專利名稱：激光器相對螺旋運動重建煙氣濃度溫度分布的測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種煙氣濃度和溫度三維空間分布的測量系統(tǒng)。更具體地 說，本實用新型涉及一種激光器相對螺旋運動重建煙氣濃度和溫度空間分布的測 量裝置。
背景技術(shù)：
煙氣在線動態(tài)測量對環(huán)境保護和污染控制具有重要的意義。煙氣的動態(tài)測 量， 一方面可以為環(huán)保監(jiān)測部門提供直接的監(jiān)測數(shù)據(jù)，另一方面，也是研究污染 物生成機理和控制技術(shù)的重要手段。同時，煙氣的動態(tài)監(jiān)測也是在生產(chǎn)過程中對 污染物生成進行控制、對生產(chǎn)過程進行優(yōu)化和調(diào)整的前提。
傳統(tǒng)的氣體測量裝置，如利用化學發(fā)光原理或熱導式的氣體測試儀，需要對 氣體進行取樣，無法實現(xiàn)對過程中的氣體進行在線實時測量的要求。因此，采用 光學的、非接觸式的方法進行氣體的測量，從而實現(xiàn)對污染物的監(jiān)測和對生成過 程進行控制，是燃燒測試領(lǐng)域研究的難點和熱點。九十年代后，由于光信息技術(shù) 的迅猛發(fā)展， 一些關(guān)鍵元器件如半導體激光器和光纖元件發(fā)展迅速，性能大大提 高，價格大幅下降。室溫工作、長壽命、單模特性和較寬波長調(diào)諧范圍的半導體
激光器可從商業(yè)渠道獲得，并且一些高靈敏度的光譜技術(shù)(如wavelength modulation spectroscopy)也逐漸成熟，可調(diào)諧半導體激光吸收光譜技術(shù) (Tunable diode laser absorption spectroscopy)開始被較多地應用于科學和工程研 究。半導體激光器發(fā)射出"窄線寬"的特定波長的激光束穿過被測氣體時，被測氣 體對激光束進行吸收導致激光強度產(chǎn)生衰減，激光強度的衰減與被測氣體含量成 正比，因此，通過測量激光強度衰減信息就可以分析獲得被測氣體的濃度和溫度信息。
目前的測量大都在單一光路上進行，測量結(jié)果為光路上的平均值，而無法獲 知內(nèi)部的具體分布。隨著在計算機斷層成像技術(shù)(Computed Tomography)在醫(yī)
學診斷和工業(yè)無損探測領(lǐng)域中的大量廣泛應用，使得利用光學技術(shù)重建煙道內(nèi)的 氣體濃度和溫度分布成為可能。但是對于三維測量，采用層析成像方法對不同截 面分別進行測量，再匯集成三維數(shù)據(jù)的方法，對于動態(tài)的燃燒過程，還缺乏實時 性。本實用新型采用探測器圍繞被測的流動煙氣旋轉(zhuǎn)，在激光器的一個旋轉(zhuǎn)周期 即可實現(xiàn)對一段煙氣的空間三維測量，這樣的測量系統(tǒng)還未見報道。
實用新型內(nèi)容
本實用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種激光器相對螺旋運 動重建煙氣濃度溫度分布的測量裝置。
為了解決上述技術(shù)問題，本實用新型是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的。
一種激光器相對螺旋運動重建煙氣濃度溫度分布的測量裝置，包括信號發(fā)生 器、激光源和光纖輸出端，還包括設(shè)于電動旋轉(zhuǎn)臺邊緣的光束整形透鏡，聚焦柱 面鏡位于與光束整形透鏡相對應的電動旋轉(zhuǎn)臺另一側(cè)邊緣；電動旋轉(zhuǎn)臺與煙道的 橫截面平行，電動旋轉(zhuǎn)臺與煙道具有同一個旋轉(zhuǎn)軸心；聚焦柱面鏡通過信號線依 次與線性陣列探測器和計算機連接。
作為本實用新型的一種改進，有一旋轉(zhuǎn)臺控制器與電動旋轉(zhuǎn)臺連接。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的有益效果是
(1) 使用本實用新型的裝置，利用煙氣在煙道中流動的特點，使激光呈螺 旋狀掃描一定長度的煙氣，實現(xiàn)在短時間(通常小于l秒)內(nèi)對經(jīng)過測量截面的 一定體積的氣體濃度溫度的三維重建。
(2) 使用本實用新型的裝置，不用移動激光器-探測器截面，僅通過程序計 算實現(xiàn)三維重建，系統(tǒng)造價低，操作運行簡單。
(3) 通過增加或者更換激光二極管，可以對各種不同的氣體(如02， H20， CO， C02， NO， N02， NH3， HF， H2S和CHt等)進行三維測量。


圖1為本實用新型中測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖2為本實用新型中測量系統(tǒng)的立面結(jié)構(gòu)示意圖3為本實用新型中激光掃描實現(xiàn)方式的示意圖。
具體實施方式
參考附圖，下面將對本實用新型進行詳細描述。
一種激光器相對螺旋運動重建煙氣濃度溫度分布的測量裝置，包括信號發(fā)生
器l、激光源2和光纖輸出端3，還包括設(shè)于電動旋轉(zhuǎn)臺IO邊緣的光束整形透鏡 4，聚焦柱面鏡6位于與光束整形透鏡4相對應的電動旋轉(zhuǎn)臺IO另一側(cè)邊緣。電 動旋轉(zhuǎn)臺10與煙道5的橫截面平行，電動旋轉(zhuǎn)臺10與煙道5具有同一個旋轉(zhuǎn)軸 心，有一旋轉(zhuǎn)臺控制器9與電動旋轉(zhuǎn)臺IO連接。聚焦柱面鏡6通過信號線依次 與線性陣列探測器7和計算機8連接。
利用上述測量裝置以及螺旋CT原理重建氣體濃度和溫度三維分布的步驟
為
(1) 利用光束整形透鏡4對激光信號進行整形使之形成扇狀片型光斑，扇 狀片型光斑穿過軸向的煙道5并與煙道5橫截面平行；
(2) 使光束整形透鏡4繞煙道5的軸心作圓周狀旋轉(zhuǎn)；
(3) 利用煙道5另一側(cè)與光束整形透鏡4對應的聚焦柱面鏡6匯聚激光信 號，并通過線性陣列探測器7將測量信號傳送至計算機8獲取斷層平面上的投影 數(shù)據(jù)；用兩個連續(xù)的旋轉(zhuǎn)360。的投影數(shù)據(jù)集來獲取一個恒定位置的360°的重建 平面的投影數(shù)據(jù)集；該重建平面位于兩次旋轉(zhuǎn)的中間，且垂直于旋轉(zhuǎn)軸；利用兩 個連續(xù)的旋轉(zhuǎn)360°的投影數(shù)據(jù)集，對在同一角度下的投影數(shù)據(jù)之間根據(jù)內(nèi)插公 式進行線性插值來得到重建平面所需的投影值；
(4) 根據(jù)重建算法對煙道氣體濃度和溫度的圖像重建，獲得氣體濃度和溫 度三維分布數(shù)據(jù)。
具體過程為將激光源2的通過光纖連接至電動旋轉(zhuǎn)臺10上，其激光的波 長及其掃描范圍通過加載在激光控制器上的電壓信號來進行調(diào)節(jié)。輸出的激光信 號通過光束整形透鏡4來進行整形，使之可以形成一扇狀片型光斑，從而覆蓋煙 道5的出口截面區(qū)域。透射過的發(fā)散光斑通過聚焦柱面鏡6來進行匯聚，并最終 由線性陣列探測器7接收，通過數(shù)據(jù)處理和模數(shù)轉(zhuǎn)換，最終由計算機8進行處 理。測量時，電動旋轉(zhuǎn)臺10進行360。轉(zhuǎn)動，從而使得線陣探測器7可以在各個 角度得到投影數(shù)據(jù)，并最終利用CT技術(shù)重建出圖像。
但是在電動旋轉(zhuǎn)臺10旋轉(zhuǎn)的同時，煙氣也將在軸向發(fā)生移動，故在一周范 圍內(nèi)得到的投影數(shù)據(jù)并不位于同一截面上，而是相當于激光呈螺旋形環(huán)繞煙氣進
行掃描，如附圖3所示。
由于螺旋CT的數(shù)據(jù)是在測量物體在Z軸方向移動的同時得到的，因此除了 一個方向的投影正好處于重建平面上外，其他方向采集到的投影數(shù)據(jù)則在重建平 面的兩側(cè)，即在任何一個斷層平面上，僅獲得了部分投影數(shù)據(jù)。如果可以獲得在 一個斷層平面上的全部投影數(shù)據(jù)，那么就可以利用傳統(tǒng)CT的重建算法來進行重 建。本實用新型采用螺旋CT的數(shù)據(jù)處理方法，利用在旋轉(zhuǎn)過程中得到的投影數(shù) 據(jù)進行360°內(nèi)插。用兩個360。的投影數(shù)據(jù)集來估計在一個恒定位置的360°的投 影數(shù)據(jù)集。重建平面位于兩次旋轉(zhuǎn)的正中間，且垂直于旋轉(zhuǎn)軸。在同一角度下的 投影數(shù)據(jù)之間進行線性插值，內(nèi)插公式為
<formula>formula see original document page 6</formula> ( 1 )
式中P(L，M)為位置序號為L，旋轉(zhuǎn)度數(shù)為M處的投影值;P(L，M+2pai)為位 置序號為L，旋轉(zhuǎn)度數(shù)為M+360。時的投影值；P'(L, M)為位置序號為Z處的兩次 投影數(shù)據(jù)集之間的的投影值，W為插值系數(shù)。即通過利用兩個旋轉(zhuǎn)角度相差
360。的投影值來插值得到其他的投影值。
這樣，將所有投影數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換至同一重建平面上，就可以按照層析重建算法進
行求解。重建算法大致可分為兩類變換法一用給定的一系列解析式(算子或函
數(shù)變換)反演公式來重建圖像，常用雷登(Randon)求逆公式的離散化形式， 如濾波反投影(FBP)算法；另一類為級數(shù)展開法一直接對公式"離散化"，得到 一大型稀疏線性方程組，如代數(shù)重建(ART)算法。ART代數(shù)重建算法簡單， 適用于不同格式的采樣數(shù)據(jù)重建；另外還可以結(jié)合一些先驗知識進行求解。因此 對于煙道內(nèi)的氣體參數(shù)重建采用ART代數(shù)迭代算法來實現(xiàn)。
代數(shù)重建法是一個迭代的過程，它是一開始就在離散域中進行的。首先把問 題離散化,即將欲重建的未知圖像f(x, y)離散成一個n*n=N圖像網(wǎng)格，根據(jù) 成像的物理過程和相應的數(shù)學模型，建立重建圖像和投影數(shù)據(jù)之間關(guān)系的代數(shù)方 程組，圖像重建問題就轉(zhuǎn)化為解線性方程組。
對于利用可調(diào)諧半導體激光光源進行氣體測量，其基本原理是根據(jù)Beer-Lambert定律
丄-exp(-尸S(r)闊 (2)
式中尸[atm]為氣體的總壓；丄[cm]為激光在氣體中傳播的距離；Z為氣體 的體積濃度；-(v)為線型函數(shù)，它表示了被測吸收譜線的形狀，與溫度、總壓力 和氣體中的各成分含量有關(guān)；并且滿足
〖:一=1 (3)
式中S(r)[cm—^tm"]為該譜線的線強度，它表示該譜線的吸收強度，只與
溫度有關(guān)，其值可以利用下式來進行計算
柳=柳扁exp[—^:(丄—丄)]x[卜e一。',度)〗 (4 )
其中K為參考溫度，g為總的分子內(nèi)部分割函數(shù)；五f為低躍遷態(tài)的能量； W,為躍遷頻率；A為普朗克常數(shù)，A:為波爾茲曼常數(shù)，c為光速。在溫度低于 2500K，波長小于2.5pm的情況下，最后一項可以被忽略。
由于線型函數(shù)在整個頻域范圍內(nèi)的積分為常數(shù)l，因此式(2)表示為
^= 「00-io=ii^(r)￡ (5)
^為測量計算得到的光譜吸收率積分值。方程(5)給出了光譜吸收率積分 值與被測氣體參數(shù)之間的關(guān)系，包括氣體濃度，溫度(譜線強度值)等。為了可 以實現(xiàn)溫度和濃度的同時測量，因此需要選擇兩條氣體吸收譜線來進行測量。通 過在測量區(qū)域內(nèi)劃分網(wǎng)格，并根據(jù)在不同的測量單元的不同旋轉(zhuǎn)角度下計算得到
的光譜吸收率積分值，建立方程組 x(vi,2) = (i^(r)jnvU zvl21 + (ra(r)x)vl,2 zvl22 +…+ (尸s(r)ja^ zvl 2JV
. : (6)
= (，)x)vllzvW1 + vl2i:vl,M2 + —+(，)"vl,vl，
',，i)=zv211 + (w)zx2,2 zv212 +…+ zv2,w
,j(v2,2):cra(r);a2人2 2, + (^(7^^2,2 ;2,22 +…+ (M(r)ja2W Zv2,。
,2, M)=(輝)JOw zv2組+ (M(r)x)v2,2 ￡v2,M2 +…+ (w)x)v2 w zv2層
其中，々W,M)為譜線v7在角度序號為M下的光譜吸收率積分值，通過測量 計算而得到；丄w,Mv為每個網(wǎng)格對于投影的貢獻值，在進行網(wǎng)格劃分時確定，這
樣便得到了關(guān)于氣體濃自n溫度r (譜線強度^7p的兩個方程組。在進行重建
計算時，首先假定初始溫度分布，結(jié)合第一條譜線的投影數(shù)據(jù)，利用數(shù)值計算方
法首先重建出氣體的濃度場分布；在得到的濃度場分布上利用第二條譜線的數(shù)據(jù) 來進行修正，得到溫度場分布，依次類推，直到溫度場與濃度場在迭代過程中收 斂，輸出其重建結(jié)果。
最后，還需要注意的是，以上列舉的僅是本實用新型的具體實施例。顯然， 本實用新型不限于以上實施例，還可以有許多變形。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能從 本實用新型公開的內(nèi)容直接導出或聯(lián)想到的所有變形，均應認為是本實用新型的 保護范圍。
權(quán)利要求1、一種激光器相對螺旋運動重建煙氣濃度溫度分布的測量裝置，包括信號發(fā)生器、激光源和光纖輸出端，其特征在于，還包括設(shè)于電動旋轉(zhuǎn)臺邊緣的光束整形透鏡，聚焦柱面鏡位于與光束整形透鏡相對應的電動旋轉(zhuǎn)臺另一側(cè)邊緣；電動旋轉(zhuǎn)臺與煙道的橫截面平行，電動旋轉(zhuǎn)臺與煙道具有同一個旋轉(zhuǎn)軸心；聚焦柱面鏡通過信號線依次與線性陣列探測器和計算機連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光器相對螺旋運動重建煙氣濃度溫度分布的測 量裝置，其特征在于，有一旋轉(zhuǎn)臺控制器與電動旋轉(zhuǎn)臺連接。
專利摘要本實用新型涉及一種煙氣濃度和溫度三維空間分布的測量系統(tǒng)，旨在提供一種激光器相對螺旋運動重建煙氣濃度和溫度空間分布的測量裝置。該測量裝置包括信號發(fā)生器、激光源和光纖輸出端，還包括設(shè)于電動旋轉(zhuǎn)臺邊緣的光束整形透鏡，聚焦柱面鏡位于與光束整形透鏡相對應的電動旋轉(zhuǎn)臺另一側(cè)邊緣；電動旋轉(zhuǎn)臺與煙道的橫截面平行，電動旋轉(zhuǎn)臺與煙道具有同一個旋轉(zhuǎn)軸心；聚焦柱面鏡通過信號線依次與線性陣列探測器和計算機連接。本實用新型的測量裝置可實現(xiàn)在短時間內(nèi)對經(jīng)過測量截面的一定體積的氣體濃度溫度的三維重建；僅通過程序計算實現(xiàn)三維重建，系統(tǒng)造價低，操作運行簡單，可以對各種不同的氣體進行三維測量。
文檔編號G01N21/39GK201191270SQ20082008530
公開日2009年2月4日 申請日期2008年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月3日
發(fā)明者嚴建華, 倪明江, 岑可法, 李曉東, 楊家林, 涌 池, 飛 王, 蔣旭光, 金余其, 陸勝勇, 馬增益, 黃群星 申請人:浙江大學