[發明專利]一種非接觸式海洋溶解高溫氣體監測儀和監測方法

在審

• 申請號: 201810050287.7
• 申請日: 2018-01-18
• 公開（公告）號: CN108107022A
• 公開（公告）日: 2018-06-01
• 發明（設計）人: 胡炳樑;劉青松;于濤;張周鋒;李洪波;王雪霽;劉宏;張兆會;毛棟
• 申請（專利權）人: 中國科學院西安光學精密機械研究所;中國科學院大學
• 主分類號: G01N21/45
• 分類號: G01N21/45
• 代理公司: 西安智邦專利商標代理有限公司 61211
• 代理人: 楊引雪

1.一種非接觸式海洋溶解高溫氣體監測儀，所述高溫氣體為甲烷、硫化氫或二氧化碳；其特征在于：包括依次設置的前置光學系統(1)、擴束鏡(3)、準直鏡(4)、窄帶干涉濾光片(5)、成像透鏡(6)、探測器(7)和處理器；

前置光學系統(1)用于收集高溫氣體輻射的光線；

擴束鏡(3)用于對所述光線進行擴束；

準直鏡(4)用于對光線進行光準直；

所述窄帶干涉濾光片(5)的透射波長與被監測的高溫氣體的輻射波長相匹配；窄帶干涉濾光片(5)用于將所述準直鏡(4)準直后的不同波長的譜線分離，并將同一波長的多條光線以平行光束出射；

當被監測高溫氣體為甲烷時，入射至所述窄帶干涉濾光片(5)的光線的入射角至少應達到16°；

當被監測高溫氣體為硫化氫時，入射至所述窄帶干涉濾光片(5)的光線的入射角至少應達到10°；

當被監測高溫氣體為二氧化碳時，入射至所述窄帶干涉濾光片(5)的光線的入射角至少應達到7°；

成像透鏡(6)用于將窄帶干涉濾光片(5)的同一出射角的平行光束匯聚于探測器(7)上，在所述探測器(7)上形成干涉條紋；

所述處理器(8)用于根據所述干涉條紋獲取高溫氣體的濃度、溫度和壓強信息。

2.根據權利要求1所述的非接觸式海洋溶解高溫氣體監測儀，其特征在于：所述光學系統(1)和擴束鏡(3)之間的距離大于20m時，光學系統(1)和擴束鏡(3)通過光纖(2)相連。

3.根據權利要求1所述的非接觸式海洋溶解高溫氣體監測儀，其特征在于：所述光學系統(1)和擴束鏡(3)之間的距離在1m和20m之間時，光學系統(1)和擴束鏡(3)之間設置有光導管。

4.根據權利要求1或2或3所述的非接觸式海洋溶解高溫氣體監測儀，其特征在于：所述前置光學系統(1)采用菲涅爾透鏡。

5.非接觸式海洋溶解高溫氣體監測方法，所述高溫氣體為甲烷、硫化氫或二氧化碳；其特征在于，包括以下步驟：

1)獲取高溫氣體目標的輻射光線；

2)將獲取的輻射光線擴束、準直后以設定的入射角入射至窄帶干涉濾光片；

3)窄帶干涉濾光片對入射至其上的光束進行譜線分離，并將同一波長的多條光線以平行光束出射；

4)利用成像透鏡將窄帶干涉濾光片的出射光束成像于探測器上，獲取干涉條紋；

5)從所述干涉條紋中提取高溫氣體的濃度、溫度和壓強。

6.根據權利要求5所述的非接觸式海洋溶解高溫氣體監測方法，其特征在于：所述步驟5)提取高溫氣體的濃度、溫度和壓強的具體方法為：

5.1)構建干涉條紋與高溫氣體濃度、溫度和壓強的模型關系；

5.2)將實測的干涉條紋信息輸入步驟5.1)所建立的模型中，反演得到高溫氣體濃度、溫度和壓強。

7.根據權利要求6所述的非接觸式海洋溶解高溫氣體監測方法，其特征在于：所述步驟5.1)構建模型關系的具體方法為：

5.1.1)設定高溫氣體的三個物理量分別為某一設定值時，記錄一組干涉條紋強度；所述三個物理量為濃度、溫度和壓強；

5.1.2)按照設定規則分別改變所述三個物理量的設定值，記錄對應的干涉條紋強度，得到n*m*p組樣本數據；每組樣本數據包括三個物理量和其所對應的干涉條紋強度；n、m和p分別為濃度、溫度和壓強值的設定次數；

5.1.3)利用偏最小二乘法建立回歸方程，即所述三個物理量與干涉條紋強度的數學關系。

8.根據權利要求7所述的非接觸式海洋溶解高溫氣體監測方法，其特征在于：所述步驟5.1.2)中三個物理量的設定規則具體為：

濃度設定值范圍為0.1μmol/L-100mmol/L，變化間隔根據精度要求和工作量適當選取，對應得到n組數據；

溫度設定值范圍為4K-400K，變化間隔根據精度要求和工作量適當選取，對應得到m組數據；

壓強設定值范圍為1MPa-40MPa，變化間隔根據精度要求和工作量適當選取，對應得到p組數據。

9.根據權利要求5所述的非接觸式海洋溶解高溫氣體監測方法，其特征在于，所述步驟2)中：

當被監測高溫氣體為甲烷時，入射至所述窄帶干涉濾光片的光線的入射角至少應達到16°；

當被監測高溫氣體為硫化氫時，入射至所述窄帶干涉濾光片的光線的入射角至少應達到10°；

當被監測高溫氣體為二氧化碳時，入射至所述窄帶干涉濾光片的光線的入射角至少應達到7°。