多频调制的激光气体遥测与相位测距系统

1.本发明属于激光检测技术领域。


背景技术：

2.现有的气体遥测技术，只检测测量距离内的平均气体浓度，没有距离信息融合，无法用于浓度分布重建。
3.目前现有的气体遥测与测距的二维重建系统中，测量气体浓度和测距需要分别采用不同的激光源来进行测量，这样会导致系统成本十分昂贵。而且两激光源同时或分时工作时，分别会导致会减弱系统测量数据的实时性与测量精度，具体为：当两个激光源同时工作时，会在同一光路传播过程中互相干扰，由一个探测器接收将无法区分出两个激光源的信号，影响数据测量精度；当两个激光源分时工作时，同一时间段只有1个光源工作，距离数据，气体浓度数据在同一时间只能获取一种，影响整体设备的实时性。
4.而且该系统本身还存在低浓度环境下很难确定二次谐波信号吸收峰的位置的问题，导致测量精度低。因此，以上问题亟需解决。


技术实现要素：

5.本发明目的是为了解决现有气体遥测与测距系统存在测量数据的实时性与测量精度无法同时兼顾，且在低浓度环境下很难确定二次谐波信号吸收峰的位置，导致测量精度低的问题，本发明提供了一种多频调制的激光气体遥测与相位测距系统。
6.多频调制的激光气体遥测与相位测距系统，包括调制光生成单元、光纤分束器、透镜、1号准直器、两个信号解调单元、多频本振信号产生模块、混频模块、低通滤波模块、a/d采集模块和dsp处理模块；其中，1号准直器设置在透镜的中心孔处；
7.调制光生成单元，用于生成叠加有5种频率的激光，并对该叠加5种频率的激光进行预处理后，输出包含已知浓度气体信息的预设调制波长的叠加激光；还用于生成初始参考信号；其中，5种频率的激光中包含频率分别为f1至f4的高频正弦调制信号和频率为f5的锯齿波信号，且f1＜f2＜f3；初始参考信号为频率为f4的高频正弦调制信号；
8.多频本振信号产生模块，用于生成与f1、f2和f3的高频正弦调制信号分别相对应的3个频率分别为f1′
、f2′
和f3′
的本振信号，并送至混频模块；
9.光纤分束器，用于对调制光生成单元输出的叠加激光进行分束后，形成两束激光，其中，
10.一束激光作为参考光，经第一个信号解调单元解调后，生成的3种频率分别为f1、f2和f3的高频正弦调制信号送至混频模块，并分别与频率分别为f1′
、f2′
和f3′
的本振信号进行混频，混频完成后输出的第一组初始混频信号经低通滤波模块低通滤波后，获得的含有相位信息的第一组低频混频信号作为距离参考信号送至a/d采集模块；第一个信号解调单元，还用于根据调制光生成单元输出的初始参考信号，生成浓度参考信号，并将该浓度参考信号送至a/d采集模块；
11.另一束激光作为探测光，经1号准直器准直后，穿过被测区域后，到达待测位置，经待测位置反射后的探测光由透镜汇聚后，入射至第二个信号解调单元，经第二个信号解调单元解调后，生成的3种频率分别为f1、f2和f3的高频正弦调制信号送至混频模块，并分别与频率分别为f1′
、f2′
和f3′
的本振信号进行混频，混频完成后输出的第二组初始混频信号经低通滤波模块低通滤波后，获得的包含相位信息的第二组低频混频信号作为距离测量信号送至a/d采集模块；第二个信号解调单元，还用于根据调制光生成单元输出的初始参考信号，生成浓度检测信号，并将该浓度检测信号送至a/d采集模块；
12.a/d采集模块，用于对所接收的所有信号进行采样、并模数转换后，送至dsp处理模块进行解算，从而获得被测区域内的气体浓度以及被测区域内待测位置的距离信息。
13.本发明的优点：本发明提供了一种本发明所述多频调制的激光气体遥测与相位测距系统，测距和测浓度采用同一调制光生成单元中的激光源，大大降低系统成本，提升测量实时性。在测量方面采用多个调制频率的测量信号同时发射，同时达到被测目标，整个过程不需要进行调制频率更改，避免了更换测量频率过程中目标运动引起的测量结果无法进行数据融合的问题。在浓度检测方面，常规检测在低浓度环境下很难精确定位二次谐波信号吸收峰的位置，故使调制光生成单元输出的激光包含已知浓度气体信息，增强低浓度情况下的吸收峰辨识能力，以提高遥测信号的信噪比，便于数据处理过程中快速准确的确定气体吸收峰的位置，提升测量数据的准确性。
14.本发明可以满足气体空间分布重建需求，同时完成测量区域的三维模型构建和气体浓度检测，为实现目标立体模型和目标周围多气体浓度分布模型的构建提供测量数据。并且整个系统中只适用一个激光器使得系统成本降低的同时，保证系统测量数据的实时性和测量精度同时兼顾的目的。
附图说明
15.图1是本发明所述多频调制的激光气体遥测与相位测距系统的结构示意图。
具体实施方式
16.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、完整地描述，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作出创造性劳动的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。
17.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
18.实施例1：
19.参见图1说明本实施例，本实例所述的多频调制的激光气体遥测与相位测距系统，包括调制光生成单元1、光纤分束器2、透镜3、1号准直器4、两个信号解调单元5、多频本振信号产生模块6、混频模块7、低通滤波模块8、a/d采集模块9和dsp处理模块10；其中，1号准直器4设置在透镜3的中心孔处；
20.调制光生成单元1，用于生成叠加有5种频率的激光，并对该叠加5种频率的激光进行预处理后，输出包含已知浓度气体信息的预设调制波长的叠加激光；还用于生成初始参
考信号；其中，5种频率的激光中包含频率分别为f1至f4的高频正弦调制信号和频率为f5的锯齿波信号，且f1＜f2＜f3；初始参考信号为频率为f4的高频正弦调制信号；
21.多频本振信号产生模块6，用于生成与f1、f2和f3的高频正弦调制信号分别相对应的3个频率分别为f1′
、f2′
和f3′
的本振信号，并送至混频模块7；
22.光纤分束器2，用于对调制光生成单元1输出的叠加激光进行分束后，形成两束激光，其中，
23.一束激光作为参考光，经第一个信号解调单元5解调后，生成的3种频率分别为f1、f2和f3的高频正弦调制信号送至混频模块7，并分别与频率分别为f1′
、f2′
和f3′
的本振信号进行混频，混频完成后输出的第一组初始混频信号经低通滤波模块8低通滤波后，获得的含有相位信息的第一组低频混频信号作为距离参考信号送至a/d采集模块9；第一个信号解调单元5，还用于根据调制光生成单元1输出的初始参考信号，生成浓度参考信号，并将该浓度参考信号送至a/d采集模块9；
24.另一束激光作为探测光，经1号准直器4准直后，穿过被测区域后，到达待测位置，经待测位置反射后的探测光由透镜3汇聚后，入射至第二个信号解调单元5，经第二个信号解调单元5解调后，生成的3种频率分别为f1、f2和f3的高频正弦调制信号送至混频模块7，并分别与频率分别为f1′
、f2′
和f3′
的本振信号进行混频，混频完成后输出的第二组初始混频信号经低通滤波模块8低通滤波后，获得的包含相位信息的第二组低频混频信号作为距离测量信号送至a/d采集模块9；第二个信号解调单元5，还用于根据调制光生成单元1输出的初始参考信号，生成浓度检测信号，并将该浓度检测信号送至a/d采集模块9；
25.a/d采集模块9，用于对所接收的所有信号进行采样、并模数转换后，送至dsp处理模块10进行解算，从而获得被测区域内的气体浓度以及被测区域内待测位置的距离信息。
26.本实施方式中，使调制光生成单元1输出的激光包含已知浓度气体信息，增强低浓度情况下的吸收峰辨识能力，以提高遥测信号的信噪比，提升测量数据的准确性。并且通过多个调制频率的信号同时发射(也即包含有频率为f1至f5的信号)，同时达到被测目标，整个过程不需要进行调制频率更改，提升测量数据的实时性，为高精度浓度分布重建打下基础。
27.进一步的，经第一个信号解调单元5解调后，生成的3种频率分别为f1、f2和f3的高频正弦调制信号送至混频模块7，并分别与频率分别为f1′
、f2′
和f3′
的本振信号进行混频的具体实现方式为：
28.混频模块7将从第一个信号解调单元5输出的频率为f1的高频正弦调制信号与频率为f1′
的本振信号进行混频，获得第一个混频信号，以及将频率为f2的高频正弦调制信号与频率为f2′
的本振信号进行混频，获得第二个混频信号，以及将频率为f3的高频正弦调制信号与频率为f3′
的本振信号进行混频，获得第三个混频信号，以上三个混频信号构成第一组初始混频信号。
29.本优选实施方式中，由于频率f3的值很高，根据奈奎斯特采样定理，对a/d采样速率要求高，使其采样模块成本高，且不一定存在相应速率的a/d采样模块。而为了保证测相精度，通过调制信号与本振信号混频，变成中低频混频信号，然后进行相位测量。
30.更进一步的，经第二个信号解调单元5解调后，生成的3种频率分别为f1、f2和f3的高频正弦调制信号送至混频模块7，并分别与频率分别为f1′
、f2′
和f3′
的本振信号进行混频的具体实现方式为：
31.混频模块7将从第二个信号解调单元5输出的频率为f1的高频正弦调制信号与频率为f1′
的本振信号进行混频，获得第一个混频信号，以及将频率为f2的高频正弦调制信号与频率为f2′
的本振信号进行混频，获得第二个混频信号，以及将频率为f3的高频正弦调制信号与频率为f3′
的本振信号进行混频，获得第三个混频信号，以上三个混频信号构成第二组初始混频信号。
32.本优选实施方式中，由于频率f3的值很高，根据奈奎斯特采样定理，对a/d采样速率要求高，使其采样模块成本高，且不一定存在相应速率的a/d采样模块。而为了保证测相精度，通过调制信号与本振信号混频，变成中低频混频信号，然后进行相位测量。
33.更进一步的，含有相位信息的第一组低频混频信号包括有3个混频信号，且该3个混频信号中分别对应含有频率f1、f2和f3的高频正弦调制信号；
34.含有相位信息的第一组低频混频信号包括3个混频信号，且该3个混频信号中分别对应含有频率f1、f2和f3的高频正弦调制信号；
35.第一个信号解调单元5的3个混频信号中的频率f1、f2和f3的高频正弦调制信号分别对应与第二个信号解调单元5的3个混频信号中的频率f1、f2和f3的高频正弦调制信号间存在相位差。
36.本优选实施方式中，第一个信号解调单元5中的频率f1的混频信号与第二个信号解调单元5中的频率f1的混频信号相对应，并存在相位差；第一个信号解调单元5中的频率f2的混频信号与第二个信号解调单元5中的频率f2的混频信号相对应，并存在相位差；第一个信号解调单元5中的频率f3的混频信号与第二个信号解调单元5中的频率f3的混频信号相对应，并存在相位差。应用时，利用各对应混频信号的相位差解算出被测区域内待测位置的距离信息。
37.更进一步的，dsp处理模块10获得被测区域内的气体浓度的实现方式为：
38.首先、提取浓度参考信号的峰峰值的位置；
39.其次、将浓度检测信号减去浓度参考信号，并将获得差值信号作为去背景后的信号；将提取到的浓度参考信号的峰峰值的位置作为去背景后的信号的采样位置，并将该采样位置所对应的去背景后的信号的幅值作为去背景后的信号的峰峰值；
40.最后、根据去背景后的信号的峰峰值与已知气体浓度间的线性关系，获得被测区域内的浓度。
41.本优选实施方式中，由于不同的波长可以检测不同种类的气体，具体检测的种类根据实际需求决定，只需要变换调制光生成单元1中激光器的输出激光波长、以及去背景后的信号的峰峰值与激光波长所对应的已知气体浓度间的线性关系，即可求得被测区域内的浓度。
42.更进一步的，dsp处理模块10获得被测区域内待测位置的距离信息的实现方式为：
43.dsp处理模块10通过频率分析方法提取距离参考信号中的3个混频信号相应的分别与距离测量信号中的3个混频信号间的相位进行作差，获得3个相位差，并将每个相位差结合相位法测距公式，获得3个相位差分别所对应的距离值，再通过解模糊算法对3个距离值进行处理，从而获得被测区域内待测位置的距离信息；其中，
44.距离参考信号为包含相位信息的第一组低频混频信号；
45.距离测量信号为包含相位信息的第二组低频混频信号。
46.更进一步的，具体参见图1，调制光生成单元1包括多频调制信号产生模块1-1、加法器1-2、tdlas调制信号产生模块1-3、电流驱动模块1-4、t型偏置器1-5、激光器控制器1-6、激光器1-7、准直器1-8、参考气室1-9和光纤耦合器1-10；
47.多频调制信号产生模块1-1，用于产生3个不同频率的高频正弦调制信号，且3个不同频率分别为f1、f2、f3；
48.加法器1-2，用于对3个不同频率的高频正弦调制信号进行叠加，形成一个包含3种频率的高频叠加信号f1f2f3；
49.tdlas调制信号产生模块1-3，用于生成由频率为f4的高频正弦调制信号和频率为f5的低频锯齿波信号叠加而成的电压控制信号，该电压控制信号经过电流驱动模块1-4转化为电流驱动信号f4f5；通过t型偏置器1-5将电流驱动信号f4f5注入到高频叠加信号f1f2f3中，获得的调制信号f1f2f3f4f5作用到激光器1-7上，使激光器1-7输出预设调制波长的激光；
50.参考气室1-9中充满已知浓度的气体，激光器1-7输出的预设调制波长的激光经过准直器1-8准直后，穿过参考气室1-9内的气体，被气体吸收后入射至光纤耦合器1-10耦合后，输出包含已知浓度的气体信息的预设调制波长的叠加激光；
51.激光器控制器1-6用于控制激光器1-7的工作温度；
52.tdlas调制信号产生模块1-3，还用于将生成的频率为f4的高频正弦波信号作为调制光生成单元1生成的初始参考信号。
53.本优选实施方式中，给出了调制光生成单元1的具体构成，这种进行多频信号的叠加方式，保证了探测光对浓度和距离进行同时测量，实现了测量数据的实时性和准确性，且在测量光路中插入参考气室1-9，增强低浓度情况下的吸收峰辨识能力，以提高遥测信号的信噪比，进一步提升了测量精度。当被测环境内气体浓度低时，谐波信号中的随机噪声会极大地影响气体的吸收信号,使得很难准确确定吸收峰的位置,从而降低气体浓度的测量精度。通过引入参考气室1-9，的方法，首先是提高了测量信号的信噪比,参考气室1-9中引入的已知浓度的标准气体极大地提高了信号值,因此不需要利用自适应信号处理等复杂的“寻峰”方法,就能够在被测环境内气体浓度低的情况下准确找到气体吸收峰的位置。其次，由于参考气室1-9中的标准气体浓度已知，故不需要额外增加标定用的参考光路。
54.本优选实施方式中，激光器控制器1-6，用于控制激光器1-7的工作温度，使激光器1-7输出稳定的波长及功率，保证输出激光的稳定性和可靠性。
55.更进一步的，两个信号解调单元5的内部结构完全相同，且每个信号解调单元5中包括光电探测器5-1、放大器5-2、带通滤波分离模块5-3和锁相放大器5-4。
56.本优选方式中，给出了信号解调单元5的具体结构，结构简单，可同时获得参考光中的距离参考信号和浓度参考信号，以及探测光中的浓度检测信号和距离测量信号，进一步保证了数据的实时性。使浓度数据与距离数据实时对应，满足高速扫描建模的实时性要求。
57.具体应用时，第一个信号解调单元5内的光电探测器5-1可为pin光电探测器。第二个信号解调单元5内的光电探测器5-1可为apd光电探测器。
58.更进一步的，第一个信号解调单元5对参考光解调的具体过程为：
59.入射至第一个信号解调单元5的参考光，经光电探测器5-1进行光电转换后，得到的电流信号由放大器5-2进行放大，获得第一光强电压信号，第一光强电压信号由带通滤波
分离模块5-3进行信号分离后，将获得频率分别为f1、f2和f3的高频正弦调制信号从第一个信号解调单元5输出至混频模块7；同时，第一光强电压信号还被送至锁相放大器5-4，该锁相放大器5-4以调制光生成单元1生成的初始参考信号对第一光强电压信号进行解调，求得第一光强电压信号的二次谐波与一次谐波的第一比值信号，并将该第一比值信号作为浓度参考信号；
60.入射至第二个信号解调单元5的探测光，经光电探测器5-1进行光电转换后，得到的电流信号由放大器5-2进行放大，获得第二光强电压信号，第二光强电压信号由带通滤波分离模块5-3进行信号分离后，将获得频率分别为f1、f2和f3的高频正弦调制信号从第二个信号解调单元5输出至混频模块7；同时，第二光强电压信号还被送至锁相放大器5-4，该锁相放大器5-4以调制光生成单元1生成的初始参考信号对第二光强电压信号进行解调，求得第二光强电压信号的二次谐波与一次谐波的第二比值信号，并将该第二比值信号作为浓度检测信号。
61.本优选实施方式中，给出了两个信号解调单元5对参考光和探测光解调的具体过程，频率为f5的锯齿波是用于测量浓度的信号，利用初始参考信号(即频率为f4的高频正弦波)对光强电压信号中含有的频率为f5的锯齿波调制，在锁相放大器5-4里解调出包含吸收浓度信息的谐波信号。通过高频调制低频锯齿波信号，这样在低频锯齿波进行线性扫描的同时，激光器的输出光功率也伴随着高频正弦调制，而这样的高频调制可以抑制低频段的背景噪声干扰，提高系统的测量灵敏度。而且通过锁相放大器5-4解调出的谐波信号包含浓度信息，可以进一步求出测量范围内的浓度值。更进一步的，其特征在于，光纤分束器2输出的参考光与探测光的能量比为1:9。
62.本优选实施方式中，采用能量比为1:9，保证2路光路采集到的信号正好符合光电探测器的测量范围，参考光路光衰减小，测量光路光衰减大。
63.更进一步的，多频调制信号产生模块1-1产生的3个不同频率的高频正弦调制信号的调制频率分别可为f1＝75khz，f2＝7.5mhz，f3＝75mhz，设距离参考信号和本振信号混频后所得信号频率为4khz，采样频率为400khz，f4＝20khz，f5＝10hz。
64.虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。