气体纯净度检测方法、系统和装置 |
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| 申请号 | CN201710308259.6 | 申请日 | 2017-05-04 | 公开(公告)号 | CN107132203A | 公开(公告)日 | 2017-09-05 |
| 申请人 | 北京清环智慧水务科技有限公司; | 发明人 | 郑双凌; 其他发明人请求不公开姓名; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供了一种气体纯净度检测方法、系统和装置，所述方法包括：按照预设激光发射时序向大气发射检测 激光束 ；获取未掺入检测激光束和回波的纯净背景光 信号 ；接收带噪的检测激光束的回波信号，其中所述带噪的检测激光束的回波信号包括所述检测激光束的回波 光信号 以及背景光信号；通过纯净背景光信号去除所述带噪的检测激光束中的背景光信号。上述方法提供了一种气体纯净度检测方法、系统和装置，能够长时间对气体，例如大气，进行检测，且获取的检测结果可以滤除背景光的干扰噪声，以确保检测结果的准确性。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种气体纯净度检测方法，其特征在于，包括： |
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| 说明书全文 | 气体纯净度检测方法、系统和装置技术领域[0001] 本发明涉及测量技术领域，特别是指一种气体纯净度检测方法、系统和装置。 背景技术[0002] 气体纯净度检测是气体检测时非常重要的一个指标。以大气污染领域为例，大气中所包含的杂质多少直接反映了大气污染程度。由于大气污染日益严重，人们也越来越注重大气污染的检测。现在大气污染的最主要来源是气溶胶，气溶胶是指大气中直径在0.001—100μm的液体或固体微粒体系。其中气溶胶的形成包括自然源和人工源：自然源主要包括：地面扬尘、沙尘暴、林火烟灰、花粉与种子等形成的对流层气溶胶；人工源主要包括：工业、交通、农业、建筑等直接向对流层中排放的气溶胶粒子。现有技术中的大气污染监测设备通常包括颗粒物传感器检测和激光雷达检测两种： [0003] 颗粒物传感器检测是通过提取的大气样本，通过设备中的颗粒物传感器进行检测；最常见的就是现有的PM2.5检测仪。 [0004] 激光雷达是一种先进的主动式遥感仪器，可实现对大范围的大气组分和环境参量(如温度、湿度等)进行连续、实时、高时空分辨率的监测。其基本工作原理是采用激光器向目标物发射激光束，再接收被目标物散射(或反射)回来的回波光信号，进而经过分光后转换成回波电信号进行分析识别。但是在实际应用中，激光雷达回波信号传播随距离平方衰减,信号十分微弱。另外,激光雷达系统中不可避免地存在着噪声和干扰源,包括光电探测系统中的电噪声、热噪声、电源谐波干扰等。大气气溶胶探测需要全天候进行,但白天甚至夜晚的天空背景光和地面辐射光会污染甚至淹没激光雷达的有效回波信号,限制激光雷达的有效探测距离和准确度。 发明内容[0005] 本发明要解决的技术问题是提供一种利用激光雷达进行快速、准确、实时的气体检测的气体纯净度检测方法、系统和装置。 [0006] 为了达到上述目的，本发明实施例提出了一种气体纯净度检测方法，包括： [0007] 按照预设激光发射时序向大气发射检测激光束；获取未掺入检测激光束和回波的纯净背景光信号； [0008] 接收带噪的检测激光束的回波信号，其中所述带噪的检测激光束的回波信号包括所述检测激光束的回波光信号以及背景光信号； [0009] 通过纯净背景光信号去除所述带噪的检测激光束中的背景光信号。 [0010] 其中，所述通过纯净背景光信号去除所述带噪的检测激光束中的背景光信号，具体包括： [0011] 将纯净背景光信号b(t)进行变换域以表征为B(ω)；将带噪的激光雷达回波信号x(t)进行变换域以表征为X(ω)； [0012] 纯净背景光信号去除所述带噪的检测激光束中的背景光信号后获取的回波信号的变换域表征； [0013] [0014] 利用回波信号的变换域F(ω)和带噪的激光雷达回波信号变换域X(ω)，计算增强的回波信号的变换域 [0015] X′(ω)＝X(ω)×F(ω) [0016] 对增强的回波信号的变换域X′(ω)进行反变换以获得增强的回波时域信号x′(t)。 [0018] 同时，本发明实施例还提出了一种气体纯净度检测装置，包括： [0019] 发射机构，用于按照预设激光发射时序向大气发射检测激光束； [0020] 接收机构，用于获取未掺入检测激光束和回波的纯净背景光信号；还用于接收带噪的检测激光束的回波信号，其中所述带噪的检测激光束的回波信号包括所述检测激光束的回波光信号以及背景光信号； [0021] 滤除机构，用于根据接收机构接收到的纯净背景光信号，去除所述带噪的检测激光束中的背景光信号。 [0022] 其中，所述滤出机构执行以下操作： [0023] 将纯净背景光信号b(t)进行变换域以表征为B(ω)；将带噪的激光雷达回波信号x(t)进行变换域以表征为X(ω)； [0024] 纯净背景光信号去除所述带噪的检测激光束中的背景光信号后获取的回波信号的变换域表征； [0025] [0026] 利用回波信号的变换域F(ω)和带噪的激光雷达回波信号变换域X(ω)，计算增强的回波信号的变换域 [0027] X′(ω)＝X(ω)×F(ω) [0028] 对增强的回波信号的变换域X′(ω)进行反变换以获得增强的回波时域信号x′(t)。 [0029] 其中，所述变换域和反变换采用以下的至少一种方法：傅立叶变换、离散余弦变换、拉普拉斯变换、小波变换。 [0030] 同时，本发明实施例还提出了一种气体纯净度检测系统，包括如前任一项所述的气体纯净度检测装置，还包括主控装置，所述主控装置连接所述气体纯净度检测装置以控制所述气体纯净度检测装置的发射机构发射所述检测激光束，并接收所述滤出机构获取的增强的回波时域信号x′(t)。 [0031] 本发明的上述技术方案的有益效果如下：上述方法提供了一种气体纯净度检测方法、系统和装置，能够长时间对气体(例如大气)进行检测，且获取的检测结果可以滤除背景光的干扰噪声，以确保检测结果的准确性。附图说明 [0032] 图1为本发明实施例的流程示意图。 具体实施方式[0033] 为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实例进行详细描述。 [0034] 本发明的基本原理是：发射的检测激光束在经过大气发射、折射后会形成带噪的检测激光束的回波信号，且带噪的检测激光束的回波信号中会包括真正有用的检测激光束的回波光信号，但也会包括作为噪音的背景光信号。本发明实施例中利用上述原理，可以提取获取未掺入检测激光束和回波的纯净背景光信号，然后再获取带噪的检测激光束的回波信号；然后通过纯净背景光信号去除所述带噪的检测激光束中的背景光信号。这样就可以获取其中增强的回波光信号。 [0035] 为了达到上述目的，本发明实施例提出了一种气体纯净度检测方法，包括： [0036] 按照预设激光发射时序向大气发射检测激光束；获取未掺入检测激光束和回波的纯净背景光信号； [0037] 接收带噪的检测激光束的回波信号，其中所述带噪的检测激光束的回波信号包括所述检测激光束的回波光信号以及背景光信号； [0038] 通过纯净背景光信号去除所述带噪的检测激光束中的背景光信号。 [0039] 其中，所述通过纯净背景光信号去除所述带噪的检测激光束中的背景光信号，具体包括： [0040] 将纯净背景光信号b(t)进行变换域以表征为B(ω)；将带噪的激光雷达回波信号x(t)进行变换域以表征为X(ω)； [0041] 纯净背景光信号去除所述带噪的检测激光束中的背景光信号后获取的回波信号的变换域表征； [0042] [0043] 利用回波信号的变换域F(ω)和带噪的激光雷达回波信号变换域X(ω)，计算增强的回波信号的变换域 [0044] X′(ω)＝X(ω)×F(ω) [0045] 对增强的回波信号的变换域X′(ω)进行反变换以获得增强的回波时域信号x′(t)。 [0046] 其中，所述变换域和反变换采用以下的至少一种方法：傅立叶变换、离散余弦变换、拉普拉斯变换、小波变换。 [0047] 同时，本发明实施例还提出了一种气体纯净度检测装置，包括： [0048] 发射机构，用于按照预设激光发射时序向大气发射检测激光束； [0049] 接收机构，用于获取未掺入检测激光束和回波的纯净背景光信号；还用于接收带噪的检测激光束的回波信号，其中所述带噪的检测激光束的回波信号包括所述检测激光束的回波光信号以及背景光信号； [0050] 滤除机构，用于根据接收机构接收到的纯净背景光信号，去除所述带噪的检测激光束中的背景光信号。 [0051] 其中，所述滤出机构执行以下操作： [0052] 将纯净背景光信号b(t)进行变换域以表征为B(ω)；将带噪的激光雷达回波信号x(t)进行变换域以表征为X(ω)； [0053] 纯净背景光信号去除所述带噪的检测激光束中的背景光信号后获取的回波信号的变换域表征； [0054] [0055] 利用回波信号的变换域F(ω)和带噪的激光雷达回波信号变换域X(ω)，计算增强的回波信号的变换域 [0056] X′(ω)＝X(ω)×F(ω) [0057] 对增强的回波信号的变换域X′(ω)进行反变换以获得增强的回波时域信号x′(t)。 [0058] 其中，所述变换域和反变换采用以下的至少一种方法：傅立叶变换、离散余弦变换、拉普拉斯变换、小波变换。 [0059] 同时，本发明实施例还提出了一种气体纯净度检测系统，包括如前任一项所述的气体纯净度检测装置，还包括主控装置，所述主控装置连接所述气体纯净度检测装置以控制所述气体纯净度检测装置的发射机构发射所述检测激光束，并接收所述滤出机构获取的增强的回波时域信号x′(t)。 [0060] 在一个具体的实施方式中本发明实施例提供的基于激光雷达的环境污染物监测系统，包括控制激光发射时序、大气污染程度的计算、各单元间数据交互流程等； [0062] 所述接收单元，用于接收回波光信号和背景光信号，并将所接收到的光信号转换为回波电信号； [0064] 具体的，从接收单元获取背景光信号，通过信号变换计算出变换域表征；从接收单元获取带噪的激光雷达回波信号，通过信号变换计算变换域表征；利用消噪滤波获取回波信号的变换域表征；利用反变换恢复出增强的回波时域信号。 [0065] 所述呈现单元，用于将中央处理单元计算得到的大气污染程序结果，通过图像或文字的形式呈现给终端用户； [0066] 如图1所示，为本发明实施例提供的基于激光雷达的环境污染物监测方法的流程示意图，包括： [0067] 从接收单元获取背景光信号，通过信号变换计算出变换域表征； [0068] 具体地，背景光信号表示为b(t),其变换域表征为B(ω)，变换方法可以是傅立叶变换、离散余弦变换、拉普拉斯变换、小波变换等的一种或者组合； [0069] 从接收单元获取带噪的激光雷达回波信号，通过信号变换计算变换域表征； [0070] 具体地，带噪的激光雷达回波信号表示为x(t),其变换域表征为X(ω)； [0071] 利用消噪滤波获取回波信号的变换域表征； [0072] 具体地，消噪滤波器的变换域表征为 [0073] [0074] 增强的回波信号的变换域表征为 [0075] X′(ω)＝X(ω)×F(ω) [0076] 利用反变换恢复出增强的回波时域信号，具体地，从X′(ω)中反变换出增强的时域信号x′(t)。 [0077] 对于装置实施例而言，由于其基本对应于方法实施例，所以相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本申请方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。 [0078] 以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。 |
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