CN207866704U - 用于tdlas激光气体遥测的二维重建系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种用于TDLAS激光气体遥测的二维重建系统。所述系统主要包括激光遥测光源、目标测距光源、光纤合波器、光纤准直器、透镜、激光探测器、信号解调单元、微处理器控制单元、激光温度控制模块、激光器电流驱动模块、显示与报警单元、通信接口单元。所述系统通过云台控制遥测装置发射不同方位的激光，实现多方位气体浓度采集和距离测量；根据激光吸收光路的监测数据来构建被测区域的空间坐标系；将被测区域划分成顶点、边和中心区域并对被测区域气体浓度的二维重建。该系统可广泛应用于空间气体分布的二维在线监测。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种用于TDLAS激光气体遥测的二维重建系统，该系统涉及可调谐半导体激光技术、波长调制技术、矩阵理论、信号处理技术等领域，主要用于空间中有毒有害气体组分浓度的二维重建监测地图。
背景技术
建立易燃易爆、有毒有害气体的浓度重建系统，对工农业生产、人民生命财产和促进国家科技发展至关重要。当前，基于可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术的气体浓度重建过程复杂，且采用TDLAS气体遥测技术的气体重建系统，不能够实现同一件检测设备上进行多种气体的二维浓度重建。
针对当前存在的气体监测空间的测量数据处理复杂的问题，建立一种数据处理效率高、二维重建速度快的气体浓度二维重建系统，以解决当前二维重建中数据处理效率低下的问题；在实际的环境气体监测中，为了满足测量场所的实时监测和弥补测量场所不能获取大量投影数据的缺陷，同时TDLAS技术是基于视线效应的测量，且测量结果只能给出光路上的平均气体参数值，不能得到空间平面的测量区域内部信息，因此根据部分测量光路数据，重建二维空间气体浓度分布地图十分必要。
实用新型内容
本实用新型目的在于提供一种用于TDLAS激光气体遥测的二维重建系统，本实用新型的目标测距光源采用了可见光源，提高了使用者的可操作性和装置的实用性，能够满足多种测量场所使用，同时，根据激光光源的特点，装置中增加的激光温度控制模块、激光器电流驱动模块，能够保证测量数据的准确性和二维重建精度。解决目前二维重建系统可操作性低以及测量数据准确性和精度不高的问题。
为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：用于TDLAS激光气体遥测的二维重建系统，所述二维重建系统包括微处理器控制单元、激光发射单元和激光接收单元，所述微处理器控制单元的控制输出端连接激光发射单元，所述微处理器控制单元的信号输入端连接激光接收单元，所述微处理器控制单元包括核心处理器、信号解调单元和嵌入式控制单元，所述核心处理器的控制输出端连接多路电流开关和信号发生器，所述嵌入式控制单元包括激光器电流驱动模块，所述激光发射单元包括激光遥测光源和目标测距光源，所述的目标测距光源为可见激光源，所述激光遥测光源包括多个发射不同波长激光的激光源，每一个激光源测量一种气体的浓度；
所述核心处理器的控制输出端连接激光器电流驱动模块，用于控制所述激光器电流驱动模块输出驱动电流；所述激光器电流驱动模块的输出端驱动连接目标测距光源和激光遥测光源，所述激光器电流驱动模块用于驱动目标测距光源发出用于目标指示和距离探测的可见光，并驱动激光遥测光源发出扫过某一种气体吸收峰值波长范围的激光；所述多路电流开关连接激光遥测光源，用于激光遥测光源的选择；
所述激光接收单元用于接收所述激光遥测光源和目标测距光源发射的光信号，并转换为电信号发送给核心处理器，所述核心处理器用于处理所述的电信号，获得气体浓度和目标反射距离，实现多气体的二维浓度重建。
进一步地，根据本实用新型所述的二维重建系统，所述的激光遥测光源包括CH4、CO2、 CO、H2S、NO2、C2H4、C2H2、NH3吸收峰值相对应的中心波长的可调谐半导体激光器。
进一步地，根据本实用新型所述的二维重建系统，所述的目标测距光源采用390-760nm 的可见激光源。
进一步地，根据本实用新型所述的二维重建系统，所述嵌入式控制单元包括激光温度控制模块，所述核心处理器控制连接激光温度控制模块，用于控制激光温度控制模块进行温度调节，稳定激光波长及功率。
进一步地，根据本实用新型所述的二维重建系统，所述激光发射单元包括云台，以及设置于所述云台上的光纤、光纤合波器和光纤准直器，所述核心处理器控制连接云台，用于控制云台带动激光发射单元转动，所述目标测距光源和激光遥测光源的激光发射端连接光纤合波器，所述光纤合波器的输出端通过光纤连接准直器，所述光纤合波器用于将目标测距光源和激光遥测光源发射的激光合成一束发射。
进一步地，根据本实用新型所述的二维重建系统，所述的二维重建系统包括报警显示单元，所述报警显示单元连接在微处理器控制单元的控制输出端。
进一步地，根据本实用新型所述的二维重建系统，所述的二维重建系统包括通信接口单元，所述通信接口单元包括无线通信接口和有线通信接口。
本实用新型达到的有益效果：
本实用新型在遥测的过程中目标测距光源采用可见光，该光源具有目标指示功能，测量者可以直观的判断重建过程中测量点选取的合理性和正确性。提高了使用者的可操作性和装置的实用性，能够满足多种测量场所使用。
本实用新型设置了激光温度控制模块和激光器电流驱动模块，可以保证不同激光光源能够保持高的稳定性和提高光源质量，进而保证遥测结果的准确性和二维重建的精度。
附图说明
图1为本实用新型实施方案组成示意图。
图2为本实用新型实施方案原理示意图。
图3为本实用新型的二维浓度重建系统工作流程图。
具体实施方式
如图1和图2所示，本实用新型的二维浓度重建系统包括：微处理器控制单元(9)、激光发射单元(22)、激光接收单元(25)、通信接口单元(13)和报警显示单元(12)，所述微处理器控制单元的控制输出端连接激光发射单元和报警显示单元，所述微处理器控制单元的信号输入端连接激光接收单元。
激光发射单元(22)，包括激光遥测光源(1)、目标测距光源(2)、光纤合波器(3)、光纤准直器(4)、光纤(23)和云台(24)。其中光纤为多模光纤，目标测距光源为可见激光源，激光遥测光源包括多个发射不同波长激光的激光源，每一个激光源测量一种气体的浓度，使用可调谐半导体激光器。目标测距光源和激光遥测光源的激光发射端连接光纤合波器，光纤合波器的输出端通过光纤连接光纤准直器，光纤合波器用于将目标测距光源和激光遥测光源发射的激光合成一束发射给光纤准直器，光纤准直器能够把光纤输出端的激光变成一束平行光，实现定向发射。
微处理器控制单元(9)，包括核心处理器(14)、嵌入式控制单元(15)和信号解调单元(8)，其中，嵌入式控制单元包括激光温度控制模块(10)、激光器电流驱动模块(11)、信号发生器(17)和多路电流开关(18)。
核心处理器(14)连接信号发生器，用于控制信号发生器，使其产生用于调制激光发射单元输出波长的低频锯齿波和高频正弦波信号。核心处理器的控制输出端还连接激光器电流驱动模块和激光温度控制模块，核心处理器发送控制信号给激光器电流驱动模块，用于控制所述激光器电流驱动模块输出驱动电流，以驱动激光发射单元发射测距激光信号和遥测激光信号，并用于控制激光温度控制模块(10)进行温度调节，从而稳定激光波长及功率。激光器电流驱动模块的输出端驱动连接目标测距光源，所述激光器电流驱动模块用于驱动目标测距光源发出用于目标指示和距离探测的可见光，激光器电流驱动模块的输出端通过多路电流开关驱动连接激光遥测光源，驱动激光遥测光源发出扫过某一种气体吸收峰值波长范围的遥测激光，多路电流开关用于激光遥测光源的选择。
信号解调单元(8)，包括数字鉴相器(19)、前置放大器(20)和锁相放大器(21)，信号解调单元的信号输入端连接激光接收单元，负责从接收到的激光信号中解调出有用的信号，消除干扰信号。其中，数字鉴相器(19)，负责处理接收到的目标测距光源发射的测距激光信号，将测距激光信号与核心处理器发送的控制信号进行比对，获得信号间的相位差，并将相位差以数据方式通过接口传送给核心处理器。前置放大器(20)，负责将激光接收单元获得的距离探测信号进行初步放大和对信号的滤波。锁相放大器(21)，采用两个信号解调模块，分别负责提取测量信号的一次、二次谐波，利用信号与噪声的互不相关性来抑制噪声，提高信噪比，可采用正交数字双通道锁相放大器模块。
激光接收单元，负责接收激光发射单元的遥测激光信号以及测距激光信号，并将接收到的遥测激光信号以及测距激光信号转换为电信号发送给核心处理器。激光接收单元包括透镜 (5)、激光探测器(7)和暗室(26)，其中，透镜(5)负责将反射回来的激光聚集至激光探测器，激光探测器(7)负责将接收到的激光信号转换为电信号，暗室(26)采用密闭筒型结构，内壁涂吸光材料。
报警显示单元(12)包括LCD显示屏和报警器，其中，报警器为声光报警器。
通信接口单元(13)，用于监测数据传输，采用两种通信方式；包括有线通信接口(27)和无线通信接口(28)。
如图3所示，本实用新型的二维浓度重建系统的工作过程如下：
(1)，按下按键，微处理器控制单元响应，发送测距控制信号和遥测控制信号，启动二维浓度重建过程。
(2)，核心处理器控制信号发生器产生低频锯齿波和高频正弦波信号，同时核心处理器控制激光器电流驱动模块输出驱动电流。
(3)，驱动电流驱动目标测距光源发出用于目标指示和距离探测的可见光，驱动激光遥测光源发出扫过某一种气体吸收峰值波长范围的遥测激光，遥测激光和测距激光经过光纤合波器后，输出合成激光。
(4)，合成激光遇到反射物部分激光被反射，透镜收集反射回来的激光聚集至激光探测器 (7)，激光探测器将接收到的激光信号转换为电信号，并传输到信号解调单元。
(5)，对测距激光信号，信号解调单元经放大、混频等处理后，将测距激光信号与核心处理器发送的测距控制信号进行比对，获得信号间的相位差，传送给核心处理器；
对于遥测激光信号，信号解调单元根据信号发生器提供的解调参考信号及参考信号的倍频信号，提取激光经过被测气体后得到的一次、二次谐波信号参数，并将一次、二次谐波信号数字化，并将获得的一次、二次谐波信号幅值和相位数据发送到核心处理器，通过核心处理器对谐波信号的数据处理，得到遥测光路上的被测气体的平均浓度。
(6)，核心处理器通过控制多路电流开关，实现对另一种气体浓度的测量，直到完成所有气体的浓度测量；同时，核心处理器控制云台带动激光发射单元转动一个角度，继续步骤(1) -(5)。
(7)，核心处理器根据对测量区域上获得的多个角度的测量距离值和多个气体浓度值，进行多气体的二维浓度重建。
本实用新型在遥测的过程中目标测距光源采用可见光，该光源具有目标指示功能，测量者可以直观的判断重建过程中测量点选取的合理性和正确性。提高了使用者的可操作性和装置的实用性，能够满足多种测量场所使用。本实用新型同时设置了激光温度控制模块和激光器电流驱动模块，可以保证不同激光光源能够保持高的稳定性和提高光源质量，进而保证遥测结果的准确性和二维重建的精度。
Claims (7)
1.一种用于TDLAS激光气体遥测的二维重建系统，所述二维重建系统包括微处理器控制单元、激光发射单元和激光接收单元，所述微处理器控制单元的控制输出端连接激光发射单元，所述微处理器控制单元的信号输入端连接激光接收单元，所述微处理器控制单元包括核心处理器、信号解调单元和嵌入式控制单元，所述核心处理器的控制输出端连接多路电流开关和信号发生器，其特征在于：
所述嵌入式控制单元包括激光器电流驱动模块，所述激光发射单元包括激光遥测光源和目标测距光源，所述的目标测距光源为可见激光源，所述激光遥测光源包括多个发射不同波长激光的激光源，每一个激光源测量一种气体的浓度；
所述核心处理器的控制输出端连接激光器电流驱动模块，用于控制所述激光器电流驱动模块输出驱动电流；所述激光器电流驱动模块的输出端驱动连接目标测距光源和激光遥测光源，所述激光器电流驱动模块用于驱动目标测距光源发出用于目标指示和距离探测的可见光，并驱动激光遥测光源发出扫过某一种气体吸收峰值波长范围的激光；所述多路电流开关连接激光遥测光源，用于激光遥测光源的选择；
所述激光接收单元用于接收所述激光遥测光源和目标测距光源发射的光信号，并转换为电信号发送给核心处理器，所述核心处理器用于处理所述的电信号，获得气体浓度和目标反射距离，实现多气体的二维浓度重建。
2.如权利要求1所述的二维重建系统，其特征在于：所述的激光遥测光源包括CH4、CO2、CO、H2S、NO2、C2H4、C2H2、NH3吸收峰值相对应的中心波长的可调谐半导体激光器。
3.如权利要求1所述的二维重建系统，其特征在于：所述的目标测距光源采用390-760nm的可见激光源。
4.如权利要求1所述的二维重建系统，其特征在于：所述嵌入式控制单元包括激光温度控制模块，所述核心处理器控制连接激光温度控制模块，用于控制激光温度控制模块进行温度调节，稳定激光波长及功率。
5.如权利要求1所述的二维重建系统，其特征在于：所述激光发射单元包括云台，以及设置于所述云台上的光纤、光纤合波器和光纤准直器，所述核心处理器控制连接云台，用于控制云台带动激光发射单元转动，所述目标测距光源和激光遥测光源的激光发射端连接光纤合波器，所述光纤合波器的输出端通过光纤连接准直器，所述光纤合波器用于将目标测距光源和激光遥测光源发射的激光合成一束发射。
6.如权利要求1所述的二维重建系统，其特征在于：所述的二维重建系统包括报警显示单元，所述报警显示单元的输入端连接在微处理器控制单元的控制输出端。
7.如权利要求1所述的二维重建系统，其特征在于：所述的二维重建系统包括通信接口单元，所述通信接口单元包括无线通信接口和有线通信接口。
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