气体浓度二维分布在线检测系统及方法与流程

本发明涉及激光光谱气体在线检测技术领域，特别涉及一种针对工业过程产生的气体浓度二维分布在线检测系统及方法。

背景技术：

现代工业过程通常涉及较为复杂的气氛环境，气氛条件对生产过程的工艺控制和安全具有重要意义，比如，在燃烧过程中，通过对烟气成分进行检测可以对污染物的排放监测提供信息和为燃烧过程的控制提供依据；在冶金、化工工业中，通过对过程中产生的气体进行准确的测量可以为工艺过程的终点的判断提供可靠的依据；在半导体材料与器件的生产过程中，需要用高纯度气体作为保护气、反应气和携带气等，因此需要通过通过对气氛条件进行准确的测量来保证半导体材料、分立器件与集成电路的性能、可靠性和成品率。而且在石油化学工业过程中，有些气体在生产、运输及使用过程中一旦发生泄漏而未能得到及时全面的检测，将会引起中毒、火灾甚至爆炸事故。因此，通过对生产过程气氛条件的精确测量和控制可以有效的提升产品的质量和生产效率，保证生产过程的稳定和安全。

传统的气体检测技术主要包括基于采样方式的实验室分析方法和现场测量的点式仪器，前者主要包括化学分析法和气相色谱法等，在使用时具有分析过程原理现场，检测周期长，代表性差等缺陷。后者主要包括电化学和半导体传感技术，具有价格相对低廉，能进行现场检测等优点，但是后者无法反映工业过程中气氛条件的全部信息，而且半导体等敏感元件存在中毒失效的问题，难以满足在工业复杂恶劣环境下的长期连续工作的要求。因此这两种传统的气体检测技术近年来逐渐被红外可调谐半导体激光光谱(Tunable diode laser spectroscopy,TDLAS)技术代替，TDLAS技术具有高分辨、高灵敏、快速响应等优点，但是TDLAS技术本质上属于视线检测技术，只能获得光路平均的气体浓度值，但是气体在光路光程上的分布是不均匀的，因此光路的平均气体浓度值并不能准确的反映生产过程中的气氛环境。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种气体浓度二维分布在线检测系统及方法，以解决现有技术无法直接获取气体浓度的二维分布参数，不能真实客观的反映生产过程中的气氛条件的问题。

为实现以上目的，本发明采用的技术方案为：第一方面，本发明提供一种气体浓度二维分布在线检测系统，该系统包括：激光控制柜、激光分光柜、数据接收柜以及计算机，激光分光柜与激光控制柜连接以将激光控制柜发出的激光路进行分光，经激光分光柜分光得到的激光光路通过激光发射端组发射至数据接收柜，数据接收柜通过红外光电探测器组接收激光发射端组发射的激光光路进行处理后传输至计算机，计算机对处理后的检测光路进行计算，激光分光柜将激光控制柜发出的激光路分成呈网状分布的多路检测光路和1路参考光路，多路检测光路、1路参考光路分别穿过待检测目标气体区域、参考目标气体区域后被数据接收柜接收，计算机对数据接收柜处理后的多路检测光路和1路参考光路进行计算得到气体浓度二维分布数据。

第二方面，本发明提供一种气体浓度二维分布在线检测方法，该方法包括：

S1、根据各路检测光路探测得到的光谱数据序列D_i(n)、参考光路的光谱数据序列D_R(n)，计算各路检测光路的积分吸光度A_i以及参考光路的积分吸光度A_R，其中，i为常数表示检测光路的序数，n表示检测光路和参考光路探测得到的光谱数据序列中数据点的位置；

S2、根据各检测光路的积分吸光度A_i和各检测光路的光程L_i,j，计算方形二维重建虚拟像素区内各像素内气体的吸收系数a_i，其中，L_i,j表示第i条检测光路在标号为j的像素内的光程；

S3、根据所述参考目标气体区域内的目标气体的浓度C_o、参考目标气体区域内的光程L_o、参考光路的积分吸光度A_R以及各像素内气体的吸收系数a_i，计算方形二维重建虚拟像素区内各像素内目标气体的二维浓度值。

与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：现有技术是将激光路分成一路检测光路和一路参考光路，检测光路和参考光路分别通过待检测目标气体区域和气体浓度已知的目标气体区域，通过计算，只能获得检测光路平均的气体浓度，而本发明通过将现有的激光路分成多路检测光路和一路参考光路，多路检测光路呈网状分布，通过预先设置的算法计算出网格内的气体浓度，进而得到待检测目标气体区域的气体浓度二维分布数据。气体浓度的二维分布数据可以精确、客观的反映待检测目标气体区域的气氛环境，以为生产过程的工艺控制提供准确的依据，保证生产过程的稳定和安全。

附图说明

图1是实施例中气体浓度二维分布在线检测系统的结构示意图；

图2是实施例中参考光路的布置示意图；

图3是实施例中气体浓度二维分布在线检测系统的结构示意图；

图4是实施例中气体浓度二维分布在线检测系统的结构示意图；

图5是实施例中气体浓度二维分布在线检测方法的流程示意图；

图6是实施例中气体浓度二维分布在线检测方法的数据处理流程示意图。

具体实施方式

下面结合图1至图6，对本发明做进一步详细叙述。

结合图1至图2所示，本实施例提供的一种气体浓度二维分布在线检测系统包括：激光控制柜10、激光分光柜20、数据接收柜30以及计算机40，激光分光柜20与激光控制柜10连接以将激光控制柜10发出的激光路进行分光，经激光分光柜20分光得到的激光光路通过激光发射端组50发射至数据接收柜30，数据接收柜30通过红外光电探测器组60接收激光发射端组50发射的激光光路进行处理后传输至计算机40，计算机40对处理后的检测光路进行计算，激光分光柜20将激光控制柜10发出的激光路分成呈网状分布的多路检测光路21和1路参考光路22，多路检测光路21、1路参考光路22分别穿过待检测目标气体区域1、参考目标气体区域2后被数据接收柜30接收，计算机40对数据接收柜30处理后的多路检测光路和1路参考光路进行计算得到目标气体浓度二维分布数据。

其中，该处的参考目标气体区域2的浓度是已知的，通过将参考光路22通过参考目标气体区域2作为参照来计算待检测目标气体区域2的气体浓度二维数据。

其中，参阅图2所示，多路检测光路21包括纵路组检测光路和横路组检测光路，纵路组检测光路和横路组检测光路以正交方式均匀排列，形成网状分布结构。本实施例中以16路检测光路为例，其中纵路组检测光路和横路组检测光路均包括8路检测光路。这里需要说明的是，纵路组检测光路与横路组检测光路以正交方式均匀排列作为本实施例较为优选的方案，本领域技术人员可以根据实际情况将纵路组检测光路和横路组检测光路以一定的角度相交排列。

具体地，参阅图3所示，在待检测目标气体区域1上分布有方形二维重建虚拟像素区3，方形二维重建虚拟像素区3的边缘与多路检测光路21按照预设的夹角布置，这里将方形二维重建虚拟像素区3的边缘与多路检测光路21以45度夹角布置作为本实施例的优选方案，其中方形二维重建虚拟像素区3的对角线与多路检测光路21平行或垂直。如此布置后，通过计算经过同一个像素j内的检测光路21的光程上的气体浓度，其中，j为常数，1≤j≤m，m方形二维重建虚拟像素区3内像素的总个数。进而得到该像素j内的目标气体吸收系数，最后通过对每个像素内的目标气体系数进行反演得到每个像素内的气体浓度，即待检测目标气体区域上每个像素内的气体浓度。本实施例中计算得到的每个像素内的气体浓度与传统计算得到的光路上平均的气体浓度值相比，更能精确的反映出待检测目标气体区域气氛环境。

具体地，结合图2至图3所示，为了得到多路检测光路21和1路参考光路22，激光发射端组50包括多个第一激光发射端51和1个第二激光发射端52，红外光电探测器组60包括多个检测红外光电探测器61和1个参考红外光电探测器62；激光分光柜20通过多个第一激光发射端51发出的多路检测光路被多个检测红外光电探测器61接收、通过1个第二激光发射端52发出的1路参考光路被1个参考红外光电探测器62接收；且多路检测光路21呈网状分布构成检测光路31，1路参考光路22构成参考光路32。与现有技术相比，本实施例通过设置多个第一激光发射端51，并将多个第一激光发射端51按照图2中的方式进行布置，以使多个第一激光发射端51发射出的多路检测光路21呈网状分布。

具体地，如图4所示，激光控制柜10包括激光控制柜箱体11、近红外DFB半导体激光器12、半导体激光控制模块13、信号发生器14、第一电源插座15、第一电源开关16、第一直流稳压电源17、第一散热风扇18、第一输出光纤耦合器19；激光分光柜20包括输入光纤耦合器23、第一单模光纤24、1分17光纤分路器25、参考输出光纤耦合器26、16个检测输出光纤耦合器01-016、激光分束盒27；数据接收柜30包括17个信号电缆接口33、数据接收柜机箱34、低通滤波放大模块35、信号电缆接口36、数据采集模块37、第二散热风扇38、第二电源插座39、第二电源开关41、第二直流稳压电源42；其中，第一输出光纤耦合器19通过第二单模光纤28与激光分束盒27连接以使激光控制柜10的输出端与激光分光柜20的接收端连接，激光分光柜20的输出端依次通过16个第一激光发射端51、16个第三单模光纤29与数据接收柜30的数据接收端连接，数据接收柜30的数据输出端通过信号电缆43与计算机40连接；其中，激光分光柜20中的1分17光纤分路器25通过单模光纤分别与16个检测输出光纤耦合器01-016的接收端、参考输出光纤耦合器26的接收端连接；16个检测输出光纤耦合器01-016的输出端分别与16个第一激光发射端51的接收端连接，16个第一激光发射端51输出的16路检测光路经过待检测目标气体区域1后被16个检测红外光电探测器61接收；参考输出光纤耦合器26的输出端与第二激光发射端52连接，第二激光发射端52输出的参考光路通过参考目标气体区域2后被参考红外光电探测器62接收。

这里需要说明的是，激光控制柜10、激光分光柜20以及数据接收柜30中具体的电路布置与现有技术大致相同，其区别点就在于激光分光柜20中的光纤分路器为1分17光纤分路器25，因此，此处对激光控制柜10、激光分光柜20以及数据接收柜30中具体的电路布置不再赘述。

具体地，上述实施例中的计算机40对数据接收柜30传输的数据进行计算待检测目标气体区域的气体二维浓度，具体的计算过程如本实施例提供的一种气体浓度二维分布在线检测方法，该方法的流程示意图参见图5，包括如下步骤S1至S3：

S1、根据各路检测光路探测得到的光谱数据序列D_i(n)、参考光路的光谱数据序列D_R(n)，计算各路检测光路的积分吸光度A_i以及参考光路的积分吸光度A_R，其中，i为常数表示检测光路的序数，n表示检测光路和参考光路探测得到的光谱数据序列中数据点的位置；

S2、根据各检测光路的积分吸光度A_i和各检测光路的光程L_i,j，计算方形二维重建虚拟像素区内各像素内气体的吸收系数a_i，其中，L_i,j表示第i条检测光路在标号为j的像素内的光程；

S3、根据所述参考目标气体区域内的目标气体的浓度C_o、参考目标气体区域内的光程L_o、参考光路的积分吸光度A_R以及各像素内气体的吸收系数a_i，计算方形二维重建虚拟像素区内各像素内目标气体的二维浓度值。

具体地，上述实施例中的步骤S1具体包括：

基于参考光路的光谱数据序列D_R(n)，分别对多次测量的各检测光路的光谱数据序列D_i(n)进行对齐处理，并对多次进行对齐处理后的D_i(n)分别进行累加平均处理得到各待用的检测光路的光谱数据序列D`<sub>i</sub>(n)、对多次测量的D<sub>R</sub>(n)进行累加平均处理得到待用的参考光路的光谱数据序列D`_R(n)；

根据未吸收的背景光谱区域的光谱数据序列分别拟合得到光强拟合函数B_i(n)和B_R(n)，并利用光强拟合函数B(n)、B_R(n)分别对各待用光谱数据序列D`_i(n)、参考光路的光谱数据序列D_R(n)进行归一化处理，得到归一化处理后的各检测光路的吸收光谱数据序列ΔD_i(n)、参考光路的吸收光谱数据序列ΔD_R(n)；

根据预设的光谱线型，对各吸收光谱数据序列ΔD_i(n)和ΔD_R(n)的线型分别进行拟合，得到各检测光路的积分吸光度A_i以及参考光路的积分吸光度A_R。

这里，如图6所示，以16路检测光路为例，进行待检测目标气体区域的气体浓度的计算过程如下：

(1)对各路检测光路21进行光谱频移与累加平均处理：基于1路参考光路的光谱数据序列D_R(n)，对16路检测光路的光谱数据序列D₀₁(n)～D₁₆(n)分别进行对齐处理，以D₀₁(n)为例：以光谱数据序列中位置n₀作为吸收光谱峰值的参考位置，对参考光路的光谱数据序列D_R(n)中高浓度目标气体强吸收峰值寻峰，确定中心位置，并比较中心位置与参考位置n₀的偏移Δn，以获得该检测光路光谱数据序列D₀₁(n)峰值参考位置n₀发生的偏移数据点数Δn，然后将该检测光路光谱数据序列D₀₁(n)向相反的方向进行频移以消除D₀₁(n)的漂移，数据处理过程表示为：然后对多次测量的D₀₁(n)进行相同的频移处理，并将多次处理后的D₀₁(n)进行累加平均处理，得到16路待用光谱数据序列D`<sub>01</sub>(n)～D`₁₆(n)。

(2)对16路待用光谱数据序列D`<sub>01</sub>(n)～D`₁₆(n)进行光谱的强度归一化处理：各检测光路和参考光路的光谱数据序列为叠加在斜坡背景的吸收信号，其吸收强度与光强呈正比，利用没有吸收的背景光谱区的数据序列可以拟合得到光强信息，背景光谱区域的光强拟合函数为：B(n)＝b₀+b₁n+b₂n²，通过拟合可以得到16路检测光路对应的背景光谱区域的光强拟合函数B₀₁(n)～B₁₆(n)和参考光路的背景光谱区域的光强拟合函数B_R(n)，因为各路检测光路收到待检测目标气体区域的气体环境的影响和光强的影响，因此，这里将各路检测光路的光谱数据序列转化为吸收系数的吸收光谱数据序列，即消除光强对各路检测光路的影响，各路检测光路的光谱数据序列对应的吸收光谱数据序列为：其中i为常数且1≤i≤16，参考光路的光谱数据序列对应的吸收光谱数据序列为：

(3)计算各路检测光路的光谱数据序列的积分吸光度：这里选定光谱线型为洛伦兹线型，对各路检测光路对应的吸收系数的吸收光谱数据序列进行光谱线型拟合，拟合函数关系为：其中r_L、n₀和A_i为拟合参数，A_i即为各路检测光路的吸收光谱数据序列的积分吸光度，同样的，按照此种方式拟合得到参考光路的吸收光谱数据序列的积分吸光度A_R。

(4)计算方形二维重建虚拟像素区内各像素内的目标气体吸收系数：待检测目标气体区域与方形二维重建虚拟像素区的设定如图2所示，假设各像素内的气体浓度均匀，记方形二维重建虚拟像素区各像素的标号为1～m，各像素内的目标气体吸收系数为α₁～α_m，各像素内的目标气体吸收系数由如下公式计算得到：

其中，L_i,j表示第i条检测光路在标号为j的像素内的光程，1≤j≤m。

(5)根据各像素内的目标气体吸收系数进行目标气体浓度反演，计算方形二维重建虚拟像素区内各像素内目标气体的二维浓度值：在实际应用中，参考目标气体区域2内的气体浓度为C_o，参考光路22经过参考目标气体区域2内的光程为L_o，根据如下公式计算各检测光路光程上的目标气体浓度值：

(6)将计算方形二维重建虚拟像素区内各像素内目标气体的二维浓度值按顺序排列成二维阵列f(p,q)，即得到方形二维重建虚拟像素区内各像素内目标气体的二维浓度值，其中，p，q分别为二维矩阵的行标和列标。

具体地，作为本实施例较为优选的方案，在上述过程(6)之后，根据方形二维重建虚拟像素区内各像素内气体的浓度值，重建待检测目标气体区域的气体浓度二维分布图像。

具体地，作为本实施例较为优选的方案，本实施例中对二维阵列f(i,j)进行双三次插值运算，以得到优化后的二维阵列。这样可以提高最后得到的待检测目标气体区域的气体浓度二维分布图像的分辨率。

需要说明的是，双三次插值的公式为：f(i+u,j+v)＝ABC，其中A、B、C均为矩阵，其形式如下：

A＝[S(1+u) S(u) S(1-u) S(2-u)]；

C＝[S(1+v) S(v) S(1-v) S(2-v)]；

其中插值基函数的表达式如下：

本实施例提出的气体浓度二维分布在线检测方法基于网状光路技术、光强信号拟合与光谱归一化、实时检测相结合的检测方法，实现了工业过程中气体高分辨红外激光光谱光强的自我修正，满足工业过程复杂环境下气体浓度检测的高灵敏在线测量要求，能精确的反映出工业过程复杂的气体环境。