一种气体探测装置及其多组分气体滤波反演方法与流程

本发明属于气体探测，具体涉及一种气体探测装置及多组分气体滤波反演方法。

背景技术：

1、光谱吸收法的理论基础是lambert-beer定律，光信号在经过待测气体时，与气体分子发生相互作用，当光源的中心波长与气体的吸收峰一致时，气体对入射光会发生强烈的吸收，造成光强的变化，通过检测其透射光强或者反射光强的变化量，即可得到气体浓度的信息。由于不同气体分子之间形成的共价键不同，分子的振动和转动能级不同，因此，在不同的波长范围内会形成自己的特征吸收谱。通过识别气体分子的特征吸收光谱，气体吸收峰波长以及检测到光通量的变化，就可以识别气体种类及浓度。在近年来，光谱吸收法有着迅速的发展，特别是在在环境污染监测领域，其主要技术包括：单谱段激光光谱法、量子级联宽谱段激光法、宽谱led法等。

2、激光光谱法作为当前使用最广泛的方法，具有精度高，成本高，可测量气体组分单一的特点。为实现多组分气体浓度测量，现有的量子级联宽谱激光法将多个窄谱段激光器通过波分复用或时分复用方法联结在一起实现特定气体的浓度测量。随着目标气体种类的增加，所需的特定窄谱段激光器将不断增多，对光开关性能的要求不断提高，极大的增加了系统复杂度与成本。

3、宽谱led光源作为一种新兴且成本低于激光光谱的测量方法，在低精度要求的测量场景具有较多应用。由于其无法较大幅度的调整辐射出射功率谱，使得其必须匹配高成本滤光片轮实现多组分气体浓度测量。由于其能量仅能集中在特定的波长附近，使得其无法切换不同的中心吸收谱线进行探测。即当led光源型号确定时，其能量集中的中心波长是特定值，在探测谱段内其余中心波长时，无法获得高信噪比的信号。

4、为了降低激光光谱系统的高成本，同时可任意切换辐射源探测中心谱线范围，大幅度改变功率谱分布，实现高信噪比信号的探测，基于黑体辐射源的探测系统应运而生。小型黑体辐射源(micro-hybrid公司jsir 360-4)控温精度为0.1k，最高温度1000k，成本仅为同功率气体激光器的二十分之一。

5、根据黑体辐射出射度满足的普朗克公式与韦恩定律，本技术通过改变温度的方式来改变黑体温度的峰值出射度对应波长，进而改变黑体辐射功率谱，从而进行不同中心气体吸收谱线的选择，对不同气体不同探测上下限与精度的选择，通过单一辐射源实现同种类气体不同精度探测与多组分气体同浓度范围探测。该系统的出现解决了当前激光系统仅能高成本探测单一组分气体以及宽谱led系统仅能低信噪比探测单一气体，需配合高成本滤光片探测多组分气体等技术问题。

技术实现思路

1、本发明目的之一在于提供一种气体探测装置，以实现单一辐射源实现同种类气体不同精度探测与多组分气体同浓度范围探测。为实现上述目的，本技术的具体方案如下：

2、一种气体探测装置，包括依次连接的黑体辐射源、聚焦镜、光纤、吸收池、机械斩波器、光电探测器、探测器配套电路、fpga板以及上位机，

3、所述黑体辐射源，用以发出全谱段辐射光；

4、所述聚焦镜，用以接收汇聚黑体辐射源发出的黑体辐射光进行空间光耦和；

5、所述光纤，用以传输经过聚焦镜耦合的中红外波段的黑体辐射光；

6、所述吸收池，使入射的中红外波段的黑体辐射光由光纤接入后在吸收池内传输多次，以增大吸收光程后出射；

7、所述机械斩波器，用以对经过吸收池的黑体辐射光进行机械调制；

8、所述光电探测器，用以将到达光电探测器表面的热辐射信号转换为电信号，并接入后续电路处理；

9、所述探测器配套电路，用以将光电探测器上的电信号进行滤波、去噪、放大处理；

10、所述fpga板，用以采集电信号进行数据处理；

11、所述上位机，用以显示反演后的气体浓度数据；

12、所述黑体辐射源发出的全谱段辐射光经聚焦镜耦合进光纤，辐射光经光纤传输后进入吸收池，辐射光在吸收池内多次反射吸收后从吸收池出射，经机械斩波器进行机械调制，辐射光到达光电探测器，探测器配套电路对光电探测器表面的电信号进行噪声滤波与信号放大，继而fpga板(采集并完成信号处理，并在上位机上反演出最终的气体浓度。

13、进一步地，所述黑体辐射源上设有用以维持辐射光出射温度稳定的温控仪(。

14、进一步地，所述光纤包括入射耦合头、中红外波段光纤以及出射连接器。

15、进一步地，所述吸收池为herriott赫里奥特池。

16、进一步地，所述吸收池为怀特型光学吸收池。

17、本发明的另一目的在于提供一种基于黑体辐射源的多组分气体滤波反演方法，通过对不同温度下黑体功率谱分布与气体吸收峰强度综合计算得出的吸收线强，当气体浓度最低探测限与气体浓度最低探测分辨率需求变化时，可以通过选取不同的温度来满足不同的测量需求。为实现上述目的，本技术的具体方案如下：

18、基于上述气体探测装置的多组分气体滤波反演方法，包括以下步骤：

19、s1.选择单组分气体测量模式或多组分气体测量模式；

20、s2.根据测量时间需求计算并选择对应的测量温度t1、t2、……tn；

21、s3.计算不同温度下不同气体的透过率τa1、τa2、……τan；τb1、τb2、……τbn；

22、s4.对应气体透过率根据吸收定律方程联立，使用赋权最小二乘法对多透过率方程组系数矩阵求解；

23、s5.通过判断系数矩阵秩与未知数关系求解透过率方程，计算得出不同组分气体浓度。

24、进一步地，所述步骤s3中基于单波数激光系统的气体朗伯吸收定律，气体的透过率公式可表示为：其中τ为光强透射系数，i1为被吸收后光强，i0为被吸收前的背景光强，p为待测气体压强，单位atm；st为谱线线强，单位cm-2atm-1；x为气体百分比浓度，单位ppm(或认为其无量纲)；l为气体光程，单位cm；φ为气体吸收谱线线形函数，单位cm。

25、进一步地，所述步骤s4中对基于宽谱段长波数系统的气体朗伯吸收定律，气体的透过率公式可表示为：

26、

27、其中pi为宽谱段光源在长波数上的能量分布律，λ为光源谱宽，δλ为吸收线宽，在宽谱光源系统中，气体总透过率由线强和光源分布律共同决定。

28、进一步地，所述步骤s5中包括以下两种情况：

29、秩等于未知数个数时，直接求解透过率方程，得出不同组分气体浓度；

30、秩大于未知数个数时，计算每组透过率的标准差σ，归一化不同标准差得到权重，赋权求解透过率方程，得出不同组分气体浓度。

31、与现有技术相比，本发明有以下优点：

32、(1)本发明结合波长调制光谱和滤波反演优化处理算法，根据黑体辐射出射度满足的普朗克公式与韦恩定律，我们可以通过改变温度的方式来改变黑体温度的峰值出射度对应波长，进而改变黑体辐射功率谱，从而进行不同中心气体吸收谱线的选择，实现对不同气体不同探测上下限与精度的选择，做到单一辐射源实现同种类气体不同精度探测与多组分气体同浓度范围探测，该系统的出现解决了当前激光系统仅能高成本探测单一组分气体以及宽谱led系统仅能低信噪比探测单一气体，配合高成本滤光片探测多组分气体的问题；

33、(2)采用黑体作为辐射源，较传统激光源相比具有谱段宽，可同时探测气体种类多，成本低等特点；

34、(3)采用herriott赫里奥特气体吸收池，极大的提升了气体吸收光程与气体最低探测极限，达到了ppm量级；

35、(4)通过多组分气体滤波反演方法，使得该装置在能分辨多气体组份的同时得到的反演浓度精度更高，稳定性更强，效率更快。因此该发明在气体检测领域具有广阔的发展前景。