(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210225937.3 (22)申请日 2022.03.09 (71)申请人 安徽农业大 学 地址 230036 安徽省合肥市长江西路13 0号 (72)发明人 唐七星　高华　马运庆　刘路　 王玉伟　廖娟　 (74)专利代理 机构 安徽省合肥新 安专利代理有 限责任公司 34101 专利代理师 陆丽莉　何梅生 (51)Int.Cl. G01N 21/39(2006.01) G01N 21/01(2006.01) G01M 3/38(2006.01) (54)发明名称 一种二维几何路径下的气体浓度场重建系 统及其方法 (57)摘要 本发明公开了一种二维几何路径下的浓度 场重建系统及其方法， 该系统包括激光器及控制 单元、 二维几何光路及光电探测单元、 数据处理 单元， 该方法是利用TDLAS技术对待测场气体进 行探测， 再对 所得到的六条射线的光谱吸收信号 进行背景拟合和信号归一化处理得到每一束激 光的积分吸收曲线， 然后对激光积分吸收曲线中 的积分吸收面积进行计算和迭代以获得待测区 域中气体浓度的具体分布信息， 最后绘制其平面 二维浓度分布图。 本发明能使用较少的射线数量 以及较简单的测量设备即可达到较好的重建结 果， 从而能提高检测准确性和实用性。 权利要求书3页 说明书6页 附图3页 CN 114609083 A 2022.06.10 CN 114609083 A 1.一种二维几何路径下的浓度场重建系统， 其特征是用于对待测区域进行浓度测量和 重建， 所述待测区域均匀 划分为m×m个栅格， 且单个栅格内气体均匀分布； 所述浓度场重建系统依次包括： 控制单 元、 光电探测单 元、 数据处 理单元； 所述控制单 元是由信号发生器(2)、 温度电流控制器(1)、 激光器(3)组成； 所述光电探测单元包括： 第一分束器(4a)、 第二分束器(4b)、 n+1个准直器(5)， n+1个光 电探测器(7)、 标定气池(9)、 m个反射镜(6)； 所述激光器在所述温度电流控制器的控制下发射出一定波长的激光， 并经过所述第 一 分束器(4a)后分为探测光束和参 考光束； 所述探测光束经过第二分束器(4b)后均匀分为n束激光， 并分别经过准直器(5)后穿过 设置有所述反射镜(6)的待测区域后形成n条几何光路上的射线， 最终由n个光电探测 器对 应接收相应的一条二维几何光路上的射线并产生各自的光谱吸 收信号； 所述参考光束经过准直器(5)后穿过 所述标定气池并由第n+1个光电探测器接收； 所述数据处理单元接收n个光谱吸收信号分别进行背景拟合与信号归一化处理， 相应 得到n束激光的积分吸收曲线， 再分别对n束激光的积分吸收曲线中的积分吸收面积进行计 算得到对应n束激光的积分吸光度； 再对所述n条激光的积分吸光度进 行迭代后获得待测区 域中气体浓度的分布信息， 再根据其气体浓度的分布信息绘制其平面二维浓度分布图， 分 辨浓度高低分区， 从而确定所检测目标气体的泄漏源位置 。 2.根据权利要求1所述的二维几何路径下的浓度场重建系统， 其特征在于， 当n＝4， m＝ 6时， 所述激光 穿过待测区域后所 形成的几何光路上的射线依次包括： 1号激光经过准直器(5a)后穿过1、 2、 3、 4号栅格， 然后经过反射镜(6a)后穿过7、 10、 13 号栅格最后被光电探测器(1)接收； 2号激光经过准直器(5b)后穿过5、 6、 7、 8号栅格， 然后经过反射镜(6b)后穿过11、 14号 栅格最后被光电探测器(2)接收； 3号激光经过准直器(5c)后穿过9、 10、 11、 12号栅格， 然后经过反射镜(6c)后穿过7、 2号 栅格最后被光电探测器(3)接收； 4号激光经过准直器(5d)后穿过13、 14、 15、 16号栅格， 然后经过反射镜(6d)后穿过11、 6、 1号栅格最后被光电探测器(4)接收； 5号激光经 过准直器(5e)后穿过5、 10、 15号 栅格后被光电探测器(5)接收； 6号激光经 过准直器(5f)后穿过9、 6、 3号 栅格后被光电探测器(6)接收。 3.一种二维几何路径下的待测区域气体浓度分布重建方法， 其特征是应用于权利要求 1所述的待测区域气体浓度重建系统中， 并按如下步骤进行： 步骤1.所述数据处理单元对n个光谱吸收信号 进行波长标定， 得到频域内的n 个光谱吸收信号 其中， D(xi)表示第i个光谱吸收信号； D(vi)表示频域内的第 i个 光谱吸收信号； 步骤2.根据式(1)所示的最小二乘法将吸收信号中没有被气体吸收的部分与被气体吸 收的部分进行拟合， 从而得到n束激光的背景光强信号 权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 114609083 A 2式(1)中， r0、 r1、 r2、 r3表示四个拟合 参数； vi表示第i个光谱检测信号D(vi)的频率； 步骤3.计算 的比值， 再求取比值的自然对数， 从而得到n束激光的积分吸收曲线 其中， B(vi)表示第i束激光的背景光强信号R(vi)归一化后的积分吸 收曲线； 步骤4.对n束激光的积分吸收曲线 中的积分吸收面积分别进行计算， 得到所述 n束激光的积分吸光度 Ai表示第i束激光的积分吸光度； 步骤5.分别对n束的积分吸光度 进行判断， 如果Ai大于0， 则将第i束激 光作为筛选 后的射线记为 如果Ai等于0， 则表示第i束激光穿过的栅格内没有气体泄漏， 其路径上的 栅格内的积分吸光度均为0， 并将第i束激光作为剔除的射线， 不对其进行处 理； 步骤6.将筛选后的射线的积分吸光度与ART算法结合， 从而利用式(2)得到第w条射线 关于m×m个栅格的投影的方程： 式(2)中， 表示筛选后积分吸光度大于0的第w条射线， Lw,j表示筛选后的第w条射线在 第j个栅格内的长度， Cj表示第j个栅格内的气体浓度， P表示待测气体的压强， S(T)表示在 温度T下的待测气体的气体吸 收线强； 步骤7.定义变量 k， 并初始化 k＝1； 步骤8.初始化第k次迭代中第j个栅格的气体积分吸光度 步骤9.利用式(3)得到第k+1次迭代中第j个栅格的气体积分吸光度 式(3)中， 表示第k次迭代中第j个栅格的气体积分吸光度， β 表示松弛系数， Lw,j表示 筛选后第w条射线穿过第j个栅格的长度， ΔAw表示相邻两次迭代之间 的修正误差； 步骤10.判断 是否成立， 若成立， 则表示迭代结果符合真实值， 并将 作为第j个栅格内的气体积分吸光度aj， 否则， 将k+1赋值给k后， 返回步骤10顺序执 行； 步骤11.将j+1赋值给j后， 返回步骤8顺序执行， 直到获得m ×m个栅格内的气体积分吸 光度 步骤12.利用式(4)对第j个栅格内的气体积分吸光度aj进行浓度反演， 得到第j个栅格 内的气体浓度Cj， 从而根据所有栅格内的气体浓度建立 二维浓度分布图： 权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 114609083 A 3