CN116930120B - 一种伪布尔随机编码的气体遥测分析报警系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及气体检测报警技术领域，具体为一种伪布尔随机编码的气体遥测分析报警系统及方法，所述系统包括：信号发生端根据待测气体的气体吸收峰，产生伪布尔随机编码信号和正弦波信号；发射检测端用于产生覆盖气体吸收峰的出射光；光信号接收端用于接收含有待测气体吸收信息的反射光，并将光信号转换为电信号；数据处理端采集所述光信号接收端转换的电信号，同所述信号发生端产生的伪布尔随机编码信号进行自相关运算确定测量距离；对采集到的所述光信号接收端转换的电信号进行双谐波比值计算得到电压信号比值确定气体浓度；当气体浓度大于设定浓度报警阈值时，发送报警信号至触发报警器。
Description
技术领域
本发明涉及气体检测报警技术领域，具体为一种伪布尔随机编码的气体遥测分析报警系统及方法。
背景技术
我国目前火电发电的主要来源仍然是煤炭，在煤矿生产过程中，甲烷、一氧化碳等气体监测非常重要的，直接关系到整个煤矿井下工作的安全和稳定，通过发展多种形式的气体测量监测手段，对于进一步提高我国煤矿生产的安全性、可靠性和稳定性，减少甲烷、一氧化碳等气体爆炸带来的危害具有重要作用。
开路气体传感测量分析系统具有非接触式、测量距离远的特点广泛应用于天然气泄漏检测、煤矿甲烷测量等领域。目前测量的基本原理主要分两种形式，一种为脉冲激光差分吸收，将脉冲激光器的中心波长分别固定在气体分子的吸收峰以及非吸收峰的边缘上，然后通过测量激光强度的差值实现对气体浓度的测量。但该方法具有距离分辨率、测量精度低的特点。另外一种方法则是采用连续激光结合波长调制的技术，例如中国专利号为CN201610643098.1的发明专利一种天然气浓度和距离的激光遥感探测装置，结合激光相位测距的方式也能实现距离的分辨，但该装置存在以下问题：对于相位测距角度而言，在近距离小于100米的精度比较高，考虑到相位光学尺度的影响，该技术方法难以进行测量；并且光学相位测距电路结构复杂，光学鉴别效果差；同时，在装置采用三种波形相加，系统结构复杂。
发明内容
为解决上述的问题，本发明提供了一种伪布尔随机编码的气体遥测分析报警系统及方法，能够通过伪随机编码结合简化型的波长调制光谱技术实现对气体的高精度测量，具有分辨率高，测量精度高的特点。
具体方案如下：
第一方面，本发明提供了一种伪布尔随机编码的气体遥测分析报警系统，所述系统包括：
信号发生端：根据待测气体的气体吸收峰，产生伪布尔随机编码信号和正弦波信号，并将伪布尔随机编码信号与正弦波信号相乘得到具有M编码序列的调制电压信号；将调制电压信号转换成驱动电流作用于发射检测端；
发射检测端：用于产生覆盖气体吸收峰的出射光；
光信号接收端：用于接收含有待测气体吸收信息的反射光，并将光信号转换为电信号；
数据处理端：采集所述光信号接收端转换的电信号，同所述信号发生端产生的伪布尔随机编码信号进行自相关运算确定测量距离；对采集到的所述光信号接收端转换的电信号进行双谐波比值计算得到电压信号比值，确定气体浓度；当气体浓度大于设定浓度报警阈值时，发送报警信号至触发报警器；
触发报警器：用于接收报警信号后触发声光报警。
进一步的，所述光信号接收端由光学接收透镜、光电探测器和信号解调器依次连接组成。
更进一步的，所述信号发生端包括信号发生器、乘法器和电压电流转换模块，所述信号发生器与乘法器连接，所述电压电流转换模块输入端与乘法器输出端电连接。
优选的，所述信号发生器包括现场可编程门阵列与正弦信号发生器。
第二方面还提供了一种伪布尔随机编码的气体遥测分析报警方法，所述方法具体步骤为：
S1、基于待测气体的气体吸收峰，产生调制激光器波长的驱动电流；
S11、所述信号发生端分别产生伪布尔随机编码信号和正弦波信号，并将伪布尔随机编码信号与正弦波信号相乘产生具有M编码序列的调制电压信号；
S12、将调制电压信号转换成驱动电流作用于所述发射检测端；
S2、所述发射检测端加载驱动电流产生带有M编码序列的出射光，对待测气体进行检测；
S3、所述光信号接收端采集气体反射的反射光，并将反射光进行光电转换，将光信号转换成具有M编码序列的电信号；
S4、信号处理；
S41、所述数据处理端根据接收到电信号，同所述信号发生端产生的伪布尔随机编码信号进行自相关运算；
S42、根据自相关运算结果搜索M编码序列中最大值对应的码元位置，通过所述码元位置确定测量距离；
S43、根据获取接收的电信号进行双谐波比值计算得到电压信号比值，确定待测气体浓度；
S5、所述数据处理端设定有浓度报警阈值，若待测气体浓度大于等于浓度报警阈值，所述数据处理端产生报警信号，发生至所述触发报警器进行报警。
进一步的，所述步骤S43还包括使用气体吸收池建立不同浓度的标准气体同测量的电压信号比值对应关系的气体浓度数据库。
进一步的，所述伪布尔随机编码信号的频率为100MHz，幅值为0-1V。
进一步的，所述步骤S2中当所述发射检测端发射出射光时，所述信号发送端产生触发信号，所述数据处理端接收到触发信号后对伪布尔随机编码信号进行存储。
在第二方面的一些实现方式中，所述自相关运算公式为：
k＝2*N-1，
其中，N为码元个数，ai为发射码元序列，a'i+k为接收码元序列，k为码元位置，yk为自相关码元序列。
进一步的，所述双谐波比值H(f)的计算公式为：
其中，S为数据处理端接收的电信号，Y1为两倍正弦波信号频率的标准正弦，Y2为两倍正弦波信号频率的标准余弦；Y3为单倍正弦波信号频率的标准正弦，Y4为单倍正弦波信号频率的标准余弦；2f为二次谐波信号，1f为一次谐波信号。
有益效果在于：
(1)本发明系统采用伪布尔随机编码技术用于调制激光器，采用FPGA逻辑器件实现高速信号源的产生，通过光学信号自相关方式实现伪布尔激光测距，相比于相位测距，相位测距适合半导体激光器，其满足测量距离的激光器能力一般较小，而适合伪布尔随机编码的激光器不仅适合半导体激光器也适用于大能量光参量振荡器，其采用的激光器能量较大，产生的测量距离更远；同时，相位测距多采用不同频率尺度的正弦信号实现测量，而本发明产生信号的方式相比较于正弦信号更容易，频率更高，测量精度会更高。
(2)本发明采用单波长电流正弦调制方式，省略了锯齿波调制的复杂性，简化了激光气体光谱测量的原理和结构；
(3)本发明系统通过将伪布尔测距方法和波长调制相结合，能够同时实现对气体浓度的检测以及距离的探测。
附图说明
图1为一种伪布尔随机编码的气体遥测分析报警系统的结构示意图；
图2为一种伪布尔随机编码的气体遥测分析报警方法的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。
实施例
如图1所示，本申请首先提供了一种伪布尔随机编码的气体遥测分析报警系统，包括信号发生端、发射检测端、光信号接收端、数据处理端和触发报警器，其中，信号发生端包括信号发生器、乘法器和电压电流转换模块，能够根据待测气体的气体吸收峰，产生伪布尔随机编码信号和正弦波信号，并将伪布尔随机编码信号与正弦波信号相乘得到具有M编码序列的调制电压信号，将调制电压信号转换成驱动电流作用于发射检测端；所述信号发生器具有两路信号发生通道，用于产生伪布尔随机编码信号和正弦波信号，其输出端与乘法器连接，所述乘法器用于将生成的伪随机编码序列信号与正弦波信号相乘，产生调制电压信号，所述电压电流转换模块将调制电压信号转换成驱动电流；
发射检测端包括DFB半导体激光器和光纤准直器，能够接收信号发生端的驱动电流产生覆盖气体吸收峰的出射光；所述DFB半导体激光器输出端与光纤准直器输入端连接，所述DFB半导体激光器用于加载驱动电流产生激光，所述光纤准直器能够调节入射激光光束变为准直出射光束，并扩展准直光束的直径，降低光束发散角；
光信号接收端包括光学接收透镜、光电探测器和信号解调器，能够接收含有待测气体吸收信息的反射光，并将光信号转换为电信号；所述光学接收透镜其输出端与光电探测器连接，所述光学接收透镜用于接收环境中经物体或目标气体反射回来的激光，所述光电探测器与光学接收透镜之间设置有滤光片，用于吸收除调制波长以外的任意波长，保证光电探测器检测光信号的准确度，防止出现检测误差，所述光电探测器用于采集反射光信号并进行光电转换，其输出端与信号解调器输入端连接，能够将转换后的电信号传输到信号解调器中，所述信号解调器能够对信号进行解调，产生具有M编码序列的电信号以及具有气体吸收信息的电信号；
数据处理端，采集所述光信号接收端转换的电信号，同所述信号发生端产生的伪布尔随机编码信号进行自相关运算确定测量距离；对采集到的所述光信号接收端转换的电信号进行双谐波比值计算得到电压信号比值，确定气体浓度；当气体浓度大于设定浓度报警阈值时，发送报警信号至触发报警器；
触发报警器，用于接收报警信号触发声光报警。
作为具体的实施方式，信号发生器包括现场可编程门阵列(FieldProgrammableGate Array，简称FPGA)与正弦信号发生器，采用FPGA逻辑器件生成伪布尔随机编码序列速度更快，适合处理M编码序列函数。
此外，为实现对待测气体进行遥测分析，参见图2所示，该系统还包括一种伪布尔随机编码的气体遥测分析报警方法，所述方法具体步骤为：
S1、基于待测气体的气体吸收峰，产生调制激光器波长的驱动电流；
S11、所述信号发生端分别产生伪布尔随机编码信号和正弦波信号，并将伪布尔随机编码信号与正弦波信号相乘产生具有M编码序列的调制电压信号；
通过查询高分辨率分子透射吸收数据库(high-resolutiontransmissionmolecular absorption database，简称HITRAN)中的待测气体的吸收谱线图，选取待测气体吸收强度高的单吸收峰作为参考点，确定DFB半导体激光器的调制波长。
以甲烷气体的近红外吸收谱线图为例，所述DFB半导体激光器选用1651nm波长对CH4气体进行检测，通过信号发生器产生两路信号，分别为频率为100MHz，幅值为0-1V的伪布尔随机编码信号和频率10KHz，幅度0.2mV的正弦波信号，两路信号经乘法器相乘后产生具有M编码序列的调制电压信号。
S12、将调制电压信号转换成驱动电流作用于所述发射检测端；
所述调制电压信号经电压电流转换模块转换成驱动电流，驱动电流通过连接DFB半导体激光器的驱动引脚，实现激光器出射光的波长调制。
S2、所述发射检测端加载驱动电流产生带有M编码序列的出射光，对待测气体进行检测；
发射检测端中DFB半导体激光器经驱动电流驱动发射带有M编码序列的出射光，并通过光纤准直器调节入射激光光束变为准直出射光束，对待测气体进行测量。
S3、所述光信号接收端采集气体反射的反射光，并将反射光进行光电转换，将光信号转换成具有M编码序列的电信号；
所述光学接收透镜能够接收待测气体反射回来的激光光束，并将发射光汇聚至单模光纤中，单模光纤中的光信号经光电探测器检测采集后，进行光电转换，并将转换后的电信号传输至信号解调器中，所述信号解调器能够对信号进行解调，产生具有M编码序列的电信号以及具有气体吸收信息的电信号。
S4、信号处理；
S41、所述数据处理端根据接收到电信号，同所述信号发生端产生的伪布尔随机编码信号进行自相关运算；
当所述发射检测端发射出射光时，信号发生端FPGA逻辑器件内部会产生触发信号，并传输给数据处理端，所述数据处理端在接收到触发信号后，会采集信号发生端产生的具有一定周期时间的M编码序列(码元宽度乘以码元个数)，从而对伪布尔随机编码信号进行存储；
数据处理端在接收到带有气体吸收信息的电信号时，调用存储的M编码序列进行线性移位计算，获得自相关运算，其具体公式如下：
k＝2*N-1，
其中，N为码元个数，ai为发射码元序列，a'i+k为接收码元序列，k为码元位置，yk为自相关码元序列。
S42、根据自相关运算结果搜索M编码序列中最大值对应的码元位置，通过所述码元位置确定测量距离；
通过对自相关码元序列yk进行傅里叶公式变换，根据yk的傅里叶变化，搜索M编码序列中最大值对应的码元位置k，根据距离计算公式：
其中，l为测量距离，d为码元宽度，C为光速。
S43、根据获取接收的电信号进行双谐波比值计算得到电压信号比值，确定待测气体浓度；
根据数据处理端接收的电信号，并获取DFB半导体激光器两倍正弦波信号频率与单倍正弦波信号频率的标准正弦和标准余弦，进行双谐波比值H(f)计算，其计算公式如下：
其中，S为光电探测器的采集信号，Y1为两倍正弦波信号频率的标准正弦，Y2为两倍正弦波信号频率的标准余弦；Y3为单倍正弦波信号频率的标准正弦，Y4为单倍正弦波信号频率的标准余弦；2f为二次谐波信号，1f为一次谐波信号。
作为具体的实施方式，本申请前期使用标准气体吸收池对CH4气体进行检测，通过将不同浓度的CH4气体测量的电压信号比值进行汇总，建立不同浓度的标准气体同电压幅值对应关系的数据库。
将采集到的实际待测气体的光信号进行处理，通过双谐波比值得到电压幅值信息，根据实际测量的电压信号比值同数据库进行数据比对，反推出待测气体的实际浓度值。
S5、所述数据处理端设定有浓度报警阈值，若待测气体浓度大于等于浓度报警阈值，所述数据处理端产生报警信号，发生至所述触发报警器进行报警。
Claims (10)
1.一种伪布尔随机编码的气体遥测分析报警系统，其特征在于，包括：
信号发生端：根据待测气体的气体吸收峰，产生伪布尔随机编码信号和正弦波信号，并将伪布尔随机编码信号与正弦波信号相乘得到具有M编码序列的调制电压信号；将调制电压信号转换成驱动电流作用于发射检测端；
发射检测端：用于产生覆盖气体吸收峰的出射光；
光信号接收端：用于接收含有待测气体吸收信息的反射光，并将光信号转换为电信号；
数据处理端：采集所述光信号接收端转换的电信号，同所述信号发生端产生的伪布尔随机编码信号进行自相关运算确定测量距离；对采集到的所述光信号接收端转换的电信号进行双谐波比值计算得到电压信号比值，确定气体浓度；当气体浓度大于设定浓度报警阈值时，发送报警信号至触发报警器；
触发报警器：用于接收报警信号后触发声光报警。
2.根据权利要求1所述的一种伪布尔随机编码的气体遥测分析报警系统，其特征在于，所述光信号接收端由光学接收透镜、光电探测器和信号解调器依次连接组成。
3.根据权利要求1所述的一种伪布尔随机编码的气体遥测分析报警系统，其特征在于，所述信号发生端包括信号发生器、乘法器和电压电流转换模块，所述信号发生器与乘法器连接，所述电压电流转换模块输入端与乘法器输出端电连接。
4.根据权利要求3所述的一种伪布尔随机编码的气体遥测分析报警系统，其特征在于，所述信号发生器包括现场可编程门阵列与正弦信号发生器。
5.一种伪布尔随机编码的气体遥测分析报警方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、基于待测气体的气体吸收峰，产生调制激光器波长的驱动电流；
S11、信号发生端分别产生伪布尔随机编码信号和正弦波信号，并将伪布尔随机编码信号与正弦波信号相乘产生具有M编码序列的调制电压信号；
S12、将调制电压信号转换成驱动电流作用于发射检测端；
S2、发射检测端加载驱动电流产生带有M编码序列的出射光，对待测气体进行检测；
S3、光信号接收端采集气体反射的反射光，并将反射光进行光电转换，将光信号转换成具有M编码序列的电信号；
S4、信号处理；
S41、数据处理端根据接收到的电信号，同信号发生端产生的伪布尔随机编码信号进行自相关运算；
S42、根据自相关运算结果搜索M编码序列中最大值对应的码元位置，通过所述码元位置确定测量距离；
S43、根据获取接收的电信号进行双谐波比值H(f)计算得到电压信号比值，确定待测气体浓度；
S5、数据处理端设定有浓度报警阈值，若待测气体浓度大于等于浓度报警阈值，所述数据处理端产生报警信号，发送至触发报警器进行报警。
6.根据权利要求5所述的一种伪布尔随机编码的气体遥测分析报警方法，其特征在于，所述步骤S43还包括使用气体吸收池建立不同浓度的标准气体同测量的电压信号比值对应关系的气体浓度数据库。
7.根据权利要求5所述的一种伪布尔随机编码的气体遥测分析报警方法，其特征在于，所述伪布尔随机编码信号的频率为100MHz，幅值为0-1V。
8.根据权利要求5所述的一种伪布尔随机编码的气体遥测分析报警方法，其特征在于，所述步骤S2中当所述发射检测端发射出射光时，所述信号发生端产生触发信号，所述数据处理端接收到触发信号后对伪布尔随机编码信号进行存储。
9.根据权利要求5所述的一种伪布尔随机编码的气体遥测分析报警方法，其特征在于，所述自相关运算公式为：
k＝2*N-1，
其中，N为码元个数，ai为发射码元序列，a'i+k为接收码元序列，k为码元位置，yk为自相关码元序列。
10.根据权利要求5所述的一种伪布尔随机编码的气体遥测分析报警方法，其特征在于，所述双谐波比值H(f)的计算公式为：
其中，S为数据处理端接收的电信号，Y1为两倍正弦波信号频率的标准正弦，Y2为两倍正弦波信号频率的标准余弦；Y3为单倍正弦波信号频率的标准正弦，Y4为单倍正弦波信号频率的标准余弦；2f为二次谐波信号，1f为一次谐波信号。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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