具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明白，以下结合附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例一种地下有限空间燃气设备甲烷泄漏探测方法的流程示意图，包括以下步骤：

步骤101，读取激光检测装置从激光回波信号中解调出的激光频率调制信号的二次谐波信号；

步骤102，基于所述二次谐波信号计算甲烷浓度；

步骤103，如果所述甲烷浓度超过设定的阈值，则判定发生了天然气泄漏。

本实施例中，步骤101主要用于获取二次谐波信号。二次谐波信号是一个简称，它实际上是激光检测装置从激光回波信号中解调出的激光频率调制信号的二次谐波信号。激光检测装置用于产生并向检测区域发射激光信号，同时接收反射回来的激光回波信号。当检测区域存在甲烷泄漏时，甲烷气体会对激光发射信号产生吸收作用，具体地说是对激光回波信号的频率产生调制，也就是说，激光回波信号的强度与甲烷的浓度有很强的相关性。因此，可以通过对激光回波信号进行信号数据处理计算甲烷的浓度。现有技术一般是直接基于激光回波信号计算甲烷浓度，这种方法简单可行。但经长期实践发现，偶次谐波信号的峰值正好位于吸收谱线的中心，而奇次谐波分量的峰值相对于吸收谱线的中心会有一个偏移量，也就是说，甲烷对偶次谐波信号的吸收作用优于奇次谐波。而且谐波次数越高，各次谐波分量的幅值越小，二次谐波是最强的谐波信号，因此本实施例通过从激光回波信号中提取二次谐波信号计算甲烷浓度，相对现有技术直接基于激光回波信号计算甲烷浓度，可提高甲烷浓度的计算精度，从而提高甲烷泄漏的检测精度。产生二次谐波信号的方法较多，常用的是采用锁相环电路，本实施例对具体的产生方法不做限制，后面将给出一种不同于锁相环电路的二次谐波信号产生方法。

本实施例中，步骤102主要用于计算甲烷浓度。如前述，所述二次谐波信号的强度与甲烷浓度的相关性，优于激光回波信号的强度与甲烷浓度的相关性，因此，本实施例基于二次谐波信号的强度计算甲烷浓度。甲烷浓度与二次谐波信号的强度正相关，即二次谐波信号越强，甲烷浓度越大。可以根据实验数据，建立甲烷浓度与二次谐波信号强度的关系模型，利用所述关系模型，根据得到的二次谐波信号强度计算甲烷浓度。建模方法很多，例如，可以建立甲烷浓度与二次谐波信号强度的逻辑回归模型；也可以采用人工神经网络，以二次谐波信号强度为输入、以甲烷浓度为输出，利用实验数据进行训练建立二者的关系模型。本实施例对具体的计算方法不做限制，后面将给出一种具体的实施例。

本实施例中，步骤103主要用于根据计算得到的甲烷浓度的大小判定是否发生了泄漏。一般是通过设定一个阈值，如果甲烷浓度超过了设定的阈值，则认为是发生了泄漏；否则没有发生泄漏。所述阈值的大小对判定结果有很大影响，阈值过大，可能会将真正的泄漏判为没有漏泄，使漏警率升高；阈值过小，可能会将本来没有泄漏判为漏泄，使虚警率升高，因此所述阈值的选取须折中考虑，一般通过反复实验确定阈值的大小。

作为一可选实施例，激光检测装置包括：控制器，与控制器相连的收发信号处理器，与收发信号处理器相连的激光驱动器和回波前置放大器，与激光驱动器相连的激光发射器，与回波前置放大器相连的激光接收器；所述收发信号处理器从激光回波信号中解调出所述二次谐波信号并送至控制器。

本实施例给出了激光检测装置的一种技术方案。激光检测装置主要由控制器、收发信号处理器、激光驱动器、回波前置放大器、激光发射器和激光接收器组成。各部分的连接关系如图2所示，收发信号处理器分别与控制器、激光驱动器的输入端和回波前置放大器的输出端相连；激光驱动器的输出端与激光发射器的输入端相连；回波前置放大器的输入端与激光接收器的输出端相连。收发信号处理器一方面接收控制器的控制信号；另一方面向激光驱动器输出驱动信号，驱动信号经激光驱动器放大后驱动激光发射器产生激光发射信号。激光接收器可采用采用铟镓砷光敏二极管，将接收的激光信号转换成电信号后输出至回波前置放大器；所述电信号经回波前置放大器放大后输出至收发信号处理器；收发信号处理器从激光回波信号中解调出频率调制信号的二次谐波信号，并将其输出至控制器。

作为一可选实施例，从激光回波信号中解调出所述二次谐波信号的方法包括：

从激光回波信号中解调出频率调制信号；

将一个采样周期内的频率调制信号等分成多个小段信号；

分别对每小段信号进行快速傅里叶变换，得到每个小段信号的频谱信号；

将每个小段信号的二次谐波的幅度值连接在一起，得到一个采样周期内二次谐波的频谱信号。

本实施例给出了从激光回波信号中解调出二次谐波信号的一种技术方案。二次谐波的解调方法主要有两种：一种是正交锁相方法；一种是傅里叶变换方法。现有技术多采用正交锁相法产生二次谐波信号，由锁相放大器硬件模块完成，增加了系统的硬件复杂度和硬件成本，并引入更多的随机噪声。本实施例采用改进型的第二种方法，即分段快速傅里叶变换方法：将一个采样周期的频率调制信号分成多个相等的小段；然后分别对每个小段的信号进行快速傅里叶变换FFT，得到每个小段信号的频谱(幅频)信号，将每个小段信号的二次谐波的幅度值连接在一起，得到一个采样周期内二次谐波的频谱信号。由于FFT可由软件实现，因此硬件成本低，可靠性高。通过分段缩小每一小段的分段点数，提高单个采样周期的吸收信号的总体的分段数，可最大程度地降低噪声的干扰，提高二次谐波的精度。另外，由于FFT的时间复杂度为O(n*logn)，因此分成多个小段后再进行FFT的时间复杂度降为O(M*(n/M*log(n/M)))＝O(n*log(n/M))，M为分成的小段数，可减小计算量提高计算速度，有利于实现甲烷浓度的实时计算。

作为一可选实施例，基于所述二次谐波信号计算甲烷浓度的方法包括：

利用标准的甲烷浓度测量仪，测量与激光检测装置相距单位距离的甲烷浓度y_i和二次谐波的峰值均值x_i，i＝1,2,…,N，N为测量次数；

建立以下二次拟合模型：

y＝ax²+bx+c

式中，x为二次谐波的峰值均值，y为甲烷浓度，a、b、c分别为二次项系数、一次项系数和常数项；

利用(x_i，y_i)对所述二次拟合模型进行训练，确定a、b、c；

将测得的与激光检测装置相距单位距离的检测点处的二次谐波的峰值均值，代入训练好的二次拟合模型，得到检测测点处的甲烷浓度。

本实施例给出了计算甲烷浓度的一种技术方案。本实施例通过建立二次谐波峰值均值与甲烷浓度的二次拟合模型计算甲烷浓度。如前述，甲烷浓度与二次谐波强度正相关，即二次谐波信号越强，甲烷浓度越高。为提高拟合精度，本实施例采用二次拟合模型，即将甲烷浓度表示成二次谐波峰值均值x的二次函数y，具体如上式。首先利用标准的甲烷浓度测量仪，通过实验测量与激光检测装置相距单位距离的甲烷浓度y_i和二次谐波的峰值均值x_i；然后以(x_i，y_i)组成的训练数据集对所述二次拟合模型进行训练，从而确定模型参数a、b、c。有了训练好的二次拟合模型，根据实测的二次谐波的峰值均值就可以得到甲烷浓度。

作为一可选实施例，如果二次谐波的频谱信号满足以下条件，根据所述二次拟合模型计算甲烷浓度的值；否则，甲烷浓度的值为0；所述条件为：

0.42<W_L/W<0.58

0.42<W_R/W<0.58

0.75<H_L/H_R<1.33

式中，W_L、W_R分别为二次谐波频谱信号的极大值点与其左边相邻的极小值点和右边相邻的极小值点对应的频率差，W＝W_L+W_R，H_L、H_R分别为二次谐波频谱信号的极大值点与其左边相邻的极小值点和右边相邻的极小值点的幅度差。

本实施例给出了提高基于二次谐波强度计算甲烷浓度精度的一种技术方案。本实施例实际上是上一实施例的改进方案，即先对二次谐波频谱信号的波形进行检验，检验其波形参数是否满足要求，如果满足要求，按所述拟合模型计算甲烷浓度；如果不满足，设定甲烷浓度为0。这样处理可以避免将背景噪声或其它干扰误判为二次谐波信号，从而导致甲烷浓度计算出错。二次谐波频谱信号及参数如图3所示。二次谐波频谱信号满足的要求如上述3个不等式，前2个不等式等效于0.42/0.58<W_L/W_R<0.58/0.42，是对波形的频域对称性提出的要求(即左右宽度尽量相等)；最后1个不等式是对幅度对称性提出的要求(即左右峰值尽量相等)。

图4为本发明实施例一种地下有限空间燃气设备甲烷泄漏探测装置的组成框图，所述装置包括：

二次谐波获取模块11，用于读取激光检测装置从激光回波信号中解调出的激光频率调制信号的二次谐波信号；

甲烷浓度计算模块12，用于基于所述二次谐波信号计算甲烷浓度；

甲烷泄漏判定模块13，用于如果所述甲烷浓度超过设定的阈值，则判定发生了天然气泄漏。

本实施例的装置，可以用于执行图1所示方法实施例的技术方案，其实现原理和技术效果类似，此处不再赘述。后面的实施例也是如此，均不再展开说明。

作为一可选实施例，激光检测装置包括：控制器，与控制器相连的收发信号处理器，与收发信号处理器相连的激光驱动器和回波前置放大器，与激光驱动器相连的激光发射器，与回波前置放大器相连的激光接收器；所述收发信号处理器从激光回波信号中解调出所述二次谐波信号并送至控制器。

作为一可选实施例，从激光回波信号中解调出所述二次谐波信号的方法包括：

从激光回波信号中解调出频率调制信号；

将一个采样周期内的频率调制信号等分成多个小段信号；

分别对每小段信号进行快速傅里叶变换，得到每个小段信号的频谱信号；

将每个小段信号的二次谐波的幅度值连接在一起，得到一个采样周期内二次谐波的频谱信号。

作为一可选实施例，基于所述二次谐波信号计算甲烷浓度的方法包括：

利用标准的甲烷浓度测量仪，测量与激光检测装置相距单位距离的甲烷浓度y_i和二次谐波的峰值均值x_i，i＝1,2,…,N，N为测量次数；

建立以下二次拟合模型：

y＝ax²+bx+c

式中，x为二次谐波的峰值均值，y为甲烷浓度，a、b、c分别为二次项系数、一次项系数和常数项；

利用(x_i，y_i)对所述二次拟合模型进行训练，确定a、b、c；

将测得的与激光检测装置相距单位距离的检测点处的二次谐波的峰值均值，代入训练好的二次拟合模型，得到检测测点处的甲烷浓度。

作为一可选实施例，如果二次谐波的频谱信号满足以下条件，根据所述二次拟合模型计算甲烷浓度的值；否则，甲烷浓度的值为0；所述条件为：

0.42<W_L/W<0.58

0.42<W_R/W<0.58

0.75<H_L/H_R<1.33

式中，W_L、W_R分别为二次谐波频谱信号的极大值点与其左边相邻的极小值点和右边相邻的极小值点对应的频率差，W＝W_L+W_R，H_L、H_R分别为二次谐波频谱信号的极大值点与其左边相邻的极小值点和右边相邻的极小值点的幅度差。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。