一种激光光谱吸纳气体监测成像预警方法及装置与流程
1.本发明属于气体监测技术领域，尤其涉及一种激光光谱吸纳气体监测成像预警方法及装置。
背景技术：
2.目前气体泄漏探测器的气体监测方法均是泵吸入式红外分析颗粒或者化学反应式进行数据读取分析，从而进行输出i/o节点报警。这种方式报警的设备是固定安装在某一部位进行小范围探测器一般例如室内煤场甲烷一氧化碳和粉尘的技术规范保护半径在5米左右，在一些大空间大跨度还是无法安装无法进行有效监测，可见，此类气体探测器的气体监测方法在大范围监测时存在气体监测精度低的问题。
技术实现要素：
3.本发明提供一种发射型三维激光气体监测装置，旨在解决上述大范围气体监测精度低的问题。
4.本发明是这样实现的，第一方面，提供一种激光光谱吸纳气体监测成像预警方法，应用于预设的发射型三维激光气体监测装置中，所述方法包括以下步骤：
5.获取目标激光扫描路径的区域分布图；
6.基于预设激光图像算法，判断所述区域分布图是否存在伪彩区域，所述伪彩区域是激光光谱吸收目标气体成像形成的；
7.若所述区域分布图存在伪彩区域，则根据预设激光成像模拟边缘算法对所述伪彩区域进行边缘分析圈定，得到边缘分析圈定结果，并确定所述伪彩区域的空间位置；
8.根据所述边缘分析圈定结果以及所述空间位置进行预警处理。
9.更进一步的，所述获取目标激光扫描路径的区域分布图，包括：
10.根据预设旋转角度按目标激光扫描路径进行激光扫描，得到激光扫描数据；
11.根据所述激光扫描数据通过预设模拟成像工具，将所述激光扫描数据进行模拟成像，得到所述目标激光扫描路径的区域分布图。
12.更进一步的，所述基于预设激光图像算法，判断所述区域分布图是否存在伪彩区域，包括：
13.基于预设激光图像算法，判断所述区域分布图是否出现伪彩差异，且判断所述伪彩差异是否成区域分布；
14.若所述区域分布图出现伪彩差异，且所述伪彩差异成区域分布，则判定所述区域分布图存在伪彩区域；
15.若所述区域分布图没有出现伪彩差异，则判定所述区域分布图不存在伪彩区域。
16.更进一步的，所述方法还包括步骤：
17.若所述区域分布图不存在伪彩区域，则按照预设激光扫描路径继续扫描下一个目标激光扫描路径区域。
18.更进一步的，所述预设的发射型三维激光气体监测装置包括：底座、固定在所述底座上的箱体、设置在所述箱体上的水平旋转机构、设置在所述水平旋转机构上的垂直旋转机构、与所述垂直旋转机构传动连接的激光扫描机构、以及设置在所述垂直旋转机构上的电路控制装置，所述箱体一侧设置有电缆数据线密封进口用于安装电缆数据线，所述水平旋转机构包括水平旋转驱动器，所述垂直旋转机构包括垂直旋转驱动器，所述激光扫描机构包括激光扫描器，所述水平旋转驱动器、所述垂直旋转驱动器以及所述激光扫描器均与所述电路控制装置电连接，所述激光扫描器采用发射型定点激光系统且采用可调谐二极管激光吸收光谱来监测目标气体，所述激光扫描器采用单激光或双激光收发器组件。
19.更进一步的，所述箱体包括箱本体、设置在所述箱本体内的支撑板以及设置在所述支撑板上的支撑柱，所述支撑板上设置有板穿孔以及设置在所述板穿孔外侧的限位环，所述支撑柱内部设置与所述板穿孔对应的柱穿孔，所述板穿孔以及所述柱穿孔用于安装电缆数据线，所述支撑柱外围设置有用于安装所述水平旋转机构的卡环槽。
20.更进一步的，所述水平旋转机构还包括与所述水平旋转器传动连接的水平旋转体，所述水平旋转体活动套设在所述卡环槽内，所述水平旋转驱动器固定在所述支撑柱顶端一侧。
21.更进一步的，所述垂直旋转机构还包括固定设置在所述水平旋转体上的垂直固定体以及活动设置在所述垂直固定体内的垂直旋转体，所述垂直旋转驱动器固定设置在所述垂直固定体上，所述垂直旋转驱动器与所述垂直旋转体传动连接。
22.更进一步的，所述垂直固定体包括：固定设置在所述水平旋转体上的支撑架、以及设置在所述支撑架一侧的固定部，所述垂直旋转驱动器固定设置在所述固定部上。
23.更进一步的，所述固定部的内部设置有安装孔，所述垂直旋转体小的一端活动插入所述固定部的安装孔内，所述垂直旋转体大的一端与所述激光扫描机构固定连接。
24.更进一步的，所述水平旋转驱动器以及所述垂直旋转驱动器均为爪极式永磁同步电机。
25.更进一步的，所述激光扫描机构还包括与所述垂直旋转体大的一端固定连接的连接部、以及与所述连接部固定连接且用于安装所述激光扫描器的安装部，所述安装部一端设置有激光扫描窗口。
26.更进一步的，所述安装部还设置有防尘雨刷机构，所述防尘雨刷机构包括固定设置在所述安装部上且设置在所述激光扫描窗口一侧的内置电机、以及与所述内置电机传动连接的防尘雨刷杆，所述防尘雨刷杆用于清扫激光扫描窗口上的灰尘和雨水。
27.第二方面，本发明实施例还提供一种激光光谱吸纳气体监测成像预警装置，所述激光光谱吸纳气体监测成像预警装置包括：
28.获取模块，用于获取目标激光扫描路径的区域分布图；
29.判断模块，用于基于预设激光图像算法，判断所述区域分布图是否存在伪彩区域，所述伪彩区域是激光光谱吸收目标气体成像形成的；
30.处理模块，用于若所述区域分布图存在伪彩区域，则根据预设激光成像模拟边缘算法对所述伪彩区域进行边缘分析圈定，得到边缘分析圈定结果，并确定所述伪彩区域的空间位置；
31.预警模块，用于根据所述边缘分析圈定结果以及所述空间位置进行预警处理。
32.本发明所达到的有益效果：获取目标激光扫描路径的区域分布图；基于预设激光图像算法，判断所述区域分布图是否存在伪彩区域，所述伪彩区域是激光光谱吸收目标气体成像形成的；若所述区域分布图存在伪彩区域，则根据预设激光成像模拟边缘算法对所述伪彩区域进行边缘分析圈定，得到边缘分析圈定结果，并确定所述伪彩区域的空间位置；根据所述边缘分析圈定结果以及所述空间位置进行预警处理。进而可以准确的获取到目标气体的分布情况以及空间位置，从而提高目标气体的监测精度。
附图说明
33.图1是本发明提供的一种激光光谱吸纳气体监测成像预警方法的流程示意图；
34.图2是本发明提供的一种发射型三维激光气体监测装置的结构示意图；
35.图3是本发明提供的一种发射型三维激光气体监测装置的剖视图。
36.图4是本发明提供的一种激光光谱吸纳气体监测成像预警装置的结构示意图。
37.图中，1、底座，11、限位部；2、箱体，21、箱本体，22、支撑板，221、板穿孔，222、限位环，23、支撑柱，231、柱穿孔；3、水平旋转机构，31、水平旋转体，32、水平旋转驱动器；4、垂直旋转机构，41、垂直旋转体、42、垂直旋转驱动器，43、支撑架，44、固定部，45、安装孔；5、激光扫描机构，51、连接部，52、安装部，53、激光扫描窗口，54、激光扫描器；6、电路控制装置；7、内置电机；8、防尘雨刷杆；9、电缆数据线密封进口；10、外接地端。
具体实施方式
38.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
39.第一方面，请参阅图1所示，本发明提供了一种激光光谱吸纳气体监测成像预警方法，应用于预设的发射型三维激光气体监测装置中，激光光谱吸纳气体监测成像预警方法包括以下步骤：
40.步骤101、获取目标激光扫描路径的区域分布图。
41.其中，上述目标激光扫描路径可以是机构或工作人员需要进行激光扫描的。区域分布图可以为扇形分布模拟图。
42.具体的，步骤101包括：
43.根据预设旋转角度按目标激光扫描路径进行激光扫描，得到激光扫描数据。根据激光扫描数据通过预设模拟成像工具，将激光扫描数据进行模拟成像，得到目标激光扫描路径的区域分布图。
44.其中，上述预设旋转角度可以是预设的发射型三维激光气体监测装置预先设置好的旋转角度。上述目标激光扫描路径也可以是预先设置好的激光扫描路径，比如，预设的发射型三维激光气体监测装置旋转一定角度后，激光扫描器进行直线发射距离1千米，此时，直线发射距离1千米为目标激光扫描路径。上述预设模拟成像工具为配置好的后台模拟软件。
45.更具体的，预设的发射型三维激光气体监测装置旋转的同时打开激光扫描器进行直线发射距离1千米，扫描到一定角度结束后，激光扫描器停止，此时后台模拟软件将激光
扫描路径区域呈分布模拟图，得到目标激光扫描路径的区域分布图。
46.步骤102、基于预设激光图像算法，判断区域分布图是否存在伪彩区域，伪彩区域是激光光谱吸收目标气体成像形成的。
47.其中，上述预设激光图像算法包括光谱数据特征提取算法以及二维图像重建算法，具体的，该光谱数据特征提取算法包括四个部分，背景信号获取算法、信号归一化处理算法、线性函数拟合算法以及浓度反演算法。在背景信号获取算法中，扫描信号通常为锯齿波，将吸收信号叠加在扫描信号上，通过对信号中没有吸收的部分进行多项拟合即可得到背景信号。为了保证背景信号的纯净，一般认为距吸收中心四倍线宽以外的数据是未被吸收的信号。在信号归一化处理算法中，获取背景信号后，基于背景信号对光谱信号归一化，得到归一化结果。在线性函数拟合算法中，积分吸光度是光谱特征的关键参数，信号归一化处理后得到的是离散的信号，需要对离散的信号进行谱线线型拟合，一方面可以获取连续的光谱数据，另一方面可对光谱进行矫正，从而获取精确的积分吸光度。具体的，可以是使用洛伦兹线型作为拟合模型。需要说明的是，光谱线型为非线性函数，需要用非线性拟合方法，常用的非线性函数拟合算法包括最速下降法，牛顿法和levenberg-marquard(l-m)算法。在浓度反演算法中，理论上，对光谱信号进行拟合后即可得到积分吸光度，进而能够得到准确的目标气体对应的光谱数据。
48.二维图像重建算法包括滤波反投影重建算法、代数迭代算法、图像插值算法等。基于二维图像重建算法能够准确的重建出目标气体对应的伪彩区域。
49.上述伪彩区域可以是一种伪彩图像。具体的，伪彩图像是同灰度图像一样,也是单波段的图像，但是这个单波段图像是有颜的，不再是灰度图那样的，而是它的每一个灰度值都对应颜空间中的某一种颜。它可以是彩的图像，但是需要时刻谨记的是该图像只是单通道的。
50.具体的，步骤102包括：
51.基于预设激光图像算法，判断区域分布图是否出现伪彩差异，且判断伪彩差异是否成区域分布。若区域分布图出现伪彩差异，且伪彩差异成区域分布，则判定区域分布图存在伪彩区域。若区域分布图没有出现伪彩差异，则判定区域分布图不存在伪彩区域。这样可以快速确定目标气体的分布区域。
52.步骤103、若区域分布图存在伪彩区域，则根据预设激光成像模拟边缘算法对伪彩区域进行边缘分析圈定，得到边缘分析圈定结果，并确定伪彩区域的空间位置。
53.其中，伪彩区域可以为多个，比如一张区域分布图可以有多个伪彩区域，因为有些位置空间位置由伪彩区域的空间坐标点组成。预设激光成像模拟边缘算法是基于小波的非线性增强和多尺度形态学相结合的方法对激光主动成像图像进行边缘检测。从小波多分辨分析出发，区分噪声和图像的边缘细节，构造基于小波的非线性增强算法对图像的边缘细节适度增强。引入多尺度形态学对增强后的图像进行边缘提取，利用大尺度形态算子抑制噪声，小尺度形态算子提取目标边缘细节信息，获得了较清晰的图像边缘。通过该预设激光成像模拟边缘算法可以对伪彩区域的边缘进行圈定。
54.具体的，当区域分布图存在伪彩区域，则说明该扫描路径存在目标气体，需要根据预设激光成像模拟边缘算法将区域分布图中出现伪彩区域的浅区域进行边缘分析圈定，从而把伪彩区域从区域分布图中圈定标记，并且根据预设的发射型三维激光气体监测装置
的扫描路径你，确定伪彩区域的空间坐标点，进而得到对应的空间位置。
55.步骤104、根据边缘分析圈定结果以及空间位置进行预警处理。
56.具体的，在确定伪彩区域的边缘分析圈定结果以及空间位置后，可对伪彩区域进行抓拍、存储，并输出报警信号。报警信号可以携带对应伪彩区域的边缘分析圈定数量、空间位置内容以及预设的发射型三维激光气体监测装置的位置信息。进而便于工作人员快速确定目标气体的分布区域以及分布情况，从而采取对应的防护措施。
57.在本发明一实施例方式中，激光光谱吸纳气体监测成像预警方法还包括步骤：
58.若区域分布图不存在伪彩区域，则按照预设激光扫描路径继续扫描下一个目标激光扫描路径区域。
59.具体的，当区域分布图不存在伪彩区域，说明激光扫描路径没有目标气体，该激光扫描路径是正常的。预设的发射型三维激光气体监测装置，可以根据预设激光扫描路径继续扫描下一个目标激光扫描路径区域。这样，预设的发射型三维激光气体监测装置可以一直重复进行激光扫描，进而实现目标区域的目标气体的监测预警。当然，预设的发射型三维激光气体监测装置的扫描区域、扫描时间间隔均是可以设置的。
60.在本发明实施例中，通过获取目标激光扫描路径的区域分布图；判断区域分布图是否存在伪彩区域，伪彩区域是激光光谱吸收目标气体成像形成的；若区域分布图存在伪彩区域，则根据预设激光成像模拟边缘算法对伪彩区域进行边缘分析圈定，得到边缘分析圈定结果，并确定伪彩区域的空间位置；根据边缘分析圈定结果以及空间位置进行预警处理。进而可以准确的获取到目标气体的分布情况以及空间位置，从而提高目标气体的监测精度。同时，还能够实现连续自动运行和非接触式测量以及远距离探测，提高气体监测的安全性以及扩大气体监测范围。
61.在本发明实施例中，请参阅图2-3所示，本发明提供了一种发射型三维激光气体监测装置，包括：底座1、固定在所述底座1上的箱体2、设置在所述箱体2上的水平旋转机构3、设置在所述水平旋转机构3上的垂直旋转机构4、与所述垂直旋转机构4传动连接的激光扫描机构5、以及设置在所述垂直旋转机构4上的电路控制装置6，所述箱体2一侧设置有电缆数据线密封进口9用于安装电缆数据线，所述水平旋转机构3包括水平旋转驱动器32，所述垂直旋转机构4包括垂直旋转驱动器42，所述激光扫描机构5包括激光扫描器54，所述水平旋转驱动器32、所述垂直旋转驱动器42以及所述激光扫描器54均与所述电路控制装置6电连接。
62.其中，所述水平旋转驱动器32以及所述垂直旋转驱动器42均为爪极式永磁同步电机。该爪极式永磁同步电机的具体型号为60ktyz1-a(yt3)，参数为：24v 3r/min 2.3v(输入：8w)、s3(on 3min off 5min)e级。
63.底座1上设置有向上凸起的限位部11，该箱体2套设在该限位部11上，用于限位安装该箱体2。箱体2与底座1的接触面还通过螺丝固定连接。箱体2套设在该限位部11之间的接触面为隔爆结合面，
64.电路控制装置6包括驱动电路板以及数据传输电路板，驱动电路板用于驱动水平旋转驱动器32带动水平旋转机构3实现水平转动，以及用于驱动垂直旋转驱动器42驱动带动垂直旋转机构4实现垂直转动。数据传输电路板用于控制通信装置与外界设备通信，达到传输数据的作用。
65.所述底座1一侧还设置有外接地端10，用于电路接地，避免漏电。
66.激光扫描器54采用的是发射型(定点激光)系统且使用开路可调谐二极管激光吸收光谱(tdlas)来监测目标气体，目标气体可以是甲烷、一氧化碳、和含甲烷、一氧化碳的气体。激光扫描器54采用单激光或双激光收发器组件，并包括一个监测风向和风速的天气系统(设置有风速计)。激光扫描器54能够在长达1公里的路径上监测0-10,000ppm-m的范围。整个装置的电路系统由内置电池供电或者直流电源。
67.示例性的，当需要监测甲烷气体时，该激光扫描器54可以利用敏感的吸收光谱来监测甲烷。它采用近红外波长区域，采用专有的光学采样单元来增强吸收信号并最大限度地降低噪声，集成风速计可跟踪风速和风向，并允许传感器从0-1公里的距离对三角形排放源进行三角测量，通过长距离超过1公里的激光发射，并且在整个360
°
方向上，用户可以使用单个发射型三维激光气体监测装置监测大面积的甲烷排放。
68.当然，该激光扫描器54本身基于频率梳排列，其发射数十万个离散波长的光，因此可以同时测量许多不同的分子。根据产生的吸收模式，能够非常精确地确定沿激光路径监测到的每种气体的浓度，并将十亿分之一灵敏度的甲烷水平测量与风如何通过气体传输气体的模拟结合起来。对每个痕量气源的位置和大小进行三角测量然后进行模拟成像。该系统相对于当前泄漏监测方法的最大优势在于可以连续自动运行和非接触式测量预警以及远距离探测。
69.在本发明实施例中，通过电路控制装置6控制水平旋转机构3在水平方向上旋转，以及通过电路控制装置6控制垂直旋转机构4控制激光扫描机构5在垂直方向上旋转，使得激光扫描器54能够实现多角度、大范围监测目标气体的浓度，提高气体监测的精度。同时，还能够实现连续自动运行和非接触式测量以及远距离探测，提高气体监测的安全性。
70.在本发明实施例中，所述箱体2包括箱本体21、设置在所述箱本体21内的支撑板22以及设置在所述支撑板22上的支撑柱23，所述支撑板22上设置有板穿孔221以及设置在所述板穿孔221外侧的限位环222，所述支撑柱23内部设置与所述板穿孔221对应的柱穿孔231，所述板穿孔221以及所述柱穿孔231用于安装电缆数据线，所述支撑柱23外围设置有用于安装所述水平旋转机构3的卡环槽。
71.其中，箱本体21用于支撑和安装水平旋转机构3。支撑板22用于支撑和固定支撑柱23。支撑柱23用于安装和固定水平旋转机构3，进而实现水平旋转。限位环222用于限制该支撑柱23水平移动或脱落。支撑柱23与支撑板22之间的接触面还通过螺丝等固定连接。支撑柱23与支撑板22之间的接触面在限位环222与板穿孔221之间。
72.柱穿孔231在安装线路完成后，可通过环氧树脂铰封，起到保护线路的作用。
73.具体的，通过箱本体21、支撑板22以及支撑柱23安装固定水平旋转机构3，以实现水平旋转功能。
74.在本发明实施例中，所述水平旋转机构3还包括与所述水平旋转器传动连接的水平旋转体31，所述水平旋转体31活动套设在所述卡环槽内，所述水平旋转驱动器32固定在所述支撑柱23顶端一侧。其中，水平旋转驱动器32通过螺丝固定在支撑柱23上。
75.具体的，当水平旋转驱动器32工作时，能够带动该水平旋转体31在支撑柱23的卡环槽上水平旋转，以实现装置水平调节角度的功能。
76.在本发明实施例中，所述垂直旋转机构4还包括固定设置在所述水平旋转体31上
的垂直固定体以及活动设置在所述垂直固定体内的垂直旋转体41，所述垂直旋转驱动器42固定设置在所述垂直固定体上，所述垂直旋转驱动器42与所述垂直旋转体41传动连接。其中，所述垂直固定体包括：固定设置在所述水平旋转体31上的支撑架43、以及设置在所述支撑架43一侧的固定部44，所述垂直旋转驱动器42固定设置在所述固定部44上。所述固定部44的内部设置有安装孔45，所述垂直旋转体41小的一端活动插入所述固定部44的安装孔45内，所述垂直旋转体41大的一端与所述激光扫描机构5固定连接。
77.其中，支撑架43与固定部44之间通过螺丝等部件固定。垂直旋转体41与激光扫描机构5也通过螺丝等部件固定。
78.当安装孔45安装线路完成后，通过环氧树脂胶封，避免线路损坏。
79.具体的，当垂直旋转驱动器42工作时，垂直旋转驱动器42带动垂直旋转体41在安装孔45内向垂直方向旋转，进而带动激光扫描机构5也向垂直方向旋转，以达到激光扫描机构5在垂直方向的角度调节，实现垂直方向上全方位激光扫描，提高目标气体的监测精度。
80.在本发明实施例中，所述激光扫描机构5还包括与所述垂直旋转体41大的一端固定连接的连接部51、以及与所述连接部51固定连接且用于安装所述激光扫描器54的安装部52，所述安装部52一端设置有激光扫描窗口53。激光扫描器54通过该激光扫描窗口53向目标区域进行激光扫描，监目标区域的目标气体。
81.在本发明实施例中，所述安装部52还设置有防尘雨刷杆8机构，所述防尘雨刷杆8机构包括固定设置在所述安装部52上且设置在所述激光扫描窗口53一侧的内置电机7、以及与所述内置电机7传动连接的防尘雨刷杆8杆，所述防尘雨刷杆8杆用于清扫激光扫描窗口53上的灰尘和雨水。具体的，通过防尘雨刷杆8机构中的防尘雨刷杆8杆清扫激光扫描窗口53上的雨水以及灰尘，保证激光扫描窗口53的干净，避免激光扫描窗口53上的雨水或灰尘对激光的吸收，进一步提高目标气体的监测精度。
82.在本发明实施例中，如图4所示，本发明还提供一种激光光谱吸纳气体监测成像预警装置，该激光光谱吸纳气体监测成像预警装置包括：
83.获取模块，用于获取目标激光扫描路径的区域分布图；
84.判断模块，用于基于预设激光图像算法，判断所述区域分布图是否存在伪彩区域，所述伪彩区域是激光光谱吸收目标气体成像形成的；
85.处理模块，用于若所述区域分布图存在伪彩区域，则根据预设激光成像模拟边缘算法对所述伪彩区域进行边缘分析圈定，得到边缘分析圈定结果，并确定所述伪彩区域的空间位置；
86.预警模块，用于根据所述边缘分析圈定结果以及所述空间位置进行预警处理。
87.在本发明是实施例中，通过获取目标激光扫描路径的区域分布图；判断所述区域分布图是否存在伪彩区域，所述伪彩区域是激光光谱吸收目标气体成像形成的；若所述区域分布图存在伪彩区域，则根据预设激光成像模拟边缘算法对所述伪彩区域进行边缘分析圈定，得到边缘分析圈定结果，并确定所述伪彩区域的空间位置；根据所述边缘分析圈定结果以及所述空间位置进行预警处理。进而可以准确的获取到目标气体的分布情况以及空间位置，从而提高目标气体的监测精度。同时，还能够实现连续自动运行和非接触式测量以及远距离探测，提高气体监测的安全性以及扩大气体监测范围。
88.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精
神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
