基于后向散射回光的自由狀態(tài)氣體參數(shù)遠(yuǎn)程測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及氣體參數(shù)測量方法，具體地，涉及基于后向散射回光的自由狀態(tài)氣體參數(shù)遠(yuǎn)程測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]從檢測原理分，氣體濃度、種類的檢測方法主要包括電阻式氣敏元件測量法、超聲技術(shù)測量法、氣象色譜測量法、載體催化燃燒法、示蹤氣體濃度衰減法、光干涉測量法、光譜吸收氣體測量法。
[0003]I)電阻式氣敏元件測量法:利用電阻式氣敏元件的阻值與周圍氣體濃度有確定性關(guān)系的特點(diǎn)，通過測量氣敏元件的電阻值即可獲得待測氣體的濃度；
[0004]2)超聲技術(shù)測量法:超聲波在某種氣體中的傳播速度與當(dāng)前氣體溫度和氣體性質(zhì)有一定的關(guān)系，通過測量其傳輸速度和氣體溫度就可以推算出氣體濃度；
[0005]3)氣象色譜測量法:不同氣體在通過色譜柱時(shí)期速度不同，不同濃度氣體的色譜存在明顯差異，利用該特點(diǎn)可以獲得氣體濃度；
[0006]4)載體催化燃燒法:以催化載體型氣敏元件作為濃度的傳感器，當(dāng)可燃?xì)怏w在元件表面催化燃燒后，電阻增加，其增量與可燃?xì)怏w的濃度成正比，通過測量其電阻增量即可獲取可燃?xì)怏w濃度；
[0007]5)示蹤氣體濃度衰減法:向被測空間注入一定量的示蹤氣體，在通風(fēng)后使示蹤氣體的濃度得到稀釋，通過測量示蹤氣體濃度的變化，間接求出通風(fēng)量；
[0008]6)光干涉測量法:同一光源發(fā)出的光被分為兩路光，經(jīng)不同傳輸路徑后匯集到一起，通過光干涉現(xiàn)象體現(xiàn)其光程差，由于光程差與路徑上的氣體成分、濃度、折射率關(guān)聯(lián)，可獲取氣體濃度；
[0009]7)光譜吸收氣體測量法:光在氣體中傳播時(shí)，特定氣體分子將對(duì)特定波長光進(jìn)行吸收，通過測量激光通過氣體傳輸后的吸收譜特性和光強(qiáng)，可以獲取氣體分子的濃度和種類。
[0010]現(xiàn)有技術(shù)存在的弱點(diǎn)主要存在于:
[0011]-在自由空間狀態(tài)下，對(duì)難以接近區(qū)域的氣體參數(shù)進(jìn)行有效測量:1)、3)、4)三種方法需要將檢測元件放置于氣體內(nèi)，對(duì)于難以接近的區(qū)域是很難實(shí)現(xiàn)的；2)、3)、5)、6)、7)則均需要構(gòu)建發(fā)射裝置、接收裝置和樣品空間，其樣品空間通常需要對(duì)現(xiàn)場氣體進(jìn)行抽樣，對(duì)于難以接近的區(qū)域?qū)嶋H上是難以實(shí)現(xiàn)的。
[0012]-現(xiàn)有測量方法需要獲取較準(zhǔn)確的氣壓、溫度等環(huán)境參數(shù)，但在很多情況下這些環(huán)境參數(shù)難以有效獲取，導(dǎo)致測量誤差較大；
[0013]-除7)以外，其他測量方法均難以通過測量結(jié)果直接判斷氣體類型。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種基于后向散射回光的自由狀態(tài)氣體參數(shù)遠(yuǎn)程測量方法。
[0015]根據(jù)本發(fā)明提供的一種基于后向散射回光的自由狀態(tài)氣體參數(shù)遠(yuǎn)程測量方法，包括如下步驟:
[0016]步驟A:向被測量氣體所在的被測量空間區(qū)域發(fā)射脈沖激光；
[0017]步驟B:持續(xù)測量得到所述脈沖激光的后向散射回光數(shù)據(jù)，其中，所述后向散射回光數(shù)據(jù)包括:非吸收特征譜線回光強(qiáng)度、吸收特征譜線回光強(qiáng)度；
[0018]步驟C:根據(jù)非吸收特征譜線中某一譜線的回光強(qiáng)度，獲取大氣環(huán)境散射回光特性的基本參數(shù)，作為吸收特征譜線回光強(qiáng)度由于大氣散射導(dǎo)致的強(qiáng)度衰減因子的補(bǔ)償參數(shù)；
[0019]步驟D:利用所述補(bǔ)償參數(shù)對(duì)吸收特征譜線回光強(qiáng)度進(jìn)行補(bǔ)償；
[0020]步驟E:根據(jù)非吸收特征譜線回光強(qiáng)度以及補(bǔ)償后的吸收特征譜線回光強(qiáng)度，獲得被測量氣體的如下任一種或任多種數(shù)據(jù):
[0021]-種類；
[0022]-濃度；
[0023]-空域擴(kuò)散分布特性；
[0024]-傳輸路徑空間分布特性。
[0025]優(yōu)選地，脈沖激光為采用數(shù)十mj、脈沖寬度不超過100ns、譜寬大于I μπι以上的寬光譜脈沖激光。
[0026]優(yōu)選地，所述步驟Ε，包括如下步驟:
[0027]根據(jù)如下公式計(jì)算得到被測量氣體的散射強(qiáng)度系數(shù)α、被測量氣體的吸收強(qiáng)度系數(shù)γ(入):
[0028]I1= I 0 {exp (- a L) -exp [- α (L+ Δ ) ]} exp (- α L)式 I)
[0029]I2=10{exp[-( α + γ ( λ ))L]-exp[-( α + γ ( λ )) (L+ Δ ) ]} exp[_( α + γ ( λ )) L]式2)
[0030]L = ct/2式 3)
[0031]其中，I1S非吸收特征譜線回光強(qiáng)度，I 2為補(bǔ)償后的吸收特征譜線回光強(qiáng)度，I 0為脈沖激光強(qiáng)度，α為被測量氣體的散射強(qiáng)度系數(shù)，L為脈沖激光的傳輸距離，Δ為傳輸路徑上的采樣間隔，Y (λ)為被測量氣體在吸收特征譜線λ處的吸收強(qiáng)度系數(shù)，c為光速，t為從脈沖激光發(fā)射到回光測量的時(shí)間間隔；
[0032]根據(jù)如下公式計(jì)算得到被測量氣體濃度N:
[0033]N = γ(λ)/τ 式 4)
[0034]其中，τ為單位濃度被測量氣體吸收系數(shù)，N為被測量氣體濃度。
[0035]優(yōu)選地，所述步驟Ε，包括如下步驟:
[0036]步驟1:根據(jù)吸收特征譜線回光強(qiáng)度的變化特性，獲取被測量氣體的空域擴(kuò)散分布特性。
[0037]優(yōu)選地，所述脈沖激光的發(fā)射源通過機(jī)動(dòng)平臺(tái)機(jī)動(dòng)運(yùn)輸，且所述脈沖激光的發(fā)射方向不變；持續(xù)測量得到所述脈沖激光的后向散射回光數(shù)據(jù)，以獲取對(duì)應(yīng)于機(jī)動(dòng)平臺(tái)運(yùn)輸軌跡的多個(gè)后向散射回光數(shù)據(jù)；
[0038]所述步驟i包括如下步驟:
[0039]步驟il:將機(jī)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)輸軌跡中的多個(gè)位置點(diǎn)與相應(yīng)位置點(diǎn)處所獲取后向散射回光數(shù)據(jù)一一對(duì)應(yīng)，獲得空域內(nèi)氣體的空域擴(kuò)散分布特性。
[0040]優(yōu)選地，所述步驟E，包括如下步驟:
[0041]步驟1:根據(jù)吸收特征譜線回光強(qiáng)度的時(shí)間特性，計(jì)算被測量氣體在傳輸路徑空間分布特性。
[0042]優(yōu)選地，所述步驟I包括如下步驟:
[0043]步驟Il:以激光脈沖發(fā)射時(shí)間為時(shí)間軸原點(diǎn)，將測量獲得的單脈沖激光的吸收特征譜線回光強(qiáng)度對(duì)應(yīng)到時(shí)間軸上；
[0044]步驟12:在時(shí)間軸上進(jìn)行吸收特征譜線回光強(qiáng)度抽樣，獲得與各抽樣時(shí)間點(diǎn)對(duì)應(yīng)的吸收特征譜線回光強(qiáng)度；
[0045]步驟13:根據(jù)光速和抽樣時(shí)間計(jì)算獲得各抽樣時(shí)間點(diǎn)對(duì)應(yīng)的脈沖激光的后向散射回光的傳輸距離；
[0046]步驟14:將各抽樣時(shí)間點(diǎn)對(duì)應(yīng)的吸收特征譜線回光強(qiáng)度與傳輸距離一一對(duì)應(yīng)，獲得被測量氣體在傳輸路徑空間分布特性。
[0047]優(yōu)選地，通過設(shè)置有窄帶濾光片的單元探測器獲取所述后向散射回光數(shù)據(jù)。
[0048]優(yōu)選地，所述步驟E包括如下步驟:
[0049]根據(jù)吸收特征光譜中譜線的波長，確定被測量氣體的種類。
[0050]優(yōu)選地，每次測量中，向被測量氣體所在空間區(qū)域僅發(fā)射I個(gè)脈沖激光。
[0051]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果:
[0052]1、采用寬光譜激光作為光源，根據(jù)氣體的光譜吸收特性進(jìn)行氣體種類和氣體濃度測量；
[0053]2、采用脈沖激光后向散射特性，獲得測量路徑上的氣體濃度分布；
[0054]3、在測量吸收特征譜線的對(duì)應(yīng)波段激光的后向散射回光特性(含散射特性和吸收特性)的同時(shí)，測量所發(fā)射脈沖激光的寬光譜中非特征吸收譜線的對(duì)應(yīng)波段激光的后向散射回光特性(無吸收，僅含散射特性)，將回光的散射特性和吸收特性有機(jī)分離，不需要測量環(huán)境參數(shù)，測量準(zhǔn)確；
[0055]4、采用離散式特征氣體回光測量技術(shù)，可根據(jù)需要，調(diào)整濾光片參數(shù)，簡單增加基本測量單元就可實(shí)現(xiàn)對(duì)多種氣體參數(shù)的測量，避免直接光譜分布測量導(dǎo)致的測量時(shí)間過長，測量譜范圍有限等問題。
【附圖說明】
[0056]通過閱讀參照以下附圖對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯:
[0057]圖1為氣體濃度測量原理圖；
[0058]圖2為本發(fā)明方法的原理示意圖；
[0059]圖3為本發(fā)明方法的工作流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0060]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0061]本發(fā)明提供的方法采用超寬譜脈沖激光，利用后向散射回光測量技術(shù)和光譜測量技術(shù)，可對(duì)自由空間氣體參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)距離、非接觸式測量，無需對(duì)測量區(qū)域氣體進(jìn)行取樣，就可快速獲取氣體種類、濃度等參數(shù)。
[0062]圖1示出了氣體濃度測量原理:
[0063]1、入射光照射到氣體上，將會(huì)產(chǎn)生后向散射回光；
[0064]2、后向散射回光的強(qiáng)度與傳輸距離、氣體濃度、吸收特性和散射特性有關(guān)；
[0065]圖1中，相對(duì)強(qiáng)度，是指:以發(fā)射光源強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行歸一化處理，即，將入射光強(qiáng)強(qiáng)度設(shè)為1，而不依賴于具體的入射光強(qiáng)強(qiáng)度；相對(duì)距離，是指:以設(shè)定最大探測距離為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行歸一化處理，即，將最大探測距離設(shè)定為100，而不依賴于具體的探測距離；(注:該相對(duì)距離也可根據(jù)需求定為I)。其中，相對(duì)強(qiáng)度、相對(duì)距離均可看做一個(gè)無量綱的理想數(shù)字，可避免對(duì)具體設(shè)計(jì)值的約束。
[0066]本發(fā)明提供的方法提供的基本功能包括:
[0067]1、指定譜段范圍內(nèi)的寬光譜脈沖激光發(fā)射能力:保證在單次測量過程中僅存在一個(gè)脈沖光在自由空間傳輸，避免多個(gè)脈沖激光彼此后向散射回光之間的干擾；利用寬光譜特性，可以對(duì)多種吸收特征譜線進(jìn)行回光測量，獲取被測量氣體的種類。
[0068]2、吸收特征譜線回光測量能力:采用窄帶濾光片結(jié)合單元探測器的方法獲取吸收特征譜線回光強(qiáng)度，可根據(jù)需求采取不同中心波長的窄帶濾光片結(jié)合單元探測器的組合方式，根據(jù)非吸收特征譜線回光強(qiáng)度、吸收特征譜線回光強(qiáng)度獲取被測量氣體濃度，根據(jù)吸收特征譜線的波長確定氣體種類。其中，吸收強(qiáng)度:脈沖激光通過被測量氣體區(qū)域后，由于吸收效應(yīng)導(dǎo)致的強(qiáng)度損失程度。
[0069]3、非吸收特征譜線回光測量能力:選取非吸收特征譜線中的某一波長的譜線，通過該波長的非吸收特征譜線回光強(qiáng)度，實(shí)時(shí)獲取大氣環(huán)境散射回光特性的基本參數(shù)，作為特征譜線回光強(qiáng)度由于大氣散射導(dǎo)致的強(qiáng)度衰減因子的補(bǔ)償參數(shù)。
[0070]利用式I)獲得被測量氣體的散射強(qiáng)度系數(shù)α，利用式2)獲得被測量氣體的消光系數(shù)α+γ(λ)，則，通過α+γ(λ)-α獲得被測量氣體的吸收強(qiáng)度系數(shù)。
[0071]4、氣體空間分布范圍測量能力