非接觸遠(yuǎn)程激光大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及激光氣體檢測領(lǐng)域，具體涉及一種非接觸遠(yuǎn)程激光大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]激光氣體探測技術(shù)是利用氣體在近紅外以及中紅外波段的特征吸收，對氣體進(jìn)行檢測與分析的技術(shù)。該技術(shù)具有探測精度尚，響應(yīng)快，探頭不會中毒，可在尚濃度氣體或缺氧環(huán)境下工作等優(yōu)勢。目前，激光氣體分析系統(tǒng)已經(jīng)在冶金、石化、化工、環(huán)保等重要流程工業(yè)領(lǐng)域有成熟的應(yīng)用，成為流程工業(yè)自動化系統(tǒng)的重要組成部分。
[0003]TDLAS (Tunable D1de Laser Absorpt1n Spectroscopy)技術(shù)是目前應(yīng)用中最為成熟的激光氣體探測技術(shù)。它采用的光源是窄線寬可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器，要求半導(dǎo)體激光光譜寬度遠(yuǎn)小于氣體吸收譜線的寬度(DFB，DBR激光器)。許多碳?xì)錃怏w以及有毒氣體(如CH4, CO, NOx, SOx等)的基頻吸收峰在3?5微米的中紅外波段，氣體在該波段的吸收比在近紅外波段的吸收高2?3個數(shù)量級。然而目前應(yīng)用中比較成熟的半導(dǎo)體激光器波長主要在近紅外波段，激光器輸出功率在幾十毫瓦數(shù)量級。因而探測距離受限制，一般小于50米。
[0004]目前基于TDLAS的氣體探測系統(tǒng)，在實(shí)際應(yīng)用場景中，主要有兩種應(yīng)用方式:第一種是激光光源與探測系統(tǒng)在同一端，光源發(fā)出探測激光，經(jīng)氣體吸收以后的信號通過背景體散射，收集散射信號進(jìn)行分析；第二種是激光光源與探測系統(tǒng)分兩端，主要應(yīng)用于工廠煙氣分析，發(fā)射單元與接收單元通過標(biāo)準(zhǔn)法蘭對準(zhǔn)固定在被測煙氣管道的兩側(cè)，以實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時煙氣分析。
[0005]如上所述的兩種實(shí)現(xiàn)途徑，均需要一定的“接觸”，需要待測氣體周圍有不透明介質(zhì)將信號散射回探測器或者需要將探測器安裝在煙氣管道上。對于高空氣體監(jiān)測分析，由于缺乏散射體以及無法安裝探測器，需要真正的“非接觸”探測，當(dāng)前應(yīng)用中的兩種途徑均不能滿足需求。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0006]本實(shí)用新型的目的在于，針對現(xiàn)有技術(shù)中半導(dǎo)體激光器發(fā)出的激光波長較長、探測距離較短和探測過程中需要一定的“接觸”的問題。
[0007]為此目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是:非接觸遠(yuǎn)程激光大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，包括地面系統(tǒng)和高空系統(tǒng)，所述地面系統(tǒng)包括可移動裝置和設(shè)置于所述可移動裝置上的激光光源和信號接收分析裝置，所述高空系統(tǒng)包括飛行器和設(shè)置于所述飛行器上的反射裝置；所述激光光源發(fā)射的激光是中紅外光，波段為3-5 μ m，地面系統(tǒng)的信號接收分析裝置接收高空系統(tǒng)飛行器上的反射裝置反射的激光。
[0008]波段為3-5 μ m，覆蓋了污染氣體的吸收峰。所述激光光源發(fā)射波長覆蓋污染氣體吸收峰的中紅外探測激光，所述高空系統(tǒng)的反射裝置將探測激光反射回地面系統(tǒng)的信號分析裝置，所述信號分析裝置接受反射回來的探測信號并對其進(jìn)行處理。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離非接觸大氣環(huán)境實(shí)時監(jiān)測。
[0009]優(yōu)選地，所述激光光源的功率大于1W。
[0010]優(yōu)選地，所述反射裝置對3-5 μ m波段的中紅外激光的反射率較高。
[0011 ] 優(yōu)選地，所述反射裝置使探測激光沿著發(fā)射路徑返回。
[0012]優(yōu)選地，所述地面系統(tǒng)和所述高空系統(tǒng)均可靈活移動，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)監(jiān)測以及對氣體污染區(qū)域的定位。
[0013]非接觸遠(yuǎn)程激光大氣環(huán)境監(jiān)測的方法是:地面系統(tǒng)的激光光源發(fā)射探測激光至高空系統(tǒng)的反射裝置；所述反射裝置將所述探測激光反射回地面系統(tǒng)的信號接收分析裝置；所述信號接收分析裝置接受并分析反射回地面系統(tǒng)的探測激光；改變地面系統(tǒng)和高空系統(tǒng)的位置重復(fù)以上步驟。
[0014]優(yōu)選地，對每一固定的高空系統(tǒng)的位置，地面系統(tǒng)改變位置以不同的角度發(fā)射探測激光至高空系統(tǒng)的反射裝置。地面系統(tǒng)改變位置在地面10-10000米的尺度，可以覆蓋一個中等城市(或帶區(qū)的城市的一個區(qū)級區(qū)域)的主要區(qū)域，高空系統(tǒng)可以圓形盤旋在空中(以50-5000米的半徑盤旋在同一高度，可以是圓或橢圓形軌跡)。
[0015]本實(shí)用新型的有益效果，通過采用本實(shí)用新型所公開的非接觸遠(yuǎn)程大氣監(jiān)測系統(tǒng)及方法，可以實(shí)現(xiàn)對污染氣體的非接觸的遠(yuǎn)距離的高空探測。提出一種非接觸遠(yuǎn)程大氣監(jiān)測系統(tǒng)及方法。其中所述地面系統(tǒng)包括可移動裝置和設(shè)置于所述可移動裝置上的激光光源和信號接收分析裝置，所述高空系統(tǒng)包括飛行器(無人機(jī))和設(shè)置于所述飛行器上的反射裝置。雙方均為移動式測量結(jié)構(gòu)，采用無人機(jī)可以使監(jiān)測的效率大大提高。當(dāng)然也不排除無人機(jī)上可以攜帶其它大氣污染監(jiān)測儀表，如各種化學(xué)傳感器，可用于廣泛監(jiān)測標(biāo)的大氣污染狀況。
【附圖說明】
[0016]通過參考附圖會更加清楚的理解本實(shí)用新型的特征和優(yōu)點(diǎn)，附圖是示意性的而不應(yīng)理解為對本實(shí)用新型進(jìn)行任何限制。
[0017]圖1示出了以監(jiān)測工廠煙氣排放氣體為例的系統(tǒng)工作示意圖。
[0018]圖2示出了地面系統(tǒng)與高空系統(tǒng)面內(nèi)移動位置實(shí)現(xiàn)污染氣體分析和定位的工作示意圖。
[0019]圖3示出了利用地空錐體掃描監(jiān)測進(jìn)行污染氣體定位工作示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]下面將結(jié)合附圖對本實(shí)用新型的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0021]實(shí)施例1:
[0022]如圖1所示，一種非接觸遠(yuǎn)程大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，包括地面系統(tǒng)和高空系統(tǒng)，其中所述地面系統(tǒng)包括可移動裝置和設(shè)置于所述可移動裝置上的激光光源和信號接收分析裝置，所述高空系統(tǒng)包括飛行器和設(shè)置于所述飛行器上的反射裝置。
[0023]所述激光光源為中紅外激光光源，波長覆蓋3-5 μ m，激光功率大于1W，負(fù)責(zé)發(fā)射探測激光至高空系統(tǒng)的反射裝置。
[0024]所述反射裝置用于接受并反射探測激光，并且使探測激光沿著反射路徑返回。飛行器(無人機(jī))采用四旋翼無人飛行器，便于穩(wěn)定控制其飛行軌道，攜帶雙曲面形的反射鏡使地面系統(tǒng)更易測量到反射。
[0025]所述信號接受分析裝置用于接受反射回的探測信號，并對探測信號進(jìn)行分析處理，給出所監(jiān)測煙氣氣體的信息。
[0026]非接觸遠(yuǎn)程激光大氣環(huán)境監(jiān)測的方法是:地面系統(tǒng)的激光光源發(fā)射探測激光至高空系統(tǒng)的反射裝置；所述反射裝置將所述探測激光反射回地面系統(tǒng)的信號接收分析裝置；所述信號接收分析裝置接受并分析反射回地面系統(tǒng)的探測激光；改變地面系統(tǒng)和高空系統(tǒng)的位置重復(fù)以上步驟。
[0027]實(shí)施例2:
[0028]圖2是地面系統(tǒng)與高空系統(tǒng)面內(nèi)移動位置實(shí)現(xiàn)污染氣體分析和定位的工作示意圖。當(dāng)?shù)孛嫦到y(tǒng)位于I位置，高空系統(tǒng)位于4位置時，地面系統(tǒng)發(fā)射探測激光至高空系統(tǒng)，高空系統(tǒng)中的反射裝置對探測激光進(jìn)行反射并使探測激光沿著原路徑返回，地面系統(tǒng)中的信號接受分析裝置接受反射回的探測激光并進(jìn)行分析，得到污染氣體的信息，并推知在位置I和4的路徑上有污染氣體，但是由于污染氣體在開放空間，不能確定污染氣體的集中位置。當(dāng)?shù)孛嫦到y(tǒng)移動到2位置，高空系統(tǒng)移動到3位置，如果同樣監(jiān)測到污染氣體信息，那么可以就污染氣體其中的位置進(jìn)行定位。
[0029]實(shí)施例3:
[0030]實(shí)施例3與實(shí)施例2類似，區(qū)別之處是對于每一固定的高空系統(tǒng)位置，地面系統(tǒng)需要改變位置以不同角度發(fā)射探測激光至高中系統(tǒng)中的反射裝置，如圖3所示。高空系統(tǒng)固定在4位置，地面系統(tǒng)在I地面位置一定范圍內(nèi)改變位置以不同入射角度發(fā)射探測激光至高空系統(tǒng)的反射裝置，形成一個以地面位置I附近為底面，以4位置為頂點(diǎn)的錐體。進(jìn)一步，高空系統(tǒng)移動至3位置，地面系統(tǒng)在地面位置2 —定范圍內(nèi)改變位置以不同入射角度發(fā)射探測激光至高空系統(tǒng)的反射裝置，形成一個以2地面位置附近為底面，以3位置為頂點(diǎn)的另一個錐體，兩個錐體相交，從而對污染氣體實(shí)現(xiàn)更好地位置定位。依照此原理，通過改變高空系統(tǒng)位置以及地面系統(tǒng)位置，可以形成很大的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，從而對大氣環(huán)境進(jìn)行大范圍的實(shí)時監(jiān)測。
[0031]對每一固定的高空系統(tǒng)的位置，地面系統(tǒng)改變位置以不同的角度發(fā)射探測激光至高空系統(tǒng)的反射裝置。地面系統(tǒng)改變位置在地面500-1000米的尺度，高空系統(tǒng)可以盤旋在空中(以1000-5000米的半徑盤旋在同一高度，可以是圓或橢圓形軌跡)。地面系統(tǒng)與飛行器同時運(yùn)動時，將每個時間單元的點(diǎn)均記錄空地連線(地面坐標(biāo)與空中坐標(biāo)的連線)和此刻的空氣測量數(shù)據(jù)，構(gòu)成一個區(qū)域的空氣測量網(wǎng)格單元；許多網(wǎng)格單元可以構(gòu)成對空氣污染的分布的全區(qū)域測量。
[0032]雖然結(jié)合附圖描述了本實(shí)用新型的實(shí)施方式，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不脫離本實(shí)用新型的精神和范圍的情況下做出各種修改和變型，這樣的修改和變型均落入由所附權(quán)利要求所限定的范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.非接觸遠(yuǎn)程激光大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，包括地面系統(tǒng)和高空系統(tǒng)，所述地面系統(tǒng)包括可移動裝置和設(shè)置于所述可移動裝置上的激光光源和信號接收分析裝置，所述高空系統(tǒng)包括飛行器和設(shè)置于所述飛行器上的反射裝置；所述激光光源發(fā)射的激光是中紅外光，波段為3-5 μ m，地面系統(tǒng)的信號接收分析裝置接收高空系統(tǒng)飛行器上的反射裝置反射的激光。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非接觸遠(yuǎn)程激光大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述激光光源的功率大于1W。
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及非接觸遠(yuǎn)程激光大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，包括地面系統(tǒng)和高空系統(tǒng)，其中所述地面系統(tǒng)包括可移動裝置和設(shè)置于所述可移動裝置上的激光光源和信號接收分析裝置，所述高空系統(tǒng)包括飛行器和設(shè)置于所述飛行器上的反射裝置。所述激光光源發(fā)射的激光是中紅外光，波段為3-5μm。所述激光光源發(fā)射波長覆蓋污染氣體吸收峰的中紅外探測激光，所述高空系統(tǒng)的反射裝置將探測激光反射回地面系統(tǒng)的信號分析裝置，所述信號分析裝置接受反射回來的探測信號并對其進(jìn)行處理。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離非接觸大氣環(huán)境實(shí)時監(jiān)測。
【IPC分類】G01N21/39
【公開號】CN204855368
【申請?zhí)枴緾N201520281116
【發(fā)明人】趙剛, 李世鳳, 劉奕辰, 蔣旭東, 居盼盼, 莫其金, 李宇昕, 呂新杰, 祝世寧
【申請人】南京大學(xué)
【公開日】2015年12月9日
【申請日】2015年5月4日