激光检测系统和方法与流程

本发明涉及一种激光检测系统和方法，例如用于基于激光吸收光谱进行气体分析的系统和方法。
背景技术：
：连续排放监测仪器越来越多的需要用于监测在各种工业场所(例如在发电厂、处理工业工厂和商业运输设施)中的工业污染输出。该需求源于例如对效率的提高、健康和安全方面的考虑和法律的要求。理想的是可以获得对一系列被排放的化合物的测量，这些化合物例如：二氧化硫，氮氧化物，一氧化碳，二氧化碳，甲烷，水和氧气。已知的气体分析系统仅对于单一化合物或少数的化合物是敏感的。为了使用已知的系统来测量多种化合物，可能需要安装多个不同的连续排放监测仪器。这是低效率的、复杂的并占用大量的空间。技术实现要素：在本发明的第一方面，提供了一种激光检测系统，其包括：多个激光器，其中每个激光器被配置成产生用于激发一种或多种不同的化合物的相应激光束；用于容纳一定体积的样品气体的样品单元；至少一个引导装置，其被配置成将激光束引导到样品单元，其中所述至少一个引导装置被配置成将激光束沿着共同的光学路径引导到样品单元，和用于检测从样品单元输出的光的检测器设备。所述至少一个引导装置可包括多个光学元件，其被布置成使得对于每一个激光束而言，相应的至少一个光学元件被布置成沿着共同的光学路径引导所述激光束。多个光学元件可被大体布置在一条直线上。所述多个光学元件可被布置成使得在所述共同光学路径上激光束可重叠它们直径的至少90％，任选地它们直径的至少50％，任选地它们直径的至少20％，任选地它们直径的至少10％。激光束可包括红外光、可见光、任何其它合适波长的光或来自电磁波谱的任何合适部分的光。每个激光器可被布置成使得在操作过程中每个激光器将其激光束在大体垂直于所述直线的方向上传递到相应的至少一个光学元件。至少一个激光器或任选每个激光器可包括量子级联激光器。至少一个所述光学元件可包括平面或非楔形的光学元件。任选地，每个光学元件可包括相应的平面或非楔形的光学元件。多个光学元件可包括至少一个反射镜，任选地至少一个部分反射镜和/或至少一个分色镜。每个光学元件可具有在0.1mm至1mm范围内的厚度。光学元件可被串联布置，并且可被配置成使得在操作过程中每个光学元件将激光束从与其相关联的激光器引导到所述共同的光学路径，和/或引导或允许激光束沿着所述共同的光学路径从串联的之前的光学元件通过。至少一个光学元件或任选每个光学元件可至少部分是反射性的并且至少部分是透射性的。所述至少一个引导装置可包括在所述多个光学元件中的最后一个和样品单元之间且被配置成将激光束引导到所述光学单元内的导向光学器件。所述检测设备可包括多个检测器，每个检测器被配置成检测相应波长或波长范围的辐射。该系统还可包括控制器，其被配置成控制所述多个激光器的操作，以使得激光束为在时间上交错的脉冲激光束。所述控制器可被配置成使得检测设备和所述激光器的操作同步，从而获得一系列的检测信号，每个检测信号与所述激光器中的相应一个相关联。控制器可被配置成控制所述激光器的操作，以使得每一个激光束为在1千赫至200千赫范围内、任选地在10千赫至100千赫范围内脉动的脉冲，和/或其中所述控制器被配置成控制激光器，以使得每一个激光束以在100纳秒至5000纳秒范围内的脉冲长度进行脉动。该系统还可包括处理资源，其被配置成基于所检测到的光输出确定nox的量。所述多种化合物可包括下述的至少一种：no，no2，h2o，co，co2，ch4，so2，nh3，c2h2和o2。所述多个激光器中的每一个可被配置成产生红外激光辐射。每一个激光器可被配置成产生相应的不同波长或波长范围的激光束。至少一个波长范围或任选每个波长范围可选自于以下范围：5.2632至5.2356微米；6.1538至6.1162微米；4.4742至4.4743微米；7.4627至7.4349微米；0.7605至0.7599微米；和10.0到10.2微米。检测器设备可被布置在所述样品单元的相对于所述多个激光器和所述至少一个引导装置的相对侧上。该系统还可包括气体供应装置，其被配置成将样品、任选的为远程样品气体、供应到样品单元。样品单元可包括赫里奥特单元(herriotcell)和多通单元中的至少一个。该系统可以是连续排放监测系统。在本发明的可独立地提供的另一个方面中，提供了一种用于检测多种不同的化合物的方法，包括：产生多个激光束，每一个激光束用于激发一种或多种不同的化合物，将激光束沿着共同的光学路径引导到用于容纳一定体积的样品气体的样品单元，以及检测从样品单元输出的光。在一个方面中的特征可以任何适当组合的方式作为另一个方面中的特征来应用。例如，方法特征可作为系统特征来应用，反之亦然。附图说明现在将仅通过实例的方式并参照附图来对本发明的各个方面进行描述，其中：图1是激光光谱系统的示意图；图2是激光光谱系统的激光模块的示意图；以及图3是适于激光光谱系统的壳体的透视图。具体实施方式图1是用于分析收集在传感器设备12的样品单元10中的气体的激光光谱系统的示意图。该系统包括光学耦合到传感器设备12的激光器模块14。该系统还包括控制器16，其以电子、电性或其它方式连接到激光器模块14和传感器设备12。激光器模块14包括多个激光器18和至少一个引导装置，该引导装置为多个光学元件20的形式，光学元件20被布置成将来自激光器的激光束沿着共同的光学路径引导到样品单元10内，如下面关于图2更详细地描述的那样。除了样品单元10之外，传感器设备12还包括导向光学元件22和包括多个检测器的检测器设备24。这些检测器被配置成检测来自样品单元的光。该光可以是红外光、可见光、任何其它合适波长的光或来自电磁波光谱的任何合适部分的光。控制器16包括控制模块26和信号处理器28。控制模块26被配置成控制激光器的操作。信号处理器28被配置成处理从检测器设备24获得的信号。控制器16可以为例如适当地编程的个人计算机或其它计算机的形式，或者可包括专用电路或其它硬件，例如一个或多个asic、fpga或硬件和软件的任何合适组合。在一些实施例中，控制模块26和处理模块可作为单独的不同的组件提供(例如单独的处理资源)，而不是如图1中所示的被设置在相同控制器组件内。样品单元10具有光学入口孔和光学出口孔。样品单元10可以是例如赫里奥特单元(herriotcell)或任何其它合适类型的样品单元。图1所示的样品单元10限定气体样品可被引入并收集到其中的体积。该气体可包括所关注的一种或多种不同的化合物。可将来自激光器18的光通过样品单元10来确定收集在样品单元10中的气体是否包含这些化合物。如果光在对应于所关注的化合物的吸收光谱或吸收线的波长范围内，则当光穿过单元时所引起的任何光的吸收可能是由于在样品中存在所关注的化合物。一旦确定吸收水平，则可用于确定样品中的所关注的化合物的物理性质，例如浓度。由于不同的化合物具有不同波长的吸收光谱，不同波长的光被提供到样品单元10。图2是图1中所示激光光谱系统的激光模块14的一部分的更详细示意图。光学元件20包括一组部分反射镜32和分色镜34。部分反射镜镜32包括第一反射镜36，第二反射镜38，第三反射镜40，第四反射镜42和第五反射镜44。激光器18包括第一激光器46，第二激光器48，第三激光器50，第四激光器52，第五激光器54和第六激光器56。部分反射镜32和分色镜34被配置成将来自激光器18的激光束沿着共同的光学路径引导到点58。在系统中还包括(但在图2中未示出)用于将合并的激光束30沿着共同的光学路径从点58引导到样品单元10的附加导向光学元件。每个激光器46，48，50，52，54，56都具有相应的反射镜36，38，40，42，44，34。部分反射镜32和分色镜34被布置在一条直线上。每个反射镜相对于该直线以45度倾斜。该直线限定从第一反射镜36到分色镜34然后到点58的传播方向。合并的激光束30沿着该传播方向进行传播。可以使用任何合适的部分反射镜。在图2的实施例中，每个部分反射镜包括被涂覆的红外线baf2或caf2窗口，该窗口具有被施加以便控制前表面的宽带反射的光学涂层。在替代实施例中可使用任何其它合适的材料。在图2的实施例中，使用了两种涂层，涂层为80∶20(80％的透射率，20％的反射率)和50∶50(50％的透射率，50％的反射率)。这可允许各种激光功率被调节以将每个激光器的输出功率协调到一致的值(在实际极限值内)。在替代实施例中可使用更多或更少的涂层。图2的部分反射镜的涂层被设计成宽带，使得在它们响应于波长(尤其所关注波长附近)的改变的任何变化减少或最小化。可以使用任何合适的分色镜。在图2的实施例中，分色镜包括被涂覆的红外线baf2窗口，该窗口具有被施加具以便使得低于特定波长的光被反射以及高于特定波长的光被透射的光学涂层。在替代实施例中可使用任何其它合适的材料。在图2的实施例中，该涂层用于诸如反射波长小于1微米的光，以及用于透射波长大于1微米的光。在其它实施例中，可使用其它合适类型的反射镜或光学装置来代替部分反射镜和分色镜。例如，在一些实施例中，可在分色镜34的位置处(例如在点58之前的最后一个反射镜位置处)使用反射镜(既不是分色镜也不是部分反射镜)。可在最后的位置处使用这样的反射镜以将更多的功率引入到单元中。这是可能的，因为或者如果最后的位置不具有在它后面的任何附加的激光器，使得激光无需穿过最后一个位置。在替代实施例中，可以使用任何合适的数目和组合的部分反射镜和分色镜。每个部分反射镜32被配置成部分地反射以及部分地透射入射到其上的光。反射镜的反射和透射特性被选择成将来自激光器18的激光束沿着共同的光学路径引导。在图2的实施例中，每个部分反射镜32反射来自相应的激光器18的入射光的20％并透射入射光的80％。在替代实施例中，部分反射镜32可具有不同的反射和透射特性。分色镜34由反射波长范围限定，并且被配置成反射在反射波长范围内的波长的光，以及透射在反射波长范围外的波长的光。分色镜34的反射波长范围被选择成对应于第六激光器56的波长范围，使得来自第六激光器56的光被反射，而来自第一激光器至第五激光器的光被透射。反射镜是平面的或非楔形的光学元件。有利地，这允许系统以正交方式操作。例如，该系统具有一几何布置以使得从第一反射镜36到分色镜34的传播方向大体垂直于从激光器18输出的激光束。在一些实施例中使用平面或非楔形光学元件的另一个优点是，激光束到共同光学路径的引导可大体与波长无关，例如使得由光学元件所导致的任何畸变(distortion)效应或其它伪影(artefacts)可大体与波长无关。然而，使用反射镜可导致所产生的光信号受到条纹干涉影响。这些影响可通过选择光学元件的尺寸(特别是厚度)来控制系统的自由光谱范围而减少。自由光谱范围是两个连续的最大值或两个连续的最小值之间的波长差异的量度。典型地，光学元件的合适厚度小于1毫米。该选择呈现为最小4cm-1或更大的自由光谱范围。通过控制自由光谱范围，可以将发生条纹效应(fringingeffect)的频率偏移到不与样品单元10中化合物的测量重合和/或发生干扰。该量级的自由光谱范围提供光谱窗口，其在宽度上类似于由整个激光扫描所覆盖的光谱窗口。预期的效果是在激光脉冲背景上的曲率。该背景可使用作为信号处理的一部分的光谱拟合算法来移除。通过使用非平面或楔形的光学元件，可以避免在传感器设备12中的导向光学元件22和在将光引导到样品单元10的光学器件中的附加的条纹效应。在图2中的每个激光器具有属于该五个部分反射镜32和一个分色镜34的组的相应反射镜。在操作过程中，来自第一激光器46的激光束传递到第一反射镜36，然后从第一反射镜36到达点58。第一反射镜36被倾斜，以使得来自第一激光器46的激光束被第一反射镜36以直角反射。类似地，第二激光器至第五激光器中的每一个具有由第二反射镜到第五反射镜所限定的相应的光学路径。第六光学路径以相同的方式限定，即从第六激光器56到分色镜34再到达点58。所有的反射镜以与第一反射镜36相同的倾斜角度布置，以使得每个光学路径在其与它的相应反射镜的交点处以直角弯曲。反射镜被布置成使得来自激光器46，48，50，52，54，56的激光束在由它们对应的光学元件36，38，40，42，44，34反射之后沿着共同的光学路径经由点58到达单元10。例如，共同的光学路径可具有在第一反射镜36处的一端以及在通到样品单元10的入口孔84处的另一端，并可延伸通过点58，且当沿着共同的光学路径传递时，每个相应激光器的光学路径与共同的光学路径结合。因此，每个激光器的光学路径可大体上重叠。在操作过程中，激光器18由控制模块26或在其它实施例中由其它控制组件进行控制，以按序列产生脉冲。该序列可如下。第一激光器46产生第一脉冲，其由光学元件引导到点58，并进而传递到样品单元10。随后，第二激光器48产生第二脉冲，其由光学元件引导到点58并进而传递到样品单元10。这之后依次由第三激光器50产生第三脉冲，其由光学元件引导到点58并进而传递到样品单元10，由第四激光器52产生第四脉冲，其由光学元件引导到点58并进而传递到样品单元10，由第五激光器54产生第五脉冲，其由光学元件引导到点58并进而传递到样品单元10，以及由第六激光器56产生第六脉冲，其由光学元件引导到点58并进而传递到样品单元10。在第六脉冲之后，该序列被重复。来自每个激光器的脉冲光束在时间上交错和/或不重叠，并沿着共同的路径传播到样品单元10。按照上述序列，第一脉冲入射到第一反射镜36上并由第一反射镜36反射，然后由第二反射镜，第三反射镜，第四反射镜，第五反射镜和分色镜34传递到点58，并进到样品单元10和检测器设备24。随后，第二脉冲入射到第二反射镜38并由第二反射镜38反射，然后由第三反射镜，第四反射镜，第五反射镜和分色镜34传递到点58，并进而传递到样品单元10和检测器设备24。随后，第三脉冲入射到第三反射镜40并由第三反射镜40反射，然后由第四反射镜，第五反射镜和分色镜34传递到点58，并进而传递到样品单元10和检测器设备24。随后，第四脉冲入射到第四反射镜42并由第四反射镜42反射，然后由第五反射镜44和分色镜34传递到点58，并进而传递到样品单元10和检测器设备24。随后，第五脉冲入射到第五反射镜44并由第五反射镜44反射，然后由分色镜34传递到点58，并进而传递到样品单元10和检测器设备24。序列中的最后一个脉冲是第六脉冲，该脉冲入射到分色镜34并由分色镜34反射到点58，并进而传递到样品单元10和检测器设备24。脉冲序列之后被重复。脉冲穿过样品单元10到达传感器设备12。在传感器设备12中的导向光学元件22将光(来自第一激光器至第五激光器)从单元导向到第一检测器，该第一检测器对于来自第一激光器至第五激光器的光而言是敏感的。因此，在该实施例中，检测器中的一个对于来自多于一个的激光器的光而言是敏感的。在传感器设备12中的导向光学元件22将光(源自于第六激光器)从单元导向到第二检测器，该第二检测器对于来自第六激光器56的光而言是敏感的。导向光学元件22包括第二分色镜，其将第六激光器56的光朝向第二检测器引导以及将第一激光器至第五激光器的光引导到第一检测器。第二分色镜的光学特性匹配于激光模块14的分色镜34的特性。导向光学元件22包括两个独立的偏离轴线的抛物面反射镜，以便将光的两个不同的分支聚焦到两个检测器上。控制模块将激光器、第一检测器和第二检测器的操作同步，使得每个检测信号对应于从激光器的相应一个所接收到的光。图1的激光器18是半导体二极管激光器，其可操作以在波长的子范围内产生光。激光器可以是量子级联激光器，例如脉冲啁啾量子级联激光器。但是在替代的实施例中，可以使用任何其它合适类型的激光器。激光器可以产生例如2至3毫米直径的光束或任何其它合适大小的光束。波长的子范围可在红外光谱内。波长范围被选择成对应于一种或多种化合物的测量。由此仪器可提供多个波长范围的光，并且可例如将可见光、近红外光和/或中红外光合并以充分利用每种化合物的相应最合适波长。表1示出适于激光器18的波长范围、相应的波数范围和由在该波长范围内的光检测到的相应化合物的示例性实施方式：激光器波长范围(微米)波数范围(cm-1)检测到的化合物15.2632-5.23561900-1910氮氧化物(no)，水(h2o)26.1538-6.11621625-1635二氧化氮(no2)34.4742-4.47432225-2235一氧化碳(co)，二氧化碳(co2)47.4627-7.43491340-1345甲烷(ch4)，二氧化硫(so2)510.0-10.2980-1000氨(nh3)，乙炔(c2h2)60.7605-0.759913150-13160氧气(o2)表1对激光器波长范围的谨慎选择允许针对每个激光波长进行多次测量。如在表1中可以看出，前五个激光器的波长范围的数量级为相同的量级。然而，用于检测氧气的第六激光器的波长范围的数量级小一个量级(相对于前五个激光器的波长范围的数量级)。第一检测器和第二检测器被选择成相应地在第一激光器至第五激光器的波长范围内或在第六检测器的波长范围内检测光。控制模块26被配置成将一个或多个电子控制信号发送到激光器18。响应于电子控制信号，激光器18产生合并(或组合)的激光束30。控制信号用于按序列地脉动激光器18。换言之，控制信号用于按序列驱动每个激光器18，以使得在一个样品时间间隔内仅来自一个激光器的光被提供给光学元件20。光学元件20被配置成将来自每个激光器的光沿着激光器的光学路径引导以便使光沿着共同路径到达样品单元10。以这种方式，控制模块26控制激光器模块14产生合并的激光束30，并将合并的激光束30提供到样品单元10。激光器之间的切换频率被选择成确保在传感器设备12中获得可靠的测量。具体地，光脉冲用于穿越其样品单元的光学路径所花费的时间取决于脉冲的物理特性和样品单元10的尺寸。如果在一个样品时间间隔内有来自多于一个的激光器的光入射到采样单元10内，则可能会发生导致测量不可靠的干扰。因此，随后的激光脉冲的脉冲长度和频率被控制和选择成将光穿越其样品单元的光学路径所花费的时间考虑在内，以确保仅仅来自一个激光器的光在一个样品时间间隔内存在于样品单元10内。对于来自激光器18的脉冲而言，合适的脉冲持续时间可在100纳秒和5000纳秒之间。在一些实施例中连续脉冲的频率可高达100千赫。信号处理器28处理来自检测器的检测信号来确定正被研究的不同化合物的浓度和/或相对量，或确定任何其它所需的性质。信号处理器28使用任何合适的已知处理技术来确定浓度、相对量或其它性质。还可提供校准机构。一个示例性的校准机构包括相机和反射镜调节机构。相机被定位在点58处或被定位在点58附近以便与合并的激光束30的所需传播方向相交。该所需的传播方向是如此的以至于合并的激光束30在正常操作中将经由共同的光学路径进入样品单元10。在校准步骤中，样品光束由激光器18产生并且由光学元件20引导到相机。相机检测入射到其上的样品光束相对于所需传播方向的位置。反射镜调节机构调节部分反射镜32和分色镜34的位置(特别是相对于传播方向的倾斜度)以将激光器18的光学路径与所需传播方向大体对准以及将光学路径彼此大体对准。例如，光学路径大体在1.1°的公差内对准。对每个激光器18重复校准步骤。图3是适于激光光谱系统的壳体的透视图。壳体具有上部60和下部62。上部60具有剥离盖64，其由第一释放锁扣和第二释放锁扣66固定在闭合位置。样品单元10位于壳体的上部60内。为样品供应管68形式的气体供应装置将气体提供到样品单元。样品返回管70给来自样品单元的气体提供出口。通风经由上部60中的通风口72提供给样品单元。下部62具有操作员用户输入显示器74和吹扫控制显示器76。在图3的实施例中，用户输入显示器用于与分析仪交互以及用于测量和状态的可视通信。在该实施例中，用户输入显示器提供一些维护功能，但其主要目的是提供测量值和状态的通信。图3实施例的吹扫控制显示器76用于控制外壳的空气吹扫。这可能是危险区域安装的要求，在其中必须采取措施来防止火灾隐患。在这种情况下，经由吹扫控制显示器76控制的空气吹扫给系统的外壳或壳体供应(例如不断供应)洁净的空气，以防止建立易爆的环境。连接到下部62的还有三个输出导管78。导管提供电击穿，其允许功率和控制信号被发送到系统并允许从系统传输数据。所传输的数据可以例如为数字信号、数字健康信号、指示测得的气体值的(例如4-20ma信号的)模拟信号、更复杂的协议(诸如modbus)的形式，或为任何其它合适的形式。上述布置提供一种紧凑的系统。在一些实施例中，壳体可为约550厘米长，上部可为约200厘米高以及下部可为约370厘米高。样品供给管68和样品返回管70提供通过样品单元的流体连通路径。样品气体可从远程位置收集，并且可经由样品供应管68被输送到样品单元待以被采样。样品气体然后可经由样品返回管70从样品单元排走。样品供应管68与样品返回管70一起允许仪器远程操作(相比于原位发射感测)。在替代实施例中可以使用任何其它合适的气体供应布置。样品处理系统(shs)单元(未示出)可被设置以控制样品单元10中的气体压力。可以使用任何合适的shs单元或其它压力控制装置，其可以包括或可以不包括泵，可以由或可以不由泵驱动，或可以包括或可以不包括其它的压力控制组件(诸如阀布置)。在图3的实施例中，shs单元包括抽吸器而不是泵。但在其它实施例中可以使用泵或其它压力控制装置或元件。此外，壳体包括至少一个吸收元件以便吸收不沿着共同路径引导到样品单元10的激光。该至少一个吸收元件可包括附加的光学元件，例如楔形的光学元件。任何合适的样品单元都可用作样品单元10。在图1至图3的实施例中，使用了赫里奥特单元(herriotcell)作为样品单元。然而，可以使用任何合适的赫里奥特单元，或任何合适的多通分光吸收单元，或者例如任何其它被配置成提供激光束和样品气体的相互作用(例如通过激光束在包含该气体的腔室的表面之间进行反射)的单元。本领域内的技术人员将会理解的是，在不脱离所要求保护的本发明范围的情况下，所述实施例是可以变化的。例如，虽然所述的是，在控制器中的控制模块用于按序地脉冲激光器的输出以便允许产生合并的光束，但是也可使用其它控制器布置。其中一个替代方案是机械光学开关布置，其在物理上控制激光，以使得在给定的时间间隔内仅一个激光器将光提供给光学元件。作为另一实例，所述的激光器是在一个波长范围内工作的半导体二极管激光器。然而，激光器可以是能够提供适当波长的光的任何适当的辐射源。此外，激光器可以是单波长的。另一个变型的实例是用任何适当的聚焦布置代替偏离轴线的抛物面反射镜。因此，以上对于具体实施例的描述仅仅是通过实例的方式而非为了限制的目的而进行的。本领域内的技术人员人员将明了的是，可对本发明稍作修改而不显著改变所述操作。当前第1页12