:根據(jù)氣體吸收特征譜線回光強度的變化特性，獲取被測量氣體擴散分布范圍。
[0072]5、吸收特征譜線數(shù)據(jù)庫:典型氣體吸收譜線庫，分析氣體種類。
[0073]具體地，本發(fā)明提供的基于后向散射回光的自由狀態(tài)氣體參數(shù)遠程測量方法，其主要原理是:采用數(shù)十mJ、脈沖寬度不超過100ns、譜寬大于Iym以上的寬光譜脈沖激光，其中，根據(jù)具體應(yīng)用要求，可以在大氣窗口范圍內(nèi)選擇相應(yīng)的激光光譜譜寬，例如，0.4μπι?2μπι、3μπι?5μ m、或者8 μ m?12 μ m)。通過激光發(fā)射裝置將寬光譜脈沖激光發(fā)射出去；在測量路徑上，由于后向散射回光效應(yīng)，在寬光譜脈沖激光的發(fā)射端將持續(xù)接收到來自于傳輸路徑(即測量路徑)上的激光后向散射回光。在不考慮吸收特性的情況下，后向散射回光強度只受傳輸路徑上的氣體濃度、氣體尺寸等參數(shù)的影響；當存在被測量氣體時，在被測量氣體吸收特征譜線上的后向散射回光強度將與被測量氣體的濃度、分布范圍等參數(shù)相關(guān)，通過同時測量后向散射回光中的非吸收特征譜線回光強度、吸收特征譜線回光強度，可以在未知大氣環(huán)境中準確獲得被測量氣體的濃度；利用吸收特征譜線回光強度的變化特性，可以獲取被測量氣體的空域擴散分布特性。
[0074]其中，根據(jù)吸收特征譜線回光強度的變化特性，獲取被測量氣體的空域擴散分布特性，具體為:所述脈沖激光的發(fā)射源通過機動平臺機動運輸，且所述脈沖激光的發(fā)射方向不變；持續(xù)測量得到所述脈沖激光的后向散射回光數(shù)據(jù)，以獲取對應(yīng)于機動平臺運輸軌跡的多個后向散射回光數(shù)據(jù)；進一步具體地，包括步驟:步驟il:將機動平臺的運輸軌跡中的多個位置點與相應(yīng)位置點處所獲取后向散射回光數(shù)據(jù)一一對應(yīng)，獲得空域內(nèi)氣體的空域擴散分布特性。
[0075]關(guān)于步驟i I，具體實現(xiàn)過程包括:
[0076]-將用于測量脈沖激光后向散射回光的測量裝置搭載在機動平臺上，運輸至指定位置，調(diào)節(jié)激光發(fā)射方向，指向被測量區(qū)域；
[0077]-測量裝置發(fā)射脈沖激光，持續(xù)測量得到所述脈沖激光的后向散射回光數(shù)據(jù)，獲取指定方向的后向散射回光數(shù)據(jù)；
[0078]-機動平臺做機動運輸，保持測量裝置發(fā)射方向不變，持續(xù)測量，抽樣獲取對應(yīng)機動平臺運輸軌跡內(nèi)多個抽樣位置處的一系列后向散射回光數(shù)據(jù)；
[0079]-將機動平臺的運輸軌跡中的多個抽樣位置點與相應(yīng)位置處所獲取后向散射回光數(shù)據(jù)一一對應(yīng)，則實現(xiàn)特定空域內(nèi)氣體的空域擴散分布特性。
[0080]設(shè)定被測量氣體的散射強度系數(shù)為α，被測量氣體的吸收強度系數(shù)為γ ( λ )，被測量氣體濃度為N，被測量氣體單位濃度氣體吸收系數(shù)為τ，脈沖激光的傳輸距離為L，Δ為傳輸路徑上的采樣間隔，脈沖激光強度為Im
[0081]則，
[0082]非吸收特征譜線回光強度^可定義為:
[0083]I1= I 0 {exp (- a L) -exp [- a (L+ Δ ) ]} exp (- α L)式 I)
[0084]吸收特征譜線回光強度12可定義為:
[0085]I2= I ο {exp [_( α + γ (A)L]-exp [-( α + γ ( λ )) (L+ Δ ) ]} exp [_( α + γ ( λ )) L]式2)
[0086]其中I1, I2均為可測量，I 0, Δ為已知量，
[0087]L = ct/2式 3)
[0088]其中，c為光速，t為從脈沖激光發(fā)射到回光測量的時間間隔；
[0089]則根據(jù)式I)可計算出散射強度α，通過式2)可計算出散射強度和吸收強度之和α+γ (λ)，因此，通過式I)和式2)可計算出吸收強度系數(shù)γ，因此可計算氣體濃度為:
[0090]N= γ/ τ 式 4)
[0091 ] 實現(xiàn)本方法的基本框架如圖3所示:
[0092]步驟一、寬光譜脈沖激光發(fā)射，通過光敏元件產(chǎn)生觸發(fā)信號；
[0093]步驟二:觸發(fā)信號同時啟動同步計時器、吸收特征譜線回光測量模塊和非吸收特征譜線回光測量模塊；
[0094]步驟三:吸收特征譜線回光測量模塊和非吸收特征譜線回光測量模塊持續(xù)測量寬光譜激光的后向散射回光；
[0095]步驟四:當吸收特征譜線回光測量模塊和/或非吸收特征譜線回光測量模塊接收到超過設(shè)定閾值的異?；毓庵?脈沖激光照射到非自由空間)或設(shè)定區(qū)域完成測量(通過設(shè)定同步計時器的時長)時，回光測量模塊停止本次測量；
[0096]步驟五:數(shù)據(jù)模塊利用非吸收特征譜線回光測量模塊測量數(shù)據(jù)(含非吸收特征譜線回光強度)對吸收特征譜線回光測量模塊數(shù)據(jù)(含吸收特征譜線回光強度和吸收特性譜線)進行補償處理，獲取氣體吸收強度，并根據(jù)吸收強度計算氣體濃度；并根據(jù)吸收特性的強度被測量計算氣體濃度，根據(jù)時間特性，計算被測量氣體在傳輸路徑空間分布特性；其中，傳輸路徑空間分布指的是傳輸路徑上的空間分布其原理是脈沖激光在傳輸路徑上傳輸時，傳輸路徑上的每一點均會產(chǎn)生散射回光，而這每一點與光走過的路徑相關(guān)，也就是與傳輸時間相關(guān)，通過計算不同散射回光的強度可以計算出傳輸路徑上的分布。
[0097]以上對本發(fā)明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容。
【主權(quán)項】
1.一種基于后向散射回光的自由狀態(tài)氣體參數(shù)遠程測量方法，其特征在于，包括如下步驟: 步驟A:向被測量氣體所在的被測量空間區(qū)域發(fā)射脈沖激光； 步驟B:持續(xù)測量得到所述脈沖激光的后向散射回光數(shù)據(jù)，其中，所述后向散射回光數(shù)據(jù)包括:非吸收特征譜線回光強度、吸收特征譜線回光強度； 步驟C:根據(jù)非吸收特征譜線中一譜線A的回光強度，獲取大氣環(huán)境散射回光特性的基本參數(shù)，作為吸收特征譜線回光強度由于大氣散射導(dǎo)致的強度衰減因子的補償參數(shù)； 步驟D:利用所述補償參數(shù)對吸收特征譜線回光強度進行補償； 步驟E:根據(jù)非吸收特征譜線回光強度以及補償后的吸收特征譜線回光強度，獲得被測量氣體的如下任一種或任多種數(shù)據(jù): -種類； -濃度； -空域擴散分布特性； -傳輸路徑空間分布特性。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于后向散射回光的自由狀態(tài)氣體參數(shù)遠程測量方法，其特征在于，脈沖激光為采用數(shù)十mj、脈沖寬度不超過100ns、譜寬大于I μπι以上的寬光譜脈沖激光。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于后向散射回光的自由狀態(tài)氣體參數(shù)遠程測量方法，其特征在于，所述步驟Ε，包括如下步驟: 根據(jù)如下公式計算得到被測量氣體的散射強度系數(shù)α、被測量氣體的吸收強度系數(shù)γ (λ): I1= I o {exp (- a L) -exp [- α (L+ Δ ) ]} exp (- α L)式 I) I2= I ο {exp [-( α + γ ( λ )) L] -exp [_ ( α + γ ( λ )) (L+ Δ ) ]} exp [- ( α + γ ( λ )) L]式 2) L = ct/2 式 3) 其中，1工為非吸收特征譜線回光強度，12為補償后的吸收特征譜線回光強度，1為脈沖激光強度，α為被測量氣體的散射強度系數(shù)，L為脈沖激光的傳輸距離，Δ為傳輸路徑上的采樣間隔，Y (λ)為被測量氣體在吸收特征譜線λ處的吸收強度系數(shù)，c為光速，t為從脈沖激光發(fā)射到回光測量的時間間隔； 根據(jù)如下公式計算得到被測量氣體濃度N: N= γ ( λ )/ τ 式 4) 其中，τ為單位濃度被測量氣體吸收系數(shù)，N為被測量氣體濃度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于后向散射回光的自由狀態(tài)氣體參數(shù)遠程測量方法，其特征在于，所述步驟Ε，包括如下步驟: 步驟1:根據(jù)吸收特征譜線回光強度的變化特性，獲取被測量氣體的空域擴散分布特性。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于后向散射回光的自由狀態(tài)氣體參數(shù)遠程測量方法，其特征在于，所述脈沖激光的發(fā)射源通過機動平臺機動運輸，且所述脈沖激光的發(fā)射方向不變；持續(xù)測量得到所述脈沖激光的后向散射回光數(shù)據(jù)，以獲取對應(yīng)于機動平臺運輸軌跡的多個后向散射回光數(shù)據(jù)； 所述步驟i包括如下步驟: 步驟il:將機動平臺的運輸軌跡中的多個位置點與相應(yīng)位置點處所獲取后向散射回光數(shù)據(jù)一一對應(yīng)，獲得空域內(nèi)氣體的空域擴散分布特性。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于后向散射回光的自由狀態(tài)氣體參數(shù)遠程測量方法，其特征在于，所述步驟E，包括如下步驟: 步驟1:根據(jù)吸收特征譜線回光強度的時間特性，計算被測量氣體在傳輸路徑空間分布特性。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于后向散射回光的自由狀態(tài)氣體參數(shù)遠程測量方法，其特征在于，所述步驟I包括如下步驟: 步驟I1:以激光脈沖發(fā)射時間為時間軸原點，將測量獲得的單脈沖激光的吸收特征譜線回光強度對應(yīng)到時間軸上； 步驟12:在時間軸上進行吸收特征譜線回光強度抽樣，獲得與各抽樣時間點對應(yīng)的吸收特征譜線回光強度； 步驟13:根據(jù)光速和抽樣時間計算獲得各抽樣時間點對應(yīng)的脈沖激光的后向散射回光的傳輸距離； 步驟14:將各抽樣時間點對應(yīng)的吸收特征譜線回光強度與傳輸距離一一對應(yīng)，獲得被測量氣體在傳輸路徑空間分布特性。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于后向散射回光的自由狀態(tài)氣體參數(shù)遠程測量方法，其特征在于，通過設(shè)置有窄帶濾光片的單元探測器獲取所述后向散射回光數(shù)據(jù)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于后向散射回光的自由狀態(tài)氣體參數(shù)遠程測量方法，其特征在于，所述步驟E包括如下步驟: 根據(jù)吸收特征光譜中譜線的波長，確定被測量氣體的種類。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于后向散射回光的自由狀態(tài)氣體參數(shù)遠程測量方法，其特征在于，每次測量中，向被測量氣體所在空間區(qū)域僅發(fā)射I個脈沖激光。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于后向散射回光的自由狀態(tài)氣體參數(shù)遠程測量方法，包括步驟：步驟A：向被測量氣體所在空間區(qū)域發(fā)射脈沖激光；步驟B：持續(xù)測量得到非吸收特征譜線回光強度、吸收特征譜線回光強度；步驟C：獲取大氣環(huán)境散射回光特性的基本參數(shù)；步驟D：利用所述補償參數(shù)對吸收特征譜線回光強度進行補償；步驟E：根據(jù)非吸收特征譜線回光強度以及補償后的吸收特征譜線回光強度，獲得被測量氣體的特性。本發(fā)明采用寬光譜激光作為光源，不需要測量環(huán)境參數(shù)，根據(jù)氣體的光譜吸收特性進行氣體種類和氣體濃度測量，將回光的散射特性和吸收特性有機分離，測量準確，且采用離散式特征氣體回光測量技術(shù)。
【IPC分類】G01N21-31
【公開號】CN104655576
【申請?zhí)枴緾N201510067664
【發(fā)明人】王言
【申請人】上海安允科技有限公司
【公開日】2015年5月27日
【申請日】2015年2月9日