CN114609083A - 一种二维几何路径下的气体浓度场重建系统及其方法 - Google Patents

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CN114609083A CN202210225937.3A CN202210225937A CN114609083A CN 114609083 A CN114609083 A CN 114609083A CN 202210225937 A CN202210225937 A CN 202210225937A CN 114609083 A CN114609083 A CN 114609083A
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Abstract

本发明公开了一种二维几何路径下的浓度场重建系统及其方法，该系统包括激光器及控制单元、二维几何光路及光电探测单元、数据处理单元，该方法是利用TDLAS技术对待测场气体进行探测，再对所得到的六条射线的光谱吸收信号进行背景拟合和信号归一化处理得到每一束激光的积分吸收曲线，然后对激光积分吸收曲线中的积分吸收面积进行计算和迭代以获得待测区域中气体浓度的具体分布信息，最后绘制其平面二维浓度分布图。本发明能使用较少的射线数量以及较简单的测量设备即可达到较好的重建结果，从而能提高检测准确性和实用性。

Description

一种二维几何路径下的气体浓度场重建系统及其方法
技术领域
本发明涉及气体测量领域，具体的说是一种利用TDLAS技术对待测气体场进行探测的方法，再经过ART迭代算法迭代重建得到探测气体浓度的二维分布情况的系统和方法。
背景技术
可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)目前已广泛用于气体测量领域，其相关领域的研究国内外已经取得了很多成果。TDLAS具有检测无接触、速度快、灵敏度高等优点，成为一种新型的待测区域气体浓度测量方法。
但是TDLSA技术所检测到的浓度一般为激光射线经过区域的平均浓度，无法得到气体场内部具体分布信息。因此可以将TDLAS技术同计算机层析成像技术相结合，利用迭代算法重建得到气体浓度的具体分布信息。目前的重建方法基本可分为两种，一种是独立的计算测量区域内每个网格的积分吸收度，并重建其气体的浓度分布，另一种则是根据计算测量激光的积分吸光度，再通过迭代推导出测量区域内单个网格的积分吸光度，最后重建得到浓度分布结果。
目前的这一技术对于激光数量以及射线的角度均有较高要求，在测量过程中，射线的数量以及光路的分布形式会很大程度上影响最后的测量结果，而有些因为场地空间限制或设备限制的条件下，无法达到较好的重建结果。
而现在一般采用的测量装置为了达到较高的光路利用率，一般采用十几条或是几十条光路，但是太多的光路有时不适用于具体的测量环境，因此得不到较好的测量结果。
发明内容
本发明是为了解决上述现有技术存在的不足之处，提出一种二维几何路径下的浓度场重建系统及其方法，以期能使用较少的射线数量以及较简单的测量设备即可达到较好的重建结果，从而能提高检测准确性和实用性。
本发明为解决上述问题，采用如下技术方案：
本发明一种二维几何路径下的浓度场重建系统的特点是用于对待测区域进行浓度测量和重建，所述待测区域均匀划分为m×m个栅格，且单个栅格内气体均匀分布；
所述浓度场重建系统依次包括：控制单元、光电探测单元、数据处理单元；
所述控制单元是由信号发生器、温度电流控制器、激光器组成；
所述光电探测单元包括：第一分束器、第二分束器、n+1个准直器，n+1个光电探测器、标定气池、m个反射镜；
所述激光器在所述温度电流控制器的控制下发射出一定波长的激光，并经过所述第一分束器后分为探测光束和参考光束；
所述探测光束经过第二分束器后均匀分为n束激光，并分别经过准直器后穿过设置有所述反射镜的待测区域后形成n条几何光路上的射线，最终由n个光电探测器对应接收相应的一条二维几何光路上的射线并产生各自的光谱吸收信号；
所述参考光束经过准直器后穿过所述标定气池并由第n+1个光电探测器接收；
所述数据处理单元接收n个光谱吸收信号分别进行背景拟合与信号归一化处理，相应得到n束激光的积分吸收曲线，再分别对n束激光的积分吸收曲线中的积分吸收面积进行计算得到对应n束激光的积分吸光度；再对所述n条激光的积分吸光度进行迭代后获得待测区域中气体浓度的分布信息，再根据其气体浓度的分布信息绘制其平面二维浓度分布图，分辨浓度高低分区，从而确定所检测目标气体的泄漏源位置。
本发明所述的二维几何路径下的浓度场重建系统的特点也在于，当n＝4，m＝6时，所述激光穿过待测区域后所形成的几何光路上的射线依次包括：
1号激光经过准直器后穿过1、2、3、4号栅格，然后经过反射镜后穿过7、10、13号栅格最后被光电探测器接收；
2号激光经过准直器后穿过5、6、7、8号栅格，然后经过反射镜后穿过11、14号栅格最后被光电探测器接收；
3号激光经过准直器后穿过9、10、11、12号栅格，然后经过反射镜后穿过7、2号栅格最后被光电探测器接收；
4号激光经过准直器后穿过13、14、15、16号栅格，然后经过反射镜后穿过11、6、1号栅格最后被光电探测器接收；
5号激光经过准直器后穿过5、10、15号栅格后被光电探测器接收；
6号激光经过准直器后穿过9、6、3号栅格后被光电探测器接收。
本发明一种二维几何路径下的待测区域气体浓度分布重建方法的特点是应用于所述的待测区域气体浓度重建系统中，并按如下步骤进行：
步骤1.所述数据处理单元对n个光谱吸收信号
Figure BDA0003539157960000021
进行波长标定，得到频域内的n个光谱吸收信号
Figure BDA0003539157960000022
其中，D(xi)表示第i个光谱吸收信号；D(vi)表示频域内的第i个光谱吸收信号；
步骤2.根据式(1)所示的最小二乘法将吸收信号中没有被气体吸收的部分与被气体吸收的部分进行拟合，从而得到n束激光的背景光强信号
Figure BDA0003539157960000031
Figure BDA0003539157960000032
式(1)中，r0、r1、r2、r3表示四个拟合参数；vi表示第i个光谱检测信号D(vi)的频率；
步骤3.计算
Figure BDA0003539157960000033
的比值，再求取比值的自然对数，从而得到n束激光的积分吸收曲线
Figure BDA0003539157960000034
其中，B(vi)表示第i束激光的背景光强信号R(vi)归一化后的积分吸收曲线；
步骤4.对n束激光的积分吸收曲线
Figure BDA0003539157960000035
中的积分吸收面积分别进行计算，得到所述n束激光的积分吸光度
Figure BDA0003539157960000036
Ai表示第i束激光的积分吸光度；
步骤5.分别对n束的积分吸光度
Figure BDA0003539157960000037
进行判断，如果Ai大于0，则将第i束激光作为筛选后的射线记为
Figure BDA0003539157960000038
如果Ai等于0，则表示第i束激光穿过的栅格内没有气体泄漏，其路径上的栅格内的积分吸光度均为0，并将第i束激光作为剔除的射线，不对其进行处理；
步骤6.将筛选后的射线的积分吸光度与ART算法结合，从而利用式(2)得到第w条射线关于m×m个栅格的投影的方程：
Figure BDA0003539157960000039
式(2)中，
Figure BDA00035391579600000310
表示筛选后积分吸光度大于0的第w条射线，Lw,j表示筛选后的第w条射线在第j个栅格内的长度，Cj表示第j个栅格内的气体浓度，P表示待测气体的压强，S(T)表示在温度T下的待测气体的气体吸收线强；
步骤7.定义变量k，并初始化k＝1；
步骤8.初始化第k次迭代中第j个栅格的气体积分吸光度
Figure BDA00035391579600000311
步骤9.利用式(3)得到第k+1次迭代中第j个栅格的气体积分吸光度
Figure BDA00035391579600000312
Figure BDA00035391579600000313
式(3)中，
Figure BDA00035391579600000314
表示第k次迭代中第j个栅格的气体积分吸光度，β表示松弛系数，Lw,j表示筛选后第w条射线穿过第j个栅格的长度，ΔAw表示相邻两次迭代之间
Figure BDA00035391579600000315
的修正误差；
步骤10.判断
Figure BDA0003539157960000041
是否成立，若成立，则表示迭代结果符合真实值，并将
Figure BDA0003539157960000042
作为第j个栅格内的气体积分吸光度aj，否则，将k+1赋值给k后，返回步骤10顺序执行；
步骤11.将j+1赋值给j后，返回步骤8顺序执行，直到获得m×m个栅格内的气体积分吸光度
Figure BDA0003539157960000043
步骤12.利用式(4)对第j个栅格内的气体积分吸光度aj进行浓度反演，得到第j个栅格内的气体浓度Cj，从而根据所有栅格内的气体浓度建立二维浓度分布图：
Figure BDA0003539157960000044
式(4)中，Lj表示第j个栅格内的长度；
步骤13.根据所述二维浓度分布图确定待测气体的泄漏源位置。
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
1.本发明可以提高检测装置的实用性，本装置对激光射线数量的需求没有很高，使其能够适用于多种不同的现场环境，满足了一个测量环境较为苛刻的测量需要，从而提高了测量装置的实用性。
2.本发明同时还在一定程度上降低了测量气体浓度分布的成本，由于本装置对激光射线数量没有很高的需要，因此降低了激光发射器的使用数量，一定程度上降低了测量成本。
3.本发明还可以满足在空旷环境下的开放式待测区域的气体测量要求，由于本发明所需要用到的光路较少，光路结构较为简单，在测量开放式待测区域时搭建测量设备较为方便。
4.本发明所用的光路更少，减少了计算量，实际操作起来更为快捷。
附图说明
图1为本发明的本发明的二维集合路径下的浓度场重建系统的示意图；
图2为本发明的二维几何路径下的浓度场重建方法的流程图；
图3为本发明的二维几何路径下的浓度场重建方法的光路图；
图中标号：1温度电流控制器；2信号发生器；3激光器；4a第一分束器；4b第二分束器；5准直器；6反射镜；7光电探测器；9标定气池。
具体实施方式
本实施例中，一种二维几何路径下的浓度场重建系统，是用于对待测区域进行浓度测量和重建，待测区域均匀划分为m×m个栅格，且单个栅格内气体均匀分布；
如图1所示，浓度场重建系统依次包括：控制单元、光电探测单元、数据处理单元；
控制单元是由信号发生器2、温度电流控制器1、激光器3组成；
光电探测单元包括：第一分束器4a、第二分束器4b、n+1个准直器5，n+1个光电探测器7、标定气池9、m个反射镜6；
激光器在温度电流控制器的控制下发射出一定波长的激光，并经过第一分束器4a后分为探测光束和参考光束；
探测光束经过第二分束器4b后均匀分为n束激光，并分别经过准直器5后穿过设置有反射镜6的待测区域后形成n条几何光路上的射线，最终由n个光电探测器7对应接收相应的一条二维几何光路上的射线并产生各自的光谱吸收信号；
参考光束经过准直器5后穿过标定气池后由第n+1个光电探测器7接收；
数据处理单元接收n个光谱吸收信号分别进行背景拟合与信号归一化处理，相应得到n束激光的积分吸收曲线，再分别对n束激光的积分吸收曲线中的积分吸收面积进行计算；得到n束激光的积分吸光度，再对n束激光的积分吸光度进行迭代后获得待测区域中气体浓度的分布信息，最后根据气体浓度的分布信息绘制其平面二维浓度分布图。
本实施例中，如图1所示，当m＝4、n＝6，即包括激光器3，2个分束器4，7个准直器5，4个反射镜6以及对应7个光电探测器7，使得6束激光分别穿过待测区域后形成6条几何光路上的射线，如图3所示，并依次包括：
1号激光经过准直器5a后穿过1、2、3、4号栅格，然后经过反射镜6a后穿过7、10、13号栅格最后被光电探测器1接收；
2号激光经过准直器5b后穿过5、6、7、8号栅格，然后经过反射镜6b后穿过11、14号栅格最后被光电探测器2接收；
3号激光经过准直器5c后穿过9、10、11、12号栅格，然后经过反射镜6c后穿过7、2号栅格最后被光电探测器3接收；
4号激光经过准直器5d后穿过13、14、15、16号栅格，然后经过反射镜6d后穿过11、6、1号栅格最后被光电探测器4接收；
5号激光经过准直器5e后穿过5、10、15号栅格后被光电探测器5接收；
6号激光经过准直器5f后穿过9、6、3号栅格后被光电探测器6接收。
具体实施中，一种二维几何路径下的待测区域气体浓度分布重建方法是应用于上述待测区域气体浓度重建系统中，如图2所示，是按如下步骤进行：
步骤1.数据处理单元对n个光谱吸收信号
Figure BDA0003539157960000051
进行波长标定，得到频域内的n个光谱吸收信号
Figure BDA0003539157960000052
其中，D(xi)表示第i个光谱吸收信号；D(vi)表示频域内的第i个光谱吸收信号；
本实施例中，当n＝6，m＝4时，6个光谱吸收信号分别为D(x1)、D(x2)、D(x3)、D(x4)、D(x5)、D(x6)；再进行波长标定后得到的6个频域内的光谱吸收信号D(v1)、D(v2)、D(v3)、D(v4)、D(v5)、D(v6)；
步骤2.根据式(1)，采用最小二乘法将吸收信号中没有被吸收的部分与气体吸收的部分进行拟合，从而得到n束激光的背景光强信号
Figure BDA0003539157960000061
Figure BDA0003539157960000062
式(1)中，r0、r1、r2、r3表示四个拟合参数；vi表示第i个光谱检测信号D(vi)的频率；
本实施例中，当n＝6，m＝4时，6个激光的背景光强信号分别为R(v1)、R(v2)、R(v3)、R(v4)、R(v5)、R(v6)；
步骤3.计算
Figure BDA0003539157960000063
的值，再对其求自然对数，得到n束激光的积分吸收曲线
Figure BDA0003539157960000064
其中，B(vi)表示第i束激光的背景光强信号R(vi)归一化后的积分吸收曲线；
本实施例中，当n＝6，m＝4时，6束激光的积分吸收曲线分别为B(v1)、B(v2)、B(v3)、B(v4)、B(v5)、B(v6)；
步骤4.对n束激光的积分吸收曲线
Figure BDA0003539157960000065
中的积分吸收面积分别进行计算，得到n束激光的积分吸光度
Figure BDA0003539157960000066
Ai表示第i束激光的积分吸光度；
本实施例中，当n＝6，m＝4时，的6条激光的积分吸光度分别为A1、A2、A3、A4、A5、A6；
步骤5.分别对n束的积分吸光度
Figure BDA0003539157960000067
进行判断，如果Ai大于0，则将第i束激光作为筛选后的射线记为
Figure BDA0003539157960000068
如果Ai等于0，则表示第i束激光穿过的栅格内没有气体泄漏，其路径上的栅格内的积分吸光度均为0，并将第i束激光作为剔除的射线，不对其进行处理；
步骤6.将筛选后的射线的积分吸光度与ART算法结合，从而利用式(2)得到第w条射线关于m×m个栅格的投影的方程：
Figure BDA0003539157960000069
式(2)中，
Figure BDA00035391579600000610
表示经过筛选后积分吸光度大于0的第w条射线，Lw,j表示筛选后的第w条射线在第j个栅格内的长度，Cj表示第j个栅格内的气体浓度，P表示待测气体的压强，S(T)表示在温度T下的待测气体的气体吸收线强；
本实施例中,分别对6条射线进行判断得到积分吸光度大于0的w条射线，则这w条射线关于待测区域内16个栅格内的投影方程为：
Figure BDA0003539157960000071
步骤7.定义变量k，并初始化k＝1；
步骤8.初始化第k次迭代中第j个栅格的气体积分吸光度
Figure BDA0003539157960000072
步骤9.利用式(3)得到第k+1次迭代中第j个栅格的气体积分吸光度
Figure BDA0003539157960000073
Figure BDA0003539157960000074
式(3)中，
Figure BDA0003539157960000075
表示第k次迭代中第j个栅格的气体积分吸光度，β表示松弛系数，Lw,j表示经过筛选后的第w条射线穿过第j个栅格的长度，ΔAw表示相邻两次迭代之间
Figure BDA0003539157960000076
的修正误差；
步骤10.判断
Figure BDA0003539157960000077
是否成立，若成立，则表示迭代结果符合真实值，并将
Figure BDA0003539157960000078
作为第j个栅格内的气体积分吸光度aj，否则，将k+1赋值给k后，返回步骤10顺序执行；
步骤11.将j+1赋值给j后，返回步骤8顺序执行，直到获得m×m个栅格内的气体积分吸光度
Figure BDA0003539157960000079
步骤12.利用式(4)对第j个栅格内的气体积分吸光度aj进行浓度反演，得到第j个栅格内的气体浓度Cj，从而根据所有栅格内的气体浓度建立二维浓度分布图：
Figure BDA00035391579600000710
式(4)中，L表示第j个栅格的长度；
本实施例中，当n＝6，m＝4时，则16个栅格内的气体浓度分别为：
Figure BDA0003539157960000081
步骤13.根据二维浓度分布图确定待测气体的泄漏源位置。

Claims (3)

1.一种二维几何路径下的浓度场重建系统，其特征是用于对待测区域进行浓度测量和重建，所述待测区域均匀划分为m×m个栅格，且单个栅格内气体均匀分布；
所述浓度场重建系统依次包括：控制单元、光电探测单元、数据处理单元；
所述控制单元是由信号发生器(2)、温度电流控制器(1)、激光器(3)组成；
所述光电探测单元包括：第一分束器(4a)、第二分束器(4b)、n+1个准直器(5)，n+1个光电探测器(7)、标定气池(9)、m个反射镜(6)；
所述激光器在所述温度电流控制器的控制下发射出一定波长的激光，并经过所述第一分束器(4a)后分为探测光束和参考光束；
所述探测光束经过第二分束器(4b)后均匀分为n束激光，并分别经过准直器(5)后穿过设置有所述反射镜(6)的待测区域后形成n条几何光路上的射线，最终由n个光电探测器对应接收相应的一条二维几何光路上的射线并产生各自的光谱吸收信号；
所述参考光束经过准直器(5)后穿过所述标定气池并由第n+1个光电探测器接收；
所述数据处理单元接收n个光谱吸收信号分别进行背景拟合与信号归一化处理，相应得到n束激光的积分吸收曲线，再分别对n束激光的积分吸收曲线中的积分吸收面积进行计算得到对应n束激光的积分吸光度；再对所述n条激光的积分吸光度进行迭代后获得待测区域中气体浓度的分布信息，再根据其气体浓度的分布信息绘制其平面二维浓度分布图，分辨浓度高低分区，从而确定所检测目标气体的泄漏源位置。
2.根据权利要求1所述的二维几何路径下的浓度场重建系统，其特征在于，当n＝4，m＝6时，所述激光穿过待测区域后所形成的几何光路上的射线依次包括：
1号激光经过准直器(5a)后穿过1、2、3、4号栅格，然后经过反射镜(6a)后穿过7、10、13号栅格最后被光电探测器(1)接收；
2号激光经过准直器(5b)后穿过5、6、7、8号栅格，然后经过反射镜(6b)后穿过11、14号栅格最后被光电探测器(2)接收；
3号激光经过准直器(5c)后穿过9、10、11、12号栅格，然后经过反射镜(6c)后穿过7、2号栅格最后被光电探测器(3)接收；
4号激光经过准直器(5d)后穿过13、14、15、16号栅格，然后经过反射镜(6d)后穿过11、6、1号栅格最后被光电探测器(4)接收；
5号激光经过准直器(5e)后穿过5、10、15号栅格后被光电探测器(5)接收；
6号激光经过准直器(5f)后穿过9、6、3号栅格后被光电探测器(6)接收。
3.一种二维几何路径下的待测区域气体浓度分布重建方法，其特征是应用于权利要求1所述的待测区域气体浓度重建系统中，并按如下步骤进行：
步骤1.所述数据处理单元对n个光谱吸收信号
Figure FDA0003539157950000021
进行波长标定，得到频域内的n个光谱吸收信号
Figure FDA0003539157950000022
其中，D(xi)表示第i个光谱吸收信号；D(vi)表示频域内的第i个光谱吸收信号；
步骤2.根据式(1)所示的最小二乘法将吸收信号中没有被气体吸收的部分与被气体吸收的部分进行拟合，从而得到n束激光的背景光强信号
Figure FDA0003539157950000023
Figure FDA0003539157950000024
式(1)中，r0、r1、r2、r3表示四个拟合参数；vi表示第i个光谱检测信号D(vi)的频率；
步骤3.计算
Figure FDA0003539157950000025
的比值，再求取比值的自然对数，从而得到n束激光的积分吸收曲线
Figure FDA0003539157950000026
其中，B(vi)表示第i束激光的背景光强信号R(vi)归一化后的积分吸收曲线；
步骤4.对n束激光的积分吸收曲线
Figure FDA0003539157950000027
中的积分吸收面积分别进行计算，得到所述n束激光的积分吸光度
Figure FDA0003539157950000028
Ai表示第i束激光的积分吸光度；
步骤5.分别对n束的积分吸光度
Figure FDA0003539157950000029
进行判断，如果Ai大于0，则将第i束激光作为筛选后的射线记为
Figure FDA00035391579500000210
如果Ai等于0，则表示第i束激光穿过的栅格内没有气体泄漏，其路径上的栅格内的积分吸光度均为0，并将第i束激光作为剔除的射线，不对其进行处理；
步骤6.将筛选后的射线的积分吸光度与ART算法结合，从而利用式(2)得到第w条射线关于m×m个栅格的投影的方程：
Figure FDA00035391579500000211
式(2)中，
Figure FDA00035391579500000212
表示筛选后积分吸光度大于0的第w条射线，Lw,j表示筛选后的第w条射线在第j个栅格内的长度，Cj表示第j个栅格内的气体浓度，P表示待测气体的压强，S(T)表示在温度T下的待测气体的气体吸收线强；
步骤7.定义变量k，并初始化k＝1；
步骤8.初始化第k次迭代中第j个栅格的气体积分吸光度
Figure FDA00035391579500000213
步骤9.利用式(3)得到第k+1次迭代中第j个栅格的气体积分吸光度
Figure FDA00035391579500000214
Figure FDA0003539157950000031
式(3)中，
Figure FDA0003539157950000032
表示第k次迭代中第j个栅格的气体积分吸光度，β表示松弛系数，Lw,j表示筛选后第w条射线穿过第j个栅格的长度，ΔAw表示相邻两次迭代之间
Figure FDA0003539157950000033
的修正误差；
步骤10.判断
Figure FDA0003539157950000034
是否成立，若成立，则表示迭代结果符合真实值，并将
Figure FDA0003539157950000035
作为第j个栅格内的气体积分吸光度aj，否则，将k+1赋值给k后，返回步骤10顺序执行；
步骤11.将j+1赋值给j后，返回步骤8顺序执行，直到获得m×m个栅格内的气体积分吸光度
Figure FDA0003539157950000036
步骤12.利用式(4)对第j个栅格内的气体积分吸光度aj进行浓度反演，得到第j个栅格内的气体浓度Cj，从而根据所有栅格内的气体浓度建立二维浓度分布图：
Figure FDA0003539157950000037
式(4)中，Lj表示第j个栅格内的长度；
步骤13.根据所述二维浓度分布图确定待测气体的泄漏源位置。
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