一种三维空间气体浓度分布测量装置及方法与流程

本发明涉及环境监测技术领域，具体涉及一种三维空间气体浓度分布测量装置及方法。

背景技术：

人们有90％的时间是在室内环境中度过的，因此由室内污染物所导致的健康和环境问题尤为引人关注。通过测量室内污染物浓度分布，分析室内污染物的传播规律，并进一步评价建筑内人员暴露水平及环控系统性能十分重要。另外，对于工业环境，特别是化工行业，很多有毒有害的化学气体是无色无味的。当其发生泄露时，要及时报警，并对泄漏源进行准确的识别，这也需要对工业厂房内气体浓度分布进行快速、准确的测量。总之，建筑空间内气相浓度三维分布的测量对于居住建筑室内环境改善和工业建筑生产安全保障有重要意义。

技术实现要素：

本发明的实施例提供一种三维空间气体浓度分布测量装置及方法，能够自动、迅速地测量得到空间的气体浓度分布。

为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：

第一方面，本发明的实施例提供一种三维空间气体浓度分布测量装置，包括：工作台、驱动机构、扫描装置、传感器和处理器；所述扫描装置和所述传感器均安装在所述工作台上，所述驱动机构用于带动所述工作台和所述传感器转动；所述处理器分别连接所述驱动机构、所述扫描装置和所述传感器。

作为本发明实施例的进一步改进，所述驱动机构包括竖直驱动机构和水平驱动机构，所述竖直驱动机构连接所述工作台，带动所述工作台在竖直面上转动；所述水平驱动机构连接所述传感器，带动所述传感器在第一平面上转动，所述第一平面平行于所述工作台所处平面。

作为本发明实施例的进一步改进，所述工作台包括相互平行的上下布设的第一平台和第二平台，以及用于连接所述第一平台和第二平台的转轴；所述竖直驱动机构连接所述转轴，驱动转轴带动所述第一平台和所述第二平台在竖直面上转动；所述扫描装置安装在所述第一平台上，所述传感器安装在所述第二平台上。

作为本发明实施例的进一步改进，所述扫描装置用于测量二维平面结构并将测量的二维平面结构发送给处理器；所述传感器用于测量光路积分浓度并将测量得到的光路积分浓度发送给处理器；所述处理器用于向所述驱动机构发送转动信号，接收所述扫描装置发送的二维平面结构和传感器发送的光路积分浓度，并根据二维平面结构和光路积分浓度计算得到三维空间的气体浓度分布。

作为本发明实施例的进一步改进，所述扫描装置为可旋转的激光雷达。

作为本发明实施例的进一步改进，所述传感器为可调谐二极管激光吸收光谱传感器。

作为本发明实施例的进一步改进，所述可调谐二极管激光吸收光谱传感器的激光波长调谐范围为780nm至2526nm。

第二方面，本发明的实施例提供一种三维空间气体浓度分布测量方法，包括：

获取断层平面与预设平面之间的夹角，测量获得所述断层平面的网格浓度；

调整所述夹角，测量获得新的断层平面的网格浓度，直至获取三维空间的所有断层平面的网格浓度；

根据所有断层平面的网格浓度，获得所述三维空间的气体浓度分布。

作为本发明实施例的进一步改进，所述测量获得所述断层平面的网格浓度，具体包括：

测量获得所述断层平面的网格结构；

测量获得所述断层平面的光路积分浓度；

根据所述网格结构和光路积分浓度，得到所述断层平面的网格浓度。

作为本发明实施例的进一步改进，所述测量获得所述断层平面的网格结构，具体包括：

采用扫描装置在所述断层平面上进行转动测量，获得所述断层平面的二维平面结构；

对所述二维平面结构进行网格划分，得到所述断层平面的网格结构，所述网络结构包括n个网格，n为大于1的整数。

作为本发明实施例的进一步改进，所述测量获得所述断层平面的光路积分浓度，具体包括：

采用传感器在所述断层平面上进行旋转扫描测量，获得所述断层平面的各光路积分浓度和各光路角度，根据各光路积分浓度得到所述断层平面的光路积分浓度。

作为本发明实施例的进一步改进，所述根据所述网格结构和光路积分浓度，得到所述断层平面的网格浓度，具体包括：

根据所述光路角度和所述网格结构，得到每条光路被网格结构的网格截断的长度，得到光路截断矩阵；

根据所述光路积分浓度和光路截断矩阵，计算得到所述断层平面的网格浓度。

作为本发明实施例的进一步改进，所述根据所述光路积分浓度和光路截断矩阵，计算得到所述断层平面的网格浓度，具体包括：

使用式(1)计算得到所述断层平面的网格浓度：

其中，c∈r^n×1表示网格浓度矩阵，c^*表示估计浓度向量,a∈r^m×n表示光路截断矩阵，a^t∈r^n×m表示光路截断矩阵的转置矩阵，y∈r^m×1表示光路积分浓度矩阵，m表示光路数目，λ表示正则化参数，l表示规整化矩阵,l^t表示规整化矩阵的转置矩阵。

作为本发明实施例的进一步改进，所述根据所有断层平面的网格浓度，获得所述三维空间的气体浓度分布，具体包括：

建立所述三维空间的三维坐标系，所述三维坐标系以预设平面为xoy平面；

根据各断层平面与预设平面之间的夹角，建立各断层平面和三维空间的坐标映射关系；

根据所有断层平面的网格浓度和坐标映射关系，得到三维空间的气体浓度分布。

本发明实施例提供的三维空间气体浓度分布测量装置及方法，能够自动、迅速地测量得到空间地气体浓度分布。本发明实施例将处理器、用于带动工作台和传感器转动的驱动机构、用于测量二维平面结构的扫描装置和用于测量光路积分浓度的传感器结合，可以对三维空间进行自动断层测量，得到每个断层平面的二维平面结构和光路积分浓度后，使用层析算法重构得到断层平面的浓度分布，从而进一步得到三维空间的气体浓度分布。与传统的气体传感器和测量方法相比，不需要布置大量的传感器介入到空间当中进行测量，简化了测量过程，大大提高了测量速度和效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的三维空间气体浓度分布测量装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的三维空间气体浓度分布测量方法的方法流程图。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的提前下所获得的实施例，都应属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供一种三维空间气体浓度分布测量装置，如图1所示，该装置包括工作台、驱动机构、扫描装置3、传感器4和处理器。扫描装置3和传感器4均安装在所述工作台上，驱动机构用于带动所述工作台和所述传感器4转动。所述处理器分别连接所述驱动机构、所述扫描装置3和所述传感器4。

上述实施例中，扫描装置3用于测量平面的二维平面结构，传感器4用于测量平面的光路积分浓度，处理器用于控制驱动机构带动工作台和传感器4转动，并接收扫描装置3测量的二维平面结构数据和传感器4测量的光路积分浓度数据，处理得到三维空间的气体浓度分布数据。优选的，处理器采用arm公司的stm32f4芯片。

上述实施例的三维空间气体浓度分布测量装置，将处理器、用于带动工作台和传感器转动的驱动机构、用于测量二维平面结构的扫描装置3和用于测量光路积分浓度的传感器4结合，可以对三维空间进行自动断层测量，得到每个断层平面的断层结构和光路积分浓度后，使用层析算法重构断层平面的浓度分布，从而进一步得到三维空间的气体浓度分布。与传统的使用气体传感器测量相比，不需要布置大量的传感器介入到空间当中进行测量，简化了测量过程，大大提高了测量速度和效率。

作为优选例，所述驱动机构包括竖直驱动机构和水平驱动机构22，所述竖直驱动机构连接所述工作台，带动所述工作台在竖直面上转动；所述水平驱动机构22连接所述传感器4，带动所述传感器4在第一平面上转动，所述第一平面平行于所述工作台所处平面。其中，竖直驱动机构和水平驱动结构均可为电机。

上述实施例中，竖直驱动机构带动工作台在竖直面上转动，即带动扫描装置3和传感器4在竖直面上转动，调整工作台所处平面与预设平面之间的夹角后，扫描装置3在平行于工作台所处平面的平面上转动一周，即可测量得到该平面的二维平面结构。水平驱动机构22带动传感器4在平行于工作台所处平面的平面上转动，转动一周，即可测量得到该平面的光路积分浓度，从而得到一断层平面的二维平面结构和光路积分浓度。通过驱动机构调整工作台所处平面与预设平面之间的夹角，可依次得到三维空间的各断层平面的二维平面结构和光路积分浓度，实现对三维空间的断层测量。

作为优选例，所述工作台包括相互平行的上下布设的第一平台11和第二平台12，以及用于连接所述第一平台11和第二平台12的转轴13；所述竖直驱动机构连接所述转轴13，驱动转轴13带动所述第一平台11和所述第二平台12在竖直面上转动；所述扫描装置3安装在所述第一平台11上，所述传感器4安装在所述第二平台12上。本实施例中，工作台呈u型，且扫描装置3和传感器4分别安装在上下平行的平台上，使得扫描装置3和传感器4进行扫描测量时不会相互遮挡和干扰，可同时进行同一断层平面的二维平面结构和光路气体积分浓度的测量，减少测量次数，提高测量效率。

作为优选例，所述装置还包括倾角测量仪，所述倾角测量仪安装在所述工作台上，所述倾角测量仪连接所述处理器。倾角测量仪用于测量工作台在竖直面上的转动角度，即测量的断层平面与预设平面之间的夹角，将测量的数据发送给处理器，处理器可根据测量数据来控制驱动机构带动工作台转动角度，使得按照预设转动角度进行测量，提高测量准确率。

作为优选例，所述扫描装置3为可旋转的激光雷达。使用可旋转的激光雷达测量二维平面结构，无需增设用于驱动激光雷达转动的机构，使得整个装置结构简单，激光雷达测量二维平面结构，测量准确率高。

作为优选例，所述传感器4为可调谐二极管激光吸收光谱传感器。使用可调谐二极管激光吸收光谱传感器测量光路积分浓度，相比于实时光学传感器结合反射透镜，不需要调整反射透镜，能够更快的进行扫描，并且获取准确率较高的光路积分浓度。

作为优选例，所述可调谐二极管激光吸收光谱传感器的激光波长调谐范围为780nm至2526nm。通过调节激光波长，可测量不同气体的浓度分布。本实施例中，调节激光波长为1572.3nm，可用于测量二氧化碳浓度分布。调节激光波长为1665.4nm，可用于测量甲烷浓度分布。

上述实施例的三维空间气体浓度分布测量装置的工作过程如下：

将上述实施例的三维空间气体浓度分布测量装置放置在待测量的建筑空间内，工作台所处的初始平面为预设平面，预设平面可以平行于水平面。

上述实施例的三维空间气体浓度分布测量装置开始工作，处理器向竖直驱动机构发送竖直转动信号，竖直驱动机构驱动工作台带动激光雷达和可调谐二极管激光吸收光谱传感器在竖直面上转动垂直预设角度。

处理器向可调谐二极管激光吸收光谱传感器发送测量信号，可调谐二极管激光吸收光谱传感器测量得到第一条光路气体积分浓度，并将测量数据发送给处理器。处理器向水平驱动机构发送水平转动信号，水平驱动机构驱动可调谐二极管激光吸收光谱传感器在平行于工作台所处平面的平面上转动水平预设角度。处理器向可调谐二极管激光吸收光谱传感器发送测量信号，可调谐二极管激光吸收光谱传感器测量得到第二条光路气体积分浓度，并将测量数据发送给处理器。处理器向向水平驱动机构发送水平转动信号，直至可调谐二极管激光吸收光谱传感器在平行于工作台所处平面的平面上转动了m度。从而处理器获得第一断层平面的光路气体积分浓度。

处理器向激光雷达发射测量信号，激光雷达在平行于工作台所处平面的平面上转动并测量，将测量数据发送给处理器，直至激光雷达在平行于工作台所处平面的平面上转动了p度。从而处理器获得第一断层平面的二维平面结构。

处理器向竖直驱动机构发送竖直转动信号，直至竖直驱动机构驱动工作台带动激光雷达和可调谐二极管激光吸收光谱传感器在竖直面上转动了q度。从而处理器获得多个断层平面的二维平面结构和光路气体积分浓度。

处理器根据每个断层平面的二维平面结构和光路气体积分浓度，使用层析重构算法计算得到各断层平面的网格浓度。最后根据各断层平面与水平面的夹角，进行各断层平面与三维空间的坐标转换，从而得到三维空间的气体浓度分布。

其中，三维空间气体浓度分布测量装置在建筑空间的安装位置不同，上述p和q的取值不同。例如，三维空间气体浓度分布测量装置安装在建筑空间的一面墙上时，p为180，q为180；三维空间气体浓度分布测量装置安装在建筑空间的两面墙的交界处时，p为180，q为90；三维空间气体浓度分布测量装置安装在建筑空间的三面墙的交界处时，p为90，q为90。作为优选，将上述实施例的三维空间气体浓度分布测量装置安装在建筑空间的三面墙的交界处，测量的断层平面数量少，工作台和传感器转动的角度范围小，测量次数少，可迅速完成整个三维空间的气体浓度分布测量，提高测量的效率，同时减少由于多次测量引入的误差，提高测量的准确率。

本发明实施例还提供一种三维空间气体浓度分布测量方法，如图2所示，包括：

s10，获取断层平面与预设平面之间的夹角，测量获得所述断层平面的网格浓度；

s20，调整所述夹角，测量获得新的断层平面的网格浓度，直至获取三维空间的所有断层平面的网格浓度；

s30，根据所有断层平面的网格浓度，获得所述三维空间的气体浓度分布。

本发明实施例提供的三维空间气体浓度分布测量方法，将三维空间以平面为单位进行网格浓度的测量，结合所有断层平面的网格浓度，得到整个三维空间的气体浓度分布，实现建筑空间内气体浓度三维分布的实时测量，测量时间短，测量准确率高，对于建筑环境的研究具有重要意义。

步骤s10中，测量得到第一断层平面与预设平面之间的夹角，并测量得到第一断层平面的网格浓度。需要说明的是，本实施例中，第一断层平面为测量的第1个断层平面。其中，测量获得断层平面的网格浓度，具体包括：

步骤s101，测量获得所述断层平面的网格结构。

本实施例中，采用扫描装置在断层平面上进行转动测量，得到该断层平面的二维平面结构。对所述二维平面结构进行网格划分，划分密度为n×m，得到该断层平面的网格结构，该网格结构包括n＝n×m个网格。网格划分越细，得到的三维空间气体浓度分布越准确。作为优选，扫描装置为可旋转的激光雷达，激光雷达在断层平面上转动并测量，测量准确率高，无需增设用于驱动激光雷达转动的机构，简化测量装置结构。

步骤s102，测量获得所述断层平面的光路积分浓度。

本实施例中，采用传感器在断层平面上进行测量，得到该断层平面的一条光路的光路积分浓度，并获取该光路角度，传感器在断层平面上转动，共得到m条光路的光路积分浓度，并得到m条光路的光路角度。该断层平面的光路积分浓度由m条光路的光路积分浓度组成，从而得到该断层平面的光路积分浓度矩阵y∈r^m×1。其中，光路积分浓度矩阵的元素y(a)表示第a条光路的光路积分浓度。

作为优选，传感器为可调谐二极管激光吸收光谱传感器，使用可调谐二极管激光吸收光谱传感器测量光路积分浓度，相比于实时光学传感器结合反射透镜，不需要调整反射透镜，能够更快的进行测量，并且获取准确率较高的光路积分浓度。

作为优选，同一断层平面的光路数目m大于等于该断层平面的网格数n,便于后续进行网格浓度的求解。

步骤s103，根据所述网格结构和光路积分浓度，得到所述断层平面的网格浓度。

本实施例中，根据各光路角度和网格结构，得到每条光路被网格结构的网格截断的长度，得到光路截断矩阵a∈r^m×n。其中，光路截断矩阵a的行代表不同光路，列代表不同网格，元素a(i,j)表示第i条光路在第j个网格内的长度。

根据所述光路积分浓度和光路截断矩阵，使用层析重构算法计算得到所述断层平面的网格浓度。例如，使用非负条件限制的非负最小二乘法计算得到该断层平面的网格浓度。

根据本发明的一个实施例，使用式(1)计算得到所述断层平面的网格浓度：

其中，c∈r^n×1表示网格浓度矩阵，c^*表示估计浓度向量,a∈r^m×n表示光路截断矩阵，a^t∈r^n×m表示光路截断矩阵的转置矩阵，y∈r^m×1表示光路积分浓度矩阵，m表示光路数目，λ表示正则化参数，l表示规整化矩阵,l^t表示规整化矩阵的转置矩阵。网格浓度矩阵c的元素c(b)表示第b个网格的浓度。

本实施例中，采用式(1)计算断层平面的网格浓度，式(1)增加了正则化限制项和浓度值估计项，可以有效地降低测量噪音地影响，提高计算精度。

步骤s20中，调整断层平面与预设平面之间的夹角后，断层平面为第二断层平面。执行步骤s10，得到第二断层平面的网格浓度。继续调整断层平面与预设平面之间的夹角，直至得到三维空间的所有断层平面的网格浓度。

步骤s30中，建立所述三维空间的三维坐标系，所述三维坐标系以预设平面为xoy平面；根据各断层平面与预设平面之间的夹角，建立各断层平面和三维空间的坐标映射关系；根据所有断层平面的网格浓度和坐标映射关系，得到三维空间的气体浓度分布。

其中，建立的断层平面与三维空间的坐标映射关系如下式：

其中，(xe,ye)为第e个断层平面上的点r的坐标，(x,y,z)为点r在三维空间中的坐标，θe为第e个断层平面与预设平面之间的夹角。

查找第e个断层平面的网格浓度，得到点r的气体浓度为该点所在第e个断层平面的网格的浓度。

通过上述坐标映射关系，将每个断层平面的点映射到三维空间中，结合每个断层平面的网格浓度，从而得到整个三维空间的所有点的浓度，即得到三维空间的气体浓度分布。

本发明实施例提供的一种提供的三维空间气体浓度分布测量方法，将三维空间以平面为单位进行网格浓度的测量，结合所有断层平面的网格浓度，得到整个三维空间的气体浓度分布，实现建筑空间内气体浓度三维分布的实时测量，测量时间短，测量准确率高，对于建筑环境的研究具有重要意义。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。本领域技术人员可以理解，可以对实施例中的装置中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个装置中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read-onlymemory，rom)或随机存储记忆体(randomaccessmemory，ram)等。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。