一种高灵敏度多点位的激光多组分气体测量系统及方法与流程

本发明涉及光纤分布式测量，具体为一种高灵敏度多点位的激光多组分气体测量系统及方法。

背景技术：

1、矿井火灾是煤矿主要灾害之一，当火灾发生时会产生大量高温烟雾和有毒有害气体，进而对井下人员造成伤害，并且矿井火灾还易引起瓦斯和煤尘爆炸，造成更严重的灾害。因此，矿井火灾防治是煤矿安全生产的一项重要任务。

2、对多组分气体的一氧化碳、甲烷、二氧化碳、乙炔、乙烯进行高灵敏度实时监测，可以有效的对矿井火灾进行提前预警。采用光纤分布式测量技术和激光吸收光谱技术可以实现对原位气体的装置测量，避免原位抽气测量以及现有激光束管多气体测量的缺陷。目前，激光光纤分布式气体测量技术可以实现单点测量，但由于激光器能量较弱，难以分布多个光学探头。并且随着矿区面积增大，需要采用多个激光光源实现多个点位测量，这种方法存在着明显缺陷：

3、（1）针对同一种气体的激光光源由于生产性能的不一致性容易影响后期气体测量的精度；

4、（2）从经济角度来说，需要布置多个激光光源，费用较为昂贵；

5、（3）从系统维护角度来说，因激光光源数量的增加，导致工作量增加，后期监护成本增高。

技术实现思路

1、为解决上述的问题，本发明一方面提供了一种高灵敏度多点位的激光多组分气体测量系统，包括：

2、宽调谐光谱光源，用于加载驱动信号产生扫描激光，并接收调控信号输出单一波长的扫描激光；

3、频率调制器，用于对扫描激光进行强度调制产生调制激光；

4、光纤分束器，用于对调制后的激光进行分路；

5、五气标准池，用于储存不同种类的标准气体，进行标准气体测量得到参考信号；

6、若干个光学吸收池：用于进行多点位的气体测量得到输入信号；

7、光电探测器，用于采集带有气体吸收信息的光信号，并将光信号转换成电信号；

8、数据采集处理器：用于产生驱动信号，并加载至宽调谐光谱光源使其发光；还用于接收五气标准池的测量信号产生调控信号，控制宽调谐光谱光源输出单一波长的扫描激光；还用于接收若干个光学吸收池的测量信号进行信号的解调存储。

9、所述数据采集处理器包括多通道数据采集卡、多通道高速锁相器、微波源、倍频器和主控处理单元；

10、所述多通道数据采集卡与主控处理单元通过串口通信连接，所述多通道数据采集卡用于接收光电探测器的电信号，并将电信号进行模数转换传输至主控处理单元；

11、所述主控处理单元与多通道高速锁相器电连接，所述多通道高速锁相器用于接收若干个光学吸收池的测量信号进行锁相解调处理；

12、所述主控处理器依次与微波源、倍频器电连接，所述倍频器输出端与多通道高速锁相器输入端连接，所述主控处理器用于产生驱动信号和调控信号，还用于触发微波源产生高频微波信号，经倍频器处理后传输至多通道高速锁相器作为参考信号，用于后期若干个光学吸收池的测量信号的信号解调处理。

13、作为具体的实施方式，所述光纤分束器为2路光纤分束器，其中一路光路连接第二光纤分束器，所述第二光纤分束器经传输光纤连接到五气标准池。

14、所述2路光纤分束器另一路光路连接第三光纤分束器，所述第三光纤分束器经传输光纤连接到光学吸收池。

15、另一方面还提供了一种高灵敏度多点位的激光多组分气体测量方法，包括：

16、s1、驱动产生预设波段范围的扫描激光，经光纤分束后分别通过五气标准池的各路标准气体，并采集对应各路标准气体的测量信号；

17、s2、根据采集的五气标准池各路标准气体的测量信号，获取扫描激光强度变化的测量信号，确定目标气体，并调控扫描激光的波长使其稳定在目标气体的气体吸收线上；

18、s3、触发产生同目标气体的气体吸收线一致的高频微波信号，经倍频处理后作为多通道高速锁相器的参考信号；

19、s4、利用已调控为单一波长的扫描激光对多点位的若干个光学吸收池分别进行气体测量，并采集各路光学吸收池的测量信号作为多通道高速锁相器的输入信号；

20、s5、基于接收到的输入信号的时间顺序，将输入信号与参考信号进行锁相解调得到信号差，根据信号差确定各路光学吸收池的气体测量结果；

21、判断所述信号差是否落入预警范围，若所述信号差未落入预警范围，则判定输入信号所属的光学吸收池不存在目标气体，确定该点位气体测量结果正常；

22、若所述信号差落入预警范围，则判定输入信号所属的光学吸收池存在目标气体，确定该点位气体测量结果异常。

23、所述根据采集的五气标准池各路标准气体的测量信号，获取扫描激光强度变化的测量信号，确定目标气体，并调控扫描激光的波长使其稳定在目标气体的气体吸收线上的操作具体为：

24、根据采集的五气标准池各路标准池的测量信号，判断扫描激光的强度是否变化，若变化则判断扫描激光的波长位于标准气体的气体吸收线上，并标记该路测量信号检测的标准气体为目标气体，并矫正宽调谐光谱光源的扫描激光波长使其稳定在所述气体吸收线上。

25、所述五气标准池中标准气体分别为ch4、co2、co、c2h2、c2h4，所述标准气体浓度分别为不同种类气体在空气中的最小预警浓度值。

26、所述输入信号表达式为：

27、，

28、其中，c为光速；e0为扫描激光的能量；am代表强度调制的幅度；σ0 代表光场相位；j1(.)代表贝塞尔函数；代表调制激光的相位；δ-1表示吸收负边带；δ1表示吸收正边带；代表正色散信号，代表负色散信号，代表无色散信号。

29、所述s5中将输入信号与参考信号进行锁相解调得到信号差，具体为将输入信号和参考信号分别与sin(2 ft)相乘，求差，得到信号差即为所测量信号的气体浓度信息，其中 f为高速调制频率，t为时间。

30、所述激光多组分气体测量方法还包括s5中的输入信号均处理完毕，则控制宽调谐光谱光源的扫描激光波长至下一目标气体的气体吸收线上，并重复s2-s5实现对多组分多点位的气体测量。

31、有益效果在于：

32、本发明通过采用宽调谐光谱光源，与光纤分布式测量相结合，能够实现高灵敏度、多点位大面积测量，可以广泛应用于煤矿多组分的原位气体测量，实现对矿井火灾防治的有效检测；

33、本发明采用五气标准池，实时获取扫描激光的频率、强度等信息，能够对扫描激光进行实时矫正，提高气体测量的准确度；利用五气标准池能够实现多组分气体的测量；

34、本发明采用了频率调制器以及多通道高速锁相器，提高了测量系统的灵敏度，同时所采用的长光程光学吸收池可以获得更高的测量精度。

技术特征：

1.一种高灵敏度多点位的激光多组分气体测量系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的高灵敏度多点位的激光多组分气体测量系统，其特征在于，所述数据采集处理器包括多通道数据采集卡、多通道高速锁相器、微波源、倍频器和主控处理单元；

3.根据权利要求1所述的高灵敏度多点位的激光多组分气体测量系统，其特征在于，所述光纤分束器为2路光纤分束器，其中一路光路连接第二光纤分束器，所述第二光纤分束器经传输光纤连接到五气标准池。

4.根据权利要求3所述的高灵敏度多点位的激光多组分气体测量系统，其特征在于，所述2路光纤分束器另一路光路连接第三光纤分束器，所述第三光纤分束器经传输光纤连接到光学吸收池。

5.一种高灵敏度多点位的激光多组分气体测量方法，其特征在于，包括：

6.根据权利要求5所述的高灵敏度多点位的激光多组分气体测量方法，其特征在于，所述根据采集的五气标准池各路标准气体的测量信号，获取扫描激光强度变化的测量信号，确定目标气体，并调控扫描激光的波长使其稳定在目标气体的气体吸收线上的操作具体为：

7.根据权利要求6所述的高灵敏度多点位的激光多组分气体测量方法，其特征在于，所述五气标准池中标准气体分别为ch4、co2、co、c2h2、c2h4，所述不同种类的标准气体浓度分别为气体在空气中的最小预警浓度值。

8.根据权利要求5所述的高灵敏度多点位的激光多组分气体测量方法，其特征在于，所述输入信号表达式为：

9.根据权利要求8所述的高灵敏度多点位的激光多组分气体测量方法，所述s5中将输入信号与参考信号进行锁相解调得到信号差，具体为将输入信号和参考信号分别与sin(2ft)相乘，求差，得到信号差即为所测量信号的气体浓度信息，其中f为高速调制频率，t为时间。

10.根据权利要求5所述的高灵敏度多点位的激光多组分气体测量方法，其特征在于，还包括若s5中的输入信号均处理完毕，则控制宽调谐光谱光源的扫描激光波长至下一目标气体的气体吸收线上，并重复s2-s5实现对多组分多点位的气体测量。

技术总结
本发明涉及光纤分布式测量技术领域，具体为一种高灵敏度多点位的激光多组分气体测量系统及方法，驱动产生预设波段范围的扫描激光，通过五气标准池采集对应各路标准气体的测量信号；确定目标气体，并调控扫描激光的波长使其稳定在目标气体的气体吸收线上；触发产生同目标气体的气体吸收线一致的高频微波信号，经倍频处理后作为多通道高速锁相器的参考信号；对多点位的若干个光学吸收池分别进行气体测量，并采集各路光学吸收池的测量信号作为多通道高速锁相器的输入信号；基于接收到的输入信号的时间顺序，将输入信号与参考信号进行锁相解调得到信号差，根据信号差确定各路光学吸收池的气体测量结果。

技术研发人员：王舒惠,房玉鑫,夏金宝,张大志
受保护的技术使用者：山东烁程智能科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/24