CN115327558A - 一种基于气体吸收谱线线型分析的测距装置及方法 - Google Patents

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张启蕊
李钊
刘骏鹏
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Abstract

本发明提供一种基于气体吸收谱线线型分析的测距装置及方法，装置包括激光器控制器、激光器、准直器、透镜、探测器、放大器、A/D采集模块、处理器、压力传感器和温度传感器。透镜中心设有小孔，准直器位于透镜中心小孔处；激光器发出的激光经过透镜中心的准直器后照射到被测区域内，到达测量位置后进行反射，反射的光通过透镜汇聚至探测器并传送至处理器，处理器同时还接收压力和温度参数对采集到的测量光信号的吸收谱线进行HTP线型拟合并直接从谱线形状中提取光谱参数，包括洛伦兹展宽和谱线吸收面积，进而利用公式计算出到被测位置的距离。解决现有技术测距方法中需要预设参考气室，设计两路光路，设备复杂，信号处理繁琐的技术问题。

Description

一种基于气体吸收谱线线型分析的测距装置及方法
技术领域
本发明涉及激光探测技术领域，特别涉及一种基于气体吸收谱线线型分析的测距装置及方法。
背景技术
谱线线型分析是一种很有前途的方法，因为谱线线型包含了丰富的吸收气体的信息，如洛伦兹展宽和谱线吸收面积。再根据通过传感器提取出环境温度与压强，通过这些信息可以准确的得到气体浓度和有效光程长等数据。
现有的测距技术通常是将参考光信号和测量光信号混频后获得拍频信号，再对拍频信号进行信号频率的提取。这种方式需要预设参考气室，设计两路光路，设备复杂，信号处理繁琐。本发明能够实现在包含特定气体的环境下进行准确的距离检测，系统结构简单，且只需要分析出测量光信号的线型本身的信息即可得到被测距离，数据处理更加快速高效。
发明内容
为了解决背景技术提出的技术问题，本发明提供一种基于气体吸收谱线线型分析的测距装置及方法，解决现有激光测距系统存在的问题。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种基于气体吸收谱线线型分析的测距装置，包括激光器控制器、激光器、准直器、透镜、探测器、放大器、A/D采集模块、处理器、压力传感器和温度传感器。
透镜中心设有小孔，准直器位于透镜中心小孔处；激光器控制器与激光器连接，激光器控制器调谐激光的输出波长，控制激光器发出设定中心波长的激光，经过透镜中心的准直器后照射到被测区域内，由准直器发出的光信号到达测量位置后进行反射，反射的光通过透镜汇聚至探测器，将光信号转换成包含光谱信息的电流信号，经过放大器后转换为电压信号，再经过A/D采集模块将电压信号传送至处理器，处理器同时还接收来自压力传感器和温度传感器的压力和温度参数，计算出被测位置的距离。
进一步地，所述的处理器为DSP处理器。
一种基于气体吸收谱线线型分析的测距装置的测距方法，所述的方法为：处理器对采集到的测量光信号的吸收谱线进行HTP线型拟合并直接从谱线形状中提取光谱参数，包括洛伦兹展宽和谱线吸收面积，进而利用公式计算出到被测位置的距离。
进一步地，所述的方法包括如下步骤：
步骤一、采集经放大器转换的电压信号作为探测信号，探测信号的形状包含测量气体吸收光谱信息；
步骤二、在处理器中利用HTP的方法对探测信号进行拟合，并精确提取洛伦兹展宽和谱线吸收面积；
步骤三、根据线型函数的导出公式计算被测范围内的气体浓度：
Figure BDA0003780575650000021
其中，ΔνLorentz为洛伦兹展宽，是处理器对采集到的测量光信号的吸收谱线进行HTP线型拟合计算得到；光谱参数γair、γself、nair可通过参考光谱数据库获得，γair是空气展宽半宽度，γself是自展宽半宽度，nair空气展宽半宽度的温度依赖指数，P为压强，由压力传感器获得；T为温度，由温度传感器获得；T0＝296K；
步骤四、根据朗伯比尔定律的导出公式计算被测范围的有效光程长：
Figure BDA0003780575650000022
其中，P为压强，由压力传感器获得；Xi为气体浓度，由上一步计算获得；S(T)为气体光谱谱线的线强度，可通过参考光谱数据库获得；A为积分吸光度，即谱线吸收面积，可以通过处理器利用HTP线型拟合的方法计算得到；
步骤五、被测距离的计算
由于被测距离足够远，准直器和探测器之间的距离可以忽略不计，可近似理解为被测距离即有效光程长的一半，即被测距离
Figure BDA0003780575650000023
L0为有效光程。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)本发明的测距装置及方法，无需预设参考气室和设计两路光路，通过对采集到的测量光信号的吸收谱线进行HTP线型拟合并直接从谱线形状中提取光谱参数，包括洛伦兹展宽和谱线吸收面积，进而利用公式计算出到被测位置的距离，解决现有技术测距方法中需要预设参考气室，设计两路光路，设备复杂，信号处理繁琐的技术问题。
2)本发明针对拟合线型选择，常用的voigt线型并没有考虑多普勒展宽与碰撞展宽之间的耦合作用，使得在实际应用中并不能够完全精确地描述光谱。Galatry线型是在原多普勒展宽部分中加入了碰撞导致的速度变化修正。更进一步，将速度依赖效应引入线型函数中，即可得到SDVP线型。但以上常用线型都忽略了碰撞压窄效应与速度依赖效应之间的相互耦合作用，并且其线型模型都是非解析形式的，包含多项拟合参数，在实际应用过程的存在诸多问题，所以本发明采用HTP线型，它能够综合考虑多种影响因素，并且其他几种线型均可以通过考虑HTP线型的极限情况直接获得，具备广泛的包容性。
附图说明
图1是本发明的一种基于气体吸收谱线线型分析的测距装置的结构框图。
图中：1-透镜 2-准直器 3-探测器 4-放大器。
具体实施方式
以下结合附图对本发明提供的具体实施方式进行详细说明。
实施例1
如图1所示，一种基于气体吸收谱线线型分析的测距装置，包括激光器控制器、激光器、准直器2、透镜1、探测器3、放大器4、A/D采集模块、处理器、压力传感器和温度传感器。
透镜1中心设有小孔，准直器2位于透镜1中心小孔处；激光器控制器与激光器连接，激光器控制器调谐激光的输出波长，控制激光器发出设定中心波长的激光，经过透镜1中心的准直器2后照射到被测区域内，由准直器2发出的光信号到达测量位置后进行反射，反射的光通过透镜1汇聚至探测器3，将光信号转换成包含光谱信息的电流信号，经过放大器4后转换为电压信号，再经过A/D采集模块将电压信号传送至处理器，处理器同时还接收来自压力传感器和温度传感器的压力和温度参数，计算出被测位置的距离。
本实施例中，所述的处理器选择为DSP处理器。
实施例2
一种基于气体吸收谱线线型分析的测距装置的测距方法，所述的方法为：处理器对采集到的测量光信号的吸收谱线进行HTP线型拟合并直接从谱线形状中提取光谱参数，包括洛伦兹展宽和谱线吸收面积，进而利用公式计算出到被测位置的距离。
本实施例所述的方法包括如下步骤：
步骤一、采集经放大器4转换的电压信号作为探测信号，探测信号的形状包含测量气体吸收光谱信息；
步骤二、在处理器中利用HTP的方法对探测信号进行拟合，并精确提取洛伦兹展宽和谱线吸收面积；
步骤三、根据线型函数的导出公式计算被测范围内的气体浓度：
Figure BDA0003780575650000041
其中，ΔvLorentz为洛伦兹展宽，是处理器对采集到的测量光信号的吸收谱线进行HTP线型拟合计算得到；光谱参数γair、γself、nair可通过参考光谱数据库获得，γair是空气展宽半宽度，γself是自展宽半宽度，nair空气展宽半宽度的温度依赖指数，P为压强，由压力传感器获得；T为温度，由温度传感器获得；T0＝296K；
步骤四、根据朗伯比尔定律的导出公式计算被测范围的有效光程长：
Figure BDA0003780575650000042
其中，P为压强，由压力传感器获得；Xi为气体浓度，由上一步计算获得；S(T)为气体光谱谱线的线强度，可通过参考光谱数据库获得；A为积分吸光度，即谱线吸收面积，可以通过处理器利用HTP线型拟合的方法计算得到；
步骤五、被测距离的计算
由于被测距离足够远，准直器2和探测器3之间的距离可以忽略不计，可近似理解为被测距离即有效光程长的一半，即被测距离
Figure BDA0003780575650000043
L0为有效光程。
本发明的测距装置及方法，无需预设参考气室和设计两路光路，通过对采集到的测量光信号的吸收谱线进行HTP线型拟合并直接从谱线形状中提取光谱参数，包括洛伦兹展宽和谱线吸收面积，进而利用公式计算出到被测位置的距离，解决现有技术测距方法中需要预设参考气室，设计两路光路，设备复杂，信号处理繁琐的技术问题。
以上实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于上述的实施例。上述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。

Claims (4)

1.一种基于气体吸收谱线线型分析的测距装置，其特征在于，包括激光器控制器、激光器、准直器、透镜、探测器、放大器、A/D采集模块、处理器、压力传感器和温度传感器；
透镜中心设有小孔，准直器位于透镜中心小孔处；激光器控制器与激光器连接，激光器控制器调谐激光的输出波长，控制激光器发出设定中心波长的激光，经过透镜中心的准直器后照射到被测区域内，由准直器发出的光信号到达测量位置后进行反射，反射的光通过透镜汇聚至探测器，将光信号转换成包含光谱信息的电流信号，经过放大器后转换为电压信号，再经过A/D采集模块将电压信号传送至处理器，处理器同时还接收来自压力传感器和温度传感器的压力和温度参数，计算出被测位置的距离。
2.根据权利要求1所述的一种基于气体吸收谱线线型分析的测距装置，其特征在于，所述的处理器为DSP处理器。
3.一种权利要求1所述的基于气体吸收谱线线型分析的测距装置的测距方法，其特征在于，所述的方法为：处理器对采集到的测量光信号的吸收谱线进行HTP线型拟合并直接从谱线形状中提取光谱参数，包括洛伦兹展宽和谱线吸收面积，进而算出到被测位置的距离。
4.根据权利要求3所述的基于气体吸收谱线线型分析的测距装置的测距方法，其特征在于，所述的方法包括如下步骤：
步骤一、采集经放大器转换的电压信号作为探测信号，探测信号的形状包含测量气体吸收光谱信息；
步骤二、在处理器中利用HTP的方法对探测信号进行拟合，并精确提取洛伦兹展宽和谱线吸收面积；
步骤三、根据线型函数的导出公式计算被测范围内的气体浓度：
Figure FDA0003780575640000011
其中，ΔνLorentz为洛伦兹展宽，是处理器对采集到的测量光信号的吸收谱线进行HTP线型拟合计算得到；光谱参数γair、γself、nair可通过参考光谱数据库获得，γair是空气展宽半宽度，γself是自展宽半宽度，nair空气展宽半宽度的温度依赖指数，P为压强，由压力传感器获得；T为温度，由温度传感器获得；T0＝296K；
步骤四、根据朗伯比尔定律的导出公式计算被测范围的有效光程长：
Figure FDA0003780575640000021
其中，P为压强，由压力传感器获得；Xi为气体浓度，由上一步计算获得；S(T)为气体光谱谱线的线强度，可通过参考光谱数据库获得；A为积分吸光度，即谱线吸收面积，可以通过处理器利用HTP线型拟合的方法计算得到；
步骤五、被测距离的计算
由于被测距离足够远，准直器和探测器之间的距离可以忽略不计，可近似理解为被测距离即有效光程长的一半，即被测距离
Figure FDA0003780575640000022
L0为有效光程。
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CN116358415A (zh) * 2023-06-01 2023-06-30 通达电磁能股份有限公司 一种隔振器及空间多维信息测量方法
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