CN111208085A - 多激光气体探测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了多激光气体探测装置，包括至少两个激光光源，激光光源可包括用于检测区域中气体吸收的激光器，用于激发该区域中气体发光的激光器，以及用于检测光程长度的激光器。通过确定该区域中的气体吸收或发射光谱来检测气体泄漏。基于发射和反射光束的相对幅度差确定吸收强度，基于吸收激光后的自发辐射量确定发射强度，通过计算光束的飞行时间或者相位差以确定光程，检测系统使用确定的吸收和路径长度计算区域中的气体浓度。检测系统还可以生成表示该区域中的气体泄漏的图像。

Description

多激光气体探测装置

技术领域

本发明属于光学气体检测技术领域，尤其是涉及多激光气体探测装置。

背景技术

现有的气体光学检测技术中：红外视频检测因为是被动式光学系统，依靠背景阳光被吸收的强度来区别，依赖日照，图像对比度差，且很难排他性识别目标气体。非色散红外光谱因为没有波长选择性，气体种类识别的能力较低，任意多种气体不一定都能覆盖，且不能获得绝对浓度。

单激光半导体激光器不能满足很多应用场景中多种气体的同时检测，尤其是某些相关气体的交叉检测，或者多个激光器只是简单的将多个检测装置组合在一起，检测不同气体浓度完全是独立的两套光路和探测器。还有非固定反射面场景下测到的浓度厚度不能换算成绝对浓度。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种多激光气体探测装置，以使用多个激光光束来远程检测目标中的气体泄漏。

本方案的核心思想是：使用激光光源照射目标区域并测量目标区域中对象散射和/或反射和/或发射的光能，因为具有特定波长的光在穿过目标气体时被气体分子吸收，而同时气体分子在被激发之后衰减下来的时候发射具有另一特定波长的光，所以通过分析接收到的光可以检测气体中感兴趣的物质组成和浓度。使用多个激光光束来远程检测目标中的气体泄漏。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

第一方面，本发明提供一种多激光气体探测装置，包括：

至少两个主激光源，分别发射具有一定波长的光束；

光检测器，包括一个探测器和一套光路装置，用于收集主激光源发射光束后被反射后的反射光束并转化为电信号；

控制器，用于控制主激光源发射激光的参数特征；

分析器，采用时分复用方法或者调制锁相方法对光检测器输出的电信号进行检测分析，得到每个主激光器发射光束的吸收率。

进一步的，所述控制器以不同的频率调制不同的光束，选择调制频率使得每个调制信号的谐波不重叠；分析器将不同的调制频率作为参考频率用锁相方法获得在该调制频率下获得的电信号。

进一步的，所述控制器控制多个主激光源以不同的光束宽度和延迟进行发射，光检测器收集反射光束并转化为电信号，分析器对电信号进行解复用，每个解复用的电信号通过控制器的触发同步可以与单个光束相关联得到该光束对应的吸收率。

进一步的，还包括测距激光源和测距光检测器，控制器控制测距激光源发射具有第二波长的第二光束，所述第二波长的波长选择需要避开可能存在的气体的吸收；

测距光检测器收集第二光束的第二反射光束，分析器通过发射的第二光束和第二反射光束来计算光束的光程；分析器根据得到的吸收率和光程来计算待检测气体的浓度，根据以下等式：

A＝ε·L·C

其中，A是吸收率，ε是该物质的摩尔吸收率，L是光束穿过区域400时的光程，C是物质的浓度。

第二方面，本发明提供另一种多激光气体探测装置，包括：

至少一个主激光源，发射具有一定波长的光束；

光检测器，包括一个探测器和一套光路装置，用于收集主激光源发射光束后被反射后的反射光束并转化为电信号；

照射激光源，发射照射光束，当被检测气体吸收照射光束后被激发并衰减发射另一波长的光束；

红外摄像头，采集待检测气体被照射激光源激发后的发光图像；

控制器，用于控制主激光源和照射激光源的发射激光的参数特征；

分析器，对光检测器输出的电信号进行检测分析，得到每个主激光器发射光束的吸收率；对红外摄像头采集的信号进行分析，得到显示图像。

进一步的，还包括测距激光源和测距光检测器，控制器控制测距激光源发射具有第二波长的第二光束，所述第二波长的波长选择需要避开可能存在的气体的吸收；

测距光检测器收集第二光束的第二反射光束，分析器通过发射的第二光束和第二反射光束来计算光束的光程；分析器根据得到的吸收率和光程来计算待检测气体的浓度，根据以下等式：

A＝ε·L·C

其中，A是吸收率，ε是该物质的摩尔吸收率，L是光束穿过区域400时的光程，C是物质的浓度。

相对于现有技术，本发明所述的多激光气体探测装置具有以下优势：

(1)本发明不需要为每一种气体配备一套检测装置和光路，只需在信号提取上采用时分复用或者调制锁相的技术就能实现检测装置和光路的共享。

(2)本发明适用于开放式的光路检测，实现对远处的可能泄漏处的扫描即遥测，无需走进甚至靠近危险气体，用于车载或者手持式用的话，远在泄漏点几十上百米之外就已经发现泄漏定位泄漏测量到浓度和距离，极大的保护了人员和设备的安全。

(3)本发明采用的吸收->激发->发光的技术，可以认为是一种光致发光，吸收光的波长和发光光的波长不一致，利用了气体分子吸收红外激发光之后的不同化学键振动模式之间的能量转移，气体分子发出的完全不是照射它的光，所以跟散射和透射都完全不同，只有这样发出的光才携带了气体分子的特征信息，可以用来鉴别和测量，在红外摄像头上看到的就是暗背景上对比度明显的亮区，同时避免了阳光光谱的干扰，简化了滤除照射光的设计。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的多激光气体探测装置结构示意图；

图2为本发明实施例1的多激光气体探测装置的结构示意图；

图3为本发明实施例2的多激光气体探测装置的结构示意图；

图4为本发明实施例4的多激光气体探测装置的结构示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本发明多激光气体探测装置100检测从目标位置200泄漏的气体300，如图1所示，气体泄漏300可包括任何数量的气体或气体的组合。通常，激光器110…11N在朝向要检查的位置200的方向上发射光束，激光器可以顺序地沿着不同方向朝着该区域发射多个光束，这些光束入射在区域400中的不同目标位置上，这样，可以检查区域400内的不同局部区域。如果目标位置200具有气体泄漏300，则气体泄漏到发射光束和反射光束穿过的区域400中。气体根据其自身分子的化学键特性吸收一部分光束，或者在吸收后发射出一部分另外的光束。可以测量并计算由光源发射的光的吸收率，或者光的发射率以确定气体泄漏300，并进一步计算其气体浓度。

特别强调的是，在常规的吸收光谱之外，可以通过确定区域400中的气体发射光谱来附加地或替代地检测气体泄漏300。例如，根据气体的性质，气体泄漏300中的气体也可以发射附加的光。更明确地，气体泄漏300中的气体通常处于未激发状态。当穿过检测装置100和位置200之间的区域400的光束被气体吸收时，吸收的光将气体泄漏300中的气体激发成激发态。在弛豫时间之后，处于激发态的气体的能量从激发态衰减到基态，并发射与吸收的光不同波长的光子。通过检测区域400中的气体发出的光，泄漏检测模块确定是否存在气体泄漏300。

第一光源111，发出第一波长的光束…第N光源11N，发出第N波长的光束；光检测器120负责检测光；控制器130耦合至第一光源111…到第N光源11N。所发射的光束可以是从紫外到红外的任何波长，所有的光束互相之间平行。

分析器140耦合至光检测器120，光检测器120可以包括单个或多个传感器，用于检测具有不同波长的光。光检测器120可以是单像素或多像素光检测器，例如光电二极管阵列。光检测器120可以是任何类型的光检测器，例如光电二极管，光电倍增管，雪崩二极管，光伏光检测器或可以测量所收集的光的强度的任何其他光检测器。光检测器120捕获入射光并输出代表捕获光强度的电信号。

光检测器120可以另外包括光学收集器件和光学滤波器。光学收集器件收集来自被检查的区域的入射光，光学收集器件具有焦距，使得收集的光聚焦到光检测器120上。光学滤波器一般指带通滤波器，该带通滤波器允许波长在被吸收谱带或者发射谱带的光通过。光学滤波器允许来自光源111…11N发射的光束的反射光或者来自气体的发射光通过并去除由光学收集器件收集的其他波长超出特定范围的光，也即环境光(对于检测气体泄漏300而言不期望的光)，滤波后的光被导向光检测器120。在光检测器120包括滤光器的情况下，仅特定波长的光产生电信号。

多激光气体探测装置可以被配置为使得由光源111…11N发射并由光检测器120收集的光束更容易被分析以确定气体泄漏300。例如，多激光气体探测装置可以使用可调谐二极管激光吸收光谱法(TDLAS)的原理。在这些情况下，控制器130可以通过调节光源111...11N的温度和/或注入电流密度来调谐波长。通过用高频率的调制信号来调制发射光束的波长，光束的波长可以锁定在气体泄漏300中的特定气体的某个吸收光谱峰处。光检测器120产生的电信号的谐波(例如，二次谐波)以确定吸收率，即可以从检测到的谐波中确定特定波长下的吸收强度，从而确定吸收率。具体通过如下实施例进行进一步说明：

实施例1，

多激光气体探测装置检测包括至少两个发射具有不同波长的光束的主激光源，所发射的光束穿过区域400，目标位置200的外表面反射该光束，反射的光束朝向检测装置100穿过区域400。主激光源可以选择每个光束的波长，以使其在气体泄漏300中被特定的气体吸收；根据区域400中的气体泄漏300中的气体，每个光束将被不同程度地吸收。通过光检测器124聚集激光源发射光束对应的多个反射光束，通过分析器142测量至少两个激光源发射的光的吸收率。通过发射不同波长的光束，可以确定包括在气体泄漏300中的各种气体。还可以进一步测量泄漏气体的浓度，浓度的求取方法在实施例2中有进行详细描述。

本实施例如图2所示，包括两个主激光源，分别为第一激光源114和第二激光源115，光检测器124聚集第一反射光束和第二反射光束。第一反射光束和第二反射光束分别是由第一激光源114和第二激光源115发射并从被检查的目标位置200的外表面反射回来的第一光束和第二光束。

其中，多个激光源可以选择每一个激光源发射光束的波长，使得可以检测多种气体对光的吸收或光的发射。例如，第一激光源114可以被配置为发射被甲烷吸收的波长的光束，第二激光源115可以被配置为发射被乙烯吸收的波长的光束。

如果选择的是同一种气体的不同吸收波长的光束，则可以通过互相印证来完全排除其他气体的干扰，并提高测量的精确度。

每个激光源可以调节为同时或分时发光。为了使多台激光器同时工作，并共用一套光检测器124，多激光气体探测装置可以采用两种实现方式。

第一种多激光气体探测装置共用一套光检测器124进行检测的机理类似于锁相技术：

以不同的频率调制不同的光束。例如，控制器132可以使用第一频率的调制信号来调节第一激光源114发射第一波长的光束，使用第二频率来调制第二激光源115发射第二波长的光束。同时，选择调制频率使得每个调制信号的谐波不重叠。每个光束具有不同的波长和不同的调制频率。

因为两个光束以不同的频率调制，分析器142根据第一频率作为参考频率用锁相方法分析在第一调制频率下获得的电信号以确定吸收第一波长的第一气体的存在。同样分析在第二调制偏绿频率下获得的电信号以确定第二气体的吸收。

具体的，用一个已知且恒定的第一频率调制第一光束，它在探测器上造成的响应也是时域上按第一频率振荡的函数。对该时域波形做傅立叶变换，得到频域谱，在第一频率附近用窄带滤波器滤波，最后再反向傅立叶变换滤波的结果得到时域上“干净”的波形，能排除掉其他频率调制的其他光束的影响，分离出该光束对信号的独立贡献，称之为锁相放大。同样的，对第二波长的光束也做第二频率的同样操作，各自实现锁相，从而把各自的信号分别提取出来。

另一种多激光气体探测装置共用一套光检测器124进行检测的机理类似于时分复用：

以双激光光束为例，控制器132使第一激光源114在时间t1以脉冲宽度w1发射第一光束，延迟d1之后，控制器132使第二激光源115在时间t2处以脉冲宽度w2发射第二光束，在延迟d2之后，控制器132再次使第一激光源发射第一光束，如此往复。

光检测器124收集反射光束并转化为电信号，分析器142对电信号进行解复用。因为两个光束在特定时间以特定的时间模式(即光束的宽度和延迟)发射，所以每个解复用的电信号通过控制器132的触发同步可以与单个光束相关联。可以采用诸如脉冲宽度调制或脉冲位置调制之类的任何其他形式的时域调制来确定区域400中的气体泄漏300。

脉冲宽度调制或脉冲位置调制指的是两束或者多束光交替发射，各自的占空比可以是规则的周期函数或者不规则的图样，该时域调制的同步信号要用来触发探测器以区分不同光束对所收集信号的贡献，从而实现时分复用。

分析器142对电信号以上述锁相技术或者时分复用两种方法解调为第一反射光束的电信号和第二反射光束的电信号。之后，分析器142使用代表第一发射光束的电信号和第一反射光束的电信号来计算该区域中第一气体的吸收率。例如，分析器142将第一发射光束的强度与第一反射光束的强度进行比较以计算400区域中第一气体的吸收率。分析器142以类似的方式使用第二发射光束和第二反射光束的电信号来计算400区域中第二气体的吸收率。

分析器142将所计算的吸收率与预设的阈值吸收率进行比较，如果计算出的吸收率高于阈值，则确定被检查区域具有泄漏300。

本实施例具体实现时，使用相同的TDLAS方法，将两个激光器指定为两个具有不同红外波长(针对不同气体的吸收或相同气体的不同吸收谱带)的二极管激光器。这不是两个单激光TDLAS系统的简单组合。它由两个独立的激光二极管和一个共用的光信号采集系统和光电传感器组成。激光二极管驱动电路有两种驱动激光二极管的方法。第一个(时域)是一次驱动一个，也就是说交替地检测电路由驱动电路触发并同步以从相应的激光器获取光信号，使其能够速度非常快的在测量不同气体的吸收之间进行切换。第二个(频域)是以不同的频率调制激光波形，并且通过锁相电路以这些不同的参考频率滤波携带两种气体的吸收信息的输入光信号，通过这种方式，两种气体的吸收可以分别识别和测量。

本实施例中检测部分完全就是一套共用光路不做区分，所有气体对应的激光信号都用同一套硬件收集进来，只需配合多激光发射端，在电子和软件层面用时分复用或者频域调制锁相的方式提取各自对应气体成分的信号。具有光学系统简单、成本低(无需CCD等多像素探测器元件)、利用效率最高(所有激光都共享全部光学系统无需分享)、系统灵敏度对所有气体等价等优点。

实施例2，

多激光气体探测装置，除包括主激光源112之外还包括测距激光源113和测距光检测器123，如图3所示，控制器131控制测距激光源113朝着目标位置200发射第二光束，第二光束具有第二波长，该波长需要避开可能存在的气体的吸收。在某些情况下，光束在可见光范围内(即波长在400-780nm范围内的光)或在近红外范围内(即波长在780nm-1μm范围内的光)。

测距光检测器123收集第二反射光束，该第二反射光束是由测距激光源113发射并从被检查的位置200的外表面反射回来的第二光束。分析器141使用所发射的光束和所收集的光束特性的比较来计算光束的路径长度。例如，分析器141确定光束的飞行时间或者相对相位差以计算路径长度即光程，光程计算属于现有技术，再此不再赘述。由于由测距激光113发出的光束和由主激光112发出的光束基本上穿过相同的路径，因此它们的路径长度基本上相等。

分析器141使用确定的吸收率和路径长度来计算检测装置100与位置200之间的区域400中的特定气体的浓度，根据以下等式：

A＝ε·L·C

其中，A是光束对特定物质的吸收率，ε是该物质的摩尔吸收率，L是光束穿过区域400时的光程，C是物质的浓度。

目标气体的厚度无法直接测量，只能用光束路径长度代替，也即相当于不管多厚的气体都看成是光束路径长度这么厚的等效气团，根据朗伯比尔定律计算得到的是平均浓度，当气体扩散达到平衡时，其等于实际浓度，其他情况下低于实际浓度，因此，我们不仅提供浓度还同时提供浓度厚度乘积(即公式中C*L，来自于A/ε，无需测距)，后者避免了任何平均效果，且比只有浓度信息多提供了气体扩散程度(气团厚度)的信息(即浓度厚度乘积共同反映了泄漏的严重程度，本方案同时提供此乘积和浓度本身，以最大限度的警示危险状况)。

分析器141可以计算不同位置相对应的多个浓度值，每个位置对应于由主激光源112发射的光束的方向。分析器141可以使用各个方向测到的浓度来生成浓度图像，浓度图像是区域400中气体300浓度的视觉表示。

本实施例具体实现时，将其中一台激光器指定为调制中红外激光器，这是一种可调谐二极管激光器，目的是使用TDLAS方法测量气体的体积密度(浓度和厚度的乘积)，另一台激光器为脉冲近红外激光器，用于使用TOF方法测量气体的厚度的目的，因此，可以通过将体积密度除以厚度来计算气体浓度。

实施例3，

多激光气体探测装置，包括至少一个主激光源，可以选择每个光束的波长，以使其在气体泄漏300中被特定的气体吸收。如图4所示，本实施例包括一个主激光源，控制器133控制主激光源116向区域400中目标位置200发射光束，可以基于气体泄漏300中可能包括的气体来确定波长。主激光源发射第一波长的光束，光检测器126收集第一反射光束，该第一反射光束是由主激光116发射并从被检查的位置200的外表面反射回来的光束，分析器143基于计算出的吸收率来确定气体泄漏。

随后，照射激光源117向被检查的目标位置200发射第二光束。第二光束具有在红外范围内的第二波长，第二波长对应于被检测气体的某个强烈吸收的波长，可以与第一波长相同也可以不同，且光谱没必要像TDLAS激光器所用那种窄线宽。第二波长选择需要满足的是，当气体吸收第二波长的激光，能量被激发并衰减之后，该气体将发射不同于第二波长的第三波长的光，即第二光束从气体中激发出第三波长的光子的发射。

第一波长和第二波长都必须是目标气体分子的某个振动光谱峰，各自的吸收强度越高越好，它们对应的振动模式之间存在耦合，发生振动能量传递的效率要足够高。一般第一波长选择可用光源的功率尽可能大的近红外波段，对应气体分子振动吸收谱带的泛频区，第二波长选择背景光强较弱的中红外波段，对应气体分子振动吸收谱带的基频区。

通过红外摄像头127生成气体发光图像。红外摄像头127被配置有以第三波长为中心波长的带通滤波器，因此，气体发光图像是被检查区域的视觉表示，突出显示了检测到第三波长(即气体)的位置。

因为红外摄像头127可以被配置为选择各种波长的光来生成气体发光图像，所以分析器143可以针对气体泄漏300中任何可能的气体提取对应波长的气体发光图像从而确定泄漏。分析器143分析包括在气体发光图像中的信息来检测气体泄漏300。例如，气体发光图像包括与气体泄漏300相对应的像素的亮度，图像中的亮像素表示存在泄漏气体，近似于气团羽流的形状，而图像中的暗像素表示不存在泄漏气体，因此，分析器143分析像素亮度值以确定气体泄漏300。红外摄像头127可以被配置为利用各种不同的可互换滤光器生成图像，从而可以生成表示多种气体的单个气体发光图像。

本实施例具体实现时，保持第一个激光器为TDLAS红外二极管激光器，同时将此配置中的第二个激光器指定为照明红外激光源，该激光源可以与第一个激光器的波长相同或不同，且不必须是TDLAS所用那种窄线宽激光器。选择特别匹配目标气体的吸收峰值，因此气体分子吸收的红外能量将耗散到其他振动模式并发射不同波长的红外辐射，根据最可能的发射波长区域仔细选择成像相机的带通滤波器使红外图像具有更高的对比度和清晰度。

图2至4给出了多激光气体探测装置的多种配置结构，在各种配置中，多激光气体探测装置可以发射任何数量的光束，收集光束，可以使用发射光束和检测方法的任何组合来检测气体泄漏，确定吸收率，确定浓度并生成气体图像。

上述实施例中激光器的选择有：使用中红外(mid-IR)和/或近红外(near-IR)激光器测量气体吸收光谱，使用中红外(mid-IR)和/或近红外(near-IR)激光器照明气体并监控气体红外发射视频，使用可见光(vis)和/或近红外(near-IR)激光器测量激光光程(气体厚度)。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种多激光气体探测装置，其特征在于，包括：

至少两个主激光源，分别发射具有一定波长的光束；

光检测器，包括一个探测器和一套光路装置，用于收集主激光源发射光束后被反射后的反射光束并转化为电信号；

控制器，用于控制主激光源发射激光的参数特征；

分析器，采用时分复用方法或者调制锁相方法对光检测器输出的电信号进行检测分析，得到每个主激光器发射光束的吸收率。

2.根据权利要求1所述的一种多激光气体探测装置，其特征在于：所述控制器以不同的频率调制不同的光束，选择调制频率使得每个调制信号的谐波不重叠；分析器将不同的调制频率作为参考频率用锁相方法获得在该调制频率下获得的电信号。

3.根据权利要求1所述的一种多激光气体探测装置，其特征在于：所述控制器控制多个主激光源以不同的光束宽度和延迟进行发射，光检测器收集反射光束并转化为电信号，分析器对电信号进行解复用，每个解复用的电信号通过控制器的触发同步可以与单个光束相关联得到该光束对应的吸收率。

4.根据权利要求1所述的一种多激光气体探测装置，其特征在于：还包括测距激光源和测距光检测器，控制器控制测距激光源发射具有第二波长的第二光束，所述第二波长的波长选择需要避开可能存在的气体的吸收；

测距光检测器收集第二光束的第二反射光束，分析器通过发射的第二光束和第二反射光束来计算光束的光程；分析器根据得到的吸收率和光程来计算待检测气体的浓度，根据以下等式：

A＝ε·L·C

其中，A是吸收率，ε是该物质的摩尔吸收率，L是光束穿过区域400时的光程，C是物质的浓度。

5.一种多激光气体探测装置，其特征在于，包括：

至少一个主激光源，发射具有一定波长的光束；

光检测器，包括一个探测器和一套光路装置，用于收集主激光源发射光束后被反射后的反射光束并转化为电信号；

照射激光源，发射照射光束，当被检测气体吸收照射光束后被激发并衰减发射另一波长的光束；

红外摄像头，采集待检测气体被照射激光源激发后的发光图像；

控制器，用于控制主激光源和照射激光源的发射激光的参数特征；

分析器，对光检测器输出的电信号进行检测分析，得到每个主激光器发射光束的吸收率；对红外摄像头采集的信号进行分析，得到显示图像。

6.根据权利要求5所述的一种多激光气体探测装置，其特征在于：还包括测距激光源和测距光检测器，控制器控制测距激光源发射具有第二波长的第二光束，所述第二波长的波长选择需要避开可能存在的气体的吸收；

测距光检测器收集第二光束的第二反射光束，分析器通过发射的第二光束和第二反射光束来计算光束的光程；分析器根据得到的吸收率和光程来计算待检测气体的浓度，根据以下等式：

A＝ε·L·C

其中，A是吸收率，ε是该物质的摩尔吸收率，L是光束穿过区域400时的光程，C是物质的浓度。

7.根据权利要求5所述的一种多激光气体探测装置，其特征在于：所述红外摄像头还配置有带通滤波器和滤光器。

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