本發(fā)明涉及測量技術(shù)領(lǐng)域，特別是指一種氣體純凈度檢測方法、系統(tǒng)和裝置。

背景技術(shù)：

氣體純凈度檢測是氣體檢測時(shí)非常重要的一個(gè)指標(biāo)。以大氣污染領(lǐng)域?yàn)槔?，大氣中所包含的雜質(zhì)多少直接反映了大氣污染程度。由于大氣污染日益嚴(yán)重，人們也越來越注重大氣污染的檢測?，F(xiàn)在大氣污染的最主要來源是氣溶膠，氣溶膠是指大氣中直徑在0.001—100μm的液體或固體微粒體系。其中氣溶膠的形成包括自然源和人工源：自然源主要包括：地面揚(yáng)塵、沙塵暴、林火煙灰、花粉與種子等形成的對(duì)流層氣溶膠；人工源主要包括：工業(yè)、交通、農(nóng)業(yè)、建筑等直接向?qū)α鲗又信欧诺臍馊苣z粒子。現(xiàn)有技術(shù)中的大氣污染監(jiān)測設(shè)備通常包括顆粒物傳感器檢測和激光雷達(dá)檢測兩種：

顆粒物傳感器檢測是通過提取的大氣樣本，通過設(shè)備中的顆粒物傳感器進(jìn)行檢測；最常見的就是現(xiàn)有的pm2.5檢測儀。

激光雷達(dá)是一種先進(jìn)的主動(dòng)式遙感儀器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)大范圍的大氣組分和環(huán)境參量(如溫度、濕度等)進(jìn)行連續(xù)、實(shí)時(shí)、高時(shí)空分辨率的監(jiān)測。其基本工作原理是采用激光器向目標(biāo)物發(fā)射激光束，再接收被目標(biāo)物散射(或反射)回來的回波光信號(hào)，進(jìn)而經(jīng)過分光后轉(zhuǎn)換成回波電信號(hào)進(jìn)行分析識(shí)別。但是在實(shí)際應(yīng)用中，激光雷達(dá)回波信號(hào)傳播隨距離平方衰減,信號(hào)十分微弱。另外,激光雷達(dá)系統(tǒng)中不可避免地存在著噪聲和干擾源,包括光電探測系統(tǒng)中的電噪聲、熱噪聲、電源諧波干擾等。大氣氣溶膠探測需要全天候進(jìn)行,但白天甚至夜晚的天空背景光和地面輻射光會(huì)污染甚至淹沒激光雷達(dá)的有效回波信號(hào),限制激光雷達(dá)的有效探測距離和準(zhǔn)確度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種利用激光雷達(dá)進(jìn)行快速、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的氣體檢測的氣體純凈度檢測方法、系統(tǒng)和裝置。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明實(shí)施例提出了一種氣體純凈度檢測方法，包括：

按照預(yù)設(shè)激光發(fā)射時(shí)序向大氣發(fā)射檢測激光束；獲取未摻入檢測激光束和回波的純凈背景光信號(hào)；

接收帶噪的檢測激光束的回波信號(hào)，其中所述帶噪的檢測激光束的回波信號(hào)包括所述檢測激光束的回波光信號(hào)以及背景光信號(hào)；

通過純凈背景光信號(hào)去除所述帶噪的檢測激光束中的背景光信號(hào)。

其中，所述通過純凈背景光信號(hào)去除所述帶噪的檢測激光束中的背景光信號(hào)，具體包括：

將純凈背景光信號(hào)b(t)進(jìn)行變換域以表征為b(ω)；將帶噪的激光雷達(dá)回波信號(hào)x(t)進(jìn)行變換域以表征為x(ω)；

純凈背景光信號(hào)去除所述帶噪的檢測激光束中的背景光信號(hào)后獲取的回波信號(hào)的變換域表征；

利用回波信號(hào)的變換域f(ω)和帶噪的激光雷達(dá)回波信號(hào)變換域x(ω)，計(jì)算增強(qiáng)的回波信號(hào)的變換域

x′(ω)＝x(ω)×f(ω)

對(duì)增強(qiáng)的回波信號(hào)的變換域x′(ω)進(jìn)行反變換以獲得增強(qiáng)的回波時(shí)域信號(hào)x′(t)。

其中，所述變換域和反變換采用以下的至少一種方法：傅立葉變換、離散余弦變換、拉普拉斯變換、小波變換。

同時(shí)，本發(fā)明實(shí)施例還提出了一種氣體純凈度檢測裝置，包括：

發(fā)射機(jī)構(gòu)，用于按照預(yù)設(shè)激光發(fā)射時(shí)序向大氣發(fā)射檢測激光束；

接收機(jī)構(gòu)，用于獲取未摻入檢測激光束和回波的純凈背景光信號(hào)；還用于接收帶噪的檢測激光束的回波信號(hào)，其中所述帶噪的檢測激光束的回波信號(hào)包括所述檢測激光束的回波光信號(hào)以及背景光信號(hào)；

濾除機(jī)構(gòu)，用于根據(jù)接收機(jī)構(gòu)接收到的純凈背景光信號(hào)，去除所述帶噪的檢測激光束中的背景光信號(hào)。

其中，所述濾出機(jī)構(gòu)執(zhí)行以下操作：

將純凈背景光信號(hào)b(t)進(jìn)行變換域以表征為b(ω)；將帶噪的激光雷達(dá)回波信號(hào)x(t)進(jìn)行變換域以表征為x(ω)；

純凈背景光信號(hào)去除所述帶噪的檢測激光束中的背景光信號(hào)后獲取的回波信號(hào)的變換域表征；

利用回波信號(hào)的變換域f(ω)和帶噪的激光雷達(dá)回波信號(hào)變換域x(ω)，計(jì)算增強(qiáng)的回波信號(hào)的變換域

x′(ω)＝x(ω)×f(ω)

對(duì)增強(qiáng)的回波信號(hào)的變換域x′(ω)進(jìn)行反變換以獲得增強(qiáng)的回波時(shí)域信號(hào)x′(t)。

其中，所述變換域和反變換采用以下的至少一種方法：傅立葉變換、離散余弦變換、拉普拉斯變換、小波變換。

同時(shí)，本發(fā)明實(shí)施例還提出了一種氣體純凈度檢測系統(tǒng)，包括如前任一項(xiàng)所述的氣體純凈度檢測裝置，還包括主控裝置，所述主控裝置連接所述氣體純凈度檢測裝置以控制所述氣體純凈度檢測裝置的發(fā)射機(jī)構(gòu)發(fā)射所述檢測激光束，并接收所述濾出機(jī)構(gòu)獲取的增強(qiáng)的回波時(shí)域信號(hào)x′(t)。

本發(fā)明的上述技術(shù)方案的有益效果如下：上述方法提供了一種氣體純凈度檢測方法、系統(tǒng)和裝置，能夠長時(shí)間對(duì)氣體(例如大氣)進(jìn)行檢測，且獲取的檢測結(jié)果可以濾除背景光的干擾噪聲，以確保檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例的流程示意圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明要解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖及具體實(shí)例進(jìn)行詳細(xì)描述。

本發(fā)明的基本原理是：發(fā)射的檢測激光束在經(jīng)過大氣發(fā)射、折射后會(huì)形成帶噪的檢測激光束的回波信號(hào)，且?guī)г氲臋z測激光束的回波信號(hào)中會(huì)包括真正有用的檢測激光束的回波光信號(hào)，但也會(huì)包括作為噪音的背景光信號(hào)。本發(fā)明實(shí)施例中利用上述原理，可以提取獲取未摻入檢測激光束和回波的純凈背景光信號(hào)，然后再獲取帶噪的檢測激光束的回波信號(hào)；然后通過純凈背景光信號(hào)去除所述帶噪的檢測激光束中的背景光信號(hào)。這樣就可以獲取其中增強(qiáng)的回波光信號(hào)。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明實(shí)施例提出了一種氣體純凈度檢測方法，包括：

按照預(yù)設(shè)激光發(fā)射時(shí)序向大氣發(fā)射檢測激光束；獲取未摻入檢測激光束和回波的純凈背景光信號(hào)；

接收帶噪的檢測激光束的回波信號(hào)，其中所述帶噪的檢測激光束的回波信號(hào)包括所述檢測激光束的回波光信號(hào)以及背景光信號(hào)；

通過純凈背景光信號(hào)去除所述帶噪的檢測激光束中的背景光信號(hào)。

其中，所述通過純凈背景光信號(hào)去除所述帶噪的檢測激光束中的背景光信號(hào)，具體包括：

將純凈背景光信號(hào)b(t)進(jìn)行變換域以表征為b(ω)；將帶噪的激光雷達(dá)回波信號(hào)x(t)進(jìn)行變換域以表征為x(ω)；

純凈背景光信號(hào)去除所述帶噪的檢測激光束中的背景光信號(hào)后獲取的回波信號(hào)的變換域表征；

利用回波信號(hào)的變換域f(ω)和帶噪的激光雷達(dá)回波信號(hào)變換域x(ω)，計(jì)算增強(qiáng)的回波信號(hào)的變換域

x′(ω)＝x(ω)×f(ω)

對(duì)增強(qiáng)的回波信號(hào)的變換域x′(ω)進(jìn)行反變換以獲得增強(qiáng)的回波時(shí)域信號(hào)x′(t)。

其中，所述變換域和反變換采用以下的至少一種方法：傅立葉變換、離散余弦變換、拉普拉斯變換、小波變換。

同時(shí)，本發(fā)明實(shí)施例還提出了一種氣體純凈度檢測裝置，包括：

發(fā)射機(jī)構(gòu)，用于按照預(yù)設(shè)激光發(fā)射時(shí)序向大氣發(fā)射檢測激光束；

接收機(jī)構(gòu)，用于獲取未摻入檢測激光束和回波的純凈背景光信號(hào)；還用于接收帶噪的檢測激光束的回波信號(hào)，其中所述帶噪的檢測激光束的回波信號(hào)包括所述檢測激光束的回波光信號(hào)以及背景光信號(hào)；

濾除機(jī)構(gòu)，用于根據(jù)接收機(jī)構(gòu)接收到的純凈背景光信號(hào)，去除所述帶噪的檢測激光束中的背景光信號(hào)。

其中，所述濾出機(jī)構(gòu)執(zhí)行以下操作：

將純凈背景光信號(hào)b(t)進(jìn)行變換域以表征為b(ω)；將帶噪的激光雷達(dá)回波信號(hào)x(t)進(jìn)行變換域以表征為x(ω)；

純凈背景光信號(hào)去除所述帶噪的檢測激光束中的背景光信號(hào)后獲取的回波信號(hào)的變換域表征；

利用回波信號(hào)的變換域f(ω)和帶噪的激光雷達(dá)回波信號(hào)變換域x(ω)，計(jì)算增強(qiáng)的回波信號(hào)的變換域

x′(ω)＝x(ω)×f(ω)

對(duì)增強(qiáng)的回波信號(hào)的變換域x′(ω)進(jìn)行反變換以獲得增強(qiáng)的回波時(shí)域信號(hào)x′(t)。

其中，所述變換域和反變換采用以下的至少一種方法：傅立葉變換、離散余弦變換、拉普拉斯變換、小波變換。

同時(shí)，本發(fā)明實(shí)施例還提出了一種氣體純凈度檢測系統(tǒng)，包括如前任一項(xiàng)所述的氣體純凈度檢測裝置，還包括主控裝置，所述主控裝置連接所述氣體純凈度檢測裝置以控制所述氣體純凈度檢測裝置的發(fā)射機(jī)構(gòu)發(fā)射所述檢測激光束，并接收所述濾出機(jī)構(gòu)獲取的增強(qiáng)的回波時(shí)域信號(hào)x′(t)。

在一個(gè)具體的實(shí)施方式中本發(fā)明實(shí)施例提供的基于激光雷達(dá)的環(huán)境污染物監(jiān)測系統(tǒng)，包括控制激光發(fā)射時(shí)序、大氣污染程度的計(jì)算、各單元間數(shù)據(jù)交互流程等；

所述發(fā)射單元，用于接收中央處理器發(fā)射指令，發(fā)射指定激光束；

所述接收單元，用于接收回波光信號(hào)和背景光信號(hào)，并將所接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為回波電信號(hào)；

所述信號(hào)處理單元，對(duì)接收到的回波光信號(hào)和背景光信號(hào)做相應(yīng)的信號(hào)處理，消除噪聲信號(hào)提升回波信號(hào)的質(zhì)量；

具體的，從接收單元獲取背景光信號(hào)，通過信號(hào)變換計(jì)算出變換域表征；從接收單元獲取帶噪的激光雷達(dá)回波信號(hào)，通過信號(hào)變換計(jì)算變換域表征；利用消噪濾波獲取回波信號(hào)的變換域表征；利用反變換恢復(fù)出增強(qiáng)的回波時(shí)域信號(hào)。

所述呈現(xiàn)單元，用于將中央處理單元計(jì)算得到的大氣污染程序結(jié)果，通過圖像或文字的形式呈現(xiàn)給終端用戶；

如圖1所示，為本發(fā)明實(shí)施例提供的基于激光雷達(dá)的環(huán)境污染物監(jiān)測方法的流程示意圖，包括：

從接收單元獲取背景光信號(hào)，通過信號(hào)變換計(jì)算出變換域表征；

具體地，背景光信號(hào)表示為b(t),其變換域表征為b(ω)，變換方法可以是傅立葉變換、離散余弦變換、拉普拉斯變換、小波變換等的一種或者組合；

從接收單元獲取帶噪的激光雷達(dá)回波信號(hào)，通過信號(hào)變換計(jì)算變換域表征；

具體地，帶噪的激光雷達(dá)回波信號(hào)表示為x(t),其變換域表征為x(ω)；

利用消噪濾波獲取回波信號(hào)的變換域表征；

具體地，消噪濾波器的變換域表征為

增強(qiáng)的回波信號(hào)的變換域表征為

x′(ω)＝x(ω)×f(ω)

利用反變換恢復(fù)出增強(qiáng)的回波時(shí)域信號(hào)，具體地，從x′(ω)中反變換出增強(qiáng)的時(shí)域信號(hào)x′(t)。

對(duì)于裝置實(shí)施例而言，由于其基本對(duì)應(yīng)于方法實(shí)施例，所以相關(guān)之處參見方法實(shí)施例的部分說明即可。以上所描述的裝置實(shí)施例僅僅是示意性的，其中所述作為分離部件說明的單元可以是或者也可以不是物理上分開的，作為單元顯示的部件可以是或者也可以不是物理單元，即可以位于一個(gè)地方，或者也可以分布到多個(gè)網(wǎng)絡(luò)單元上?？梢愿鶕?jù)實(shí)際的需要選擇其中的部分或者全部模塊來實(shí)現(xiàn)本申請方案的目的。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的情況下，即可以理解并實(shí)施。

以上所述是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明所述原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。