[发明专利]激光器相对螺旋运动重建烟气浓度温度分布的方法及系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种烟气浓度和温度三维空间分布的测量方法及其系统。更具体地说，本发明涉及一种激光器相对螺旋运动重建烟气浓度和温度空间分布的方法。

背景技术

烟气在线动态测量对环境保护和污染控制具有重要的意义。烟气的动态测量，一方面可以为环保监测部门提供直接的监测数据，另一方面，也是研究污染物生成机理和控制技术的重要手段。同时，烟气的动态监测也是在生产过程中对污染物生成进行控制、对生产过程进行优化和调整的前提。

传统的气体测量装置，如利用化学发光原理或热导式的气体测试仪，需要对气体进行取样，无法实现对过程中的气体进行在线实时测量的要求。因此，采用光学的、非接触式的方法进行气体的测量，从而实现对污染物的监测和对生成过程进行控制，是燃烧测试领域研究的难点和热点。九十年代后，由于光信息技术的迅猛发展，一些关键元器件如半导体激光器和光纤元件发展迅速，性能大大提高，价格大幅下降。室温工作、长寿命、单模特性和较宽波长调谐范围的半导体激光器可从商业渠道获得，并且一些高灵敏度的光谱技术(如wavelengthmodulation spectroscopy)也逐渐成熟，可调谐半导体激光吸收光谱技术(Tunable diode laser absorption spectroscopy)开始被较多地应用于科学和工程研究。半导体激光器发射出“窄线宽”的特定波长的激光束穿过被测气体时，被测气体对激光束进行吸收导致激光强度产生衰减，激光强度的衰减与被测气体含量成正比，因此，通过测量激光强度衰减信息就可以分析获得被测气体的浓度和温度信息。

目前的测量大都在单一光路上进行，测量结果为光路上的平均值，而无法获知内部的具体分布。随着在计算机断层成像技术(Computed Tomography)在医学诊断和工业无损探测领域中的大量广泛应用，使得利用光学技术重建烟道内的气体浓度和温度分布成为可能。但是对于三维测量，采用层析成像方法对不同截面分别进行测量，再汇集成三维数据的方法，对于动态的燃烧过程，还缺乏实时性。本发明采用探测器围绕被测的流动烟气旋转，在激光器的一个旋转周期即可实现对一段烟气的空间三维测量，这样的方法和系统还未见报道。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种激光器相对螺旋运动重建烟气浓度和温度空间分布的方法。本发明的另一个目的在于提供一种用于实现前述方法的系统。

本发明中的激光器相对螺旋运动重建烟气浓度温度分布的方法，包括以下步骤：

(1)利用光束整形透镜对激光信号进行整形使之形成扇状片型光斑，扇状片型光斑穿过轴向的烟道并与烟道横截面平行；

(2)使光束整形透镜绕烟道的轴心作圆周状旋转；

(3)利用烟道另一侧与光束整形透镜对应的聚焦柱面镜汇聚激光信号，并通过线性阵列探测器将测量信号传送至计算机获取断层平面上的投影数据；所述断层平面上的投影数据是根据以下方式得到的：

用两个连续的旋转360°的投影数据集来获取一个恒定位置的360°的重建平面的投影数据集；该重建平面位于两次旋转的正中间，且垂直于旋转轴；利用两个连续的旋转360°的投影数据集，对在同一角度下的投影数据之间根据内插公式进行线性插值；该其内插公式为：

P′(L，M)＝wP(L，M)+(1-w)P(L，M+2π)    (1)

式中：P(L，M)为位置序号为L，旋转度数为M处的投影值；P(L，M+2π)为位置序号为L，旋转度数为M+360°时的投影值；P’(L，M)为位置序号为L处的两次投影数据集之间的的投影值，w为插值系数；

得到的重建平面的投影数据即为断层平面上的投影数据；

(4)根据层析成像算法对烟道气体浓度和温度进行重建，获得烟气浓度和温度三维分布数据。

本发明还提供了一种用于实现前述激光器相对螺旋运动重建烟气浓度温度分布方法的系统，包括信号发生器、激光源和光纤输出端，还包括设于电动旋转台边缘的光束整形透镜，聚焦柱面镜位于与光束整形透镜相对应的电动旋转台另一侧边缘；电动旋转台与烟道的横截面平行，电动旋转台与烟道具有同一个旋转轴心；聚焦柱面镜通过信号线依次与线性阵列探测器和计算机连接。

作为本发明的一种改进，有一旋转台控制器与电动旋转台连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)利用烟气在烟道中流动的特点，使激光呈螺旋状扫描一定长度的烟气，实现在短时间(通常小于1秒)内对经过测量截面的一定体积的气体浓度温度的三维重建。