[發明專利]基于波長調制技術的痕量氣體濃度場分布探測方法

在審

• 申請號: 201811583428.8
• 申請日: 2018-12-24
• 公開（公告）號: CN111351769A
• 公開（公告）日: 2020-06-30
• 發明（設計）人: 夏暉暉;李明星;楊晨光;許振宇;陳兵;闞瑞峰;胡邁
• 申請（專利權）人: 中國科學院合肥物質科學研究院
• 主分類號: G01N21/39
• 分類號: G01N21/39;G01N21/01
• 代理公司: 武漢東喻專利代理事務所(普通合伙) 42224
• 代理人: 李佑宏

本發明公開了一種基于波長調制光譜技術的大范圍痕量氣體濃度場分布探測方法，該方法以可調諧半導體激光器作為光源，通過檢測多方位多角度下的目標組分波長調制吸收光譜，并結合計算機層析成像(CT)算法，可快速反演長達1公里光程量級的大范圍水平空間痕量氣體濃度場分布。該方法所使用的波長調制光譜技術具有高靈敏度、響應快速、無需基線擬合、光譜處理速度快等優勢，CT算法具有反演二維場分布圖像的能力，因此本發明可以實現大范圍空間目標氣體的可視化監測，有助于大面積工業園區有毒、有害、危險氣體排放或者泄露的快速準確定位和輸送過程分析，將進一步擴展TDLAS技術的應用方向和范圍。

技術領域

本發明屬于氣體檢測分析診斷領域，具體涉及一種基于波長調制光譜技術的大范圍痕量氣體濃度場分布探測方法，可以快速實現目標氣體極低濃度二維場分布探測，比如NH₃、CH₄、CO、H₂S等化工園區有害危險泄漏氣體。

背景技術

可調諧半導體激光吸收光譜(TDLAS)技術作為一種高分辨率、高選擇性、快速響應、結構簡單、抗干擾能力強的非接觸光學測量手段，已經在氣體檢測領域發揮了重要應用，具體包括溫室氣體測量(CO₂、CH₄、N₂O)、大氣污染成分探測(CO、NO_x、NH₃)、危險氣體泄漏檢測(CH₄、H₂S、C₂H₄)等。

由于TDLAS是一種視線測量技術，即單光路測量得到的濃度其實是沿激光傳輸路徑的平均值。對于大范圍、大面積空間探測區域，氣體濃度的空間分布通常呈現出非均勻特點，僅僅依靠單光路下的測量數據，無法獲得目標氣體的濃度空間分布信息。多組TDLAS探測系統的網絡化布置方式雖然能夠實現二維空間測量，但是大大增加了監測成本，并且也無法覆蓋目標區域的所有空間、角落。

發明內容

針對現有技術以上缺陷或改進需求中的至少一種，研究基于TDLAS技術的氣體濃度空間分布CT反演方法顯得尤為必要，本發明提供了一種基于波長調制光譜技術的大范圍痕量氣體濃度場分布探測方法，利用多方位多角度下的TDLAS測量數據，結合計算機CT算法，可以獲得高空間分辨的氣體濃度場分布圖像，進而精確追蹤并鎖定氣體泄露源或者排放源位置；從而解決直接吸收光譜數據處理復雜、線型擬合耗時、測量靈敏度低，單光路測量空間分辨率低，多TDLAS儀器同時檢測成本高、覆蓋區域受限等難題。

為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種基于波長調制光譜技術的大范圍痕量氣體濃度場分布探測方法，采用的探測裝置包括數據采集處理單元、工控機及多套組件，每套組件均包括結構和功能均相同的信號發生單元、激光控制單元、可調諧半導體激光器、平面反射鏡、收發一體水平掃描主機；多套組件中的各收發一體水平掃描主機分別位于探測區域的不同方位；

所述探測方法包括如下步驟：

(1)、首先根據待測氣體的種類，從高分辨率分子光譜數據庫中選擇相應的測量吸收譜線，確定其中心頻率v₀，線強S(T)，低態能級值E″；

(2)、針對已確定的目標氣體吸收測量譜線，以可調諧半導體激光器作為檢測光源，同時調節激光器控制單元的溫度和電流，使可調諧半導體激光器的輸出激光頻率穩定在v₀預定范圍內；

(3)、信號發生單元產生低頻鋸齒信號和高頻正弦信號，經加法器同時輸入到激光控制單元中，對可調諧半導體激光器出光頻率進行調制；

(4)、將可調諧半導體激光器發出的經調制的激光準直后經過平面反射鏡反射到達收發一體水平掃描主機，收發一體水平掃描主機實現指定角度的高精度自動旋轉，經收發一體水平掃描主機發射出去的激光被探測區域邊界上的多個不同的角反射鏡接收，并原路返回到達第一收發一體水平掃描主機中的光電探測器；