br>[0055]
[0056] 其中λ为拉格朗日系数，求解上述函数的最值，将空间甲烷气团直流以及步骤三 中得到的1，2, 3次谐波与最大值进行比较，采用归一化甲烷气团二次谐波得到甲烷气团浓 度值单位为ppm而不是甲烧气团柱密度值ppm · m ;
[0057] 5)将上述过程得到的各种参数和结果显示在显示器上，并对超标的数值进行显示 敏出 吕口 〇
[0058] 上述的，步骤一中的激光束的波长应是甲烷吸收光谱的吸收峰波长。
[0059] 本发明的可调量程激光遥测甲烷浓度装置中的激光器温度控制电路采用先进的 神经元自适应结合经典PID温度闭环控制算法，具有动态响应快，抵抗外界扰动，系统鲁棒 性强，消除稳态时的静差的优点，使温度稳定精度达到〇. ore。
[0060] 为了实现激光器温度对波长的调谐，控制激光器的实际温度跟随给定温度进行变 化，提高动态响应，实现稳态无静差。激光器温度控制电路采用先进的神经元自适应结合经 典PID算法构成温度闭环控制系统，激光器温度控制电路中的激光器TEC14温度控制系统 框图如附图5所示。图中?；为控制激光器10实现温度对波长调谐的给定温度；T为检测的 激光器10实际温度；e为偏差信号；k为加权系数；被控对象为激光器TEC14。
[0061] 控制算法如下：
[0062]
[0063]
[0064]
[0065] CN 105158205 A 兄明书 7/7 页
[0066]
[0067]
[0068]
[0069]
[0070] 式中：n为第n采样。
[0071] 为了实现激光器温度对波长的调谐，首先对激光器10进行温度标定，这样可获得 大量的样本空间，通过样本空间对有监督的Hebb学习规则进行训练，采用不同的学习速率 对PID参数进行整定，根据偏差设定值（0. 〇rC )对闭环控制算法PID参数进行寻优，实现 激光器高精度温度调谐控制，温度稳定精度可达〇. ore。
[0072] 为了消除外界噪声对甲烷气体浓度的影响，提高甲烷气体浓度检测精度经锁相环 电路20解调出调制波信号和倍频解调信号，经过电压调理电路21和AD转换被STM32控制 器1所采集，解算出调制波信号和倍频解调信号的幅值，分别对应于检测回来的光功率和 甲烷气体浓度信息，由于外界噪声及激光器本身热噪声的干扰，有用信号必须从噪声信号 中提取出来。本发明采用数字低通滤波器技术解算出光功率信息和甲烷气团浓度信息。
[0073] 首先根据低通滤波器指标的要求如通带截止频率、通带纹波、过渡带带宽及最大 衰减等设计模拟低通滤波器，将模拟低通滤波器数字化成数字低通滤波器，把S域映射到Z 域，采用双线性变换法得到数字滤波器的系统函数为：
[0074]
[0075] 为了获得更好的低通滤波特性，滤波器的N值尽量高些，从而提高检测精度，消除 外界的干扰。
【主权项】
1. 甲烷气团界面识别和可调量程激光遥测甲烷浓度的装置，是由STM32控制器（I)、激 光器驱动电路（2)、激光器温度控制电路（3)、光电检测电路（4)、锁相解调电路（5)、三维空 间激光测量跟踪器（6)和内置风速传感器（23)构成，其特征在于STM32控制器（1)分别与 激光器驱动电路（2)、激光器温度控制电路（3)、锁相解调电路（5)和三维空间激光测量跟 踪器（6)电路联接；光电检测电路⑷与锁相解调电路（5)电路联接。2. 根据权利要求1所述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，其 特征在于激光器驱动电路包括正弦波发生电路I (7)、正弦波发生电路II (25)、锯齿波发 生电路（8)、恒流源电路（9)和激光器（10)，其中正弦波发生电路I (7)、正弦波发生电路 II (25)和锯齿波发生电路（8)的一端均与STM32控制器（1)电路联接，正弦波发生电路 I (7)的另一端电路连接有带通滤波器I (11)，正弦波发生电路II (25)的另一端电路连 接有带通滤波器II (24);带通滤波器I (11)、锯齿波发生电路（8)和STM32控制器（1)的 数模输出接口 DA均与求和电路（12)电路连接，求和电路（12)、恒流源电路（9)和激光器 (10)依次电路联接。3. 根据权利要求1或2所述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，其特征在于激光器温度控制电路（3)中包括TEC驱动芯片（13)、激光器TEC (14)、激光 器温度检测电阻（15)、恒流源发生电路（16)和调理电路（17)，其中TEC驱动芯片（13)的 一端与STM32控制器（1)电路联接、另一端与激光器TEC(14)电路联接，激光器温度检测电 阻（15)置于激光器（10)内且分别与恒流源发生电路（16)和调理电路（17)电路联接，调 理电路（17)与STM32控制器⑴电路联接。4. 根据权利要求1或2所述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，其特征在于锁相解调电路（5)是由依次电路联接的前置放大电路（18)、带通滤波电路 (19)和锁相环电路（20)构成，其中前置放大电路（18)与光电检测电路（4)电路联接；锁 相环电路（20)分别与带通滤波器I (11)、带通滤波器II (24)电路联接且通过电压调理电 路（21)与STM32控制器（1)电路联接。5. 根据权利要求1所述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，其 特征在于该甲烷气团界面识别和可调量程激光遥测甲烷浓度的装置设有显示器（22)，且该 显示器（22)与STM32控制器⑴电路联接。6. 利用权利要求1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测量甲 烷浓度的方法，其特征在于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： 1) 甲烷气团界面的识别：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，并利用三维空间激光测量跟踪器记录 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 方区域无甲烷气体，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； 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； 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，得到直流以及谐波； 4) 甲烷气团浓度的计算：通过步骤一、步骤二和步骤三并采用可调量程激光遥测技术 和归一化的方法，即可确定甲烷气团的浓度。
【专利摘要】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方法和装置涉及到气体检测分析领域，是由STM32控制器、激光器驱动电路、激光器温度控制电路、光电检测电路、锁相解调电路、三维空间激光测量跟踪器和内置风速传感器构成，STM32控制器分别与激光器驱动电路、激光器温度控制电路、锁相解调电路和三维空间激光测量跟踪器电路联接；光电检测电路与锁相解调电路联接。本发明其测量速度快，达到ms级的响应时间，测量灵敏度高，达到ppm量级，最大检测距离100米，30米长的范围一次检测完成，提高了检测效率；对环境要求不高，在高粉尘、强腐蚀性的被测气体环境，对测量结果无影响；而且遥距检测功能使得一些不能到达或者难以到达的地方检测得以实现。
【IPC分类】G01N21/39
【公开号】CN105158205
【申请号】CN201510677167
【发明人】姚鹏信, 刘松斌
【申请人】姚鹏信
【公开日】2015年12月16日
【申请日】2015年10月17日