一种分布式气体检测系统及分布式气体检测方法

技术领域

本发明涉及气体传感器技术领域，尤其涉及一种分布式气体检测系统及分布式气体检测方法。

背景技术

近年，随着对环境安全的要求日益高涨，各种气体检测技术层出不穷，其中光声光谱气体检测技术以其选择性强、精度高，寿命长等优良的特性而成为研究热点。光声光谱是间接吸收光谱技术中一种很重要的气体检测技术。它利用了气体吸收产生的光热效应。

光热效应是待测的气体分子或原子在吸收对应波长的激光能量后，会从分子的基态吸收能量跃迁到激发态；然后通过分子碰撞(无辐射跃迁)重新回到基态并将分子的内能耗散，这个过程中会使局部分空间内气体的温度升高。温度变化会引起气体折射率变化。因此采用强度调制或者波长调制的形式，以一定的频率调制激光的波长或者强度，会导致气体的折射率也以相同的频率进行变化。

现在的气体检测都以单点式气体传感器为主，对于空间较大且气体浓度不均的场景，检测效果不甚理想。并且目前对分布式气体检测的研究，可实现性也较差。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种分布式气体检测系统，用以实现对气体的分布式检测。

为达到上述技术目的，本发明采取了以下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种分布式气体检测系统，包括：

检测激光发射单元，包括气体吸收激光发生装置和相位解调激光发生装置；

探测单元，包括多个开放式激光检测气室和探测光缆，所述开放式激光检测气室包括检测孔、光输入端和光输出端，所述光输入端和所述光输出端的传输方向重合并且准直对准，多个所述开放式激光检测气室均以所述光输入端为激光入口、以所述光输出端为激光出口，串联设置于所述探测光缆上；所述探测光缆的一端连接所述气体吸收激光发生装置和所述相位解调激光发生装置；

分布式相位解调分析单元，连接于所述探测光缆的一端。

进一步的，所述开放式激光检测气室包括中空的气室本体，所述气室本体上开设有至少一个所述检测孔，所述光输入端和所述光输出端分别设置于所述气室本体内部的两端，所述光输入端和所述光输出端分别与所述气室本体连接所述探测光缆耦合。

进一步的，所述探测单元还包括多个弱反射光栅，多个所述弱反射光栅均连接于所述探测光缆，每个所述弱反射光栅分别为于两个所述开放式激光检测气室之间。

进一步的，所述探测单元还包括所述光吸收体，所述光吸收体连接于探测光缆的另一端。

进一步的，所述检测激光发射单元还包括波分复用器，所述气体吸收激光发生装置包括依次相连的波形发生器、激光器驱动部和气体吸收波长激光器，所述相位解调激光发生装置包括依次相连的窄线宽激光器、脉冲调制器和光放大器，所述气体吸收波长激光器和所述光放大器的输出端均连接于所述波分复用器的输入端，所述波分复用器的输出端连接于所述探测光缆的一端。

进一步的，所述分布式相位解调分析单元包括依次相连的光探测单元、数据采集单元、控制单元和上位机单元，所述光探测单元连接于所述探测光缆的一端，所述控制单元还连接于所述脉冲调制器，所述上位机单元还连接于所述数据采集单元。

进一步的，所述分布式相位解调分析单元还包括光滤波器，所述光滤波器连接于所述光探测单元和所述探测光缆的一端之间。

第二方面，本发明还提供一种分布式气体检测方法，使用上述任一项所述的分布式气体检测系统，所述分布式气体检测方法包括：

以预设驱动电流频率调制所述气体吸收激光发生装置的激光，标定多个所述开放式激光检测气室，得到多个标定系数；

将所述探测单元置于目标检测气体中，以所述预设驱动电流频率调制所述气体吸收激光发生装置的激光，并同时启动所述气体吸收激光发生装置和所述相位解调激光发生装置向所述探测光缆内发射激光；

通过所述解调分析单元获取所述探测单元探测的气体检测时域信号；

根据所述气体检测时域信号，得到目标位置对应的气体检测时间信号；

根据所述目标位置对应的气体检测时间信号和所述标定系数，得到目标位置的气体浓度。

进一步的，所述以预设驱动电流频率调制所述气体吸收激光发生装置的激光，标定多个所述开放式激光检测气室，得到多个标定系数，包括：

向每个所述开放式激光检测气室中通入预设浓度的气体；

以所述预设驱动电流频率调制所述气体吸收激光发生装置的激光，并同时启动所述气体吸收激光发生装置和所述相位解调激光发生装置向所述探测光缆内发射激光；

通过所述解调分析单元获取所述探测单元探测的标定检测时域信号；

根据所述标定检测时域信号，得到每个所述开放式激光检测气室位置对应的标定检测时间信号；

根据每个所述开放式激光检测气室位置对应的标定检测时间信号和所述预设浓度，得到每个所述开放式激光检测气室对应的所述标定系数。

进一步的，所述根据所述目标位置对应的气体检测时间信号和所述标定系数，得到目标位置的气体浓度，包括：

根据所述目标位置对应的气体检测时间信号，得到幅值信息；

根据所述幅值信息和所述标定系数，得到所述目标位置的气体浓度。

本发明提供的一种分布式气体检测系统及分布式气体检测方法，其通过气体吸收激光发生装置和相位解调激光发生装置分别产生不同波长的激光，并共同输入至探测光缆内，将所述探测单元置于目标检测气体中便可以进行检测。在各个开放式激光检测气室内的被测气体，吸收气体吸收激光发生装置产生的正弦调制的激光后，会因为光热效应使得相位解调激光发生装置产生的激光的相位发生相应频率的正弦变化。而不同浓度被测气体引起的相位幅值变化不同，通过分布式相位解调分析单元对上述作用后的探测光缆中的气体检测时空信号进行处理，便可以得到每个开放式激光检测气室所在位置的气体检测时间信号，进而得到不同位置的气体浓度，以实现分布式气体浓度的检测。相比于现有技术，本发明巧妙地将气体的光热效应和分布式光纤相位解调技术结合至一起，实现对气体的分布式检测，实现技术成熟，方法简单，可操作性强，具有极高的实用价值。

附图说明

图1为本发明提供的分布式气体检测系统一实施例的结构示意图；

图2为本发明提供的分布式气体检测系统一实施例中气体吸收激光发生装置的结构示意图；

图3为本发明提供的分布式气体检测方法一实施例的方法流程图；

图4为图3中步骤S301一实施例的方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

本发明为一种直接检测气体光热效应引起的相位变化的方法，即通过气体吸收激光发生装置和相位解调激光发生装置分别产生不同波长的激光，其中气体吸收激光发生装置发射吸收峰特征波长的激光实现开放式激光检测气室内气体吸收以造成光路相位变化，同时以相位解调激光发生装置产生的波长激光实现分布式光纤相位解调，实现对气体的分布式检测。

本发明提供了一种分布式气体检测系统及分布式气体检测方法，以下分别进行说明。

首先结合图1及图2所示，本发明的一个具体实施例，公开了一种分布式气体检测系统，该系统包括检测激光发射单元1、探测单元2和分布式相位解调分析单元3，其中检测激光发射单元1包括气体吸收激光发生装置11和相位解调激光发生装置12，而探测单元2包括多个开放式激光检测气室21和探测光缆22，所述开放式激光检测气室21包括检测孔211、光输入端212和光输出端213，所述光输入端212和所述光输出端213的传输方向重合并且准直对准，多个所述开放式激光检测气室21均以所述光输入端212为激光入口、以所述光输出端213为激光出口，串联设置于所述探测光缆22上；所述探测光缆22的一端连接所述气体吸收激光发生装置11和所述相位解调激光发生装置12。分布式相位解调分析单元3连接于所述探测光缆22的一端。

本发明提供的一种分布式气体检测系统及分布式气体检测方法，其通过气体吸收激光发生装置11和相位解调激光发生装置12分别产生不同波长的激光，并共同输入至探测光缆22内，将所述探测单元2置于目标检测气体中便可以进行检测。在各个开放式激光检测气室21内的被测气体，吸收气体吸收激光发生装置11产生的正弦调制的激光后，会因为光热效应使得相位解调激光发生装置12产生的激光的相位发生相应频率的正弦变化。而不同浓度被测气体引起的相位幅值变化不同，通过分布式相位解调分析单元3对上述作用后的探测光缆22中的气体检测时域信号进行处理，便可以得到每个开放式激光检测气室21所在位置对应的气体检测时间信号，进而得到不同位置的气体浓度，以实现分布式气体浓度的检测。相比于现有技术，本发明巧妙地将气体的光热效应和分布式光纤相位解调技术结合至一起，实现对气体的分布式检测，实现技术成熟，方法简单，可操作性强，具有极高的实用价值。

进一步的，作为优选的实施例，在本实施例中的所述检测激光发射单元1中，所述气体吸收激光发生装置11包括依次相连的波形发生器111、激光器驱动部112和气体吸收波长激光器113，通过气体吸收激光发生装置11产生的激光可以被开放式激光检测气室21内的被测气体吸收，引起光路相位变化。通过一定频率调制，可以在检测时有效剔除噪声，提高检测灵敏度。

在一个更加具体的实施例中，气体吸收激光发生装置11产生波长为被测气体特征吸收波长λ

作为优选的实施例，本实施例中的相位解调激光发生装置12包括依次相连的窄线宽激光器121、脉冲调制器122和光放大器123，基于相位解调激光发生装置12产生的激光，可以利用目前比较成熟的分布式光纤相位解调技术，检测光路上全线的相位变化。可以理解的是，上述气体吸收激光发生装置11及相位解调激光发生装置12中各个部件的名称均为本领域技术人员能够理解并应用的装置，且各个装置如何使用，具体如何产生激光并调制也为能够想到的现有技术，本文中不做过多说明。

在一个更加具体的实施例中，相位解调激光发生装置12产生分布式相位检测的波长为λ

式中，n为开放式激光检测气室21的数量，l

作为优选的实施例，本实施例中的检测激光发射单元1还包括波分复用器13，所述气体吸收波长激光器113和所述光放大器123的输出端均连接于所述波分复用器13的输入端，所述波分复用器13的输出端连接于所述探测光缆22的一端。该波分复用器13可以将在不同光纤内波长为λ

进一步的，结合图2所示，作为优选的实施例，在本实施例中的探测单元2中，所述开放式激光检测气室21还包括中空的气室本体214，所述气室本体214上开设有至少一个所述检测孔211，检测孔211将气室本体214的内部空间和外部空间连通，所述光输入端212和所述光输出端213分别设置于所述气室本体214内部的两端，所述光输入端212和所述光输出端213分别与所述气室本体214连接所述探测光缆22耦合。

具体地，在一个优选的实施例中，在普通单模光纤光路，即探测光缆22上接入一连串开放式激光检测气室21，光输入端212和光输出端213都经过准直，可以用光纤准直器或者利用光学元件进行准直，气室本体214上开设一个出气口和一个进气口，或者气室壁开孔以方便与外界被测气体相通，上述孔即为所述检测孔211。

进一步的，作为优选的实施例，本实施例中的所述探测单元2还包括多个弱反射光栅23，多个所述弱反射光栅23均连接于所述探测光缆22，每个所述弱反射光栅23分别为于两个所述开放式激光检测气室21之间。本实施例中，弱反射光栅23对波长λ

作为优选的实施例，本实施例中的探测单元2还包括所述光吸收体24，所述光吸收体24连接于探测光缆22的另一端。即所有的开放式激光检测气室21均位于探测光缆22上的光吸收体24和波分复用器13之间。光吸收体24用于吸收多余的两个波长光能量，降低反射引起的噪声。光吸收体24可以采用光吸收材料，或者通过增强光纤微弯损耗来降低光功率，例如光纤打结。

作为优选的实施例，本实施例中的分布式相位解调分析单元3包括依次相连的光探测单元31、数据采集单元32、控制单元33和上位机单元34，所述光探测单元31连接于所述探测光缆22的一端，所述控制单元33还连接于所述脉冲调制器122，所述上位机单元34还连接于所述数据采集单元32。

分布式相位解调分析单元3装置，通过探测脉冲宽度T

同样地，可以理解的是，上述分布式相位解调分析单元3中各个部件的名称均为本领域技术人员能够理解并应用的装置，且各个部件如何使用为能够想到的现有技术，本文中不做过多说明。

进一步的，作为优选的实施例，本实施例中的所述分布式相位解调分析单元3还包括光滤波器35，所述光滤波器35连接于所述光探测单元31和所述探测光缆22的一端之间。光滤波器35可以滤除波长为λ

进一步的，作为优选的实施例，本实施例中的分布式气体检测系统还包括光环形器4，所述波分复用器13的输出端、所述探测光缆22的一端和所述分布式相位解调分析单元3均连接于所述光环形器4。

结合图3所示，为了更好实施本发明实施例中的分布式气体检测系统，在分布式气体检测系统基础之上，本发明还提供一种分布式气体检测方法一实施例，该方法使用上述实施例中的分布式气体检测系统，该方法包括：

S301、以预设驱动电流频率调制所述气体吸收激光发生装置的激光，标定多个所述开放式激光检测气室，得到多个标定系数；

S302、将所述探测单元置于目标检测气体中，以所述预设驱动电流频率调制所述气体吸收激光发生装置的激光，并同时启动所述气体吸收激光发生装置和所述相位解调激光发生装置向所述探测光缆内发射激光；

S303、通过所述解调分析单元获取所述探测单元探测的气体检测时域信号；

S304、根据所述气体检测时域信号，得到目标位置对应的气体检测时间信号；

S305、根据所述目标位置对应的气体检测时间信号和所述标定系数，得到目标位置的气体浓度。

具体地，结合图4所示，作为优选的实施例，上述过程中的步骤S301、以预设驱动电流频率调制所述气体吸收激光发生装置的激光，标定多个所述开放式激光检测气室，得到多个标定系数，具体包括：

S401、向每个所述开放式激光检测气室中通入预设浓度的气体；

S402、以所述预设驱动电流频率调制所述气体吸收激光发生装置的激光，并同时启动所述气体吸收激光发生装置和所述相位解调激光发生装置向所述探测光缆内发射激光；

S403、通过所述解调分析单元获取所述探测单元探测的标定检测时域信号；

S404、根据所述标定检测时域信号，得到每个所述开放式激光检测气室位置对应的标定检测时间信号；

S405、根据每个所述开放式激光检测气室位置对应的标定检测时间信号和所述预设浓度，得到每个所述开放式激光检测气室对应的所述标定系数。

进一步的，作为优选的实施例，上述过程中的步骤S305、根据所述目标位置对应的气体检测时间信号和所述标定系数，得到目标位置的气体浓度，具体包括：

根据所述目标位置对应的气体检测时间信号，得到幅值信息；

根据所述幅值信息和所述标定系数，得到所述目标位置的气体浓度。

上述过程的具体原理如下：

以预设驱动电流频率ω

f(t)＝a·sin(ω

则其波长和强度都同样以该频率变化。假设在第i个开放式激光检测气室(简称气室)的被测气体浓度为C

ΔT

则第i个气室的气体折射率Δn

Δn

当相位解调激光发生装置产生波长为λ

Δφ

可以看到因气体吸收引起的相位变化依然是单频正弦函数，可以通过滤波直接检出其幅值。

因此在进行检测时，本实施例中的分布式气体检测方法首先对得到的φ(z,t)(即气体检测时空信号)进行定位，找到每个气室对应的位置，从而得到第i个气室及附近连接光纤总的相位变化信号φ

具体地，由公式4可以看出，获取气体检测时间信号后，根据该信号可以得到幅值信息p

实际测量过程中，不同气室内的被测气体浓度不同，引起的相位变化值不同，通过检测到的相位变化值和各气室的系数，可以得到每个气室不同的被测气体浓度，即被测空间中不同位置的浓度，实现分布式检测。

本发明提供的一种分布式气体检测系统及分布式气体检测方法，其通过气体吸收激光发生装置和相位解调激光发生装置分别产生不同波长的激光，并共同输入至探测光缆内，将所述探测单元置于目标检测气体中便可以进行检测。在各个开放式激光检测气室内的被测气体，吸收气体吸收激光发生装置产生的正弦调制的激光后，会因为光热效应使得相位解调激光发生装置产生的激光的相位发生相应频率的正弦变化。而不同浓度被测气体引起的相位幅值变化不同，通过分布式相位解调分析单元对上述作用后的探测光缆中的气体检测时空信号进行处理，便可以得到每个开放式激光检测气室所在位置的气体检测时间信号，进而得到不同位置的气体浓度，以实现分布式气体浓度的检测。

相比于现有技术，本发明巧妙地将气体的光热效应和分布式光纤相位解调技术结合至一起，实现对气体的分布式检测，实现技术成熟，方法简单，可操作性强，具有极高的实用价值。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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。