一种基于制造技术

本发明专利技术提供了一种基于

【技术实现步骤摘要】
一种基于TDLAS的具有测距功能的甲烷检测方法


[0001]本申请涉及到气体检测领域，具体涉及一种基于
TDLAS
的具有测距功能的甲烷检测方法
。

技术介绍

[0002]二十世纪以来，在科技的不断推动下，使得人们生活水平进入了一个新的时代，社会活动涉及到了各个领域
。
但伴随而来的环境保护和工业安全生产，已经成为世界各国所面临的问题
。
在人类活动和工业生产中产生某些气体排放于空气中，经长期的积累，就可能改变大气的组分，产生的温室效应
。
然而甲烷
CH4作为继二氧化碳之后对温室效应影响第二重要的气体，虽然在大气中
CH4的含量一般远低于
CO2含量，但是
CH4的温室效应作用是
CO2的
22
倍，其成为导致全球变温的温室气体总量的五分之一，且
CO2浓度以每年1％的速度增长
[1
‑
2]。
此外，
CH4是天然气
、
沼气和油田气等的主要成分，在工业生产中作为一种非常重要的燃料
。CH4主要来源有：有机废物的分解
、
化石燃料的提取
、
物质燃烧
、
微生物分解过程等
。
作为一种无色
、
无味的气体，在标准大气压室温环境中，
CH4含量只要在5％～
15
％范围内就十分易燃从而引起爆炸，特别是在煤矿的开采中，给矿山的安全生产带来严重的威胁
。CH4在自然界中分布较广，与人们的生活生产有着密切的联系
。
在很多行业中，比如煤矿开采
、
天然气开采运输
、
农业生产等，这些地方都需要对不同浓度
CH4进行监测
。
[0003]因此，对于
CH4浓度的快速检测一直成为人们关注的焦点
。
不但需要监测大气中
CH4气体的浓度来确定节能减排的指标，还需要监测工业生产中
CH4浓度以确保工人生命财产的安全
。
相比传统气体检测技术，近年发展起来的气体分子吸收光谱技术成为气体种类识别和浓度测定的有效手段之一，可以获得很好的气体选择性和很高的检测灵敏度
。
[0004]可调谐半导体激光吸收光谱
Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy
，简称
TDLAS
，是一种利用经过调谐的激光通过吸收气体，根据气体的吸收光谱推算气体性质的技术
。
具体来说，是通过控制激光二极管的工作温度和注入电流，改变激光波长，并扫描气体吸收谱线，提取和待测气体浓度相关的谱线信息，实现对待测气体的准确检测
。
[0005]激光甲烷遥测仪进行甲烷探测时会受到大气中甲烷背景气体浓度的干扰，目标距离越远，大气中甲烷背景气体浓度的干扰越强，这就需要实时的距离测量来消除这种干扰
。
现有技术中，激光甲烷遥测仪的激光收发系统包含两束激光，一束为甲烷气体检测用红外激光，另一束为可见红
/
绿激光用于指示方向及测量距离，并消除大气中甲烷背景气体浓度的干扰，这就需要额外的激光器，光路结构和光电探测器，增加了甲烷遥测仪的成本，结构也更加复杂
。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种基于
TDLAS
的具有测距功能的甲烷检测方法，在不安装额外的激光器，光路结构和光电探测器的情况下，实现测距并消除大气中甲烷背景气体浓度的干扰，安装便宜的激光指示器实现目标指示作用，使甲烷检测和距离测量共用红外
激光器，光路结构和光电探测器，以减少甲烷遥测仪的成本，降低结构的复杂度
。
[0007]为此，本专利技术的上述目的通过以下技术方案实现：
[0008]S1、
改变激光器工作电流，向目标发射低频的锯齿波和高频的正弦波叠加的激光信号，经甲烷气体吸收后到达目标，接收目标反射的回波信号；
[0009]S2、
光电探测器检测
S1
所述回波信号，经锁相放大器选择性提取出二次谐波幅度，计算出初步的甲烷气体的路径积分浓度；
[0010]S3、
改变激光器工作电流，向目标发射线性调频连续信号，接收目标反射信号，对所述目标反射信号与发射的线性调频连续信号混频后的差频信号进行采样，得到离散差频信号，对所述离散差频信号进行傅里叶变换，得到离散差频信号的傅里叶变换频谱，基于所述傅里叶变换频谱的峰值频率计算目标的距离，根据所述目标的距离与大气中甲烷背景气体浓度的乘积得到大气中甲烷背景气体浓度干扰值
。
[0011]S4、
由
S2
中初步的甲烷气体路径积分浓度减去
S3
中大气中甲烷背景气体浓度干扰值，得到最终的甲烷气体路径积分浓度
。
[0012]进一步地，所述距离测量和甲烷气体浓度测量共用激光器，光路结构和光电探测器
。
[0013]进一步地，对所述离散差频信号中受甲烷气体吸收影响的部分去除，对剩下的离散差频信号进行傅里叶变换，得到所述离散差拍信号的傅里叶变换频谱，基于所述傅里叶变换频谱的峰值频率计算目标的距离
。
[0014]进一步地，所述目标的距离为：
[0015][0016]其中，
R
为目标的距离，
c
为光速，
T
为发射信号的扫频重复周期，
f
为离散差频信号的频率，
B
为发射信号的调制带宽
。
[0017]进一步地，所述发射激光信号通过改变激光器工作电流实现
。
[0018]进一步地，所述离散差频信号是发射的线性调频连续信号和目标反射信号经过混频器混频后得到的
。
[0019]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：本专利技术的一种基于
TDLAS
的具有测距功能的甲烷检测方法，改变激光器工作电流，向目标发射低频的锯齿波和高频的正弦波叠加的激光信号，经甲烷气体吸收后到达目标，接收目标反射的回波信号；光电探测器检测所述回波信号，经锁相放大器选择性提取出二次谐波幅度，计算出初步的甲烷气体的路径积分浓度；由线性调频连续波法得到目标距离，根据所述目标的距离与大气中甲烷背景气体浓度的乘积得到大气中甲烷背景气体浓度干扰值；由初步的甲烷气体路径积分浓度减去
S3
中大气中甲烷背景气体浓度干扰值，得到最终的甲烷气体路径积分浓度，本专利技术的一种基于
TDLAS
的具有测距功能的甲烷检测方法，根据所述目标的距离计算出大气中甲烷背景气体浓度干扰值，使用线性调频连续波法测距，甲烷气体吸收只影响光强，不影响频率变化，使得检测结果更为精确，同时，本专利技术的一本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于
TDLAS
的具有测距功能的甲烷检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、
改变激光器工作电流，向目标发射低频的锯齿波和高频的正弦波叠加的激光信号，经甲烷气体吸收后到达目标，接收目标反射的回波信号；
S2、
光电探测器检测所述回波信号，经锁相放大器选择性提取出二次谐波幅度，计算出初步的甲烷气体的路径积分浓度；
S3、
改变激光器工作电流，向目标发射线性调频连续信号，接收目标反射信号，对所述目标反射信号与发射的线性调频连续信号混频后的差频信号进行采样，得到离散差频信号，对所述离散差频信号进行傅里叶变换，得到离散差频信号的傅里叶变换频谱，基于所述傅里叶变换频谱的峰值频率计算目标的距离，根据所述目标的距离与大气中甲烷背景气体浓度的乘积得到大气中甲烷背景气体浓度干扰值；
S4、
由步骤
S2
中的初步的甲烷气体路径积分浓度减去步骤
S3
中大气中甲烷背景气体浓度干扰值，得到最终的甲烷气体路径积分浓度
。2.
根据权利要求1所述的基...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨亮亮，施昊祺，李潇雁，叶宗晋，王义坤，印雄飞，贾建军，戴宁，
申请(专利权)人：国科大杭州高等研究院，
类型：发明
国别省市：