本發(fā)明涉及氣體檢測(cè)，特別涉及一種基于激光光譜成像的多組分溫室氣體檢測(cè)系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、當(dāng)前氣候由于溫室氣體的過量排放導(dǎo)致溫室效應(yīng)加劇，氣候問題日益嚴(yán)重，需要布局集成化、智能化和標(biāo)準(zhǔn)化的高精度排放計(jì)量與檢測(cè)儀器。

2、

3、激光光譜成像技術(shù)是一種結(jié)合了激光技術(shù)與光譜分析技術(shù)的新型檢測(cè)技術(shù)，它通過發(fā)射特定波長(zhǎng)的激光束，并接收和分析激光與物質(zhì)相互作用后的光譜信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)物質(zhì)成分、濃度等參數(shù)的測(cè)量；激光光譜成像技術(shù)具有非接觸式測(cè)量、高靈敏度、高分辨率、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于復(fù)雜環(huán)境中多組分溫室氣體的檢測(cè)。

4、盡管目前已有多種溫室氣體檢測(cè)技術(shù)，但大多數(shù)方法仍存在一些局限性。例如，傳統(tǒng)的氣相色譜法和質(zhì)譜法雖然準(zhǔn)確性高，但設(shè)備龐大、操作復(fù)雜、成本高，難以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；而一些基于紅外光譜技術(shù)的檢測(cè)方法雖然可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，但受限于光譜分辨率和信噪比，對(duì)于多組分溫室氣體的檢測(cè)效果并不理想。

5、因此本申請(qǐng)研制了一種基于激光光譜成像的多組分溫室氣體檢測(cè)系統(tǒng)及方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明目的是：提供一種基于激光光譜成像的多組分溫室氣體檢測(cè)系統(tǒng)及方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中因環(huán)境的影響與干擾導(dǎo)致檢測(cè)精度低的問題，以及難以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和對(duì)多組分溫室氣體檢測(cè)效果不好的問題。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種基于激光光譜成像的多組分溫室氣體檢測(cè)系統(tǒng)，包括：

3、前端探測(cè)硬件電路，包括前端探測(cè)電路和諧波采集電路；前端探測(cè)電路包括信號(hào)分配模塊，所述信號(hào)分配模塊包括激光耦合器、二分光器、光學(xué)衰減器，多波段混頻激光驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通過智能尋址驅(qū)動(dòng)多光譜不同頻可調(diào)諧激光器同步混頻輸出混合信號(hào)，混合信號(hào)通過激光耦合器、二分光器、光學(xué)衰減器、長(zhǎng)光程氣體室分成兩路光強(qiáng)相同的信號(hào)一和信號(hào)二，信號(hào)一和信號(hào)二分別通過對(duì)應(yīng)的光譜傳感器一和光譜傳感器二后被諧波采集電路接收，諧波采集電路進(jìn)行光譜尋址，掃描近紅外波段，實(shí)現(xiàn)二次諧波光譜成像；

4、上位機(jī)：接收諧波采集電路發(fā)出的二次諧波信號(hào)；

5、氣體濃度預(yù)測(cè)系統(tǒng)；將所述上位機(jī)采集的二次諧波信號(hào)通過深度學(xué)習(xí)和圖像算法處理并構(gòu)建實(shí)驗(yàn)的測(cè)試集，與數(shù)據(jù)平臺(tái)的樣本進(jìn)行匹配，預(yù)測(cè)氣體的種類和濃度。

6、優(yōu)選的，所述前端探測(cè)電路還包括dfb激光器組、長(zhǎng)光程氣室；所述信號(hào)一通過所述長(zhǎng)光程氣室后輸出被所述光譜傳感器一接收，所述信號(hào)二直接輸出被所述光譜傳感器二接收。

7、優(yōu)選的，所述長(zhǎng)光程氣室與所述光譜傳感器一之間設(shè)有tdlas系統(tǒng)，所述信號(hào)分配模塊與所述光譜傳感器二之間設(shè)有ft?i?r系統(tǒng)。

8、優(yōu)選的，所述諧波采集電路包括差分放大電路和鎖相放大濾波電路，所述信號(hào)一和所述信號(hào)二通過對(duì)應(yīng)的所述光譜傳感器一和所述光譜傳感器二后，經(jīng)過差分放大電路和鎖相放大濾波電路輸出穩(wěn)定的二次諧波。

9、一種基于激光光譜成像的多組分溫室氣體檢測(cè)方法，采用權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的一種基于激光光譜成像的多組分溫室氣體檢測(cè)系統(tǒng)執(zhí)行，包括以下步驟：

10、s1：接收信號(hào)：上位機(jī)接收通過差分放大電路和鎖相放大濾波電路輸出的穩(wěn)定的二次諧波信號(hào)；

11、s2：信號(hào)處理：氣體濃度預(yù)測(cè)系統(tǒng)將采集的二次諧波信號(hào)通過深度學(xué)習(xí)，并通過上位機(jī)設(shè)計(jì)的紅外光譜成像分析系統(tǒng)，將二次諧波信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楣庾V強(qiáng)度圖；

12、s3：構(gòu)建測(cè)試集：通過圖像處理算法分析激光圖譜的數(shù)據(jù)，構(gòu)建實(shí)驗(yàn)的測(cè)試集；

13、s4：數(shù)據(jù)比對(duì)：將步驟s3中得到的測(cè)試集與大數(shù)據(jù)平臺(tái)保存的樣本集進(jìn)行匹配，預(yù)測(cè)出氣體的種類和濃度。

14、優(yōu)選的，步驟s2中，氣體濃度預(yù)測(cè)系統(tǒng)將接收到的二次諧波轉(zhuǎn)化為八段二次諧波數(shù)據(jù)，并導(dǎo)入分類算法模型中進(jìn)行分類識(shí)別，識(shí)別相應(yīng)氣體種類的同時(shí)進(jìn)行光譜波段頻率選擇，再根據(jù)每種氣體不同的二次諧波數(shù)據(jù)進(jìn)行光譜數(shù)據(jù)圖像識(shí)別。

15、優(yōu)選的，步驟s3中，運(yùn)用機(jī)械學(xué)習(xí)的方法，將二次諧波信號(hào)轉(zhuǎn)化為波長(zhǎng)為橫坐標(biāo)，不同顏色表示不同吸收強(qiáng)度的激光光譜圖。

16、優(yōu)選的，將步驟s3中的測(cè)試集和保存的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到一組改變系數(shù)，通過改變系數(shù)將此次的測(cè)試集數(shù)據(jù)與之前的數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)。

17、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：

18、(1)通過將tdlas技術(shù)和ft?i?r技術(shù)結(jié)合，利用氣體吸收光譜技術(shù)，針對(duì)激光光譜指紋峰與選擇性的特點(diǎn)，能夠有效降低工業(yè)園區(qū)、野外濕地等特征區(qū)域下的溫濕度、酸堿性、粉塵濃度等影響因素的干擾，將探測(cè)精度大大提高，同時(shí)穩(wěn)定工作壽命有著顯著提高；

19、(2)針對(duì)多組分溫室氣體，采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的人工智能學(xué)習(xí)方法，排除標(biāo)志氣體以外氣體成分對(duì)測(cè)量的干擾；

20、(3)通過紅外光譜成像分析系統(tǒng)，將二次諧波信號(hào)轉(zhuǎn)換為光譜圖，并通過圖像處理，排除了波段相近氣體之間的信號(hào)干擾；

21、(4)當(dāng)光信號(hào)強(qiáng)度或多波段混頻激光驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電流及濕度發(fā)生改變時(shí)，能夠通過校準(zhǔn)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整。

技術(shù)特征：

1.一種基于激光光譜成像的多組分溫室氣體檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于激光光譜成像的多組分溫室氣體檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于：所述前端探測(cè)電路還包括dfb激光器組、長(zhǎng)光程氣室；所述信號(hào)一通過所述長(zhǎng)光程氣室后輸出被所述光譜傳感器一接收，所述信號(hào)二直接輸出被所述光譜傳感器二接收。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于激光光譜成像的多組分溫室氣體檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于：所述長(zhǎng)光程氣室與所述光譜傳感器一之間設(shè)有tdlas系統(tǒng)，所述信號(hào)分配模塊與所述光譜傳感器二之間設(shè)有fti?r系統(tǒng)。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于激光光譜成像的多組分溫室氣體檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于：所述諧波采集電路包括差分放大電路和鎖相放大濾波電路，所述信號(hào)一和所述信號(hào)二通過對(duì)應(yīng)的所述光譜傳感器一和所述光譜傳感器二后，經(jīng)過差分放大電路和鎖相放大濾波電路輸出穩(wěn)定的二次諧波。

5.一種基于激光光譜成像的多組分溫室氣體檢測(cè)方法，采用權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的一種基于激光光譜成像的多組分溫室氣體檢測(cè)系統(tǒng)執(zhí)行，其特征在于：包括以下步驟：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于激光光譜成像的多組分溫室氣體檢測(cè)方法，其特征在于：步驟s2中，氣體濃度預(yù)測(cè)系統(tǒng)將接收到的二次諧波轉(zhuǎn)化為八段二次諧波數(shù)據(jù)，并導(dǎo)入分類算法模型中進(jìn)行分類識(shí)別，識(shí)別相應(yīng)氣體種類的同時(shí)進(jìn)行光譜波段頻率選擇，再根據(jù)每種氣體不同的二次諧波數(shù)據(jù)進(jìn)行光譜數(shù)據(jù)圖像識(shí)別。

7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于激光光譜成像的多組分溫室氣體檢測(cè)方法，其特征在于：步驟s3中，運(yùn)用機(jī)械學(xué)習(xí)的方法，將二次諧波信號(hào)轉(zhuǎn)化為波長(zhǎng)為橫坐標(biāo)，不同顏色表示不同吸收強(qiáng)度的激光光譜圖。

8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于激光光譜成像的多組分溫室氣體檢測(cè)方法，其特征在于：將步驟s3中的測(cè)試集和保存的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到一組改變系數(shù)，通過改變系數(shù)將此次的測(cè)試集數(shù)據(jù)與之前的數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及氣體檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于激光光譜成像的多組分溫室氣體檢測(cè)系統(tǒng)，包括：前端探測(cè)硬件電路，包括前端探測(cè)電路和諧波采集電路；多波段混頻激光驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通過智能尋址驅(qū)動(dòng)多光譜不同頻可調(diào)諧激光器同步混頻輸出混合信號(hào)，混合信號(hào)分成兩路光強(qiáng)相同的信號(hào)一和信號(hào)二，信號(hào)一和信號(hào)二分別通過對(duì)應(yīng)的光譜傳感器一和光譜傳感器二后被諧波采集電路接收，諧波采集電路進(jìn)行光譜尋址，掃描近紅外波段，實(shí)現(xiàn)二次諧波光譜成像；上位機(jī)：接收諧波采集電路發(fā)出的二次諧波信號(hào)；氣體濃度預(yù)測(cè)系統(tǒng)；將二次諧波信號(hào)通過深度學(xué)習(xí)和圖像算法處理并構(gòu)建實(shí)驗(yàn)的測(cè)試集，與數(shù)據(jù)平臺(tái)的樣本進(jìn)行匹配，預(yù)測(cè)氣體的種類和濃度。

技術(shù)研發(fā)人員：劉向,薛宏盛,趙新語,秦永敏
受保護(hù)的技術(shù)使用者：蘇州捷準(zhǔn)智能科技研發(fā)有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/11/18