[发明专利]一种气体成像装置

说明书

本申请提供了一种气体成像装置，包括：图像传感器、成像透镜、滤波片转盘、驱动电机、控制器和外壳；所述图像传感器和所述驱动电机分别与所述控制器连接；所述图像传感器具有图像信号获取和处理功能；所述成像透镜设置于所述图像传感器和所述滤波片转盘之间；所述滤波片转盘上均匀设置多个带通滤波片，且所述带通滤波片的尺寸大于所述图像传感器接收光的部件的尺寸；所述滤波片转盘与所述驱动电机电连接；所述图像传感器接收光的通路、所述成像透镜的光轴以及所述滤波片转盘上当前使用的带通滤波片的光轴相重合。本申请所提供的成像装置可以有效监测低浓度气体。

技术领域

本申请涉及气体安全监测领域，尤其涉及一种气体成像装置。

背景技术

目前在大气环境探测和污染气体传感中最常用的光学技术是紫外／可见波段的差分光学吸收光谱（ＤＯＡＳ）、差分吸收激光雷达（ＤＩＡＬ），红外波段的傅里叶变换光谱（ＦＴＩＲ）、可调谐半导体激光吸收光谱（ＴＤＬＡＳ）和采用中波红外面阵传感器的气体成像技术。

差分吸收光谱技术(DOAS: Differential Optical Absorption Spectroscopy)是一种光谱监测技术,其基本原理就是利用空气中的气体分子的窄带吸收特性来鉴别气体成分,并根据窄带吸收强度来推演出微量气体的浓度. 其分类可根据有无光源分为主动DOAS和被动DOAS，根据光程长短分为长光程DOAS和短光程DOAS。

可调谐二极管激光吸收光谱技术（ＴＤＬＡＳ），是利用半导体激光器波长调谐特性，通过电流控制波长扫描获得被测气体特征吸收光谱，从而对痕量气体进行测量的一种技术。这种技术具有高分辨率、高灵敏度和快速测量等特点，已经广泛应用于工业过程监测控制、痕量气体检测、分子光谱研究等领域。ＴＤＬＡＳ可以分为直接吸收光谱技术和调制吸收光谱技术。在波长调制光谱（ＷＭＳ）技术中，激光器的注入电流受到慢变的扫描锯齿信号和快变的高频正弦信号共同作用，使激光器的输出波长在气体的吸收峰附近调谐。光束通过气体吸收池后产生吸收信号，该信号可以利用锁相放大器进行谐波检测，解调出二次谐波信号，获得气体吸收的信息。与直接吸收光谱技术相比，波长调制光谱技术提高了检测精度和灵敏度，减少了系统的不稳定性。利用数字锁相进行二次谐波解调，数字锁相灵活应用各种数字信号处理技术，与模拟锁相相比，可以避免模拟锁相存在的温度漂移、相位漂移等缺点，减少信号质量的损失。

直接扫描吸收测量技术中包含初始光强、环境因素、合作目标等噪声的干扰。气体吸收信号相比于上述干扰噪声，往往非常微弱，在某些情况下甚至还不到噪声信号的百分之一。在这种情况下，需要用一种类似锁相放大（Lock in）的方案来对待测信号进行放大提取，该方案在气体检测中一般称为谐波检测技术。该技术通过固定的调制信号对初始激光进行调制，经过气体吸收后，再对调制信号进行解调从而获得气体吸收信息。这种方法的最大优点是利用噪声没有规律而信号具有规律的优点，通过滤波方式将噪声滤除而获得非常微弱的有用信号。

激光调制方法包括波长调制光谱（WMS）和频率调制光谱（FMS），其调制机理本质上是相同的都是通过对激光器的电流的调制实现。其主要区别在于调制频率的不同。WMS的调制频率一般为几kHz到几十kHz，调制频率远小于吸收谱线的线宽；FMS的调制频率一般为MHz或者GHz量级，大于或者等于吸收谱线线宽。由于FMS的高频特性，机械、温度等噪声可忽略不计，故理论上FMS探测灵敏度要比WMS要高。