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wavelength modulation 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：
formula see original document page 4 ( 1 )式中：iY丄JK)为位置序号为丄，旋转度数为M处的投影值；尸(Z，Af+2;r)为位 置序号为丄，旋转度数为M+360。时的投影值；尸YL,歸为位置序号为丄处的两次 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l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。(2) 不用移动激光器-探测器截面，仅通过程序计算实现三维重建，系统造 价低，操作运行简单。(3) 通过增加或者更换激光
二极管，可以对各种不同的气体（如02， H20， CO， C02， NO， N02， NH3， HF， H2S和Ctit等）进行三维测量。
附图说明图1为本发明中测量系统的结构示意图； 图2为本发明中测量系统的立面结构示意图； 图3为本发明中激光扫描实现方式的示意图； 图4为本发明中内插
数据采集方式示意图； 图5为本发明中重建数据
流程图。具体实施方式参考附图，下面将对本发明进行详细描述。螺旋CT原理重建气体浓度和温度三维分布的方法，包括以下步骤：(1) 利用光束整形透镜4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5并与烟道5横截面平行；(2) 使光束整形透镜4绕烟道5的轴心作圆周状旋转；(3) 利用烟道5另一侧与光束整形透镜4对应的聚焦柱面镜6汇聚激光信 号，并通过线性阵列探测器7将测量信号传送至计算机8获取断层平面上的投影 数据；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 式进行线性插值来得到重建平面所需的投影值；(4) 根据重建算法对烟道气体浓度和温度的图像重建，获得气体浓度和温 度三维分布数据。用于实现螺旋CT原理重建气体浓度和温度三维分布方法的系统，包括信号 发生器l、激光源2和光纤输出端3，还包括设于电动旋转台IO边缘的光束整形 透镜4，聚焦柱面镜6位于与光束整形透镜4相对应的电动旋转台10另一侧边 缘。电动旋转台10与烟道5的横截面平行，电动旋转台10与烟道5具有同一个 旋转轴心，有一旋转台控制器9与电动旋转台IO连接。聚焦柱面镜6通过信号 线依次与线性阵列探测器7和计算机8连接。将激光源2的通过光纤连接至电动旋转台10上，其激光的波长及其扫描范 围通过加载在激光控制器上的
电压信号来进行调节。输出的激光信号通过光束整 形透镜4来进行整形，使之可以形成一扇状片型光斑，从而
覆盖烟道5的出口截 面区域。透射过的发散光斑通过聚焦柱面镜6来进行汇聚，并最终由线性阵列探 测器7接收，通过
数据处理和
模数转换，最终由计算机8进行处理。测量时，电 动旋转台10进行360。转动，从而使得线阵探测器7可以在各个角度得到投影数 据，并最终利用CT技术重建出图像。但是在电动旋转台10旋转的同时，烟气也将在轴向发生移动，故在一周范 围内得到的投影数据并不位于同一截面上，而是相当于激光呈螺旋形环绕烟气进 行扫描，如附图3所示。由于螺旋CT的数据是在测量物体在Z轴方向移动的同时得到的，因此除了 一个方向的投影正好处于重建平面上外，其他方向采集到的投影数据则在重建平 面的两侧，即在任何一个断层平面上，仅获得了部分投影数据。如果可以获得在 一个断层平面上的全部投影数据，那么就可以利用传统CT的重建算法来进行重 建。本发明采用螺旋CT的数据处理方法，利用在旋转过程中得到的投影数据进 行360°内插。用两个360。的投影数据集来估计在一个恒定位置的360。的投影数据集。重建平面位于两次旋转的正中间，且垂直于旋转轴。在同一角度下的投影 数据之间进行线性插值，内插公式为：尸（丄,M) = M) + (1 — A M + 2;r) ( 1 )式中：/YL，M卩为位置序号为丄，旋转度数为M处的投影值；/YAM+2^为位 置序号为丄，旋转度数为i^+360。时的投影值；P丫AAf)为位置序号为丄处的两次 投影数据集之间的的投影值，w为插值系数。即通过利用两个旋转角度相差 360。的投影值来插值得到其他的投影值。这样，将所有投影数据转换至同一重建平面上，就可以按照层析重建算法进行求解。重建算法大致可分为两类：变换法一用给定的一系列解析式（算子或函 数变换）反演公式来重建图像，常用雷登（Randon)求逆公式的离散化形式， 如
滤波反投影（FBP)算法；另一类为级数展开法一直接对公式"离散化"，得到 一大型稀疏线性方程组，如代数重建（ART)算法。ART代数重建算法简单， 适用于不同格式的
采样数据重建；另外还可以结合一些先验知识进行求解。因此 对于烟道内的气体参数重建采用ART代数
迭代算法来实现。代数重建法是一个迭代的过程，它是一开始就在离散域中进行的。首先把问 题离散化,即将欲重建的未知图像/Y:c，
力离散成一个"x„ = W重建图像网格,根据 成像的物理过程和相应的数学模型，建立重建图像和投影数据之间关系的代数方 程组，图像重建问题就转化为解线性方程组。对于利用可调谐半导体激光光源进行气体测量，其基本原理是根据Beer-Lambert定律：
formula see original document page 7 (2)式中：尸[atm]为气体的总压；i [cm]为激光在气体中传播的距离；X为气体 的体积浓度；^力为线型函数，它表示了被测吸收谱线的形状，与温度、总压力 和气体中的各成分含量有关；并且满足：
formula see original document page 7式中：S(r)[cm—、tm"]为该谱线的线强度，它表示该谱线的吸收强度，只与 温度有关，其值可以利用下式来进行计算：柳,。)^岭—平(—X，7。.';工] (4)2。 * T K l-exp(-/zcv0.,7Ar0)其中K为参考温度，0为总的分子内部分割函数；及"为低跃迁态的
能量； W,为跃迁
频率；A为普朗克常数，A为波尔兹曼常数，c为光速。在温度低于 2500K，波长小于2.5jim的情况下，最后一项可以被忽略。由于线型函数在整个频域范围内的积分为常数l，因此式（2)表示为：爿=〖:—ln(丄)c/v ^xs(r)丄 （5 )丫oj为测量计算得到的光谱吸收率积分值。方程（5)给出了光谱吸收率积分 值与被测气体参数之间的关系，包括气体浓度，温度（谱线强度值）等。为了可 以实现温度和浓度的同时测量，因此需要选择两条气体吸收谱线来进行测量。通 过在测量区域内划分网格，并根据在不同的测量单元的不同旋转角度下计算得到 的光谱吸收率积分值，建立方程组：(6),,1) = (WWwVu +CPS(7Wvl,2ZvU2 + — +」(V1,2) = (i^(r)x)vU 4121 + (i^(r)x)vl 2丄化22 +…+ (i^(r)z)vlw zvl,,層如,i)=(呻)1)^211 +(i^(r)x)v22zv212 + — + (i>s(:r)uv2,w 其中，JfW，M卩为谱线w在角度序号为ikTf的光谱吸收率积分值，通过测量计算而得到；"7,MV为每个网格对于投影的贡献值，在进行网格划分时确定，这样便得到了先重建出气体的浓度场分布；在得到的浓度场分布上利用第二条谱线的数据来进 行修正，得到温度场分布，依次类推，直到温度场与浓度场在迭代过程中收敛， 输出其重建结果，其数据流程图如图3所示。最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体
实施例。显然，本发 明不限于以上实施例，还可以有许多
变形。本领域的普通技术人员能从本发明公 开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
