一种用于高空间分辨率气体测量的激光检测装置及方法与流程

1.本发明属于气体测量领域，尤其是涉及一种用于高空间分辨率气体测量的激光检测装置及方法。


背景技术：

2.随着科学技术的不断发展，激光吸收光谱技术已广泛应用于气体流场检测，在现有技术条件下，为了实现二维空间分辨测量，一般是将激光吸收光谱技术与计算机层析成像技术相结合，即安排多个不同角度的激光发射接收光路，覆盖整个待测截面，测得每个光路的积分吸光度后再利用计算机层析成像技术重建气体的二维分布信息，这样为了提高空间分辨率，不得不增加光路布置，使用大量的光电探测器，这样受光电探测器设备体积限制，存在着空间分辨率低，系统复杂度以及设备成本均比较高的问题。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明旨在提出一种用于高空间分辨率气体测量的激光检测装置，可以高空间分辨率气体测量，同时具有设备体积小，成本低以及性能可靠的优点。
4.为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
5.一种用于高空间分辨率气体测量的激光检测装置，包括激光扩束器以及带电子滚动快门红外相机；激光扩束器以及带电子滚动快门红外相机相对设置在待测气体流场两端；
6.激光器通过激光准直器与激光扩束器之间光路连接；
7.带电子滚动快门红外相机前设有带通滤光片；
8.带电子滚动快门红外相机连接用于采集图像数据的计算机。
9.进一步的，激光器连接用于控制输出波长的激光控制器。
10.进一步的，激光控制器连接用于输入信号的信号发生器。
11.一种用于高空间分辨率气体测量的激光检测方法，使用上述的用于高空间分辨率气体测量的激光检测装置；包括如下步骤：
12.步骤1：依据带电子滚动快门红外相机得到的激光经过待测气体流场后的灰度图像，提取所有像素点的灰度值，将提取的灰度值按照电子滚动快门扫描的方向依次排列即可获得不同空间位置的吸收信号，计算吸光度α
v
；
[0013][0014]
其中，α
v
是吸光度，i
t
是经过待测气体吸收后的激光光强，i0是没有经过待测气体吸收后的激光光强；v是波数；
[0015]
在频域上，对上式求积分，得到积分吸光度a：
[0016]
a＝∫α
v
dv
[0017]
其中a是积分吸光度，v是波数；
[0018]
步骤2：计算待测气体流场的气体浓度x；
[0019][0020]
其中，p是气体总压强，t是温度，s
i
为i谱线线强，l是激光穿过待测气体的光程，a是积分吸光度。
[0021]
相对于现有技术，本发明一种用于高空间分辨率气体测量的激光检测装置及方法，具有以下优势：
[0022]
第一，本发明公开的技术方案，使用带电子滚动快门红外相机代替传统的光电探测器，无需布置多条光路即可实现对气体流场的高空间分辨二维测量，大大提高了空间分辨率，并可推广至三维空间分辨测量。
[0023]
第二，本发明公开的技术方案，通过基于带电子滚动快门红外相机输出的灰度图像进行数据处理，实现对不同空间位置气体的二维测量，相比于传统的测量设备，有效缩小了测量设备的体积，同时降低了成本，提高了测量效率及设备的可靠性。
附图说明
[0024]
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
[0025]
在附图中：
[0026]
图1为本发明实施例一种用于高空间分辨率气体测量的激光检测装置示意图；
[0027]
图2为本发明实施例一种用于高空间分辨率气体测量的激光检测装置光学条纹图像示意图。
具体实施方式
[0028]
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。
[0029]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
[0030]
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语
在本发明中的具体含义。
[0031]
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
[0032]
如图1所示，一种用于高空间分辨率气体测量的激光检测装置，包括激光扩束器以及带电子滚动快门红外相机；激光扩束器以及带电子滚动快门红外相机相对设置在待测气体流场两端；
[0033]
激光器通过激光准直器与激光扩束器之间光路连接；
[0034]
在本实施例中，激光器通过光纤导入激光准直器；
[0035]
带电子滚动快门红外相机前设有带通滤光片；
[0036]
在本实施例中，带通滤光片过滤经过待测气体流场吸收后的激光光束，只允许特定波段的光通过，进入到带电子滚动快门红外相机内。
[0037]
带电子滚动快门红外相机连接用于采集图像数据的计算机。
[0038]
如图1所示，激光器连接用于控制输出波长的激光控制器。
[0039]
如图1所示，激光控制器连接用于输入信号的信号发生器。
[0040]
在本实施例中，信号发生器产生锯齿信号或正弦信号，接入激光控制器，对激光器进行调谐。
[0041]
一种用于高空间分辨率气体测量的激光检测方法，原理如下：
[0042]
如图2所示，带电子滚动快门红外相机可以在一个图像帧中观察到多个亮暗相间的光学条纹，光学条纹图像中的每一个像素点都相当于一个光电探测器，使用一个电子滚动快门相机便可达到多个光电探测器同时工作的效果，因此由于光束尺寸以及激光探测器物理尺寸限制，导致传统检测方式只能实现厘米级或毫米级测量，而使用带电子滚动快门红外相机每一个像素点的尺寸仅为1
‑
3um，因此能够实现微米级高空间分辨率测量；
[0043]
在带电子滚动快门红外相机输出的灰度图像中，在发生气体吸收的部分，光强因气体吸收而变弱，灰度值会变小，提取灰度图像所有像素点的灰度值，将图像不同空间位置提取的灰度值按照电子滚动快门扫描的方向依次排列即可获得不同位置空间的吸收信号。
[0044]
一种用于高空间分辨率气体测量的激光检测方法，使用上述的用于高空间分辨率气体测量的激光检测装置；包括如下步骤：
[0045]
步骤1：依据带电子滚动快门红外相机得到的激光经过待测气体流场后的灰度图像，提取所有像素点的灰度值，将提取的灰度值按照电子滚动快门扫描的方向依次排列即可获得不同空间位置的吸收信号，计算吸光度α
v
；
[0046][0047]
其中，α
v
是吸光度，i
t
是经过待测气体吸收后的激光光强，i0是没有经过待测气体吸收后的激光光强；v是波数；
[0048]
在本实施例中，i
t
是经过待测气体吸收后的激光信号像素点的灰度值，i0是没有经过待测气体吸收后的激光信号像素点的灰度值。
[0049]
在本实施例中，i0值的取得可以使用本领域常用的基线拟合方式得到。
[0050]
在频域上，对上式求积分，得到积分吸光度a：
[0051]
a＝∫α
v
dv
[0052]
其中a是积分吸光度，v是波数；
[0053]
步骤2：计算待测气体流场的气体浓度x；
[0054][0055]
其中，p是气体总压强，t是温度，s
i
为i谱线线强，l是激光穿过待测气体的光程，a是积分吸光度。
[0056]
计算待测气体流场的气体浓度x的公式推导过程如下：
[0057]
根据发射激光信号与经吸收后激光信号的光强关系符合lambert
‑
beer定律，得到如下关系：
[0058]
τ
ν
＝(i
t
/i0)＝exp(
‑
pxs
i
(t)φ
ν
l)
[0059]
其中τ
v
为透过率，i0是没有经过待测气体吸收后的激光信号像素点的灰度值，i
t
是经过待测气体吸收后的激光信号像素点的灰度值，p是气体总压强，t是温度，x气体的浓度，φ
ν
是气体吸收谱线的线型函数，s
i
为i谱线线强，l是激光穿过待测气体的光程。
[0060]
对上式两边同时取负对数，定义吸光度为α
v
：
[0061][0062]
在频域上，对上式求积分，由于线性函数的归一化特性可得积分吸光度a：
[0063]
a＝∫α
ν
dν＝p
·
x
·
s
i
(t)
·
l
[0064]
在计算气体浓度x，积分吸光度a是由a＝∫α
ν
dν得出，同时气体总压强p、谱线线强s
i
以及激光穿过待测气体的光程l为已知的先验信息，因此气体浓度x可由如下公式计算得出：
[0065][0066]
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。