CN113030015A - 一种危险气体激光遥感探测装置及其消除环境干扰的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种危险气体激光遥感探测装置及其消除环境干扰的方法，装置包括信号发生器、激光单元、光学遥感测量单元、信号接收单元，信号发生器输出调制波形信号和参考信号至激光单元，对激光单元出射的激光进行调制，激光单元出射的激光经光学遥感测量单元对待测空间的危险气体进行遥测，并由光学遥感测量单元将返回的光信号送入信号接收单元，从而得到可处理的数字信号，通过对数字信号反演能够得到危险气体信息。本发明方法可消除环境对测量结果的干扰。本发明提高了危险气体监测的准确性和响应快速性。
Description
技术领域
本发明涉及激光遥感探测技术领域，具体是一种危险气体激光遥感探测装置及其消除环境干扰的方法。
背景技术
目前随着社会经济的不断发展，对于煤炭钢铁等资源需求量不断增大。矿下和钢铁工业现场的安全不容忽视，安全生产关乎相关从业者的生命安全。其最大的威胁在于煤矿开采和工业炼钢的工过程中存在的危险气体，其中一氧化碳的危害尤为重大。
一氧化碳是无色无味、易燃易爆有毒性气体,是煤矿和钢铁冶炼中安全生产的大敌。当一氧化碳进入人体血液循环系统后,会与血红蛋白结合导致中毒,严重时会导致死亡。其不仅对人体存在相当大的毒性，而且一氧化碳易燃易爆的特性决定了其浓度过高时，极易引起密闭空间如矿井下和冶炼车间等发生燃烧和爆炸，对人民生命财产安全造成极大的危害。国家对于煤矿和钢铁冶炼环境下的一氧化碳浓度检测有着严格的规定，严格要求在适当位置放置一氧化碳传感器，且必须定期监测一氧化碳的浓度以防止一氧化碳浓度过高造成的安全事故。
目前应用于工业现场的危险气体传感器主要是采用电化学原理，使用电化学传感器进行气体浓度检测。电化学传感器依赖其内部微燃料化学物质和气体的反应来检测气体浓度，此原理决定了其检测速度慢，测量精度较低的特性，且易出现气体交叉中毒现象。随着传感器使用时长的增加会导致测量不准确甚至对于气体不产生反应的现象，系统的稳定性偏低。而且电化学传感器仅适用于单点测量环境，不能反应一片区域的浓度信息，无法快速准确的反应当前危险气体释放情况，具有一定的局限性。而使用激光遥测技术则可以快速准确的反应当前危险气体在空间内的释放情况，甚至可以远距离探测，以覆盖无法安置传统传感器的位置。
发明内容
本发明的目的是提供一种危险气体激光遥感探测装置及其消除环境干扰的方法，以解决现有电化学原理危险气体传感器存在的稳定性低、不能反应区域危险气体吸收信息的问题，以及遥感测量时容易受到环境干扰的问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种危险气体激光遥感探测装置，其特征在于，包括信号发生器、激光单元、光学遥感测量单元、信号接收单元，其中：
所述信号发生器输出一路调制波形信号和一路参考信号；
所述激光单元包括恒流源驱动器、激光器，恒流源驱动器的输入端接入所述信号发生器输出的调制波形信号，激光器的信号输入端与恒流源驱动器输出端连接，所述信号发生器向恒流源驱动器输出调制波形信号，由恒流源驱动器将调制波形信号加载至所述激光器，并由激光器输出波长被调制波形信号调制后的激光；
所述光学遥感测量单元包括光纤、漫反射光折射透镜、反射体、光纤准直器、光探测器，其中漫反射光折射透镜一侧与反射体相对，并且漫反射光折射透镜与反射体之间区域覆盖危险气体所在的待测空间，光纤准直器安装于漫反射光折射透镜中心，光纤准直器输入端与所述光纤一端连接，光纤准直器输出端正对所述反射体，所述光纤另一端与激光单元中激光器的光输出端连接，所述光探测器设置于漫反射光折射透镜另一侧焦点位置；所述激光单元中激光器输出的波长被调制后的激光经光纤传输至光纤准直器，经过光纤准直器准直后出射通过待测空间中危险气体并到达反射体，然后由反射体反射后再次通过待测空间中危险气体并返回至漫反射光折射透镜，最终经漫反射光折射透镜折射后汇聚于所述光探测器，由光探测器接收包含危险气体吸收信息的光信号；
所述信号接收单元包括前置滤波放大器、锁相放大器，其中前置滤波放大器的输入端与所述光学遥感测量单元中光探测器连接，前置滤波放大器的输出端与锁相放大器一个输入端连接，锁相放大器另一个输入端接入所述信号发生器输出的参考信号；所述光学遥感测量单元中光探测器将接收的光信号转换为电信号并传输至前置滤波放大器，经前置滤波放大器放大和滤波后送入锁相放大器，由锁相放大器将参考信号和光探测器送入的经放大滤波后的电信号进行运算解调得到二次谐波信号，并由锁相放大器的输出端向外输出二次谐波信号。
所述的一种危险气体激光遥感探测装置，其特征在于，还包括数据处理单元，数据处理单元包括AD数据采集器、处理器，所述AD数据采集器的信号输入端与锁相放大器的输出端连接，AD数据采集器的数字输出端与处理器的数字输入端连接，由锁相放大器将解调得到的二次谐波信号输出至AD数据采集器，并由AD数据采集器将二次谐波信号转换为数字信号后送入至处理器，所述处理器中根据二次谐波信号对应的数字信号反演计算得到危险气体浓度信息。
所述的一种危险气体激光遥感探测装置，其特征在于，还包括显示与报警单元，显示与报警单元包括显示器、报警器，显示器、报警器的信号输入端分别与所述处理器的信号输出端连接。
所述的一种危险气体激光遥感探测装置，其特征在于，所述信号发生器由单片机构成，由单片机通过自身内置DAC输出调制波形信号和参考信号。
所述的一种危险气体激光遥感探测装置，其特征在于，所述激光单元还包括温度控制器，温度控制器与所述激光器的信号输入端连接，由温度控制器控制激光器的温度，进而控制激光器本身输出激光的中心波长。
所述的一种危险气体激光遥感探测装置，其特征在于，所述激光单元中，激光器为半导体激光器，或者是量子级联激光器，激光器输出的激光为红外光。
所述的一种危险气体激光遥感探测装置，其特征在于，所述光学遥感测量单元中，漫反射光折射透镜为菲涅尔透镜。
所述的一种危险气体激光遥感探测装置，其特征在于，还包括电池，电池分别供电连接至各个用电部分。
所述的一种危险气体激光遥感探测装置，其特征在于，各个部分集成于同一壳体中。
一种用于危险气体激光遥感探测装置消除环境干扰的方法，其特征在于，控制信号发生器输出的调制波形信号的波形，使一个调制周期内，调制波形信号的中间部分为被高频信号叠加调制的低频信号、调制波形信号的两端部分分别为无危险气体吸收的固定波长的信号，由此使调制波形信号的波形中两端部分信号幅值为对应于固定波长的定值，且在此固定波长处无气体吸收；
计算锁相放大器输出的二次谐波信号中的谐波峰值，同时计算直接吸收信号中两端固定波长处的信号幅值差的绝对值，将得到的谐波峰值除以直接吸收信号两端幅值差的绝对值来实现归一化，由此消除环境因素造成光强变化对结果产生的干扰。
本发明装置遥感探测原理为：经调制波形信号调制后的激光器出射的激光两次通过含有危险气体的待测空间，其中特定波长处的光信号会被危险气体所吸收，从而特定波长处的光信号强度发生变换，由此光探测器接收的光信号中包含了危险气体吸收信息。锁相放大器基于光信号对应的电信号以及参考信号运算解调得到二次谐波信号，二次谐波信号由处理器进行处理，处理器中通过对二次谐波信号的反演计算，能够得到危险气体吸收后光信号强度的变化，再根据待测危险气体对于特定波长处的光吸收特性，进而可反演获得危险气体的浓度信息，从而实现遥感探测和得到最终处理结果。
本发明消除环境干扰的原理如下：由于不同气体对于激光的吸收存在于光的不同的波长段，气体在其对应的吸收中心波长光处存在较强的吸收，而在其他波长光处不存在吸收。因此在待测气体吸收中心波长外的区域，其光信号的幅值不会因待测气体的浓度变化而变化，只会因为环境干扰而改变。
因此本发明将调制波形信号的两端设为无气体吸收的固定波长信号，由此使调制波形信号的波形两端为对应于固定波长的信号幅值的波形，经这种调制波形信号调制后的激光器出射的光信号通过待测空间后，再由光探测器接收后送入锁相放大器，锁相放大器中解调出得到二次谐波信号后，获得与气体浓度相关的二次谐波峰值，同时计算直接吸收信号两端固定波长处的信号幅值差的绝对值，其中的直接吸收信号是指：汇聚接收的光信号经过光探测器转换，不经过锁相放大器解调处理的直接电信号，详见图2。
由于两端固定波长处无气体吸收影响只与环境干扰有关，因此该差值正比于环境干扰对激光光强造成的影响。将谐波峰值除以直接吸收信号两端幅值差的绝对值来实现归一化，由此消除环境因素造成光强变化对结果产生的干扰。
相对于现有技术，本发明的有益效果是：
本发明为危险气体监测提供了一种遥感探测方装置和消除环境干扰的方法，可以探测空间内某待测空间中的危险气体释放情况，可以达到远距离探测和覆盖无法安装传感器位置的效果，大大提高了危险气体监测的准确性和响应快速性，增加了特殊位置的探测覆盖面，同时具有较小的体积和自带电池的便携性。本发明消除环境干扰的方法中，使用特殊调制波形来消除外界环境干扰变化对测量结果的影响，可以很好的消除危险气体测量中环境干扰的影响，使其不受外界环境的干扰，从而使得本发明的检测精度更高、应用场景更加广泛。
附图说明
图1是本发明装置结构原理图。
图2是本发明调制波形信号的原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1所示，本发明装置包括信号发生器1、激光单元、光学遥感测量单元、信号接收单元、数据处理单元、电池等。激光单元、光学遥感测量单元、信号接收单元、数据处理单元、电池集成同一小型外壳内部，方便携带和使用，电池供电至各个用电部分。其中：
信号发生器1由单片机构成，由单片机通过自身内置DAC输出一路调制波形信号和一路参考信号，其中本发明调制波信号由低频扫描信号和叠加调制低频扫描信号的高频正弦波信号构成，参考信号为正弦波二倍频信号。
激光单元包括温度控制器3、恒流源驱动器2、激光器4，温度控制器3输出端与激光器4的信号输入端连接，由温度控制器3控制激光器4的温度，进而控制激光器4本身输出激光的中心波长。
恒流源驱动器2的输入端接入信号发生器1输出的调制波形信号，激光器4的信号输入端与恒流源驱动器2输出端连接。由此，信号发生器1向恒流源驱动器2输出调制波形信号，由恒流源驱动器2将调制波形信号加载至激光器4，从而对激光器4输出的激光进行调制，并由激光器4输出波长被调制波形信号调制后的激光。
本发明中以激光器4采用半导体红外激光器为例，由温度控制器3和恒流源驱动器2组成激光器4的控制部分。一方面由温度控制器3将激光器4的温度控制在设置温度，从而控制激光器4本身输出中心波长；另一方面由恒流源驱动器2将来自于信号发生器1的调制波形信号施加于激光器4上，使其输出的红外激光波长受到调制。信号发生器1由单片机通过其内置DAC输出定制波形，如图2所示，为图2中直接吸收信号除去吸收部分。
光学遥感测量单元包括光纤5、漫反射光折射透镜7、反射体8、光纤准直器6、光探测器11，其中：
漫反射光折射透镜7为菲涅尔透镜，漫反射光折射透镜7右侧与反射体8相对，并且漫反射光折射透镜7与反射体8之间区域覆盖危险气体10所在的待测空间。
光探测器11采用红外光探测器，光探测器11设置于漫反射光折射透镜7左侧焦点位置。
光纤准直器6安装于漫反射光折射透镜7中心，光纤准直器6输入端与光纤5一端连接，光纤准直器6输出端正对反射体8，光纤5另一端与激光器4的光输出端连接。
激光器4输出的波长被调制后的激光经光纤5传输至光纤准直器6，经过光纤准直器6准直为平行光后出射通过待测空间中危险气体10并到达反射体8，然后由反射体8反射后形成反射光9，反射光9再次通过待测空间中危险气体10并返回至漫反射光折射透镜7，最终经漫反射光折射透镜7折射后汇聚于光探测器11，由光探测器11接收包含危险气体吸收信息的光信号。由于危险气体对光的吸收，可使光信号的强度发生变化，因此光探测器11接收的光信号包含了危险气体吸收信息。
信号接收单元包括前置滤波放大器12、锁相放大器13，其中前置滤波放大器12的输入端与探测器11连接，前置滤波放大器12的输出端与锁相放大器13一个输入端连接，锁相放大器13另一个输入端接入信号发生器1输出的参考信号。光探测器11将接收到的含危险气体吸收信息的光信号转化为如图2中直接吸收的电信号后传输至前置滤波放大器12，经前置滤波放大器12进行微弱信号放大和滤波后送入锁相放大器13。
锁相放大器13中，将参考信号和光探测器11送入的经放大滤波后的电信号进行乘法运算，从而解调得到二次谐波信号，基于该二次谐波信号能够反演得到待测空间的危险气体信息，例如危险气体的浓度信息。、
数据处理单元包括AD数据采集器14、处理器15， AD数据采集器14的信号输入端与锁相放大器13的输出端连接，AD数据采集器14的数字输出端与处理器15的数字输入端连接，由锁相放大器13将解调得到的二次谐波信号输出至AD数据采集器14，并由AD数据采集器14将二次谐波信号转换为数字信号后送入至处理器15。处理器15中根据二次谐波信号对应的数字信号反演计算得到危险气体信息如浓度信息等。
本发明的处理器15还通过信号输出端连接有显示与报警单元，显示与报警单元包括小尺寸TFT显示器和声光报警器，TFT显示器、声光报警器的信号输入端分别与处理器的信号输出端连接。由此，当处理器计算得到危险气体的浓度后，可通过显示器进行显示，并通过声光报警器进行报警。
本发明装置消除环境干扰的方法过程说明如下：
本发明在信号发生器1中，采用一个高频正弦波调制信号对一个低频扫描信号进行叠加调制，从而得到调制波形信号，其中低频扫描信号使激光器4的输出频率扫描过一段频率范围，并使危险气体10的吸收峰值频率处于扫描的频率范围内，以便完整的包含气体吸收信息。通过锁相放大器13获取其二次谐波信号，以危险气体10的浓度信息为例，该二次谐波信号即可正比于危险气体10的浓度信息。
但是锁相放大器13输出的二次谐波信号峰值会受到接收光强变化的影响，在外界环境变化例如空气混浊、反射体吸收很强、外界光干扰等影响下，光探测器11通过漫反射光折射透镜7聚集的光强会有很大变化，影响到最终测量的结果。本发明采用如图2所示的特殊调制波形，在高频调制区的两端增加两段固定波长输出，此两端特殊波长在待测气体吸收中心波长外的区域，其光信号的幅值不会因待测气体的浓度变化而变化，只会因为环境干扰而改变。因此在图2中所示16和17两端区间内，直接吸收信号的幅值和气体吸收强度无关，与接收到的光强等变化有关。而两端区间内信号幅值差值的绝对值和探测器接收光强成正比，因此将图2中二次谐波峰值除以直接吸收信号两端幅值差的绝对值来实现归一化，由此消除环境因素造成光强变化对结果产生的干扰。
以上是结合附图对本发明进行的详细描述。显然，本领域的技术人员可以对本发明的便携式危险气体激光遥感探测装置进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种危险气体激光遥感探测装置，其特征在于，包括信号发生器、激光单元、光学遥感测量单元、信号接收单元，其中：
所述信号发生器输出一路调制波形信号和一路参考信号；
所述激光单元包括恒流源驱动器、激光器，恒流源驱动器的输入端接入所述信号发生器输出的调制波形信号，激光器的信号输入端与恒流源驱动器输出端连接，所述信号发生器向恒流源驱动器输出调制波形信号，由恒流源驱动器将调制波形信号加载至所述激光器，并由激光器输出波长被调制波形信号调制后的激光；
所述光学遥感测量单元包括光纤、漫反射光折射透镜、反射体、光纤准直器、光探测器，其中漫反射光折射透镜一侧与反射体相对，并且漫反射光折射透镜与反射体之间区域覆盖危险气体所在的待测空间，光纤准直器安装于漫反射光折射透镜中心，光纤准直器输入端与所述光纤一端连接，光纤准直器输出端正对所述反射体，所述光纤另一端与激光单元中激光器的光输出端连接，所述光探测器设置于漫反射光折射透镜另一侧焦点位置；所述激光单元中激光器输出的波长被调制后的激光经光纤传输至光纤准直器，经过光纤准直器准直后出射通过待测空间中危险气体并到达反射体，然后由反射体反射后再次通过待测空间中危险气体并返回至漫反射光折射透镜，最终经漫反射光折射透镜折射后汇聚于所述光探测器，由光探测器接收包含危险气体吸收信息的光信号；
所述信号接收单元包括前置滤波放大器、锁相放大器，其中前置滤波放大器的输入端与所述光学遥感测量单元中光探测器连接，前置滤波放大器的输出端与锁相放大器一个输入端连接，锁相放大器另一个输入端接入所述信号发生器输出的参考信号；所述光学遥感测量单元中光探测器将接收的光信号转换为电信号并传输至前置滤波放大器，经前置滤波放大器放大和滤波后送入锁相放大器，由锁相放大器将参考信号和光探测器送入的经放大滤波后的电信号进行运算解调得到二次谐波信号，并由锁相放大器的输出端向外输出二次谐波信号。
2.根据权利要求1所述的一种危险气体激光遥感探测装置，其特征在于，还包括数据处理单元，数据处理单元包括AD数据采集器、处理器，所述AD数据采集器的信号输入端与锁相放大器的输出端连接，AD数据采集器的数字输出端与处理器的数字输入端连接，由锁相放大器将解调得到的二次谐波信号输出至AD数据采集器，并由AD数据采集器将二次谐波信号转换为数字信号后送入至处理器，所述处理器中根据二次谐波信号对应的数字信号反演计算得到危险气体浓度信息。
3.根据权利要求2所述的一种危险气体激光遥感探测装置，其特征在于，还包括显示与报警单元，显示与报警单元包括显示器、报警器，显示器、报警器的信号输入端分别与所述处理器的信号输出端连接。
4.根据权利要求1所述的一种危险气体激光遥感探测装置，其特征在于，所述信号发生器由单片机构成，由单片机通过自身内置DAC输出调制波形信号和参考信号。
5.根据权利要求1所述的一种危险气体激光遥感探测装置，其特征在于，所述激光单元还包括温度控制器，温度控制器与所述激光器的信号输入端连接，由温度控制器控制激光器的温度，进而控制激光器本身输出激光的中心波长。
6.根据权利要求1所述的一种危险气体激光遥感探测装置，其特征在于，所述激光单元中，激光器为半导体激光器，或者是量子级联激光器，激光器输出的激光为红外光。
7.根据权利要求1所述的一种危险气体激光遥感探测装置，其特征在于，所述光学遥感测量单元中，漫反射光折射透镜为菲涅尔透镜。
8.根据权利要求1所述的一种危险气体激光遥感探测装置，其特征在于，还包括电池，电池分别供电连接至各个用电部分。
9.根据权利要求1中任意一项所述的一种危险气体激光遥感探测装置，其特征在于，各个部分集成于同一壳体中。
10.一种用于权利要求1-9中任意一项所述的危险气体激光遥感探测装置消除环境干扰的方法，其特征在于，控制信号发生器输出的调制波形信号的波形，使一个调制周期内，调制波形信号的中间部分为被高频信号叠加调制的低频信号、调制波形信号的两端部分分别为无危险气体吸收的固定波长的信号，由此使调制波形信号的波形中两端部分信号幅值为对应于固定波长的定值，且在此固定波长处无气体吸收；
计算锁相放大器输出的二次谐波信号中的谐波峰值，同时计算直接吸收信号中两端固定波长处的信号幅值差的绝对值，将得到的谐波峰值除以直接吸收信号两端幅值差的绝对值来实现归一化，由此消除环境因素造成光强变化对结果产生的干扰。
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|---|---|---|---|
| CN202110235111.0A CN113030015A (zh) | 2021-03-03 | 2021-03-03 | 一种危险气体激光遥感探测装置及其消除环境干扰的方法 |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| CN202110235111.0A CN113030015A (zh) | 2021-03-03 | 2021-03-03 | 一种危险气体激光遥感探测装置及其消除环境干扰的方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113030015A true CN113030015A (zh) | 2021-06-25 |
Family
ID=76465873
Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202110235111.0A Pending CN113030015A (zh) | 2021-03-03 | 2021-03-03 | 一种危险气体激光遥感探测装置及其消除环境干扰的方法 |
Country Status (1)
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|---|---|
| CN (1) | CN113030015A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116879228A (zh) * | 2023-07-07 | 2023-10-13 | 安徽农业大学 | 一种自由空间相位补偿激光气体检测系统及浓度反演方法 |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20030160173A1 (en) * | 2002-02-22 | 2003-08-28 | Oleg Ershov | Remote gas molecule detector |
| JP2011013126A (ja) * | 2009-07-03 | 2011-01-20 | Shimadzu Corp | ガス濃度測定装置 |
| CN104280362A (zh) * | 2014-09-22 | 2015-01-14 | 合肥工业大学 | 一种高温水汽激光光谱在线检测系统 |
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| CN104330386A (zh) * | 2014-11-04 | 2015-02-04 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 用于酒驾检测的时分复用差分调制激光器驱动装置 |
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| CN108872146A (zh) * | 2018-06-22 | 2018-11-23 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 一种基于tdlas的激光驱动装置和基于tdlas的激光发生装置 |
-
2021
- 2021-03-03 CN CN202110235111.0A patent/CN113030015A/zh active Pending
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