【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及voc气体的浓度检测，具体而言，涉及一种基于无人机和红外光谱技术的多组分气体检测系统。
技术介绍
1、挥发性有机化合物(volatile organic compounds，voc)的测量和识别是大气环境改善的重要环节，现有的voc废气测量的方式主要有光离子化气体检测器(photoionization detector，pid)检测法、气相色谱法、质谱法和火焰离子化检测仪(flameionization detector，fid)检测法等。其中，pid检测器体积小，成本较低，可测量总voc浓度，但无法判别气体种类和各气体浓度；fid检测仪需要氢气发生器，使用氢火焰来离子化样气，气体浓度和组分都发生了变化，无法进行二次分析；质谱仪可以测量多种voc气体组分和浓度，但设备体积大，价格昂贵，无法用于复杂环境的测量；气相色谱仪应用范围广，灵敏度高，但维护复杂，故障点较多。
2、voc气体种类繁多，以上述现有的voc气体检测方法来看，对多种voc混合气体的检测是很困难的，比如，现有的非分散性红外技术(non-dispersive infrared，ndir)、可调谐二极管激光吸收光谱技术(tunablediodelaserabsorptionspectroscopy，tdlas)、量子级联激光吸收光谱技术(quantum cascade laserabsorptionspectroscopy，qclas)，pid等方法都不能对超过10种voc气体进行有效识别和浓度估计，现有技术中，气相色谱法和傅立叶变换红外光谱(
3、目前，复杂环境大气voc检测方法还包括利用无人机搭载基于pid检测的voc气体检测模块，而pid的原理决定了它只能测出几百种voc气体的总量，也就是tvoc，而不能有效识别具体包括哪些种类的voc气体以及各个种类的voc气体的浓度，场景应用受限，不利于进行特定场景下的气体泄漏研究。
4、综上所述，对于能使用在各种场景下的多种气体识别和浓度测定的大气voc检测系统的需求是十分迫切的。
技术实现思路
1、本专利技术提供一种基于无人机和红外光谱技术的多组分气体检测系统，用以克服现有技术中存在的至少一个技术问题。
2、本专利技术实施例提供了一种基于无人机和红外光谱技术的多组分气体检测系统，包括：无人机、气体检测单元和数据处理单元；
3、所述气体检测单元搭载在所述无人机上，在所述无人机飞行至待监测区域后，所述气体检测单元对所述待监测区域的混合voc气体进行检测；
4、所述气体检测单元包括：用于容置所述混合voc气体的气室，所述气室一端设有用来发射预设波段的宽谱红外光的光源，所述气室的另一端设有红外接收模块；所述光源从所述气室一端射入初始宽谱红外光，所述初始宽谱红外光被气室中的气体吸收后得到接收宽谱红外光，所述红外接收模块用于接收所述接收宽谱红外光，并将所述接收宽谱红外光的接收光谱数据发送至所述数据处理单元；
5、所述数据处理单元利用不同的voc气体在所述预设波段内的吸收谱不同，通过测定所述预设波段的所述混合voc气体的总吸收谱来重构出每种voc气体的浓度，所述数据处理单元具体被配置为执行以下步骤：
6、接收所述接收光谱数据，并根据所述接收光谱数据与所述初始宽谱红外光的光谱数据计算得到吸收谱数据；
7、根据所述吸收谱数据，按气体重构算法计算得到每种voc气体的浓度；
8、其中，所述气体重构算法具体包括：
9、假设有m种不同气体的混合物，其气体吸收谱分别为r1(λ)，r2(λ)，…，rm(λ)，其浓度系数分别为c1，c2，…，cm，混合气体的总吸收谱为p(λ)，将频率范围离散化为λ1，λ2，…，λn，则得到矩阵方程(1)：
10、
11、对所述矩阵方程进行求解，得到每种气体的浓度。
12、可选的，所述光源发出1-25微米的宽谱红外光，所述红外接收模块接收的光谱范围为2-6微米，所述数据处理单元用于测定voc气体在2-4微米之间的吸收谱。
13、可选的，采用压缩感知算法对所述矩阵方程进行求解。
14、可选的，采用最小二乘估计法所述对所述矩阵方程进行求解。
15、可选的，采用tikhonov正则化方法对所述矩阵方程进行求解。
16、可选的，所述基于无人机和红外光谱技术的多组分气体检测系统还包括：显示单元；
17、所述显示单元用于显示每种voc气体的浓度。
18、可选的，所述无人机上还搭载有拍摄装置和定位模块；
19、在所述无人机飞行至待监测区域后，通过所述定位模块确定现场经纬度，通过所述拍摄装置进行拍照。
20、可选的，所述气室是不透明的封闭气室。
21、可选的，所述气室的进气口和出气口处均设有干燥装置。
22、可选的，所述基于无人机和红外光谱技术的多组分气体检测系统还包括：通信模块；
23、所述通信模块连接至所述数据处理单元。
24、与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
25、本专利技术提供的一种基于无人机和红外光谱技术的多组分气体检测系统以红外光谱技术为基础，采用特定波段的宽谱红外光源和红外接收模块，大大缩小检测设备的体积和重量，得到能够搭载在无人机上的用于检测voc气体的气体检测单元，并利用不同的voc气体在预设波段内的吸收谱不同，通过测定该预设波段区间内的混合voc气体的总吸收谱结合预设的气体重构算法来重构出每种voc气体的浓度，实现对目标气体成分的精准判别和浓度测量。该系统将红外光谱技术与无人机相结合，可针对复杂环境进行实时测量，应用场景更加广泛，可测量更大范围的污染物空间分布和实时变化趋势，能够对园区污染气体排放、危险气体泄漏和突发性环境污染等进行应急监测，为环境保护提供了有力的技术支持。
26、本专利技术实施例的创新点包括：
27、1、采用特定波段的宽谱红外光源和红外接收模块，以减小对气体检测设备的性能要求，大大减小设备体积和重量，从而得到能够搭载在无人机上的用于检测voc气体的气体检测单元，将红外光谱技术与无人机相结合，应用场景更加广泛，是本专利技术实施例的创新点之一。
28、2、数据处理单元利用不同的voc气体在特定波段内的吸收谱不同，通过测定特定波段区间混合voc气体的总吸收谱来重构出每本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于无人机和红外光谱技术的多组分气体检测系统，其特征在于，包括：无人机、气体检测单元和数据处理单元；
2.根据权利要求1所述的基于无人机和红外光谱技术的多组分气体检测系统，其特征在于，所述光源发出1-25微米的宽谱红外光，所述红外接收模块接收的光谱范围为2-6微米，所述数据处理单元用于测定VOC气体在2-4微米之间的吸收谱。
3.根据权利要求1所述的基于无人机和红外光谱技术的多组分气体检测系统，其特征在于，采用压缩感知算法对所述矩阵方程进行求解。
4.根据权利要求3所述的基于无人机和红外光谱技术的多组分气体检测系统，其特征在于，采用最小二乘估计法所述对所述矩阵方程进行求解。
5.根据权利要求1所述的基于无人机和红外光谱技术的多组分气体检测系统，其特征在于，采用Tikhonov正则化方法对所述矩阵方程进行求解。
6.根据权利要求1所述的基于无人机和红外光谱技术的多组分气体检测系统，其特征在于，还包括：显示单元；
7.根据权利要求1所述的基于无人机和红外光谱技术的多组分气体检测系统，其特征在于，所述无人机
8.根据权利要求1所述的基于无人机和红外光谱技术的多组分气体检测系统，其特征在于，所述气室是不透明的封闭气室。
9.根据权利要求8所述的基于无人机和红外光谱技术的多组分气体检测系统，其特征在于，所述气室的进气口和出气口处均设有干燥装置。
10.根据权利要求1至9任一所述的基于无人机和红外光谱技术的多组分气体检测系统，其特征在于，还包括：通信模块；
...【技术特征摘要】
1.一种基于无人机和红外光谱技术的多组分气体检测系统，其特征在于，包括：无人机、气体检测单元和数据处理单元；
2.根据权利要求1所述的基于无人机和红外光谱技术的多组分气体检测系统，其特征在于，所述光源发出1-25微米的宽谱红外光，所述红外接收模块接收的光谱范围为2-6微米，所述数据处理单元用于测定voc气体在2-4微米之间的吸收谱。
3.根据权利要求1所述的基于无人机和红外光谱技术的多组分气体检测系统，其特征在于，采用压缩感知算法对所述矩阵方程进行求解。
4.根据权利要求3所述的基于无人机和红外光谱技术的多组分气体检测系统，其特征在于，采用最小二乘估计法所述对所述矩阵方程进行求解。
5.根据权利要求1所述的基于无人机和红外光谱技术的多组分气体检测系统...
【专利技术属性】
技术研发人员：李向东，韩乾玮，吕东红，
申请(专利权)人：北京光函数科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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