CN115575349A - 一种抗干扰激光气体遥测方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种抗干扰激光气体遥测方法及系统，其中，方法包括以下步骤：读取一个检测周期T内得到的待分析信号；将所述待分析信号划分为非吸收区Ⅰ和吸收区Ⅱ，当判断非吸收区Ⅰ的回波信号质量合格，吸收区Ⅱ的回波信号的一次谐波与二次谐波波形质量合格后，进一步计算气体瞬时浓度CIV；激光气体遥测设备根据激光测距模块提供的检测距离及测量拟合的空气背景曲线，得到该距离下的空气背景值Cair，再用测量的瞬时浓度值CIV减去空气背景值Cair，即得到目标气体的真实浓度。本发明可以使零点更加稳定，准确探测出被测空间中目标气体的真实浓度，特别适合那些需要高精度、高灵敏度、高准确性的微弱气体泄漏监测的场所。

Description

一种抗干扰激光气体遥测方法及系统
技术领域
本发明涉及激光气体遥测技术领域，具体的说，涉及了一种抗干扰激光气体遥测方法及系统。
背景技术
基于TDLAS技术的激光气体遥测系统，检测激光穿过目标气体，照射到背景反射物上，经背景反射物反射后由光电探测器接收，通过分析反射回波信号，反演目标气体浓度。由于测量距离远、背景反射物实时变化，容易引起干扰，造成误报。产生的干扰因素主要有以下几个方面：
（1）测量距离远，当测量距离远时，信噪比会降低，有用信号会被淹没在噪声中，引起干扰；
（2）背景反射物突变，当背景反射物突变时也会产生光学噪声，引起误报；
（3）干涉噪声，当背景反射物为不锈钢条、双层玻璃等时，遥测仪回光会产生光学干涉，引起误报；
（4）空气背景，由于激光气体遥测系统检测的气体浓度为积分浓度，与气团的平均浓度和激光束穿过气团的光程成正比，对于空气背景，测量距离越长，空气背景浓度越高。
传统的激光气体遥测系统采用近红外可调谐半导体激光器为光源，利用气体在近红外波段的吸收峰线，这种激光气体遥测仪在系统成本上具有一定的优势，但是由于测量距离远，激光气体检测系统接收的是散射光强，光信号非常微弱，有时候噪声甚至会淹没真实的气体浓度信息，严重影响了系统检测气体的灵敏度和准确性；另外背景反射物造成的光强突变、或者背景反射物造成的光学干涉等均容易引起干扰，造成误报。
同时由于近红外气体吸收较弱，激光气体遥测系统普遍灵敏度低，一般为ppm级别，无法准确分辨出不同距离下的空气背景。长距离检测时，激光气体遥测仪检测到的空气背景浓度比较大，如果无法去除，就会被误做为气源泄漏，对检测结果造成干扰，激光气体遥测仪出现零点波动、误报等现象。
为提高检测精度，现有技术中通常采用相应的降噪算法对采集的信号进行处理。现有降噪算法通常在得到二次谐波信号后，利用一些算法（如最小二乘法、小波分析）对二次谐波信号进行降噪。然而，这些算法针对的是基于整个采样周期检测到的二次谐波信号，虽然经过降噪处理，但在实际使用过程中，仍然存在因反射物（如水泥路、石子路，路边建筑物上窗户玻璃、各种瓷砖等各种环境因素）的影响导致气体检测结果不准确，进而引起误报警的问题。
为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，从而提供一种抗干扰激光气体遥测方法及系统。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
本发明第一方面提供一种抗干扰激光气体遥测方法，包括以下步骤：
读取一个检测周期T内得到的待分析信号；将所述待分析信号划分为非吸收区Ⅰ和吸收区Ⅱ，当判断非吸收区Ⅰ的回波信号质量合格，吸收区Ⅱ的回波信号的一次谐波与二次谐波波形质量合格后，进一步计算气体瞬时浓度CIV；
激光气体遥测设备根据激光测距模块提供的检测距离及测量拟合的空气背景曲线，得到该距离下的空气背景值Cair，再用测量的瞬时浓度值CIV减去空气背景值Cair，即得到目标气体的真实浓度。
基于上述，瞬时浓度值CIV的测量方法包括：
读取一个检测周期T内得到的待分析信号；其中，所述待分析信号为待分析的回波信号；
将所述待分析信号划分为非吸收区Ⅰ和吸收区Ⅱ，所述非吸收区Ⅰ对应一个检测周期T的采样起始点至第N个采样点，所述吸收区Ⅱ对应一个检测周期T的第N+1个采样点至采样结束点；
判断非吸收区Ⅰ的回波信号质量是否合格，如果不合格则舍弃该次计算，如果合格则继续分析吸收区Ⅱ的回波信号；
将吸收区Ⅱ的回波信号进行锁相放大，得到一次谐波与二次谐波波形，判断一次谐波与二次谐波波形质量，如不合格则舍弃该次计算，如果合格则进一步计算气体瞬时浓度CIV。
基于上述，在判断所述非吸收区Ⅰ的回波信号是否合格时，执行：
对非吸收区Ⅰ的回波信号进行FFT计算，分别得到一次谐波f’的幅值
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE001
’、二次谐波2f的幅值
Figure 716412DEST_PATH_IMAGE002
’至n次谐波nf的幅值
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE003
’；
采用以下公式计算所述无气体吸收区Ⅰ的信号畸变量S_Ⅰ：
Figure 508918DEST_PATH_IMAGE004
判断所述非吸收区Ⅰ的信号畸变量S_Ⅰ是否大于畸变阈值Sth_Ⅰ，若是，则判定所述非吸收区Ⅰ的回波信号质量不合格，否则判定为合格。
基于上述，在判断所述吸收区Ⅱ的回波信号经锁相放大后的一次谐波与二次谐波波形质量是否合格时，执行：
首先确定标准的二次谐波的一个极大值点的中心位置为X2f，M个特征点的中心位置为X1、X2……XM,确定一次谐波的零点的中心位置Y1，其中M一般为偶数；
当采集到的所述吸收区Ⅱ的回波信号经锁相放大后的二次谐波的一个极大值点的位置在X2f±∆2f范围中，M个特征点均在其中心位置±∆M范围中，同时一次谐波的零点的位置与二次谐波极大值点的位置相同，均在X2f±∆2f范围中时，则判定所述吸收区Ⅱ的回波信号经锁相放大后的一次谐波与二次谐波波形质量合格，否则判定为不合格。
基于上述，在所述非吸收区Ⅰ的回波信号、吸收区Ⅱ的回波信号经锁相放大后的一次谐波与二次谐波波形质量均合格时，还执行：
根据吸收区Ⅱ提取出的一次谐波和二次谐波，得到二次谐波的幅值V2f和一次谐波的幅值Vf之间的比值计算得到待测气体瞬时浓度值CIV。
基于上述，空气背景值Cair的测量方法包括：
选择一个没有目标气体泄漏的区域，使用激光气体遥测设备进行测量，记录N个不同检测距离下对应的默认空气背景浓度值，并每两个距离之间进行一个线性拟合，得到不同检测距离下的空气背景值Cair；
进行目标气体浓度检测时，激光气体遥测设备根据激光测距模块提供的检测距离，对应得到该距离下的空气背景值Cair。
基于上述，对不同地区的不同背景值，采用以下方法修正：
选择一个确定没有目标气体泄漏的区域，测量检测距离L1下的背景浓度
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE005
，同时计算检测距离L1下的背景值
Figure 928136DEST_PATH_IMAGE006
，得到校准系数
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE007
；
由式子
Figure 198712DEST_PATH_IMAGE008
计算出实际的空气背景值
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE009
；
由式子
Figure 986320DEST_PATH_IMAGE010
计算得到目标气体的真实浓度。
本发明第二方面提供一种抗干扰激光气体遥测系统，包括激光气体遥测设备和激光测距模块；
所述激光测距模块用于在进行气体浓度检测时测量激光气体遥测装置与背景反射物之间的距离；
所述激光测距模块与所述激光气体遥测设备通信，用以实现所述的抗干扰激光气体遥测方法。
基于上述，所述激光气体遥测设备中的激光器采用中红外半导体激光器，所述激光气体遥测设备中的光电探测器采用中红外光电探测器。
本发明的有益效果为：
1）通过去除背景干扰，本发明可以使零点更加稳定，准确探测出被测空间中目标气体的真实浓度，特别适合那些需要高精度、高灵敏度、高准确性的微弱气体泄漏监测的场所。
2）本发明采用分区域判断回波信号质量的方法计算气体的瞬时浓度值，将所述待分析信号划分为非吸收区Ⅰ和吸收区Ⅱ，并判断非吸收区Ⅰ的回波信号质量是否合格，如果不合格则舍弃该次计算，如果合格则继续分析吸收区Ⅱ的回波信号；将吸收区Ⅱ的回波信号进行锁相放大，得到一次谐波与二次谐波波形，判断一次谐波与二次谐波波形质量，如果不合格则舍弃该次计算，如果合格则进一步计算气体瞬时浓度；再根据所述吸收区Ⅱ的二次谐波的幅值V2f和一次谐波的幅值Vf之间的比值计算待测气体瞬时浓度；从而剔除异常的待分析信号，有效解决因反射物水泥路、石子路，路边建筑物上窗户玻璃、各种瓷砖、照射天空等各种环境因素引起待测气体瞬时浓度计算结果异常的问题，进而降低误报警概率；
3）在基于所述非吸收区Ⅰ回波信号质量和吸收区Ⅱ回波信号的一次谐波与二次谐波波形质量分析之前，首先检测所述吸收区Ⅱ的信号质量，以判断所述吸收区Ⅱ的回波信号是否出现畸变，若未出现畸变，则不再进行非吸收区I的回波信号质量的判断，从而在提高检测精度的基础上，降低计算量，提高检测效率。
4）采用中红外半导体激光器作为激光气体遥测系统的光源，灵敏度相较于选择近红外半导体激光器为光源的激光气体遥测系统会高2-3个数量级，从而满足高灵敏度的监测预警需求。
附图说明
图1是本发明系统的原理构成示意图。
图2是本发明实施例1中瞬时浓度值CIV的测量方法。
图3是检测待测气体时的回波信号波形示意图（横坐标为点数或时间，纵坐标为幅值，单位为mV）。
图4是气体吸收区II的回波信号经锁相放大后的一次谐波与二次谐波及各特征点的位置示意图（横坐标为点数或时间，纵坐标为幅值，单位为mV）。
具体实施方式
下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
图1示出了本发明系统的原理构成示意图，抗干扰激光气体遥测系统包括激光收发光学系统、激光器控制单元、信号处理单元、信号输出单元。激光器发出的检测激光，经过准直系统，穿过目标气体被背景反射物反射后，作为被目标气体吸收后的回波信号由光电探测器接收，经过光电转换后，传送给信号处理单元，对该信号进行放大滤波等处理，计算出目标气体瞬时浓度信息，再由信号输出单元输出目标气体瞬时浓度信息。
其中，激光器控制单元连接信号处理单元和激光器。激光控制单元包括电流驱动单元及温度控制单元，激光器输出的波长与激光器的驱动电流及温度有关，确定激光器的驱动电流后，通过实时调整激光器内部TEC的温度，使激光器输出的波长始终锁定在目标气体的吸收峰上。信号处理单元输出的激光器调制信号经过DA转换后，传送给激光控制单元，驱动激光器发光（一般采用三角波或锯齿波叠加正弦波的驱动波形），同时激光控制单元中的温度控制单元对中红外半导体激光器1的TEC进行实时调整，使激光器的输出波长始终稳定在气体的吸收峰上。
实施例1
本实施例提供一种抗干扰激光气体遥测系统，包括激光气体遥测设备和激光测距模块；所述激光测距模块用于在进行气体浓度检测时测量激光气体遥测装置与背景反射物之间的距离；所述激光测距模块与所述激光气体遥测设备通信，用以实现抗干扰激光气体遥测方法。
具体的，所述激光气体遥测设备中的激光器采用中红外半导体激光器，所述激光气体遥测设备中的光电探测器采用中红外光电探测器。
所述的抗干扰激光气体遥测方法，包括以下步骤：
读取一个检测周期T内得到的待分析信号；将所述待分析信号划分为非吸收区Ⅰ和吸收区Ⅱ，当判断非吸收区Ⅰ的回波信号质量合格，吸收区Ⅱ的回波信号的一次谐波与二次谐波波形质量合格后，进一步计算气体瞬时浓度CIV。
激光气体遥测设备根据激光测距模块提供的检测距离及测量拟合的空气背景曲线，得到该距离下的空气背景值Cair，再用测量的瞬时浓度值CIV减去空气背景值Cair，即得到目标气体的真实浓度。
其中瞬时浓度值CIV的测量方法，流程图如图2所示，包括：
读取探测器在一个检测周期T内得到的待分析信号；其中，所述待分析信号为探测器获得的目标回波信号；具体的，所述检测周期T与所述激光器驱动电路的驱动波形中基波（锯齿波、三角波等）的周期T相同，所述三角波的周期T大于所述正弦波的周期T0。
将所述待分析信号划分为非吸收区Ⅰ和吸收区Ⅱ，所述非吸收区Ⅰ对应一个检测周期T的采样起始点至第N个采样点，所述吸收区Ⅱ对应一个检测周期T的第N+1个采样点至采样结束点；其中，N为大于等于1的自然数；N的值可以预先设置且会留够冗余量，并根据实际情况进行修改，如图3所示；
判断非吸收区Ⅰ的回波信号质量是否合格，如果合格则继续分析吸收区Ⅱ的回波信号,如不合格则舍弃该次计算；
将吸收区Ⅱ的回波信号进行锁相放大，得到一次谐波与二次谐波波形，判断一次谐波与二次谐波波形质量，如果合格则进一步计算气体瞬时浓度,如不合格则舍弃该次计算；
在确定所述非吸收区Ⅰ的回波信号及吸收区Ⅱ的回波信号的一次谐波与二次谐波波形质量均合格时，根据吸收区Ⅱ提取出的一次谐波和二次谐波，得到二次谐波的幅值V2f和一次谐波的幅值Vf之间的比值计算得到待测气体瞬时浓度值。
其中空气背景值Cair的测量方法包括：
选择一个没有目标气体泄漏的区域，使用激光气体遥测设备进行测量，记录N个不同检测距离下对应的默认空气背景浓度值，并每两个距离之间进行一个线性拟合，得到不同检测距离下的空气背景值Cair；
进行目标气体浓度检测时，激光气体遥测设备根据激光测距模块提供的检测距离，对应得到该距离下的空气背景值Cair。
由于不同地区背景值不同，对不同地区的不同背景值，采用以下方法修正：
选择一个确定没有目标气体泄漏的区域，测量检测距离L1下的背景浓度
Figure 746466DEST_PATH_IMAGE005
，同时计算检测距离L1下的背景值
Figure 951182DEST_PATH_IMAGE006
，得到校准系数
Figure 291028DEST_PATH_IMAGE007
；
由式子
Figure 396125DEST_PATH_IMAGE008
计算出实际的空气背景值
Figure 123909DEST_PATH_IMAGE009
；
由式子
Figure 19184DEST_PATH_IMAGE010
计算得到目标气体的真实浓度。
实施例2
本实施例以激光甲烷检测为例，具体说明瞬时浓度值CIV的测量方法。其中，激光器输出激光束的中心波长为3367nm，锯齿波的作用是使激光器输出波长从3366nm逐渐变化到3368nm（在一个检测周期内），正弦波为调制作用；其中，锯齿波周期为2.6ms，正弦波周期为10khz，采样频率为200khz；
当检测环境中光强小、检测环境中存在玻璃、棱角等因素会导致非吸收区Ⅰ的回波信号质量不合格，说明此次检测周期的回光信号过小或者受到外界环境严重干扰的，进而吸收区的信号也会受到环境干扰，容易引起误报。本实施例通过非吸收区Ⅰ的信号畸变量S_Ⅰ与畸变阈值Sth_Ⅰ之间的对比结果，将质量不合格的回波信号剔除，从而在有效提高检测精度的同时，降低锁相放大计算量；
可以理解，所述非吸收区Ⅰ作为无气体吸收区，可作为回光强度及信号质量判断的计算区，所述吸收区Ⅱ作为气体正常吸收区，可作为气体浓度计算区。对于无气体吸收区信号质量判断，本实施例给出了信号质量检测方式。
在判断所述无气体吸收区Ⅰ的回波信号质量是否合格时，执行：对所述无气体吸收区Ⅰ的回波信号进行FFT计算，分别得到一次谐波f的幅值
Figure 693879DEST_PATH_IMAGE001
’、二次谐波2f的幅值
Figure 653482DEST_PATH_IMAGE002
’至n次谐波nf的幅值
Figure 286589DEST_PATH_IMAGE003
’；采用以下公式计算所述无气体吸收区Ⅰ的信号畸变量S_Ⅰ：
Figure 465898DEST_PATH_IMAGE004
判断所述无气体吸收区Ⅰ的信号畸变量S_Ⅰ是否大于畸变阈值Sth_Ⅰ，若是，则判定所述无气体吸收区Ⅰ的回波信号质量不合格，否则判定所述无气体吸收区Ⅰ的回波信号质量合格；
需要说明的是，无气体吸收区Ⅰ未发生不良畸变时，无气体吸收区Ⅰ的信号畸变量S为1，无气体吸收区Ⅰ的不良畸变越严重，无气体吸收区Ⅰ的信号畸变量S越大。
具体的，n的取值范围为3以上的自然数，兼顾计算量及精确度，n的取值可以为4；则所述无气体吸收区Ⅰ的信号畸变量S_Ⅰ的计算公式可以为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE011
。
需要说明的是，本实施例中的一次谐波f的幅值
Figure 114923DEST_PATH_IMAGE012
、二次谐波2f的幅值
Figure DEST_PATH_IMAGE013
至n次谐波nf的幅值
Figure 633760DEST_PATH_IMAGE014
指的是基于无吸收区Ⅰ的回波信号进行FFT计算之后提取出的谐波幅值，用于进行信号质量评价。
具体的，所述畸变阈值Sth_Ⅰ的取值范围为1.05至1.2，例如1.08；
实施例3
需要说明的是：当检测环境中存在玻璃、棱角等因素，也会导致吸收区Ⅱ出现不良的畸变，当判定非吸收区I信号质量合格时，我们需进一步判断吸收区Ⅱ的回波信号经过锁相放大后的一次谐波和二次谐波的波形质量。在确定所述非吸收区Ⅰ的回波信号及吸收区Ⅱ的回波信号的一次谐波与二次谐波波形质量均合格时，根据吸收区Ⅱ提取出的一次谐波和二次谐波，得到二次谐波的幅值V2f和一次谐波的幅值Vf之间的比值计算得到待测气体瞬时浓度值。
激光器发出的激光束照向待测气体所在区域，当激光器输出波长扫描到3367nm时，若正好遇到甲烷气体，则吸收区Ⅱ的正弦波（3367nm对应的）会出现良性畸变（吸收坑），同时经过锁相放大后的一次谐波和二次谐波的特征点满足一定的关系。我们首先确定吸收区Ⅱ在气体吸收造成的良性畸变的二次谐波的一个极大值点的中心位置为X2f，4个特征点的中心位置为X1、X2、X3、X4,确定一次谐波的零点的中心位置Y1。X1、X2、X3、X4、Y1的位置如图4所示。
1）在正常测气时
若遇到甲烷气体，则采集到的吸收区Ⅱ经过锁相放大后的二次谐波的一个极大值点的位置在X2f±∆2f范围中，4个特征点均在其X1±∆1、X2±∆2、X3±∆3、X4±∆4范围中，同时一次谐波的零点的位置与二次谐波极大值点的位置相同，在X2f±∆2f范围中。具体的，∆2f、∆1、∆2、∆3与∆4可选择50~100范围，例如：50。
若没有遇到甲烷气体，则接收到的回波信号未发生畸变，吸收区Ⅱ的正弦波没有吸收坑，经过锁相放大后提取出的二次谐波幅值约为0mV，得到待测气体瞬时浓度值接近于0；
2）在激光器发出的激光束在测气过程中遇到玻璃、棱角等背景物体时
当激光器输出波长扫描到3367nm时，若正好遇到甲烷气体，吸收区Ⅱ的正弦波（3367nm对应的）会出现畸变，并且回波信号经过锁相放大后的二次谐波的一个极大值点的位置在X2f±∆2f范围中，4个特征点均在其X1±∆1、X2±∆2、X3±∆3、X4±∆4范围中，同时一次谐波的零点的位置与二次谐波极大值点的位置相同，在X2f±∆2f范围中。
若没有遇到甲烷气体，由于玻璃等背景物体产生的干扰，吸收区Ⅱ的正弦波也会出现畸变，但回波信号经过锁相放大后的二次谐波的一个极大值点的位置不在X2f±∆2f范围中，或者4个特征点不在其X1±∆1、X2±∆2、X3±∆3、X4±∆4范围中，或一次谐波的零点的位置与二次谐波极大值点的位置不相同，不在X2f±∆2f范围中，则判断该吸收区Ⅱ的吸收不合格，该次测量舍弃。
当没有判断吸收区Ⅱ的回波信号经过锁相放大后的一次谐波和二次谐波的波形质量，就进行气体瞬时浓度计算，得到待测气体瞬时浓度值大于0，导致测出的气体瞬时浓度值大于实际气体瞬时浓度值，就会出现误报；
若按照本实施例中进一步判断吸收区Ⅱ的回波信号经过锁相放大后的一次谐波和二次谐波的波形质量，则会丢弃该数据，得到待测气体浓度值接近于0，从而提高检测精确度。
实施例4
本实施例仍以甲烷激光器为例，具体说明瞬时浓度值CIV的测量方法。其中，其输出激光束的中心波长为3367nm，三角波的作用是使激光器输出波长从3366nm 逐渐变化到3368nm，其中，锯齿波周期为2.6ms，正弦波周期为10khz，采样频率为200khz；
当在激光器发出的激光束照向天空，导致没有背景反射物时：当激光器输出波长扫描到3367nm时，虽没有遇到甲烷气体，但由于日光等因素产生的干扰，导致非吸收区Ⅰ和吸收区Ⅱ的正弦波均出现畸变，而吸收区Ⅱ的回波信号虽然微弱，但是出现的畸变经锁相放大后的一次谐波与二次谐波的特征点却满足上述实施例3中的判断条件，判定为合格。
若不判断非吸收区Ⅰ的信号质量，就会导致测出的气体瞬时浓度值大于实际气体瞬时浓度值，触发报警；
若按照本实施例中的首先判断非吸收区Ⅰ回波信号质量，则会丢弃该测测量结果，得到待测气体瞬时浓度值接近于0，从而提高检测精准度。
需要说明的是，现有技术中进行激光遥测气体检测时，通常固定以一个检测周期T内得到目标回波信号进行锁相放大计算，提取一次谐波的幅值
Figure 906609DEST_PATH_IMAGE001
和二次谐波的幅值
Figure 65890DEST_PATH_IMAGE002
；
然而，由于天气等原因造成光照条件差、或者激光器发出的激光束照射天空、遇到路边建筑物上窗户玻璃、各种瓷砖等，可能造成一个检测周期T内获得的目标回波信号局部异常（质量不合格），且不同检测条件下，目标回波信号中发生异常的位置也不同；若仍然按照现有技术进行锁相放大计算及气体瞬时浓度计算，则会导致计算出的气体瞬时浓度大于实际环境中的气体瞬时浓度，进而引发误报警；
为解决该问题，本实施例提出一种分区域判断回波信号质量的方法计算气体的瞬时浓度值，在计算吸收区Ⅱ的一次谐波的幅值
Figure 82387DEST_PATH_IMAGE001
和二次谐波的幅值
Figure 518048DEST_PATH_IMAGE002
之前，首先判断非吸收区Ⅰ的回波信号质量和吸收区Ⅱ回波信号经过锁相放大后的一次谐波与二次谐波的波形质量，从而在气体瞬时浓度计算之前剔除异常信号，避免质量不合格的回波信号影响检测结果，有效提高检测精度，同时降低系统计算量，提高响应速度。
实施例5
本实施例提供一种抗干扰激光气体遥测系统，包括激光气体遥测设备和激光测距模块；
所述激光测距模块用于在进行气体浓度检测时测量激光气体遥测装置与背景反射物之间的距离；
所述激光测距模块与所述激光气体遥测设备通信，用以实现上述实施例1-4任一所述的抗干扰激光气体遥测方法。
特别的，所述激光气体遥测设备中的激光器采用中红外半导体激光器，所述激光气体遥测设备中的光电探测器采用中红外光电探测器。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (9)

1.一种抗干扰激光气体遥测方法，其特征在于，包括以下步骤：
读取一个检测周期T内得到的待分析信号；将所述待分析信号划分为非吸收区Ⅰ和吸收区Ⅱ，当判断非吸收区Ⅰ的回波信号质量合格，吸收区Ⅱ的回波信号的一次谐波与二次谐波波形质量合格后，进一步计算气体瞬时浓度CIV；
激光气体遥测设备根据激光测距模块提供的检测距离及测量拟合的空气背景曲线，得到该距离下的空气背景值Cair，再用测量的瞬时浓度值CIV减去空气背景值Cair，即得到目标气体的真实浓度。
2.根据权利要求1所述的抗干扰激光气体遥测方法，其特征在于，瞬时浓度值CIV的测量方法包括：
读取一个检测周期T内得到的待分析信号；其中，所述待分析信号为待分析的回波信号；
将所述待分析信号划分为非吸收区Ⅰ和吸收区Ⅱ，所述非吸收区Ⅰ对应一个检测周期T的采样起始点至第N个采样点，所述吸收区Ⅱ对应一个检测周期T的第N+1个采样点至采样结束点；
判断非吸收区Ⅰ的回波信号质量是否合格，如果不合格则舍弃该次计算，如果合格则继续分析吸收区Ⅱ的回波信号；
将吸收区Ⅱ的回波信号进行锁相放大，得到一次谐波与二次谐波波形，判断一次谐波与二次谐波波形质量，如不合格则舍弃该次计算，如果合格则进一步计算气体瞬时浓度CIV。
3.根据权利要求2所述的抗干扰激光气体遥测方法，其特征在于，在判断所述非吸收区Ⅰ的回波信号是否合格时，执行：
对非吸收区Ⅰ的回波信号进行FFT计算，分别得到一次谐波f’的幅值
Figure DEST_PATH_IMAGE001
’、二次谐波2f的幅值
Figure 89565DEST_PATH_IMAGE002
’至n次谐波nf的幅值
Figure DEST_PATH_IMAGE003
’；
采用以下公式计算所述无气体吸收区Ⅰ的信号畸变量S_Ⅰ：
Figure DEST_PATH_IMAGE005
判断所述非吸收区Ⅰ的信号畸变量S_Ⅰ是否大于畸变阈值Sth_Ⅰ，若是，则判定所述非吸收区Ⅰ的回波信号质量不合格，否则判定为合格。
4.根据权利要求2所述的抗干扰激光气体遥测方法，其特征在于，在判断所述吸收区Ⅱ的回波信号经锁相放大后的一次谐波与二次谐波波形质量是否合格时，执行：
首先确定标准的二次谐波的一个极大值点的中心位置为X2f，M个特征点的中心位置为X1、X2……XM,确定一次谐波的零点的中心位置Y1，其中M一般为偶数；
当采集到的所述吸收区Ⅱ的回波信号经锁相放大后的二次谐波的一个极大值点的位置在X2f±∆2f范围中，M个特征点均在其中心位置±∆M范围中，同时一次谐波的零点的位置与二次谐波极大值点的位置相同，均在X2f±∆2f范围中时，则判定所述吸收区Ⅱ的回波信号经锁相放大后的一次谐波与二次谐波波形质量合格，否则判定为不合格。
5.根据权利要求2所述的抗干扰激光气体遥测方法，其特征在于，在所述非吸收区Ⅰ的回波信号、吸收区Ⅱ的回波信号经锁相放大后的一次谐波与二次谐波波形质量均合格时，还执行：
根据吸收区Ⅱ提取出的一次谐波和二次谐波，得到二次谐波的幅值V2f和一次谐波的幅值Vf之间的比值计算得到待测气体瞬时浓度值CIV。
6.根据权利要求1所述的抗干扰激光气体遥测方法，其特征在于，空气背景值Cair的测量方法包括：
选择一个没有目标气体泄漏的区域，使用激光气体遥测设备进行测量，记录N个不同检测距离下对应的默认空气背景浓度值，并每两个距离之间进行一个线性拟合，得到不同检测距离下的空气背景值Cair；
进行目标气体浓度检测时，激光气体遥测设备根据激光测距模块提供的检测距离，对应得到该距离下的空气背景值Cair。
7.根据权利要求1所述的抗干扰激光气体遥测方法，其特征在于，对不同地区的不同背景值，采用以下方法修正：
选择一个确定没有目标气体泄漏的区域，测量检测距离L1下的空气背景浓度
Figure 46852DEST_PATH_IMAGE006
，同时计算检测距离L1下的空气背景值
Figure DEST_PATH_IMAGE007
，得到校准系数
Figure 967534DEST_PATH_IMAGE008
；
由式子
Figure DEST_PATH_IMAGE009
计算出实际的空气背景值
Figure 736645DEST_PATH_IMAGE010
；
由式子
Figure DEST_PATH_IMAGE011
计算得到目标气体的真实浓度。
8.一种抗干扰激光气体遥测系统，其特征在于：包括激光气体遥测设备和激光测距模块；
所述激光测距模块用于在进行气体浓度检测时测量激光气体遥测装置与背景反射物之间的距离；
所述激光测距模块与所述激光气体遥测设备通信，用以实现权利要求1-7任一项所述的抗干扰激光气体遥测方法。
9.根据权利要求8所述的抗干扰激光气体遥测系统，其特征在于：所述激光气体遥测设备中的激光器采用中红外半导体激光器，所述激光气体遥测设备中的光电探测器采用中红外光电探测器。
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