一种主动式多组分气体成像装置

技术领域

本申请涉及安全气体监测技术领域，尤其涉及一种主动式多组分气体成像装置。

背景技术

化工厂常见的有毒有害气体按其毒害性质不同，可分为：(1)刺激性气体。刺激性气体是指对眼和呼吸道粘膜有刺激作用的气体，它是化学工业常遇到的有毒气体。刺激性气体的种类甚多，常见的有氯、氨、氮氧化物、铬酸雾、光气、氟化氢、二氧化硫、三氧化硫和硫酸二甲酯等。(2)窒息性气体。窒息性气体是指能造成机体缺氧的有毒气体，它可分为单纯窒息性气体、血液窒息性气体和细胞窒息性气体，常见的有氮气、甲烷、乙烷、乙烯、一氧化碳、硝基苯蒸气、氰化氢、硫化氢等。

这些有害气体中的一种或几种在厂区中的泄露有可能引发燃爆、中毒等事故，会极大的危害人身安全。在对这些气体的有可能的泄漏点进行探测的过程中，操作者不希望近距离接触气体以避免有可能的泄漏造成的危害，同时又希望能够有效的探测到气体泄漏，这需要采用光学手段进行气体的远程探测。

目前在大气环境探测和污染气体传感中最常用的光学技术是紫外/可见波段的差分光学吸收光谱(DOAS)、差分吸收激光雷达(DIAL)，红外波段的傅里叶变换光谱(FTIR)、可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)和采用中波红外面阵传感器的气体成像技术。

差分吸收光谱技术(DOAS：Differential Optical Absorption Spectroscopy)是一种光谱监测技术，其基本原理就是利用空气中的气体分子的窄带吸收特性来鉴别气体成分，并根据窄带吸收强度来推演出微量气体的浓度。其分类可根据有无光源分为主动DOAS和被动 DOAS，根据光程长短分为长光程DOAS和短光程DOAS。

可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)，是利用半导体激光器波长调谐特性，通过电流控制波长扫描获得被测气体特征吸收光谱，从而对痕量气体进行测量的一种技术。这种技术具有高分辨率、高灵敏度和快速测量等特点，已经广泛应用于工业过程监测控制、痕量气体检测、分子光谱研究等领域。TDLAS可以分为直接吸收光谱技术和调制吸收光谱技术。在波长调制光谱(WMS)技术中，激光器的注入电流受到慢变的扫描锯齿信号和快变的高频正弦信号共同作用，使激光器的输出波长在气体的吸收峰附近调谐。光束通过气体吸收池后产生吸收信号，该信号可以利用锁相放大器进行谐波检测，解调出二次谐波信号，获得气体吸收的信息。与直接吸收光谱技术相比，波长调制光谱技术提高了检测精度和灵敏度，减少了系统的不稳定性。利用数字锁相进行二次谐波解调，数字锁相灵活应用各种数字信号处理技术，与模拟锁相相比，可以避免模拟锁相存在的温度漂移、相位漂移等缺点，减少信号质量的损失。

直接扫描吸收测量技术中包含初始光强、环境因素、合作目标等噪声的干扰。气体吸收信号相比于上述干扰噪声，往往非常微弱，在某些情况下甚至还不到噪声信号的百分之一。在这种情况下，需要用一种类似锁相放大(Lock in)的方案来对待测信号进行放大提取，该方案在气体检测中一般称为谐波检测技术。该技术通过固定的调制信号对初始激光进行调制，经过气体吸收后，再对调制信号进行解调从而获得气体吸收信息。这种方法的最大优点是利用噪声没有规律而信号具有规律的优点，通过滤波方式将噪声滤除而获得非常微弱的有用信号。

激光调制方法包括波长调制光谱(WMS)和频率调制光谱(FMS)，其调制机理本质上是相同的都是通过对激光器的电流的调制实现。其主要区别在于调制频率的不同。 WMS的调制频率一般为几kHz到几十kHz，调制频率远小于吸收谱线的线宽；FMS的调制频率一般为MHz或者GHz量级，大于或者等于吸收谱线线宽。由于FMS的高频特性，机械、温度等噪声可忽略不计，故理论上FMS探测灵敏度要比WMS要高。

采用中波红外面阵传感器的气体成像技术是最近正在普及的一项气体传感技术，由于其探测的信号是物体通过热辐射发射出来的，同时也能够采集温度信息，因此通常也被称为气体红外热像仪。光学气体红外热像仪可视作是红外热像仪的高度专业化版本。热像仪由一个镜头、一个探测器、一些用以处理来自探测器的信号的电子器件和一个供用户查看热像仪生成的图像的取景器或屏幕组成。光学气体红外热像仪使用的探测器是需要冷却到超低温(大约70K或-203℃)的量子探测器。用于检测甲烷等气体的中波红外热像仪通常使用在3-5μm波长范围内运行的锑化铟(InSb)红外探测器。用于检测六氟化硫等气体的长波红外热像仪使用通常在8-12μm波长范围内运行的量子阱红外探测器(QWIP)。光学气体红外热像仪采用一种独特的光谱滤波方法，使其能够检测到一种气体化合物。该滤波片固定在探测器前方，并且随探测器一起冷却以防止滤波片与探测器之间发生任何辐射交换。滤波片将允许通过其到达探测器的辐射的波长限制至极窄波段，称作带通。该技术称作光谱自适应。对于大多数气体化合物，红外吸收特性取决于波长。

综合分析，以上几种气体传感技术具有以下特点：DOSA和TDLAS技术由于采用灵敏度较高的单点式探测器，其气体传感灵敏度较高；由于采用单点探测器，对于一整面的成像需要进行扫描，精度差，速度慢。面阵成像的气体传感技术能够对气体进行成像，速度快、分辨率高，由于气体可视化效果非常明显，受到用户的欢迎；但是，由于采用的是中红外波段面阵探测器，即使在低温制冷的情况下，灵敏度也远远低于近红外单点式探测器，因此探测灵敏度极差，约为数万至数十万量级，一般只用来作为定性检测，分辨高浓度气体的有无情况，而无法有效分辨低浓度气体的有无情况。

发明内容

本申请提供了一种主动式多组分气体成像装置，以解决现有气体成像装置无法有效分辨低浓度气体的问题。

本申请提供了一种主动式多组分气体成像装置，所述装置包括：

电源驱动单元和发射接收单元；

所述电源驱动单元和所述发射接收单元通过电缆连接；

所述电源驱动单元包括电池、总控制器、波长可调制激光器阵列电源、探测器电源、图像记录分析单元和显示器；

所述发射接收单元包括波长可调制激光器阵列、光纤、面阵探测器信号采集电路、面阵探测器、发射器阵列和可滤波镜头；

其中，所述波长可调制激光器阵列靠近所述电源驱动单元，且与所述面阵探测器信号采集电路位于发射接收单元后部，所述波长可调制激光器阵列的发射评率与所述面阵探测器信号采集电路的采集帧频相一致；

所述面阵探测器靠近所述发射接收单元后部，与所述面阵探测器信号采集电路电连接，且与所述发射器阵列和所述可滤波镜头位于发射接收单元头部；

所述可滤波镜头设置于远离所述发射接收单元后部的一侧；

所述光纤连接所述波长可调制激光器阵列与所述发射器阵列。

可选地，所述波长可调制激光器阵列中的每个激光器发射两个波长的激光，所述两个波长分别为对准气体吸收谱线的中心波长与偏离气体吸收谱线的中心波长；

依次令所述波长可调制激光器阵列中的激光器发射激光，其中，每个激光器发射所述两个波长的激光。

可选地，所述波长可调制激光器阵列中的每个激光器发射两个波长的激光，所述两个波长分别为对准气体吸收谱线的中心波长与偏离气体吸收谱线的中心波长；

令所述波长可调制激光器阵列第一次发射激光，所述第一次发射激光为依次令所述波长可调制激光器阵列中的激光器发射波长为对准气体吸收谱线的中心波长的激光；

令所述波长可调制激光器阵列第二次发射激光，所述第二次发射激光为依次令所述波长可调制激光器阵列中的激光器发射波长为偏离气体吸收谱线的中心波长的激光。

可选地，所述可滤波镜头内部具有多波长带通滤波器，用于采集激光发射波长极窄光谱范围内的光。

可选地，所述发射器阵列由多个透镜和光纤组成。

可选地，所述发射器阵列由多个激光发射器组成。

可选地，所述激光发射器由透镜和光纤组成，且外形为圆柱形。

可选地，

获取待测目标在所述波长可调制激光器阵列中每个激光器发射波长为对准气体吸收谱线的中心波长的激光时对应的第一图像；

获取待测目标在所述波长可调制激光器阵列中每个激光器发射波长为偏离气体吸收谱线的中心波长的激光时对应的第二图像；

计算相对应的第一图像与第二图像的差值，得到处理后图像；

识别所述处理后图像中的气体。

可选地，

根据待测目标的工作信息，确定全部气体种类；

根据所述气体种类，确定气体吸收峰波长；

根据所述气体吸收峰波长，确定所述波长可调制激光器阵列中的激光器的参数。

可选地，所述发射器阵列中的激光发射器呈圆周状围绕分布于所述可滤波镜头周围，且每个所述激光发射器与所述可滤波镜头之间的距离相等。

由以上技术可知，本申请提供了一种主动式多组分气体成像装置，所述装置包括：电源驱动单元和发射接收单元；所述电源驱动单元和所述发射接收单元通过电缆连接；所述电源驱动单元包括电池、总控制器、波长可调制激光器阵列电源、探测器电源、图像记录分析单元和显示器；所述发射接收单元包括波长可调制激光器阵列、光纤、面阵探测器信号采集电路、面阵探测器、发射器阵列和可滤波镜头；其中，所述波长可调制激光器阵列靠近所述电源驱动单元，且与所述面阵探测器信号采集电路位于发射接收单元后部；所述面阵探测器靠近所述发射接收单元后部，与所述面阵探测器信号采集电路电连接，且与所述发射器阵列和所述可滤波镜头位于发射接收单元头部；所述可滤波镜头设置于远离所述发射接收单元后部的一侧；所述光纤连接所述波长可调制激光器阵列与所述发射器阵列。本申请提供的主动式多组分气体成像装置可以有效分辨低浓度气体。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种主动式多组分气体成像装置的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种激光发射器的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的第一种激光器发射方式；

图4为本申请实施例提供的第二种激光器发射方式；

图5为本申请实施例提供的一种可滤波镜头与发射器阵列的排布结构示意图。

图示说明：

其中，1-电源驱动单元，11-电池，12-总控制器，13-波长可调制激光器阵列电源，14-探测器电源，15-图像记录分析单元，16-显示器，2-发射接收单元，21-波长可调制激光器阵列，22-光纤，23-面阵探测器信号采集电路，24-面阵探测器，25-发射器阵列， 26-可滤波镜头，27-发射接收单元后部，28-发射接收单元头部。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1展示了一种主动式多组分气体成像装置的结构示意图，如图1所示，所述装置包括：电源驱动单元1和发射接收单元2；

所述电源驱动单元1和所述发射接收单元2通过电缆连接；

所述电源驱动单元1包括电池11、总控制器12、波长可调制激光器阵列电源13、探测器电源14、图像记录分析单元15和显示器16；

所述发射接收单元2包括波长可调制激光器阵列21、光纤22、面阵探测器信号采集电路23、面阵探测器24、发射器阵列25和可滤波镜头26；

其中，所述波长可调制激光器阵列21靠近所述电源驱动单元1，且与所述面阵探测器信号采集电路23位于发射接收单元后部27，所述波长可调制激光器阵列21的发射频率与所述面阵探测器信号采集电路23的采集帧频相一致；

所述面阵探测器24靠近所述发射接收单元后部27，与所述面阵探测器信号采集电路23电连接，且与所述发射器阵列25和所述可滤波镜头26位于发射接收单元头部28；

所述可滤波镜头26设置于远离所述发射接收单元后部27的一侧；

所述光纤22连接所述波长可调制激光器阵列21与所述发射器阵列25。

可选地，所述波长可调制激光器阵列21中的每个激光器发射两个波长的激光，所述两个波长分别为对准气体吸收谱线的中心波长与偏离气体吸收谱线的中心波长；依次令所述波长可调制激光器阵列21中的激光器发射激光，其中，每个激光器发射所述两个波长的激光。

可选地，所述波长可调制激光器阵列21中的每个激光器发射两个波长的激光，所述两个波长分别为对准气体吸收谱线的中心波长与偏离气体吸收谱线的中心波长；令所述波长可调制激光器阵列21第一次发射激光，所述第一次发射激光为依次令所述波长可调制激光器阵列21中的激光器发射波长为对准气体吸收谱线的中心波长的激光；令所述波长可调制激光器阵列21第二次发射激光，所述第二次发射激光为依次令所述波长可调制激光器阵列21中的激光器发射波长为偏离气体吸收谱线的中心波长的激光。

可选地，所述可滤波镜头26内部具有多波长带通滤波器，用于采集激光发射波长极窄光谱范围内的光。

可选地，所述发射器阵列25由多个透镜和光纤组成。

可选地，所述发射器阵列25由多个激光发射器组成。

可选地，所述激光发射器由透镜和光纤组成，且外形为圆柱形。

可选地，所述发射器阵列25中的激光发射器呈圆周状围绕分布于所述可滤波镜头26周围，且每个所述激光发射器与所述可滤波镜头26之间的距离相等。

本装置主要分为两部分，发射/接收单元和电源/驱动单元。这样设计使得发射接收单元的体积和重量减少到最小，方便使用者操纵，进行转动对所需探测区域扫描。两者之间通过电缆相连接。还可将波长可调制激光器阵列放入电源/驱动模块中，通过电缆和光纤连接两个模块。

发射/接收单元分为发射/接收头部和发射/接收后部两部分。发射/接收头部具有接收可滤波镜头、面阵成像探测器和发射器阵列。接收可滤波镜头内部具有多波长带通滤波器，仅对激光发射波长极窄光谱范围内的光进行采集，避免自然光、热辐射等噪声对探测效果的影响；同时该多波长滤波结构还可采用直接在可滤波镜头镀膜的方式，进一步缩小体积便于使用。发射器阵列由多个透镜和光纤组成的发射器组成，将光纤输出的激光按照一定的发散角度发散出去。

激光发射器是一个由透镜和光纤组成的发射器，外形为圆柱形结构，如图2所示。单模或多模光纤出射的激光发散角发散速度较快，不利于较远距离的探测。通过透镜将发射激光的出射角度调小，与接收可滤波镜头和CCD的成像视场范围进行配合。通过调整透镜的角度、透镜和光纤端面的距离可以调整出射光斑的发散角度。

发射器阵列由多个激光发射器构成，环绕在成像可滤波镜头周围。发射器阵列引出的多根光纤与波长可调制激光器阵列相连。波长可调制激光器阵列和面阵探测器信号采集电路形成发射/接收后部，进行统一散热和控温，避免温度过高损坏器件。波长可调制激光器阵列和面阵探测器信号采集电路通过电缆线与电源/驱动模块相连。

根据不同的气体种类选择对应吸收峰中心波长的激光器，每个激光器发射两个波长激光，λ

电源/驱动模块由电池、波长可调制激光器阵列电源、面阵探测器电源、图像记录/分析模块、显示模块和总控制模块构成。电池为其他模块提供电源，波长可调制激光器阵列电源将电池模块提供的电源转换成为波长可调制激光器阵列所需电压和电流，控制波长可调制激光器阵列按照图2、图3所示序列工作。面阵探测器在探测器电源的驱动下与激光器配合工作，采集到的信号通过图像记录/分析模块进行差分处理和增强，并通过显示模块在液晶屏上进行显示。总控制器协调波长可调制激光器阵列和面阵探测器的同步工作，并对其他模块进行统一控制。

示例地，本装置采用一个面阵探测器、多个激光器构成主动式多光谱气体成像装置。其工作原理为：由多个激光器(激光器1、激光器2、……，激光器N，激光器个数N大于等于2)发射多个中心波长(λ

示例地，如果待测目标为化工厂区厂房内部，且根据其工作信息可知可能出现的泄漏气体种类为甲烷(CH

本申请中采用如图5所示的激光发射器与可滤波镜头的排布结构。可见，6个发射器围绕可滤波镜头构成圆周阵列。可滤波镜头由多个透镜构成可滤波镜头组并可进行变焦，可滤波镜头组内包含多波长带通滤波片，带通波长根据预设波长进行镀膜，带通中心波长为预设波长，带通宽度为10nm。带通滤波镀膜还可以直接在透镜表面进行镀膜。

本申请所提供的面阵探测器选择521×512像素的铟镓砷(InGaAs)探测器，响应波段范围为0.8μm-2.6μm。这里也可以选择中红外波段的气体吸收谱段，采用量子级联半导体激光器(QCL)作为照明激光器，同时采用中红外波段的面阵探测器进行成像。面阵探测器后面具有散热通道，并通过风扇进行强制对流制冷。

在进行气体探测时，将本装置可滤波镜头对准所需探测区域，在激光器不发射照明光时，由于当工作于如图3或图4所示的差分探测模式时，由于可滤波镜头内包含带通滤波片，大部分自然光被滤波片所过滤，进入探测器的光功率很低，探测器处于全黑状态。

如果待测目标内具有某种泄漏气体，例如甲烷气体。当激光器(工作波长1650nm)的波长为λ

由于λ

本申请所提供的主动式多组分气体成像装置，可以有效实现以下效果。具体地，

(1)单纯依靠背景物体热辐射探测时存在的问题：a.背景热辐射本身强度降低，需要采用灵敏度较高的制冷型中红外面阵探测器才能探测，灵敏度较高的制冷型中红外面阵探测器是主动制冷型的探测器，需要很低的温度才能进行有效探测，结构复杂价格昂贵。当用激光器作为光源时，只需要用风扇对波长可调制激光器阵列和面阵探测器信号采集电路进行统一对流制冷散热就可以了，属于被动散热。b.在夜晚或温度较低的冬天，热辐射强度更低，气体探测的效果差，当气体泄漏浓度非常高时才能够发现气体泄漏目标，这样危险性较高。在本申请中，可以根据每个有害气体吸收峰波长选择对应的激光器，并且每个激光器可以发射在吸收峰位λa及λb的激光，两者差别很小，一般小于1 个纳米，这样可以有效解决上述问题。

(2)激光波长设置为吸收峰为对准中心波长λa及偏离中心波长λb。因为波长相差的值很小，所以背景图像对于这两个波长成像基本保持不变。在气体吸收光谱图中，是一根根的光谱线结构，光谱线宽为GHz，单根光谱线的线宽是远小于1nm的。当有毒气体出现的时候，λa处的吸收会很大，而λb的吸收并不明显。通过数字算法将两幅图进行相减，去除背景后干扰，仅存在气体吸收图像，从而更利于操作者或者图像识别软件对气体泄漏进行判断。

(3)本申请将激光部分和接收部分设计整合到一起。激光圆周阵列形状中间含接收可滤波镜头的设计使得每个激光被接收可滤波镜头接收的效果一样。激光发射后用光纤进行传输后，用光学可滤波镜头将透镜的发散角进行了收缩。可实现缩小发散角之后，能量更加集中，使得激光能够传输更远的距离，同时使得发散角与面阵探测器的成像视场范围相匹配，得到更好的探测效果。

值得注意的是，具体实现中，本发明还提供一种计算机存储介质，其中，该计算机存储介质可存储有程序，该程序执行时可包括本发明提供的用户身份的服务提供方法或用户注册方法的各实施例中的部分或全部步骤。所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(英文：read-only memory，简称：ROM)或随机存储记忆体(英文：random accessmemory，简称：RAM)等。

本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明实施例中的技术可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明实施例中的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。