用于可调谐半导体激光吸收光谱的气体浓度二维重建方法技术

本发明专利技术基于可调谐半导体激光吸收光谱技术和矩阵理论，提供了一种用于可调谐半导体激光吸收光谱技术监测空间气体浓度的二维重建方法。所述方法主要包括：被测区域离散化、二维分布重建、重建精度评估。所述方法实施步骤：根据激光吸收光路的监测数据来构建被测区域的空间坐标系；将被测区域划分成顶点、边和中心区域并离散化被测区域；通过离散化网格数目构造权值向量和气体浓度分布矩阵；利用迭代算法实现被测区域气体浓度的二维重建；建立了归一化的均方判据作为评价标准，精确评估重建二维气体浓度地图的浓度重建效果。该方法可广泛应用于空间气体分布的二维在线监测。

Two dimensional reconstruction of gas concentration for tunable semiconductor laser absorption spectroscopy

Based on tunable diode laser absorption spectroscopy and matrix theory, the invention provides a two-dimensional reconstruction method for monitoring the concentration of space gases by tunable diode laser absorption spectroscopy. The methods described mainly include the discretization of the measured area, the reconstruction of the two-dimensional distribution and the evaluation of the reconstruction accuracy. The method steps: according to the monitoring data of laser absorption optical path to construct the measured space coordinates; the measured area is divided into vertex, edge and center and discrete measured area; by discrete grid number structure weight vector and the gas concentration distribution matrix; the realization of two-dimensional reconstruction of the measured area the gas concentration by using the iterative algorithm; normalized mean square criterion is established as the evaluation standard, accurate assessment of the concentration effect of 2D reconstruction reconstruction of gas concentration map. This method can be widely used in two-dimensional on-line monitoring of spatial gas distribution.

【技术实现步骤摘要】
用于可调谐半导体激光吸收光谱的气体浓度二维重建方法
本专利技术属于激光气体测量领域，涉及半导体激光吸收光谱技术和矩阵理论，可用于空间中有毒有害气体组分浓度的二维重建监测地图。
技术介绍
可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)是利用波长调制技术和光谱分析技术，通过控制可调谐半导体二极管的驱动电流，使发射与测量气体特征吸收频率相同的激光束，根据朗伯-比尔吸收定律，当激光通过测量空间后被相应组分气体吸收，激光强度衰减量与气体浓度成正比，当激光束遇到目标物被反射回来，被光电探测器接收到并且经过进一步信号处理技术，进而反演得到测量组分气体浓度值。该技术通过多次测量在同一测量平面内不同角度的测量光路，再利用反演算法得到被测区域内的组分浓度的二维分布地图。通常被测区域被离散化为一定数目的网格，被测气体在每个网格内的气体参数如温度、组分、压强等物理量恒定，每个网格的物理信息就是待求解的未知浓度。为了实现被测区域二维分布信息的测量，采用多条投影光线沿着不同路径穿过被测区域，投影光线穿过被测区域的距离不会随着气体温度、浓度等参数的变化，只与投影光线的角度和位置有关。对不同投影光束穿过被测区域后的测量数据进行数学关系计算，利用一定的空间几何知识即可以对被测区域变量进行求解。构建气体浓度地图是根据一维(1D)投射光路参数进行2D重建的问题，其过程类似于在医学成像中使用的计算机断层扫描(CT，ComputedTomography)技术。然而，使用最广泛的CT算法，例如滤波回投射(FilteredBackProjection)需要许多投射数据以实现高的分辨率。然而在空间气体监测中上，通常仅设立非常少量的投射路径。通常仅使用3至10个投射路径。因此，提高二维重建的计算精度具有十分重要的意义。针对当前存在的气体监测空间的测量数据处理复杂的问题，建立一种数据处理效率高、二维重建速度快的气体浓度二维重建方法，以解决当前二维重建中数据处理效率低下的问题；在实际的环境气体监测中，为了满足测量场所的实时监测和弥补测量场所不能获取大量投影数据的缺陷，同时TDLAS技术是基于视线效应的测量，且测量结果只能给出光路上的平均气体参数值，不能得到空间平面的测量区域内部信息，因此根据部分测量光路数据，重建二维空间气体浓度分布地图十分必要。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种用于可调谐半导体激光吸收光谱的气体浓度二维重建方法，所述气体浓度二维重建方法步骤如下：(1)选取4个气体浓度测量点，4个所述测量点围成近似平行四边形的被测区域，由激光测量仪器对各测量点进行扫描测量，获取用于气体浓度二维重建所需的各测量点的测量数据；(2)建立三维空间坐标系，确定各所述测量点的坐标，计算相邻两测量点之间的距离；(3)将被测区域划分成测量点、测量边和中心区域，均匀离散化所述被测区域；(4)计算离散化的被测区域中每个像素点的空间坐标，并根据所述像素点的空间坐标，构造相邻两测量点之间的距离权值向量；(5)根据所述的距离权值向量和各测量点的气体浓度，计算所述测量边上各像素点的气体浓度值，从而得到边浓度矩阵；(6)根据所述的边浓度矩阵以及距离权值向量，计算得到所述被测区域的浓度矩阵，从而采用代数迭代算法实现空间气体浓度地图的二维重建；(7)建立归一化的均方判据作为二维重建方法的评价标准，精确评估重建二维气体浓度地图的浓度重建效果。进一步地，根据本专利技术所述的一种用于可调谐半导体激光吸收光谱的气体浓度二维重建方法，所述步骤(1)中，各测量点的测量数据包括各测量点与激光测量仪器之间的距离、各测量点的气体浓度以及激光测量仪器到各测量点的测量角度。进一步地，根据本专利技术所述的一种用于可调谐半导体激光吸收光谱的气体浓度二维重建方法，所述的步骤(2)中，激光测量仪器设置于测量空间平面的正前方的激光测量仪器视线范围内，以激光测量仪器为原点，建立三维空间坐标系。进一步地，根据本专利技术所述的一种用于可调谐半导体激光吸收光谱的气体浓度二维重建方法，所述步骤(1)中，由激光测量仪器对各测量点进行扫描测量的方法为：用A、B、C、D表示4个测量点，AB和CD表示垂直方向的测量边，BC和AD表示水平方向的测量边，首先，由水平方向获得测量点A的测量数据，接着通过垂直方向旋转α角度，获得测量点B的测量数据，然后水平方向旋转β角度获得测量点C的测量数据，最后在垂直方向旋转相同的α角度获得测量点D的测量数据，其中，-90°≤α≤90°，-180°≤β≤180°。进一步地，根据本专利技术所述的一种用于可调谐半导体激光吸收光谱的气体浓度二维重建方法，测量光路OA与OB之间的夹角为α，测量光路OC与OB之间的夹角为β，则测量点A的坐标(xA,yA,zA)为测量点B的坐标(xB,yB,zB)为测量点C的坐标(xC,yC,zC)为测量点D的坐标(xD,yD,zD)为根据三角形余弦公式，分别计算激光测量光路的相邻两测量点之间的距离为:LCD＝LAB，LAD＝LBC，其中，LA表示原点到A点的距离，LB表示原点到B点的距离，LC表示原点到C点的距离，LD表示原点到D点的距离。进一步地，根据本专利技术所述的一种用于可调谐半导体激光吸收光谱的气体浓度二维重建方法，所述步骤(3)中，被测区域均匀离散化的方法为：(1)将被测区域垂直方向上的两条测量边分成m个像素，且垂直方向两条测量边上的任意两个像素点之间的距离用LAB/m表示，将水平方向上的两条测量边分成n个像素，且水平方向两条测量边上的任意两个像素点之间的距离用LAD/n表示；(2)4条测量边将被测区域离散成m×n个像素，m、n分别表示离散区域垂直方向和水平方向上的像素数目，其维度为m×n；(3)用dij表示每个像素点的坐标，其中0≤i≤m，0≤j≤n，所述像素点的集合表示被测区域的气体浓度值分布情况，垂直方向两测量边的任意点浓度矩阵用MAB和MDC分别表示，水平方向上两测量边的任意点浓度矩阵用MBC和MAD分别表示,被测区域的任意点浓度用像素值矩阵M∈Mm×n表示，其中Mij表示矩阵M在第i行第j列的像素值。进一步地，根据本专利技术所述的一种用于可调谐半导体激光吸收光谱的气体浓度二维重建方法，所述步骤(4)中，所述距离权值向量LAB＝(μ1,μ2,...μm)T∈Mm×1，LBA＝(μm,μm-1,...μ1)T∈Mm×1，其中μi为i点的浓度权值，且i∈(1,2,...,m)，LBC＝(λ1,λ2,...λn)∈M1×n，LCB＝(λn,λn-1,...λ1)∈M1×n，其中λj为j点的浓度权值，且j∈(1,2,...,n)，同理LBA＝LCD，LAB＝LDC，LBC＝LAD，LCB＝LDA。进一步地，根据本专利技术所述的一种用于可调谐半导体激光吸收光谱的气体浓度二维重建方法，二维分布重建采用迭代算法，4个边浓度矩阵MAB、MBC、MAD和MDC分别为：和进一步地，根据本专利技术所述的一种用于可调谐半导体激光吸收光谱的气体浓度二维重建方法，所述步骤(6)中，被测区域浓度矩阵其中进一步地，根据本专利技术所述的一种用于可调谐半导体激光吸收光谱的气体浓度二维重建方法，所述步骤(7)中，重建精度评估引入归一化标准差判据ε和归一化平均相对误差判据σ作为评价标准，归一化标准差判据计算公式为归一化平均相对误差判据本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于可调谐半导体激光吸收光谱的气体浓度二维重建方法，其特征在于：所述气体浓度二维重建方法步骤如下：(1)选取4个气体浓度测量点，4个所述测量点围成近似平行四边形的被测区域，由激光测量仪器对各测量点进行扫描测量，获取用于气体浓度二维重建所需的各测量点的测量数据；(2)建立三维空间坐标系，确定各所述测量点的坐标，计算相邻两测量点之间的距离；(3)将被测区域划分成测量点、测量边和中心区域，均匀离散化所述被测区域；(4)计算离散化的被测区域中每个像素点的空间坐标，并根据所述像素点的空间坐标，构造相邻两测量点之间的距离权值向量；(5)根据所述的距离权值向量和各测量点的气体浓度，计算所述测量边上各像素点的气体浓度值，从而得到边浓度矩阵；(6)根据所述的边浓度矩阵以及距离权值向量，计算得到所述被测区域的浓度矩阵，从而采用代数迭代算法实现空间气体浓度地图的二维重建；(7)建立归一化的均方判据作为二维重建方法的评价标准，精确评估重建二维气体浓度地图的浓度重建效果。

【技术特征摘要】
1.一种用于可调谐半导体激光吸收光谱的气体浓度二维重建方法，其特征在于：所述气体浓度二维重建方法步骤如下：(1)选取4个气体浓度测量点，4个所述测量点围成近似平行四边形的被测区域，由激光测量仪器对各测量点进行扫描测量，获取用于气体浓度二维重建所需的各测量点的测量数据；(2)建立三维空间坐标系，确定各所述测量点的坐标，计算相邻两测量点之间的距离；(3)将被测区域划分成测量点、测量边和中心区域，均匀离散化所述被测区域；(4)计算离散化的被测区域中每个像素点的空间坐标，并根据所述像素点的空间坐标，构造相邻两测量点之间的距离权值向量；(5)根据所述的距离权值向量和各测量点的气体浓度，计算所述测量边上各像素点的气体浓度值，从而得到边浓度矩阵；(6)根据所述的边浓度矩阵以及距离权值向量，计算得到所述被测区域的浓度矩阵，从而采用代数迭代算法实现空间气体浓度地图的二维重建；(7)建立归一化的均方判据作为二维重建方法的评价标准，精确评估重建二维气体浓度地图的浓度重建效果。2.如权利要求1所述的一种用于可调谐半导体激光吸收光谱的气体浓度二维重建方法，其特征在于：所述步骤(1)中，各测量点的测量数据包括各测量点与激光测量仪器之间的距离、各测量点的气体浓度以及激光测量仪器到各测量点的测量角度。3.如权利要求2所述的一种用于可调谐半导体激光吸收光谱的气体浓度二维重建方法，其特征在于：所述的步骤(2)中，激光测量仪器设置于测量空间平面的正前方的激光测量仪器视线范围内，以激光测量仪器为原点，建立三维空间坐标系。4.如权利要求3所述的一种用于可调谐半导体激光吸收光谱的气体浓度二维重建方法，其特征在于：所述步骤(1)中，由激光测量仪器对各测量点进行扫描测量的方法为：用A、B、C、D表示4个测量点，AB和CD表示垂直方向的测量边，BC和AD表示水平方向的测量边，首先，由水平方向获得测量点A的测量数据，接着通过垂直方向旋转α角度，获得测量点B的测量数据，然后水平方向旋转β角度获得测量点C的测量数据，最后在垂直方向旋转相同的α角度获得测量点D的测量数据，其中，-90°≤α≤90°，-180°≤β≤180°。5.如权利要求4所述的一种用于可调谐半导体激光吸收光谱的气体浓度二维重建方法，其特征在于：测量光路OA与OB之间的夹角为α，测量光路OC与OB之间的夹角为β，则测量点A的坐标(xA,yA,zA)为测量点B的坐标(xB,yB,zB)为测量点C的坐标(xC,yC,zC)为测量点D的坐标(xD,yD,zD)为根据三角形余弦公式，分别计算激光测量光路的相邻两测量点之间的距离为:LCD＝LAB...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙继平，范伟强，
申请(专利权)人：中国矿业大学北京，
类型：发明
国别省市：北京,11