基于后向散射回光的自由状态气体参数远程测量方法技术

本发明专利技术提供了一种基于后向散射回光的自由状态气体参数远程测量方法，包括步骤：步骤A：向被测量气体所在空间区域发射脉冲激光；步骤B：持续测量得到非吸收特征谱线回光强度、吸收特征谱线回光强度；步骤C：获取大气环境散射回光特性的基本参数；步骤D：利用所述补偿参数对吸收特征谱线回光强度进行补偿；步骤E：根据非吸收特征谱线回光强度以及补偿后的吸收特征谱线回光强度，获得被测量气体的特性。本发明专利技术采用宽光谱激光作为光源，不需要测量环境参数，根据气体的光谱吸收特性进行气体种类和气体浓度测量，将回光的散射特性和吸收特性有机分离，测量准确，且采用离散式特征气体回光测量技术。

【技术实现步骤摘要】
基于后向散射回光的自由状态气体参数远程测量方法
本专利技术涉及气体参数测量方法，具体地，涉及基于后向散射回光的自由状态气体参数远程测量方法。
技术介绍
从检测原理分，气体浓度、种类的检测方法主要包括电阻式气敏元件测量法、超声技术测量法、气象色谱测量法、载体催化燃烧法、示踪气体浓度衰减法、光干涉测量法、光谱吸收气体测量法。1)电阻式气敏元件测量法：利用电阻式气敏元件的阻值与周围气体浓度有确定性关系的特点，通过测量气敏元件的电阻值即可获得待测气体的浓度；2)超声技术测量法：超声波在某种气体中的传播速度与当前气体温度和气体性质有一定的关系，通过测量其传输速度和气体温度就可以推算出气体浓度；3)气象色谱测量法：不同气体在通过色谱柱时期速度不同，不同浓度气体的色谱存在明显差异，利用该特点可以获得气体浓度；4)载体催化燃烧法：以催化载体型气敏元件作为浓度的传感器，当可燃气体在元件表面催化燃烧后，电阻增加，其增量与可燃气体的浓度成正比，通过测量其电阻增量即可获取可燃气体浓度；5)示踪气体浓度衰减法：向被测空间注入一定量的示踪气体，在通风后使示踪气体的浓度得到稀释，通过测量示踪气体浓度的变化，间接求出通风量；6)光干涉测量法：同一光源发出的光被分为两路光，经不同传输路径后汇集到一起，通过光干涉现象体现其光程差，由于光程差与路径上的气体成分、浓度、折射率关联，可获取气体浓度；7)光谱吸收气体测量法：光在气体中传播时，特定气体分子将对特定波长光进行吸收，通过测量激光通过气体传输后的吸收谱特性和光强，可以获取气体分子的浓度和种类。现有技术存在的弱点主要存在于：-在自由空间状态下，对难以接近区域的气体参数进行有效测量：1)、3)、4)三种方法需要将检测元件放置于气体内，对于难以接近的区域是很难实现的；2)、3)、5)、6)、7)则均需要构建发射装置、接收装置和样品空间，其样品空间通常需要对现场气体进行抽样，对于难以接近的区域实际上是难以实现的。-现有测量方法需要获取较准确的气压、温度等环境参数，但在很多情况下这些环境参数难以有效获取，导致测量误差较大；-除7)以外，其他测量方法均难以通过测量结果直接判断气体类型。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种基于后向散射回光的自由状态气体参数远程测量方法。根据本专利技术提供的一种基于后向散射回光的自由状态气体参数远程测量方法，包括如下步骤：步骤A：向被测量气体所在的被测量空间区域发射脉冲激光；步骤B：持续测量得到所述脉冲激光的后向散射回光数据，其中，所述后向散射回光数据包括：非吸收特征谱线回光强度、吸收特征谱线回光强度；步骤C：根据非吸收特征谱线中某一谱线的回光强度，获取大气环境散射回光特性的基本参数，作为吸收特征谱线回光强度由于大气散射导致的强度衰减因子的补偿参数；步骤D：利用所述补偿参数对吸收特征谱线回光强度进行补偿；步骤E：根据非吸收特征谱线回光强度以及补偿后的吸收特征谱线回光强度，获得被测量气体的如下任一种或任多种数据：-种类；-浓度；-空域扩散分布特性；-传输路径空间分布特性。优选地，脉冲激光为采用数十mJ、脉冲宽度不超过100ns、谱宽大于1μm以上的宽光谱脉冲激光。优选地，所述步骤E，包括如下步骤：根据如下公式计算得到被测量气体的散射强度系数α、被测量气体的吸收强度系数γ(λ)：I1＝I0{exp(-αL)-exp[-α(L+Δ)]}exp(-αL)式1)I2＝I0{exp[-(α+γ(λ))L]-exp[-(α+γ(λ))(L+Δ)]}exp[-(α+γ(λ))L]式2)L＝ct/2式3)其中，I1为非吸收特征谱线回光强度，I2为补偿后的吸收特征谱线回光强度，I0为脉冲激光强度，α为被测量气体的散射强度系数，L为脉冲激光的传输距离，Δ为传输路径上的采样间隔，γ(λ)为被测量气体在吸收特征谱线λ处的吸收强度系数，c为光速，t为从脉冲激光发射到回光测量的时间间隔；根据如下公式计算得到被测量气体浓度N：N＝γ(λ)/τ式4)其中，τ为单位浓度被测量气体吸收系数，N为被测量气体浓度。优选地，所述步骤E，包括如下步骤：步骤i：根据吸收特征谱线回光强度的变化特性，获取被测量气体的空域扩散分布特性。优选地，所述脉冲激光的发射源通过机动平台机动运输，且所述脉冲激光的发射方向不变；持续测量得到所述脉冲激光的后向散射回光数据，以获取对应于机动平台运输轨迹的多个后向散射回光数据；所述步骤i包括如下步骤：步骤i1：将机动平台的运输轨迹中的多个位置点与相应位置点处所获取后向散射回光数据一一对应，获得空域内气体的空域扩散分布特性。优选地，所述步骤E，包括如下步骤：步骤I：根据吸收特征谱线回光强度的时间特性，计算被测量气体在传输路径空间分布特性。优选地，所述步骤I包括如下步骤：步骤I1：以激光脉冲发射时间为时间轴原点，将测量获得的单脉冲激光的吸收特征谱线回光强度对应到时间轴上；步骤I2：在时间轴上进行吸收特征谱线回光强度抽样，获得与各抽样时间点对应的吸收特征谱线回光强度；步骤I3：根据光速和抽样时间计算获得各抽样时间点对应的脉冲激光的后向散射回光的传输距离；步骤I4：将各抽样时间点对应的吸收特征谱线回光强度与传输距离一一对应，获得被测量气体在传输路径空间分布特性。优选地，通过设置有窄带滤光片的单元探测器获取所述后向散射回光数据。优选地，所述步骤E包括如下步骤：根据吸收特征光谱中谱线的波长，确定被测量气体的种类。优选地，每次测量中，向被测量气体所在空间区域仅发射1个脉冲激光。与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：1、采用宽光谱激光作为光源，根据气体的光谱吸收特性进行气体种类和气体浓度测量；2、采用脉冲激光后向散射特性，获得测量路径上的气体浓度分布；3、在测量吸收特征谱线的对应波段激光的后向散射回光特性(含散射特性和吸收特性)的同时，测量所发射脉冲激光的宽光谱中非特征吸收谱线的对应波段激光的后向散射回光特性(无吸收，仅含散射特性)，将回光的散射特性和吸收特性有机分离，不需要测量环境参数，测量准确；4、采用离散式特征气体回光测量技术，可根据需要，调整滤光片参数，简单增加基本测量单元就可实现对多种气体参数的测量，避免直接光谱分布测量导致的测量时间过长，测量谱范围有限等问题。附图说明通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本专利技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：图1为气体浓度测量原理图；图2为本专利技术方法的原理示意图；图3为本专利技术方法的工作流程图。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本专利技术，但不以任何形式限制本专利技术。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本专利技术的保护范围。本专利技术提供的方法采用超宽谱脉冲激光，利用后向散射回光测量技术和光谱测量技术，可对自由空间气体参数进行远距离、非接触式测量，无需对测量区域气体进行取样，就可快速获取气体种类、浓度等参数。图1示出了气体浓度测量原理：1、入射光照射到气体上，将会产生后向散射回光；2、后向散射回光的强度与传输距离、气体浓度、吸收特性和散射特性有关；图1中，相对强度，是指：以发射光源强度为标准进行归本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于后向散射回光的自由状态气体参数远程测量方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤A：向被测量气体所在的被测量空间区域发射脉冲激光；步骤B：持续测量得到所述脉冲激光的后向散射回光数据，其中，所述后向散射回光数据包括：非吸收特征谱线回光强度、吸收特征谱线回光强度；步骤C：根据非吸收特征谱线中一谱线A的回光强度，获取大气环境散射回光特性的基本参数，作为吸收特征谱线回光强度由于大气散射导致的强度衰减因子的补偿参数；步骤D：利用所述补偿参数对吸收特征谱线回光强度进行补偿；步骤E：根据非吸收特征谱线回光强度以及补偿后的吸收特征谱线回光强度，获得被测量气体的如下任一种或任多种数据：‑种类；‑浓度；‑空域扩散分布特性；‑传输路径空间分布特性。

【技术特征摘要】
1.一种基于后向散射回光的自由状态气体参数远程测量方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤A：向被测量气体所在的被测量空间区域发射脉冲激光；步骤B：持续测量得到所述脉冲激光的后向散射回光数据，其中，所述后向散射回光数据包括：非吸收特征谱线回光强度、吸收特征谱线回光强度；步骤C：根据非吸收特征谱线中一谱线A的回光强度，获取大气环境散射回光特性的基本参数，作为吸收特征谱线回光强度由于大气散射导致的强度衰减因子的补偿参数；步骤D：利用所述补偿参数对吸收特征谱线回光强度进行补偿；步骤E：根据非吸收特征谱线回光强度以及补偿后的吸收特征谱线回光强度，获得被测量气体的如下任一种或任多种数据：-种类；-浓度；-空域扩散分布特性；-传输路径空间分布特性；所述步骤E，包括如下步骤：根据如下公式计算得到被测量气体的散射强度系数α、被测量气体的吸收强度系数γ(λ)：I1＝I0{exp(-αL)-exp[-α(L+Δ)]}exp(-αL)式1)I2＝I0{exp[-(α+γ(λ))L]-exp[-(α+γ(λ))(L+Δ)]}exp[-(α+γ(λ))L]式2)L＝ct/2式3)其中，I1为非吸收特征谱线回光强度，I2为补偿后的吸收特征谱线回光强度，I0为脉冲激光强度，α为被测量气体的散射强度系数，L为脉冲激光的传输距离，Δ为传输路径上的采样间隔，γ(λ)为被测量气体在吸收特征谱线λ处的吸收强度系数，c为光速，t为从脉冲激光发射到回光测量的时间间隔；根据如下公式计算得到被测量气体浓度N：N＝γ(λ)/τ式4)其中，τ为单位浓度被测量气体吸收系数，N为被测量气体浓度。2.根据权利要求1所述的基于后向散射回光的自由状态气体参数远程测量方法，其特征在于，脉冲激光为采用数十mJ、脉冲宽度不超过100ns、谱宽大于1μm以上的宽光谱脉冲激光。3.根据权利要求1所述的基于后向散射回光的自由状态气体参数远程测量方法，其特征在于，所述步骤E，包...

【专利技术属性】
技术研发人员：王言，
申请(专利权)人：上海安允科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31