本申请提供了一种主动式多组分气体成像装置，包括：电源驱动单元和发射接收单元；所述电源驱动单元和所述发射接收单元通过电缆连接；所述电源驱动单元包括电池、总控制器、激光器阵列电源、探测器电源、图像记录分析单元和显示器；所述发射接收单元包括波长可调制激光器阵列、光纤、面阵探测器信号采集电路、面阵探测器、发射器阵列和可滤波镜头；所述面阵探测器与所述面阵探测器信号采集电路电连接；所述可滤波镜头设置于远离所述发射接收单元后部的一侧；所述光纤连接所述波长可调制激光器阵列与所述发射器阵列。本申请提供的主动式多组分气体成像装置可以有效分辨低浓度多组分气体。体。体。
【技术实现步骤摘要】
一种主动式多组分气体成像装置
[0001]本申请涉及安全气体监测
，尤其涉及一种主动式多组分气体成像装置。
技术介绍
[0002]化工厂常见的有毒有害气体按其毒害性质不同，可分为：(1)刺激性气体。刺激性气体是指对眼和呼吸道粘膜有刺激作用的气体，它是化学工业常遇到的有毒气体。刺激性气体的种类甚多，常见的有氯、氨、氮氧化物、铬酸雾、光气、氟化氢、二氧化硫、三氧化硫和硫酸二甲酯等。(2)窒息性气体。窒息性气体是指能造成机体缺氧的有毒气体，它可分为单纯窒息性气体、血液窒息性气体和细胞窒息性气体，常见的有氮气、甲烷、乙烷、乙烯、一氧化碳、硝基苯蒸气、氰化氢、硫化氢等。
[0003]这些有害气体中的一种或几种在厂区中的泄露有可能引发燃爆、中毒等事故，会极大的危害人身安全。在对这些气体的有可能的泄漏点进行探测的过程中，操作者不希望近距离接触气体以避免有可能的泄漏造成的危害，同时又希望能够有效的探测到气体泄漏，这需要采用光学手段进行气体的远程探测。
[0004]目前在大气环境探测和污染气体传感中最常用的光学技术是紫外/可见波段的差分光学吸收光谱(DOAS)、差分吸收激光雷达(DIAL)，红外波段的傅里叶变换光谱(FTIR)、可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)和采用中波红外面阵传感器的气体成像技术。
[0005]差分吸收光谱技术(DOAS：Differential Optical Absorption Spectroscopy)是一种光谱监测技术，其基本原理就是利用空气中的气体分子的窄带吸收特性来鉴别气体成分，并根据窄带吸收强度来推演出微量气体的浓度。其分类可根据有无光源分为主动DOAS和被动 DOAS，根据光程长短分为长光程DOAS和短光程DOAS。
[0006]可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)，是利用半导体激光器波长调谐特性，通过电流控制波长扫描获得被测气体特征吸收光谱，从而对痕量气体进行测量的一种技术。这种技术具有高分辨率、高灵敏度和快速测量等特点，已经广泛应用于工业过程监测控制、痕量气体检测、分子光谱研究等领域。TDLAS可以分为直接吸收光谱技术和调制吸收光谱技术。在波长调制光谱(WMS)技术中，激光器的注入电流受到慢变的扫描锯齿信号和快变的高频正弦信号共同作用，使激光器的输出波长在气体的吸收峰附近调谐。光束通过气体吸收池后产生吸收信号，该信号可以利用锁相放大器进行谐波检测，解调出二次谐波信号，获得气体吸收的信息。与直接吸收光谱技术相比，波长调制光谱技术提高了检测精度和灵敏度，减少了系统的不稳定性。利用数字锁相进行二次谐波解调，数字锁相灵活应用各种数字信号处理技术，与模拟锁相相比，可以避免模拟锁相存在的温度漂移、相位漂移等缺点，减少信号质量的损失。
[0007]直接扫描吸收测量技术中包含初始光强、环境因素、合作目标等噪声的干扰。气体吸收信号相比于上述干扰噪声，往往非常微弱，在某些情况下甚至还不到噪声信号的百分之一。在这种情况下，需要用一种类似锁相放大(Lock in)的方案来对待测信号进行放大提取，该方案在气体检测中一般称为谐波检测技术。该技术通过固定的调制信号对初始激光
进行调制，经过气体吸收后，再对调制信号进行解调从而获得气体吸收信息。这种方法的最大优点是利用噪声没有规律而信号具有规律的优点，通过滤波方式将噪声滤除而获得非常微弱的有用信号。
[0008]激光调制方法包括波长调制光谱(WMS)和频率调制光谱(FMS)，其调制机理本质上是相同的都是通过对激光器的电流的调制实现。其主要区别在于调制频率的不同。 WMS的调制频率一般为几kHz到几十kHz，调制频率远小于吸收谱线的线宽；FMS的调制频率一般为MHz或者GHz量级，大于或者等于吸收谱线线宽。由于FMS的高频特性，机械、温度等噪声可忽略不计，故理论上FMS探测灵敏度要比WMS要高。
[0009]采用中波红外面阵传感器的气体成像技术是最近正在普及的一项气体传感技术，由于其探测的信号是物体通过热辐射发射出来的，同时也能够采集温度信息，因此通常也被称为气体红外热像仪。光学气体红外热像仪可视作是红外热像仪的高度专业化版本。热像仪由一个镜头、一个探测器、一些用以处理来自探测器的信号的电子器件和一个供用户查看热像仪生成的图像的取景器或屏幕组成。光学气体红外热像仪使用的探测器是需要冷却到超低温(大约70K或-203℃)的量子探测器。用于检测甲烷等气体的中波红外热像仪通常使用在3-5μm波长范围内运行的锑化铟(InSb)红外探测器。用于检测六氟化硫等气体的长波红外热像仪使用通常在8-12μm波长范围内运行的量子阱红外探测器(QWIP)。光学气体红外热像仪采用一种独特的光谱滤波方法，使其能够检测到一种气体化合物。该滤波片固定在探测器前方，并且随探测器一起冷却以防止滤波片与探测器之间发生任何辐射交换。滤波片将允许通过其到达探测器的辐射的波长限制至极窄波段，称作带通。该技术称作光谱自适应。对于大多数气体化合物，红外吸收特性取决于波长。
[0010]综合分析，以上几种气体传感技术具有以下特点：DOSA和TDLAS技术由于采用灵敏度较高的单点式探测器，其气体传感灵敏度较高；由于采用单点探测器，对于一整面的成像需要进行扫描，精度差，速度慢。面阵成像的气体传感技术能够对气体进行成像，速度快、分辨率高，由于气体可视化效果非常明显，受到用户的欢迎；但是，由于采用的是中红外波段面阵探测器，即使在低温制冷的情况下，灵敏度也远远低于近红外单点式探测器，因此探测灵敏度极差，约为数万至数十万量级，一般只用来作为定性检测，分辨高浓度气体的有无情况，而无法有效分辨低浓度气体的有无情况。
技术实现思路
[0011]本申请提供了一种主动式多组分气体成像装置，以解决现有气体成像装置无法有效分辨低浓度气体的问题。
[0012]本申请提供了一种主动式多组分气体成像装置，所述装置包括：
[0013]电源驱动单元和发射接收单元；
[0014]所述电源驱动单元和所述发射接收单元通过电缆连接；
[0015]所述电源驱动单元包括电池、总控制器、波长可调制激光器阵列电源、探测器电源、图像记录分析单元和显示器；
[0016]所述发射接收单元包括波长可调制激光器阵列、光纤、面阵探测器信号采集电路、面阵探测器、发射器阵列和可滤波镜头；
[0017]其中，所述波长可调制激光器阵列靠近所述电源驱动单元，且与所述面阵探测器
信号采集电路位于发射接收单元后部，所述波长可调制激光器阵列的发射评率与所述面阵探测器信号采集电路的采集帧频相一致；
[0018]所述面阵探测器靠近所述发射接收单元后部，与所述面阵探测器信号采集电路电连接，且与所述发射器阵列和所述可滤波镜头位于发射接收单元头部；
[0019]所述可滤波镜头设置于远离所述发射接收单元后部的一侧；
[0020]所述光纤连接所述波长可调制激光器阵列与所述发射器阵列。
[0021]可选地，所述波长可调制激光器阵列中的每个激光器发射两个波长的激光本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种主动式多组分气体成像装置，其特征在于，所述装置包括：电源驱动单元(1)和发射接收单元(2)；所述电源驱动单元(1)和所述发射接收单元(2)通过电缆连接；所述电源驱动单元(1)包括电池(11)、总控制器(12)、激光器阵列电源(13)、探测器电源(14)、图像记录分析单元(15)和显示器(16)；所述发射接收单元(2)包括波长可调制激光器阵列(21)、光纤(22)、面阵探测器信号采集电路(23)、面阵探测器(24)、发射器阵列(25)和可滤波镜头(26)；其中，所述波长可调制激光器阵列(21)靠近所述电源驱动单元(1)，且与所述面阵探测器信号采集电路(23)位于发射接收单元后部(27)，所述波长可调制激光器阵列(21)的发射频率与所述面阵探测器信号采集电路(23)的采集帧频相一致；所述面阵探测器(24)靠近所述发射接收单元后部(27)，与所述面阵探测器信号采集电路(23)电连接，且与所述发射器阵列(25)和所述可滤波镜头(26)位于发射接收单元头部(28)；所述可滤波镜头(26)设置于远离所述发射接收单元后部(27)的一侧；所述光纤(22)连接所述激光器阵列(21)与所述发射器阵列(25)。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述波长可调制激光器阵列(21)中的每个激光器发射两个波长的激光，所述两个波长分别为对准气体吸收谱线的中心波长与偏离气体吸收谱线的中心波长；依次令所述波长可调制激光器阵列(21)中的激光器发射激光，其中，每个激光器发射所述两个波长的激光。3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述波长可调制激光器阵列(21)中的每个激光器发射两个波长的激光，所述两个波长分别为对准气体吸收谱线的中心波长与偏离气体吸收谱线的中心波长；令所述波...
【专利技术属性】
技术研发人员：宁建，于淑慧，
申请(专利权)人：南京南智芯光科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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