1)为正Hadamard变换，公式(2)为逆Hadamard变换。

式中，n＝log₂N，定义M×N个仅含0和1元素且互不同的二值矩阵Θ，公式如下：

公式(4)代入公式(2)中，对每个二值矩阵Θ(u，v)进行Hadamard变换，得到的结果用P表示，M×N个矩阵P即为Hadamard的正交基矩阵，仅含二值元素+1和-1，为了适应于投影系统的输出，对正交基矩阵按均值进行归一化，公式如下：

Φ_H(x，y)为Hadamard基底图案，H^-1{}为反Hadamard变换，每个基底图案具有唯一对应的频域分量。

将得到的空间结构光照射待测甲烷气体，以第一幅基底图案φ_H(0,0)投射时间为1个周期T，利用光电转换器7将采集不同波长下透过甲烷气体的光强信号转换为电信号，在前T/2周期内，将在1651nm处得到的Hadamard系数

作为待测信号，在后T/2内，将在1650nm处得到的Hadamard系数

作为参考信号，输入锁相放大器两端口，得到经过去噪和放大的信号ΔI_H(0.0)，公式如下：

由于n(t)与参考信号I′_H不具有相关性，w_H与w′_H近似相等，则有：

ΔI_H(0,0)经过锁相放大器8时，低通滤波器过滤高频信号，公式(9)简化：

其中

是将原始采集的Hadamard系数吸收信号扩大了L倍，将生成的128×128幅基底图案重复上述步骤，即可得到128×128个经过降噪放大Hadamard系数，对采集到的Hadamard系数进行叠加后，得到变换域谱矩阵S(u,v)。将得到的S(u,v)带入公式(2)中，对其求逆Hadamard变换，进一步对重建二维图像的灰度信息分析与提取，可以获得气体扩散的浓度分布信息。

实施例2：

结构照明基底图案选择离散余弦基底图案，其余设置与实施例1相同，公式如下：

其中，

公式(4)代入公式(12)中，对每个二值矩阵Θ进行逆DCT变换，得到离散余弦变换的正交基矩阵P_i ^D，为适应于投影系统的输出，对正交基矩阵P_i ^D按均值进行归一化，公式如下：

式中，B_u为第i个正交基矩阵P_i ^D中最大值元素的倒数，照明基矩阵φ_i ^D中元素取值范围为0～1。平均信号强度a_j和离散程度v_j计算公式如下：

式中，e为每个频带的元素个数，c为每个频带起始元素的下标，j表示频带数；将在公式(11)下得到在不同波长下对应的离散余弦系数

作为待测信号和

作为参考信号输入锁相放大器中，计算如实施例1，得到在不同波长下对应的离散余弦系数

作为待测信号和

作为参考信号输入锁相放大器8中，得到放大的气体分布强度系数ΔI_D(0,0)，其中

是将原始采集的离散余弦系数吸收信号扩大了L倍；将生成的128×128幅基底图案重复上述步骤，即可得到128×128个经过降噪放大的离散余弦系数，对采集到的离散余弦系数进行叠加后，得到变换域谱矩阵S(u,v)。将得到的变换域谱矩阵S(u,v)带入公式(12)中，对其求离散余弦逆变换，进一步对重建二维图像的灰度信息分析与提取，获得气体扩散的浓度分布信息。

实施例3：

结构照明基底图案选择Krawtchouk基底图案，其余设置与实施例1相同，公式如下：

式中，I_K(u，v)为扩散分布图像O(x，y)在Krawtchouk变换域的强度系数，p₁和p₂用于控制图像局部性属性，Krawtchouk多项式权值

的计算公式为：

式中，(-u)_k表示Pochhammer符号，计算公式如下：

其中，Γ()为伽玛函数，单个Krawtchouk照明基表示为：

Krawtchouk变换的正交基矩阵P_i ^K也可以通过三项递归算法快速计算，为了适应于投影系统的输出，对正交基矩阵P_i ^K进行变换

其中参数B_u ^K为正交基矩阵P_i ^K中最大值元素的倒数，照明基矩阵Φ_i ^K为实际用于投影的照明基，取值范围为-0.5～0.5。

同实施例1一样，以

作为待测信号与

作为参考信号输入锁相放大器8，得到气体分布强度系数ΔI_K(0,0)，其中

是将原始采集的离散余弦系数吸收信号扩大了L倍，将生成的128×128幅基底图案重复上述步骤，即可得到128×128个经过降噪放大的Krawtchouk系数，对采集到的Krawtchouk系数进行叠加后，得到变换域谱矩阵S(u,v)，将得到的变换域谱矩阵S(u,v)带入公式(18)中，求得Krawtchouk逆变换，进一步对重建二维图像的灰度信息分析与提取，获得气体扩散的浓度分布信息。

实施例4：

结构照明基底图案选择傅里叶基底图案，其余设置与实施例1相同，公式如下：

I_F(u,v)为扩散分布图像O(x,y)在傅里叶变换域的系数，定义M×N个仅含0和1元素不同的矩阵Θ^*，公式如下：

若采用三步傅里叶成像，则β＝0，2π/3，4π/3；若采用四步傅里叶成像，则β＝0，π/2，3π/2，π；将公式(27)代入公式(26)，对每个矩阵Θ^*进行逆傅里叶变换并取实部，得到的结果用P_β表示，M×N个矩阵P_β即为傅里叶的正交基矩阵，为了适应于投影系统的输出，对确定性正交基矩阵进行如下变换：

将在公式(25)下得到不同波长对应的傅里叶系数

作为待测信号，

作为参考信号输入锁相放大器8中，计算如实施例1一样，得到气体分布强度系数

将原始采集的傅里叶系数吸收信号扩大L倍；将生成的128×128幅基底图案重复上述步骤，即可得到128×128个经过降噪放大的傅里叶系数。对采集到的傅里叶系数进行叠加后，得到变换域谱矩阵S(u,v)；将得到的频谱图S(u,v)带入公式(26)中，求傅里叶逆变换，进一步对重建二维图像的灰度信息分析与提取，获得气体扩散的浓度分布信息。

当应用场景不复杂时，可不增加锁相放大器8，场景单一，噪声较小即可认定为简单场景，否则即认定为复杂场景，以下两个实施例能够实现同样的功能。

实施例5：

结构照明基底图案选择Hadamard基底图案，波长调谐方法和其余设置与实施例1相同，光电转换器7在同一基底图案Φ_H(0，0)下，采集到两组不同波长对应的Hadamard系数

和

对信号进行模数转换，在处理器1将信号相减，得到的结果则为被气体吸收后的信号，公式如下：

ΔI_H(0,0)为基底图案Φ_H(0，0)下不同波长的Hadamard系数之差。

将在二维基底图案Φ(x，y)下得到Hadamard系数ΔI_H(0,0)放在对应的频域，还原分辨率为128×128时，需要采集128×128个频域分量ΔI_H(u,v)，u∈(0,1,2,…，127)，v∈(0,1,2,…，127)；将128×128个Hadamard系数叠加，得到对应的变换域谱矩阵S(u,v)，利用公式(2)对其求逆Hadamard变换，进一步对重建二维图像的灰度信息分析与提取，获得气体扩散的浓度分布信息。

实施例6：

调谐方式发生改变，其他设置与实施例1相同。将中心波长1651nm的空间结构光照射甲烷气体，由光电转换器7将吸收后的光信号转化为电信号，经过模数转换后，采集到不同频域下的Hadamard系数为

采集到128×128个不同频域下的Hadamard系数相加后，构成变换域谱矩阵

当最后一幅基底图案采集完后，将激光器2发出的激光的中心波长调谐至1650nm，如图2所示，将同样的基底图案重复采集一遍，采集到不同频域下的Hadamard系数为

将采集到128×128个不同频域下的Hadamard系数相加后，构成变换域谱矩阵

已知在不同波长下采集到频谱图为

与

则被待测气体吸收的频谱图S(u,v)计算公式如下：

步骤5.将公式(30)气体吸收的频谱图S(u,v)带入公式(2)中，对其求逆Hadamard变换，进一步对重建二维图像的灰度信息分析与提取，获得气体扩散的浓度分布信息。

实施例6是直接用两个中心波长下采集到的频谱图相减，得到气体分布的的频谱图，其余5个实施例是不同波长下的对应的频域系数相减，将得到的频域系数放置在对应频域，得到气体分布的频谱图。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种波长调谐单像素探测气体扩散和浓度分布的方法，其特征在于：将波长调谐与锁相放大用于单像素成像，利用气体对特定波长的红外光吸收的特性，实现气体扩散和浓度空间分布的差分探测成像，获得气体扩散的三维信息，提高探测成像信噪比和气体扩散浓度分布检测的精度，具体步骤如下：

步骤1.从结构照明基底图案中选择目标场景投影的结构照明基底图案，预期重建成像的待测气体(6)的扩散分布图像O(x，y)的图像分辨率为M×N，产生M×N个二维基底图案Φ(x，y)，其中x∈(0,1,2,…，M-1)，y∈(0,1,2,…，N-1)；

步骤2.将步骤1中获得的所有二维基底图案Φ(x，y)载入空间光调制器(4)产生预期的照明结构光，照明结构光照射待测气体(6)，待测气体对两种中心波长不同的照明结构光吸收不相同，调谐激光器(2)中心波长，在照明结构光的中心波长为λ_吸收时，光电转换器(7)获得的经过待测气体吸收的照明结构光的强度系数

照明结构光的中心波长为λ_不吸收时，光电转换器(7)获得的经过待测气体吸收的照明结构光的强度系数

其中·^*表示两个二维矩阵对应元素乘积，T{}为正交变换，u∈(0,1,2,…，M-1)，v∈(0,1,2,…，N-1)；

步骤3.将步骤2中探测获得的

和

分别输入锁相放大模块后输出

ΔI(u,v)为经过锁相放大待测气体吸收与不吸收的强度系数之差，其中L为放大系数；将步骤3重复M×N次后，获得M×N变换域谱矩阵S(u,v)；

步骤4.通过正交反变换获得待测气体(6)扩散的空间二维分布的重建的扩散分布图像O(x,y)∝T^-1{S(u,v)}，对重建二维图形的灰度信息分析提取，获得待测气体(6)扩散的浓度分布信息。

2.根据权利要求1所述的波长调谐单像素探测气体扩散和浓度分布的方法，其特征在于：所述步骤1中的结构照明基底图案通过正交变换获得，包括Hadamard基底图案、傅里叶基底图案、离散余弦基底图案或Krawtchouk基底图案。

3.根据权利要求1所述的波长调谐单像素探测气体扩散和浓度分布的方法，其特征在于：所述步骤2中调谐照明结构光的中心波长照射待测气体(6)的方法如下：

方法1.以每个基底图案的调制时间为一个周期T，激光器(2)发出待测气体(6)吸收的波长为λ_吸收的红外光照射待测气体(6)，持续时间为T/2，然后将红外光的波长调制为λ_不吸收照射待测气体(6)，持续时间为T/2，一个周期T结束后偏转下一基底图案，重复操作M×N次直至M×N个基底图案投影完成；

方法2.以每个基底图案的调制时间为一个周期T，激光器(2)发出待测气体(6)吸收的波长为λ_吸收的红外光照射待测气体(6)，重复操作M×N次直至M×N个基底图案投影完成，持续时间为M×N×T，然后将红外光的波长调制为λ_不吸收照射待测气体(6)，重复操作M×N次直至M×N个相同的基底图案投影完成，持续时间为M×N×T；

方法3.以每个基底图案为一个周期T，激光器发出待测气体(6)吸收的波长为λ_吸收的红外光，经DMD调制后得到照明结构光照射待测气体，持续时间为T/2，然后将红外光的波长调制为λ_不吸收，经DMD调制后照射待测气体，持续时间为T/2，波长为λ_吸收的红外光作为待测信号输入锁相放大器，波长为λ_不吸收的红外光作为参考信号输入锁相放大器。

4.一种波长调谐单像素探测气体扩散和浓度分布的装置，用于实施如权利要求1～3任一权利要求所述的波长调谐单像素探测气体扩散和浓度分布的方法，其特征在于：包括可调谐光发射系统、探测系统和信号接收及分析处理系统，可调谐光发射系统发出的激光经过探测系统探测后，利用信号接收及分析处理系统对待测气体(6)吸收后的照明结构光信号进行接收、分析处理，可调谐光发射系统包括可调谐的激光器(2)和准直扩束镜(3)；

所述探测系统具有四种实现方式：

主动透射式探测系统，可调谐发射系统发出的光束先经过空间光调制器(4)调制，再通过投影透镜(5)射入待测气体(6)后，光信号输入信号接收及分析处理系统；

主动反射式探测系统，可调谐发射系统发出的光束先经过空间光调制器(4)调制，通过投影透镜(5)和采集分束镜(10)射入待测气体(6)，光信号再利用采集分束镜(10)反射后，光信号输入信号接收及分析处理系统；

被动透射式探测系统，可调谐发射系统发出的光束先射入待测气体(6)，再经过投影透镜(5)和空间光调制器(4)，光信号输入信号接收及分析处理系统；

被动反射式探测系统，可调谐发射系统发出的光束先经过采集分束镜(10)射入待测气体(6)，光信号再利用采集分束镜(10)反射后，经过投影透镜(5)和空间光调制器(4)输入信号接收及分析处理系统。

5.根据权利要求4所述的波长调谐单像素探测气体扩散和浓度分布的装置，其特征在于：所述信号接收及分析处理系统包括控制空间光调制器偏转形状、速度的处理器(1)、接收并转换探测系统输出的光信号的光电转换器(7)和设置采样率的采集卡(9)，采集卡(9)输出的信号输入处理器(1)。

6.根据权利要求4或5所述的波长调谐单像素探测气体扩散和浓度分布的装置，其特征在于：所述光电转换器(7)和采集卡(9)之间设置用于信号放大的锁相放大器(8)。

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