一种开放空间大气中有害气体浓度的激光检测系统及其方法技术方案

本发明专利技术公开了一种开放空间大气中有害气体浓度的激光检测系统及其方法，包括同频双波激光信号发生单元、信号采集处理单元、显示单元、探测光路和参考光路，并通过分布反馈式半导体激光器的中心波长移动的修正、闪烁噪声的修正、完整的非吸收谱信号的拟合、归一化处理、Voigt线型拟合、浓度计算和反演等步骤，从而能够抑制大气消光，激光闪烁，波长漂移等问题，从而实现气体浓度的实时精确检测。

A laser detection system and its method for the concentration of harmful gases in the atmosphere of open space

【技术实现步骤摘要】
一种开放空间大气中有害气体浓度的激光检测系统及其方法
本专利技术涉及环境光学领域，具体的说是一种借助于多波长时域相关技术来抑制大气湍流噪声，并利用激光光谱检测气体浓度的系统和方法。
技术介绍
在进行开放空间大气监测过程中，探测气体的浓度比较低，却又受到环境的不可控影响如大气湍流、温度等，造成有用信号与噪声难以提取的问题。大气湍流主要通过大气分子团折射率变化引起激光的闪烁效应使光束发生强度起伏、相位起伏、光束扩展、光束漂移和像点抖动等现象，造成气体吸收光谱线型变型。现有的减少大气湍流的影响主要是通过提高扫描频率、增大接收孔径来实现。但针对仪器系统的开发实际运用中，大气湍流的影响比较复杂，容易造成检测误差。通过高的扫描频率来降低大气湍流的影响，在激光器控制模块带宽受限，所以高频扫描方法在仪器系统的开发中受限；增大接收孔径在一定意义上减少了光强的损失，但它的并没有从根本上解决大气湍流对光谱信号的影响。
技术实现思路
鉴于现有技术存在的不足，本专利技术提供一种开放空间大气中有害气体浓度的激光检测系统及其方法，以期能够抑制大气消光，激光闪烁，波长漂移等问题，从而实现气体浓度的实时精确检测。本专利技术解决上述问题的技术方案如下：本专利技术一种开放空间大气中有害气体浓度的激光检测系统的特点包括：同频双波激光信号发生单元、信号采集处理单元、显示单元、探测光路和参考光路；所述同频双波激光信号发生单元所产生的激光分成两路激光，一路激光经所述探测光路变换成电信号并传输至所述信号采集处理单元，另一路激光经所述参考光路变换成另一种电信号传输至所述信号采集处理单元，两种电信号都经过所述信号采集处理单元处理，得到气体浓度C并送至显示单元进行显示。本专利技术所述的激光检测系统的特点也在于，所述同频双波激光信号发生单元由信号发生器、激光器控制模块、分布反馈式半导体激光器和激光分束器依次连接组成；所述信号发生器在一个扫描周期内产生由锯齿波和三角波组成的同频双波扫描信号，所述锯齿波根据待测气体的吸收特性，使最大吸收位置位于锯齿波的3/4处并记作P波，所述三角波避开待测气体的吸收线且为P波的1/2，并记作Q波；所述同频双波扫描信号叠加至所述激光器控制模块，使得所述分布反馈式半导体激光器交替工作在P波和Q波的两种扫描状态；所述分布反馈式半导体激光器输出的激光经过所述激光分束器分成两路激光；所述探测光路由准直透镜、菲涅耳透镜、窗片、角反射镜和第一光电探测器组成；所述一路激光经所述准直透镜并由中心开孔的菲涅耳透镜射出，然后穿越所述窗片并经过一段开放的大气到达所述角反射镜后，再按原方向返回并穿越所述窗片，最终经所述菲涅耳透镜聚焦至所述第一光电探测器并输出电信号；所述参考光路由标准气体样品池和第二光电探测器组成；所述另一路激光经所述标准气体样品池后被所述第二光电探测器接收，并输出另一种电信号；所述信号采集处理单元由低通滤波放大器、数据采集模块、数据处理模块依次连接组成；所述两种电信号经过所述低通滤波放大器进行预处理，得到平衡调整后的两种放大电信号；所述数据采集模块分别记录所述两种放大电信号，得到在P波扫描状态下的吸收谱电信号DP(n)和RP(n)，以及在Q波扫描状态下的非吸收谱电信号DQ(m)和RQ(m)，其中m，n为电信号对应序列位置；所述数据处理模块对所述吸收谱电信号DP(n)和RP(n)以及非吸收谱电信号DQ(m)和RQ(m)进行中心波长修正，得到补偿后的吸收谱电信号D′P(n)和R′P(n)以及补偿后的非吸收谱电信号D′Q(m)和R′Q(m)；再对所述补偿后的吸收谱电信号D′P(n)以及补偿后的非吸收谱电信号D′Q(m)进行闪烁噪声修正，得到修正后的吸收谱电信号D″P(n)以及非吸收谱电信号D″Q(m)；接着，对所述修正后的非吸收谱电信号D″Q(m)进行多项式拟合，得到完整的非吸收谱信号DQ(n)；然后，对所述N个周期的吸收谱电信号DP(n)以及完整的非吸收谱信号DQ(n)分别取平均值和后，利用平均值对平均值进行归一化处理，得到归一化后的光谱信号x(n)；最后，对所述光谱信号x(n)行Voigt线型拟合，得到积分吸光度A，从而得到反演后的气体浓度C。本专利技术一种开放空间大气中有害气体浓度的激光检测方法的特点是按如下步骤进行：步骤1、利用信号发生器在一个扫描周期内产生由锯齿波和三角波组成的同频双波扫描信号，所述锯齿波根据待测气体的吸收特性，使最大吸收位置位于锯齿波的3/4处并记作P波，所述三角波避开待测气体的吸收线且为P波的1/2，并记作Q波；步骤2、对所述同频双波扫描信号进行叠加，使得分布反馈式半导体激光器交替工作在P波和Q波的两种扫描状态下；所述分布反馈式半导体激光器输出的激光经过所述激光分束器分成两路激光；步骤3、一路激光经探测光路变换成电信号，另一路激光经所述参考光路变换成另一种电信号，并对两种电信号进行预处理，得到平衡调整后的两种放大电信号；步骤4、对所述两种放大电信号分别进行采集，得到在P波扫描状态下的吸收谱电信号DP(n)和RP(n)，以及在Q波扫描状态下的非吸收谱电信号DQ(m)和RQ(m)，其中m，n为电信号对应序列位置；步骤5、利用式(1)对所述吸收谱电信号DP(n)和RP(n)以及非吸收谱电信号DQ(m)和RQ(m)进行中心波长修正，得到补偿后的吸收谱电信号D′P(n)和R′P(n)以及补偿后的非吸收谱电信号D′Q(m)和R′Q(m)：式(1)中，Δd表示所述分布反馈式半导体激光器的中心波长移动距离，并通过相关运算获得；步骤6、利用式(2)对所述补偿后的吸收谱电信号D′P(n)以及补偿后的非吸收谱电信号D′Q(m)进行闪烁噪声修正，得到修正后的吸收谱电信号D″P(n)以及非吸收谱电信号D″Q(m)：式(2)中，E(n)和E(m)分别为所述补偿后的吸收谱电信号D′P(n)以及补偿后的非吸收谱电信号D′Q(m)的闪烁噪声信号；步骤7、对所述修正后的非吸收谱电信号D″Q(m)进行多项式拟合，得到完整的非吸收谱信号DQ(n)；步骤8、对所述N个周期的吸收谱电信号DP(n)以及完整的非吸收谱信号DQ(n)分别取平均值和后，利用式(3)进行归一化处理，得到归一化后的光谱信号x(n)：步骤9、利用式(4)对所述光谱信号x(n)进行Voigt线型拟合，得到吸光度A(n)，并对所述吸光度A(n)进行积分，得到归一化后的光谱信号x(n)的积分吸光度A，从而利用式(5)得到反演后的气体浓度C：式(4)中，n0为电信号序列中心位置；y0为电信号直流分量；ΔvC为洛伦兹线型谱线的半高全宽；ΔvD为高斯线型谱线的半高全宽；并采用高斯-埃尔米特积分来获得近似值，再通过迭代计算完成Voigt线型拟合，得到吸光度A(n)；式(5)中，C0为标准气体样品池的浓度值，A0为标准气体样品池的积分吸光度，L0为标准气体样品池的光路长度，L为检测系统实际光路长度。本专利技术所述的开放空间大气中有害气体浓度的激光检测方法的特点也在于，所述的闪烁噪声信号E(n)和E(m)是利用式(6)对所述补偿后的非吸收谱电信号D′Q(m)和R′Q(m)的差值D(m)拟合得到：式(6)中，b0，b1，b2为拟合系数,k为电信号对应序列位置，且max(k)＝max(n)+max(m)。与现有的技术相比较本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种开放空间大气中有害气体浓度的激光检测系统，其特征包括：同频双波激光信号发生单元、信号采集处理单元、显示单元、探测光路和参考光路；所述同频双波激光信号发生单元所产生的激光分成两路激光，一路激光经所述探测光路变换成电信号并传输至所述信号采集处理单元，另一路激光经所述参考光路变换成另一种电信号传输至所述信号采集处理单元，两种电信号都经过所述信号采集处理单元处理，得到气体浓度C并送至显示单元进行显示。

【技术特征摘要】
1.一种开放空间大气中有害气体浓度的激光检测系统，其特征包括：同频双波激光信号发生单元、信号采集处理单元、显示单元、探测光路和参考光路；所述同频双波激光信号发生单元所产生的激光分成两路激光，一路激光经所述探测光路变换成电信号并传输至所述信号采集处理单元，另一路激光经所述参考光路变换成另一种电信号传输至所述信号采集处理单元，两种电信号都经过所述信号采集处理单元处理，得到气体浓度C并送至显示单元进行显示。2.根据权利要求1所述的激光检测系统，其特征是，所述同频双波激光信号发生单元由信号发生器、激光器控制模块、分布反馈式半导体激光器和激光分束器依次连接组成；所述信号发生器在一个扫描周期内产生由锯齿波和三角波组成的同频双波扫描信号，所述锯齿波根据待测气体的吸收特性，使最大吸收位置位于锯齿波的3/4处并记作P波，所述三角波避开待测气体的吸收线且为P波的1/2，并记作Q波；所述同频双波扫描信号叠加至所述激光器控制模块，使得所述分布反馈式半导体激光器交替工作在P波和Q波的两种扫描状态；所述分布反馈式半导体激光器输出的激光经过所述激光分束器分成两路激光；所述探测光路由准直透镜、菲涅耳透镜、窗片、角反射镜和第一光电探测器组成；所述一路激光经所述准直透镜并由中心开孔的菲涅耳透镜射出，然后穿越所述窗片并经过一段开放的大气到达所述角反射镜后，再按原方向返回并穿越所述窗片，最终经所述菲涅耳透镜聚焦至所述第一光电探测器并输出电信号；所述参考光路由标准气体样品池和第二光电探测器组成；所述另一路激光经所述标准气体样品池后被所述第二光电探测器接收，并输出另一种电信号；所述信号采集处理单元由低通滤波放大器、数据采集模块、数据处理模块依次连接组成；所述两种电信号经过所述低通滤波放大器进行预处理，得到平衡调整后的两种放大电信号；所述数据采集模块分别记录所述两种放大电信号，得到在P波扫描状态下的吸收谱电信号DP(n)和RP(n)，以及在Q波扫描状态下的非吸收谱电信号DQ(m)和RQ(m)，其中m，n为电信号对应序列位置；所述数据处理模块对所述吸收谱电信号DP(n)和RP(n)以及非吸收谱电信号DQ(m)和RQ(m)进行中心波长修正，得到补偿后的吸收谱电信号D′P(n)和R′P(n)以及补偿后的非吸收谱电信号D′Q(m)和R′Q(m)；再对所述补偿后的吸收谱电信号D′P(n)以及补偿后的非吸收谱电信号D′Q(m)进行闪烁噪声修正，得到修正后的吸收谱电信号D″P(n)以及非吸收谱电信号D″Q(m)；接着，对所述修正后的非吸收谱电信号D″Q(m)进行多项式拟合，得到完整的非吸收谱信号DQ(n)；然后，对所述N个周期的吸收谱电信号DP(n)以及完整的非吸收谱信号DQ(n)分别取平均值和后，利用平均值对平均值进行归一化处理，得到归一化后的光谱信号x(n)；最后，对所述光谱信号x(n)行Voigt线型拟合，得到积分吸光度A，从而得到反演后的气体浓度C。3.一种开放空间大气中有害气体浓度的激光检测方法，其特征是按如下步骤进行：步骤1、利用信号发生器在一个扫描周期内产生由锯齿波和三角波组成的同频双波扫描信号，所述锯齿波根据待测气体的吸收特性，使最大吸收位置位于锯齿波的3/4处并记作P波，所述三角波避开待测气体的吸收线且为P波的1/2，并记作Q波；步骤2、对所述同频双波扫描信号进行叠加，使得分布反馈式半导体激光器交替工作在P波和Q波的两种扫描状态下；所述分布反馈式半导体激光器输出的激光经过所述激光分束器分成两路激光；步骤3、一路激光经探测光路变换成电信号，另一路激光经所述参考光路变...

【专利技术属性】
技术研发人员：张玉钧，唐七星，何莹，尤坤，刘国华，鲁一冰，范博强，张恺，余冬琪，李潇毅，刘建国，刘文清，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：安徽,34