本發(fā)明涉及氣體檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，特別地，涉及一種深海原位氣體檢測(cè)儀。

背景技術(shù)：

海洋溶存氣體是海洋地球化學(xué)的研究對(duì)象之一，海洋和大氣通過海氣界面不斷的進(jìn)行動(dòng)態(tài)氣體交換，而海洋溶存氣體分布與變化通常與海洋中發(fā)生的生物、物理、化學(xué)和地質(zhì)過程有關(guān)，對(duì)象涉及氧、氨、二氧化碳、甲烷、一氧化二氮等等。研究水中溶存氣體的組分、濃度及分布特征，對(duì)了解熱液口生態(tài)系統(tǒng)、勘探并開采天然氣水合物資源和發(fā)展深海作業(yè)技術(shù)、監(jiān)測(cè)全球變暖進(jìn)程、海洋環(huán)境立體檢測(cè)等都有著重要意義。

目前，對(duì)海中的溶存氣體，最常用的分析手段是現(xiàn)場(chǎng)采集樣品，在科考船上通過氣體抽提法和真空脫氣法等前處理手段得到溶解氣體，再用氣相色譜法方法進(jìn)行離線檢測(cè)。這種方法探測(cè)靈敏度高、技術(shù)相對(duì)成熟，但其操作復(fù)雜，過程耗時(shí)長(zhǎng)，在離線測(cè)量過程中易引入其他因素從而影響測(cè)試結(jié)果。

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中深海原位氣體檢測(cè)操作復(fù)雜、耗時(shí)長(zhǎng)、容易受干擾的問題，目前尚未有有效的解決方案。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提出一種深海原位氣體檢測(cè)儀，不需要采集樣品后進(jìn)行離線測(cè)量，能實(shí)施長(zhǎng)期的深海原位實(shí)時(shí)檢測(cè)。

基于上述目的，本發(fā)明提供的技術(shù)方案如下：

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種深海原位氣體檢測(cè)儀。

根據(jù)本發(fā)明提供的深海原位氣體檢測(cè)儀包括：

激光發(fā)生裝置，激光發(fā)生裝置用于輸出指定波長(zhǎng)的激光束；

光束整形及隔離裝置，光束整形及隔離裝置光路連接至激光發(fā)生裝置，用于使激光束達(dá)到檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)要求；

激光衰蕩檢測(cè)裝置，激光衰蕩檢測(cè)裝置光路連接至光束整形及隔離裝置，使用激光衰蕩方法檢測(cè)深海原位氣體的成分；

水汽分離裝置，水汽分離裝置用于采集深海海水并分離出深海原位氣體；

壓力控制裝置，壓力控制裝置連接至激光衰蕩檢測(cè)裝置與水汽分離裝置，用于按照這三個(gè)裝置的需求調(diào)整這三個(gè)裝置內(nèi)部的壓力；

廢氣處理裝置，廢氣處理裝置連接至壓力控制裝置，用于排出激光衰蕩檢測(cè)裝置完成檢測(cè)后剩余的廢氣；

數(shù)據(jù)處理和控制裝置，數(shù)據(jù)處理和控制裝置電性連接至光束整形及隔離裝置與激光衰蕩檢測(cè)裝置，用于控制光束整形及隔離裝置與激光衰蕩檢測(cè)裝置的工作、采集光束整形及隔離裝置與激光衰蕩檢測(cè)裝置輸出的光信號(hào)與衰蕩信號(hào)、并根據(jù)光信號(hào)與衰蕩信號(hào)檢測(cè)深海原位氣體的成分。

其中，廢氣處理裝置包括以下至少之一：

增壓室，增壓室接收廢氣，對(duì)廢氣進(jìn)行壓縮并將高濃度廢氣排放到外界；

吸收室，吸收室內(nèi)包括固體或液體形態(tài)的吸收材料，吸收室接收廢氣，吸收材料與廢氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并吸收廢氣，減少?gòu)U氣的剩余量；

存儲(chǔ)室，存儲(chǔ)室接收廢氣并以高壓方式存儲(chǔ)于廢氣處理裝置內(nèi)。

其中，激光發(fā)生裝置包括：

半導(dǎo)體可調(diào)諧激光器組，半導(dǎo)體可調(diào)諧激光器組輸出可以調(diào)節(jié)波長(zhǎng)的激光束；

激光驅(qū)動(dòng)單元，激光驅(qū)動(dòng)單元用于驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體可調(diào)諧激光器輸出激光；

溫度控制單元，溫度控制單元用于調(diào)節(jié)半導(dǎo)體可調(diào)諧激光器組工作環(huán)境的溫度。

其中，光束整形及隔離裝置包括：

光束整形單元，光束整形單元提高激光束的衍射率與光斑輪廓的可調(diào)節(jié)性；

光束隔離單元，光束隔離單元過濾激光束中的非指定波長(zhǎng)；

分光檢測(cè)單元，分光檢測(cè)單元監(jiān)測(cè)整形與隔離后的激光束是否達(dá)到檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

其中，激光衰蕩檢測(cè)裝置包括：

衰蕩腔體單元，衰蕩腔體單元內(nèi)有待檢測(cè)的深海原位氣體與多個(gè)衰蕩腔反射鏡，激光束在衰蕩腔體單元內(nèi)的多個(gè)衰蕩腔反射鏡之間反射；

監(jiān)測(cè)和溫控單元，監(jiān)測(cè)和溫控單元調(diào)整與控制待檢測(cè)的深海原位氣體的溫度與壓力情況。

其中，水汽分離裝置包括：

水泵，水泵從外界采集深海凈水；

水汽分離單元，水汽分離單元將水泵采集的深海凈水中提取出溶解的氣體成分；

氣體干燥單元，氣體干燥單元對(duì)水汽分離單元提取出溶解的氣體成分進(jìn)行干燥處理。

其中，數(shù)據(jù)處理和控制裝置包括：

光信號(hào)檢測(cè)單元，光信號(hào)檢測(cè)單元電性連接至光束整形及隔離裝置，檢測(cè)光束整形及隔離裝置輸出的光信號(hào)；

衰蕩信號(hào)采集單元，衰蕩信號(hào)采集單元電性連接至激光衰蕩檢測(cè)裝置，檢測(cè)激光衰蕩檢測(cè)裝置輸出的衰減信號(hào)。

上述光束整形及隔離裝置輸出的光束波長(zhǎng)與激光衰蕩檢測(cè)裝置的腔體長(zhǎng)度滿足縱模匹配條件，光束整形及隔離裝置的透鏡組與激光衰蕩檢測(cè)裝置耦合滿足橫模匹配條件。

并且，深海原位氣體的檢測(cè)成分為以下至少之一：甲烷、二氧化碳、氧氣；氨氣、一氧化二氮；其中，深海原位氣體中甲烷的可檢測(cè)限濃度為5ppm。

從上面所述可以看出，本發(fā)明提供的技術(shù)方案通過使用水汽分離裝置采集深海原位氣體，使用光束整形及隔離裝置、激光衰蕩檢測(cè)裝置以激光衰蕩法檢測(cè)氣體成分、使用廢氣處理裝置排氣的技術(shù)手段，不需要采集樣品后進(jìn)行離線測(cè)量，能夠?qū)嵤╅L(zhǎng)期的深海原位實(shí)時(shí)檢測(cè)。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的深海原位氣體檢測(cè)儀的裝置框圖；

圖2為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的深海原位氣體檢測(cè)儀的裝置詳細(xì)結(jié)構(gòu)圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)一步進(jìn)行清楚、完整、詳細(xì)地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，提供了一種深海原位氣體檢測(cè)儀。

圖1示出的是深海原位氣體檢測(cè)儀的裝置結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例提供的深海原位氣體檢測(cè)儀包括：

激光發(fā)生裝置100，激光發(fā)生裝置100用于輸出指定波長(zhǎng)的激光束；

光束整形及隔離裝置200，光束整形及隔離裝置200光路連接至激光發(fā)生裝置100，用于使激光束達(dá)到檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)要求；

激光衰蕩檢測(cè)裝置300，激光衰蕩檢測(cè)裝置300光路連接至光束整形及隔離裝置200，使用激光衰蕩方法檢測(cè)深海原位氣體的成分；

水汽分離裝置400，水汽分離裝置400用于采集深海海水并分離出深海原位氣體；

壓力控制裝置500，壓力控制裝置500連接至激光衰蕩檢測(cè)裝置300與水汽分離裝置400，用于按照這三個(gè)裝置的需求調(diào)整這三個(gè)裝置內(nèi)部的壓力；

廢氣處理裝置600，廢氣處理裝置600連接至壓力控制裝置500，用于排出激光衰蕩檢測(cè)裝置300完成檢測(cè)后剩余的廢氣；

數(shù)據(jù)處理和控制裝置700，數(shù)據(jù)處理和控制裝置700電性連接至光束整形及隔離裝置200與激光衰蕩檢測(cè)裝置300，用于控制光束整形及隔離裝置200與激光衰蕩檢測(cè)裝置300的工作、采集光束整形及隔離裝置200與激光衰蕩檢測(cè)裝置300輸出的光信號(hào)與衰蕩信號(hào)、并根據(jù)光信號(hào)與衰蕩信號(hào)檢測(cè)深海原位氣體的成分。

其中，廢氣處理裝置包括以下至少之一：

增壓室，增壓室接收廢氣，對(duì)廢氣進(jìn)行壓縮并將高濃度廢氣排放到外界；

吸收室，吸收室內(nèi)包括固體或液體形態(tài)的吸收材料，吸收室接收廢氣，吸收材料與廢氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并吸收廢氣，減少?gòu)U氣的剩余量；

存儲(chǔ)室，存儲(chǔ)室接收廢氣并以高壓方式存儲(chǔ)于廢氣處理裝置內(nèi)。

如圖2所示，激光發(fā)生裝置100包括：

半導(dǎo)體可調(diào)諧激光器組110，半導(dǎo)體可調(diào)諧激光器組110輸出可以調(diào)節(jié)波長(zhǎng)的激光束；

激光驅(qū)動(dòng)單元120，激光驅(qū)動(dòng)單元120用于驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體可調(diào)諧激光器輸出激光；

溫度控制單元130，溫度控制單元130用于調(diào)節(jié)半導(dǎo)體可調(diào)諧激光器組110工作環(huán)境的溫度。

如圖2所示，光束整形及隔離裝置200包括：

光束整形單元210，光束整形單元210提高激光束的衍射率與光斑輪廓的可調(diào)節(jié)性；

光束隔離單元220，光束隔離單元220過濾激光束中的非指定波長(zhǎng)；

分光檢測(cè)單元230，分光檢測(cè)單元230監(jiān)測(cè)整形與隔離后的激光束是否達(dá)到檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

如圖2所示，激光衰蕩檢測(cè)裝置300包括：

衰蕩腔體單元310，衰蕩腔體單元310內(nèi)有待檢測(cè)的深海原位氣體與多個(gè)衰蕩腔反射鏡，激光束在衰蕩腔體單元310內(nèi)的多個(gè)衰蕩腔反射鏡之間反射；

監(jiān)測(cè)和溫控單元320，監(jiān)測(cè)和溫控單元320調(diào)整與控制待檢測(cè)的深海原位氣體的溫度與壓力情況。

將激光衰蕩檢測(cè)技術(shù)引入水中可溶性痕量氣體檢測(cè)中，提出了成熟可行的檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)方案。通過分析水中可溶性氣體的組分、濃度及分布特征，對(duì)研究海洋碳循環(huán)與熱循環(huán)、探索熱液口分布位置、了解熱液口生態(tài)系統(tǒng)、勘探并開采海底油氣資源、分析冷泉烴滲漏等都有著重要意義。

如圖2所示，水汽分離裝置400包括：

水泵410，水泵410從外界采集深海凈水；

水汽分離單元420，水汽分離單元420將水泵410采集的深海凈水中提取出溶解的氣體成分；

氣體干燥單元430，氣體干燥單元430對(duì)水汽分離單元420提取出溶解的氣體成分進(jìn)行干燥處理。

如圖2所示，數(shù)據(jù)處理和控制裝置700包括：

光信號(hào)檢測(cè)單元710，光信號(hào)檢測(cè)單元710電性連接至光束整形及隔離裝置200，檢測(cè)光束整形及隔離裝置200輸出的光信號(hào)；

衰蕩信號(hào)采集單元720，衰蕩信號(hào)采集單元720電性連接至激光衰蕩檢測(cè)裝置300，檢測(cè)激光衰蕩檢測(cè)裝置300輸出的衰減信號(hào)。

上述光束整形及隔離裝置200輸出的光束波長(zhǎng)與激光衰蕩檢測(cè)裝置300的腔體長(zhǎng)度滿足縱模匹配條件，光束整形及隔離裝置200的透鏡組與激光衰蕩檢測(cè)裝置300耦合滿足橫模匹配條件。

在輸出光束的波長(zhǎng)與腔體匹配方面，通過光學(xué)設(shè)計(jì)計(jì)算，既滿足的縱模匹配條件，又耦合透鏡組滿足橫模匹配條件，實(shí)現(xiàn)激光模式與腔長(zhǎng)的空間匹配，從而實(shí)現(xiàn)更高精度的衰蕩檢測(cè)。

并且，深海原位氣體的檢測(cè)成分為以下至少之一：甲烷、二氧化碳、氧氣；氨氣、一氧化二氮；其中，深海原位氣體中甲烷的可檢測(cè)限濃度為5ppm。

多種氣體的檢測(cè)通過多波長(zhǎng)的半導(dǎo)體可調(diào)諧激光器組的合束輸出為光源，設(shè)計(jì)滿足多波長(zhǎng)模式和吸收譜線匹配的腔體結(jié)構(gòu)，同時(shí)在腔體外部添加溫度控制系統(tǒng)，保障測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性和重復(fù)性。

激光衰蕩光譜檢測(cè)法具有靈敏度高、響應(yīng)快、準(zhǔn)確性好、結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單、能夠?qū)崿F(xiàn)多種氣體同步檢測(cè)等一系列優(yōu)點(diǎn)，在海底痕量氣體濃度檢測(cè)方面，有著其他方法所不可比擬的優(yōu)勢(shì)。與其相比，電化學(xué)傳感器法中傳感器選擇性差，測(cè)量易受干擾，并且器件容易氧化，會(huì)因氧化而進(jìn)入休眠狀態(tài)從而對(duì)氣體不再有反應(yīng)；氣相色譜法除必須利用色譜柱對(duì)樣品進(jìn)行分離、增加了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度外，還必須引入其他氣體作為載氣，增大了測(cè)量成本，而且這種檢測(cè)器使用壽命較短。與其使用類似檢測(cè)原理的光離子化檢測(cè)器也存在相同問題。拉曼光譜法存在信號(hào)微弱，熒光干擾拉曼光譜的缺點(diǎn)，導(dǎo)致其測(cè)量精度一般僅為mmol/L，難以滿足海底痕量氣體濃度ppm或亞ppm量級(jí)的測(cè)量需求；近年提出的表面增強(qiáng)拉曼散射技術(shù)能有效改善，但重現(xiàn)性較差，難以長(zhǎng)時(shí)間觀察。紅外光譜法也是采用測(cè)量激光強(qiáng)度衰減的辦法實(shí)現(xiàn)氣體濃度的檢測(cè)，但是受氣體吸收量的限制，難于實(shí)現(xiàn)更低檢測(cè)限和更高靈敏度的測(cè)量。質(zhì)譜法靈敏高，能檢測(cè)多種組分，但是儀器體積大、功耗高、并且對(duì)測(cè)量環(huán)境提出來苛刻的要求，需要極高的真空環(huán)境，且價(jià)格昂貴。相比而言，激光衰蕩光譜檢測(cè)法更具有高性價(jià)比，適合水下痕量氣體檢測(cè)。

激光衰蕩光譜檢測(cè)增加有效吸收光程，從而提高檢測(cè)精度法產(chǎn)生的與氣體某條吸收譜線相匹配的激光在由光學(xué)反射單元組成的衰蕩腔體內(nèi)多次折轉(zhuǎn)反射，從而提高檢測(cè)精度。根據(jù)朗伯-比爾定律，τ為衰蕩時(shí)間，d為腔體長(zhǎng)度，c為光速，R為光學(xué)反射單元的反射率，α為吸收系數(shù)。當(dāng)腔內(nèi)無吸收氣體時(shí)，空腔的振蕩時(shí)間是假設(shè)R的反射率為99.99％，則吸收長(zhǎng)度為104倍的腔長(zhǎng)，相比傳統(tǒng)的紅外吸收法，激光衰蕩光譜檢測(cè)法增加有效的吸收長(zhǎng)度，從而使得檢測(cè)靈敏度提高數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí)。以海洋中的可溶性氣體甲烷為例，經(jīng)過水汽分離裝置的甲烷濃度一般在50ppm左右，而激光衰蕩光譜檢測(cè)法可檢測(cè)限低于5ppm的甲烷混合氣體，滿足可溶性氣體檢測(cè)的要求。

需要說明的是，本發(fā)明所述的深海并不局限于海洋環(huán)境。對(duì)于任意水域，不限于海洋，包括江河湖泊鉆井等，只要其水深超過100米，則其超過100米的部分就符合本發(fā)明所述的深海覆蓋的領(lǐng)域。

綜上所述，借助于本發(fā)明的上述技術(shù)方案，通過使用水汽分離裝置采集深海原位氣體，使用光束整形及隔離裝置、激光衰蕩檢測(cè)裝置以激光衰蕩法檢測(cè)氣體成分、使用廢氣處理裝置排氣的技術(shù)手段，不需要采集樣品后進(jìn)行離線測(cè)量，能夠?qū)嵤╅L(zhǎng)期的深海原位實(shí)時(shí)檢測(cè)。

所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。