相联接，激光器 10阴极与恒流源电路9开关管的漏极相联接。
[0025] STM32控制器1通过SPI串行外设接口驱动正弦波发生电路I 7产生调制波信号、 正弦波发生电路II 25产生倍频解调信号，调制波信号的频率范围为IOKHz~50KHz，倍频解 调信号的频率范围20KHz~100ΚΗz，并且STM32控制器1还通过SPI串行外设接口驱动锯 齿波发生电路8产生低频锯齿波扫描信号，低频锯齿波扫描信号的频率为0. 2Hz~50Hz。 调制波信号和倍频解调信号分别通过带通滤波器I 11和带通滤波器II 24滤波后得到比较 光滑的正弦波，调制波信号和低频锯齿波扫描信号、STM32控制器1数模输出接口 DA产生 的偏置信号共同叠加，通过恒流源电路9驱动激光器10产生甲烷气体吸收谱最大吸收峰值 对应的波长。
[0026] 如图3所示，激光器温度控制电路3中包括TEC驱动芯片13、激光器TEC14、激光 器温度检测电阻15、恒流源发生电路16和调理电路17,激光器温度检测电阻15置于激光 器10内；STM32控制器1的脉冲宽度输出端与TEC驱动芯片13的PffM IN+和PffM IN-相 联接，TEC驱动芯片13输出端TEC+和TEC-分别与激光器10的TEC+和TEC-相联接；激光 器温度检测电阻15串联在恒流源发生电路16中，激光器温度检测电阻15差分输入端与一 个仪表放大电路的同相输入端和反相输入端相联接，该仪表放大电路的输出端与调理电路 17的输入端相联接，调理电路17的输出端与STM32控制器1的模数转换端口 AD相联接。
[0027] 恒流源发生电路16产生的恒流通过激光器温度检测电阻15,激光器温度检测电 阻15检测激光器10内部实际的温度，将激光器10实际温度转换成电压信号，该电压信号 经过调理电路17转换成STM32控制器1的模数转换端口 AD端口电压范围内，与STM32控 制器1内部给定电压基准作差，通过PID结合神经元自适应控制算法求出控制量，控制量与 载波进行比较后产生可调的PWM信号驱动TEC驱动芯片13，TEC驱动芯片13输出端控制激 光器TEC14的正极和负极，通过控制流过激光器TEC14电流的正向流动和反向流动，达到控 制激光器10提高温度和降低温度的目的，这样可以控制激光器10实际温度跟随给定温度 变化，稳态时实现稳态无静差，温度稳定精度达到〇. ore，实现了激光器10温度对波长的 调谐。
[0028] 该激光器温度控制电路3还可以作为光电检测电路4的温度控制电路。
[0029] 如图4所示，光电检测电路4的输出端与前置放大电路18的输入端相联接，前置 放大电路18输出端与带通滤波电路19的输入端联接，带通滤波电路19的输出端与锁相环 电路20的输入端联接，带通滤波器I 11和带通滤波器II 24分别与锁相环电路20的输入 端联接，锁相环电路20的输出端通过电压调理电路21与STM32控制器1的模数转换端口 AD相联接。
[0030] 激光器10发出的激光经过开放的含有甲烷气团吸收后，照射到另一端的目标，部 分经过漫反射之后微弱的光经光电检测电路4检测，由前置放大电路18放大，通过带通滤 波电路19锁住有用的信号，并滤除干扰信号，将含有调制波信号和倍频信号通过锁相环电 路20进行提取，电压调理电路21转换成STM32控制器1的模数转换端口 AD端口的端口电 压，采用低通滤波算法解算出甲烷气体的浓度。
[0031] 本发明的甲烷气团界面识别和可调量程激光遥测甲烷浓度的装置还设有显示器 22,且该显示器22与STM32控制器1电路联接。
[0032] 使用甲烷气团界面识别和可调量程激光遥测甲烷浓度的装置测量甲烷浓度的方 法，识别甲烷气团在三维空间的界面分布，根据甲烷气体扩散规律，采用改进的高斯扩散模 型作为甲烷气体扩散模型，动态模拟甲烷气体的实际工况，并通过可调量程激光近红外甲 烷检测原理测得甲烷气团浓度，其具体操作步骤如下：
[0033] 1)甲烷气团界面的识别：当甲烷气体从泄漏点逸出并形成甲烷气团时，确定和识 别甲烷气团在三维空间的界面分布非常重要，为下一步遥测甲烷气团浓度奠定基础。甲烷 气团在空间任一点位置可通过本装置内置三维空间激光测量跟踪器6,检测人员每次向不 同的方向发射激光束，激光束通过背景漫反射经光电检测电路4检测（检测仪器内部可集 成多个光电检测电路4阵列，只有发射方向反射回来的激光束才能被检测），如果没有照 射到甲烷气团，则检测甲烷浓度值为零，说明在激光照射点下方区域没有甲烷气体泄漏，同 时，记录照射点空间位置信息；这样，不断地照射，并记录空间位置信息；当激光束照射到 甲烷气团外边界时，激光被甲烷气团吸收，经过背景漫反射之后经光电检测电路4检测甲 烷气团浓度发生了变化，此时说明激光束扫描到甲烷气团的外边界。同理，当甲烷气团浓度 从有到无时，说明激光束扫描到甲烷气团另一个边界。这样，通过激光甲烷检测和三维空间 激光跟踪技术就可以确定高浓度甲烷气团扩散界面。
[0034] 总之，向甲烷气团方向由下逐渐向上多次发射激光束，通过检测反射的激光束是 否被吸收来判断其是否经过甲烷气团，并记录此照射点的空间坐标，开始向下方发射的激 光束测得甲烷气团浓度为零时，则表明该点下方区域无甲烷气团，甲烷气团浓度从无到有 即视为经过甲烷气团下方边界，甲烷气团浓度从有到无即视为经过甲烷气团上方边界，甲 烷气体扩散模型采用改进的高斯扩散模型为：
[0037] 其中
*该erf (X)为误差函数，C(x, y, z)为甲烷气团扩
[0035]
[0036] 散到空间的浓度，x、y、z为任一点空间坐标，δ χ、δ y、δ zSx、y、z方向扩散标准差，X为 泄漏点连续排放甲烷气团浓度分布函数，F为内置风速传感器23测得的平均风速，H为有 效源尚；
[0038] 2)甲烷气团界面垂直地面的切面距离的确认：通过步骤一获取的空间坐标数据 并运用三角函数及微分积分方程，得到甲烷气团正对本装置的垂直地面的切面与本装置的 直线距离；
[0039] 3)调节量程对甲烷气团浓度的检测：当激光检测确定泄漏点甲烷气团扩散边界， 根据步骤二得到的甲烷气团正对本装置的垂直地面的切面与本装置的直线距离，通过调节 激光器TEC14和STM32控制器1的数模输出接口 DA来调整本装置的量程，不同类型激光器 10具有不同的特性曲线，但激光器10输出激光的波长是温度和电流的二元函数，即
[0040] λ = f (T, i)
[0041] 上述式中λ是激光器输出激光的波长，T激光器的温度，i恒流源电路流过的偏置 电流。通过可调量程激光遥测技术测定甲烷气团浓度，根据朗伯比尔定律、甲烷气团吸收洛 伦兹线型和波长调制技术，可以得到归一化频率偏移为
[0042]
[0043] 上述式中
，其中
，V。是激光器中心频率，V。是激光器 偏移中心的频率；γ是谱线线宽，X(]是归一化频率偏移，
为波长调制系数，根据实际 调制波幅值与谱线宽度进行实验调试；
[0044] 经过甲烷气团吸收后，通过光电检测电路检测得到的输出端信号为
[0045] S (X) = I (X) = I (x0+mcos ω t)
[0046] 采用Arndt' s理论模型，经光电检测电路检测得到的输出端信号可以用各次谐 波信号表不为
[0047]
[0048]
[0049] 上述式中1为第一类η阶贝塞尔函数，α。为吸收系数，C为甲烷气团浓度，L为气 体吸收光程，当η = 0, 1，2, 3时，可以得到直流以及1，2, 3谐波信号；
[0050] 4)甲烷气团浓度的计算：通过步骤一和步骤三中的公式可以解算出甲烷气团的 浓度，，采用归一化的方法确定甲烷气团的浓度，根据甲烷气团的自身特性以及步骤一中得 到的扩散参数、环境参数和测量边界信息确定甲烷气团模型边界条件为
[0051] g(x, y, z) =A
[0052] 对其变形得到公式
[0053]
[0054] 由步骤一中公式和上述构造新的函数，得<