一种应用于低信噪比下的TDLAS直接吸收法的外差平衡探测系统及探测方法技术方案

本发明专利技术公开了一种应用于低信噪比下的TDLAS直接吸收法的外差平衡探测系统及探测方法，DFB激光器输出调制信号，由经过1×2单模光纤分束器分为探测光和参考光，探测光经过待测环境剧烈衰减。单模光纤时间延迟器使两束光产生相位差，探测光还经过了多模噪声扰模器消除多模噪声，在2×2多模光纤分束器中形成外差干涉。将外差干涉后信号1:1分束，接入平衡探测器，获得降低了探测器噪声的放大干涉信号。本发明专利技术将参考光和探测光在1×2单模光纤分束器中产生干涉，由2×2多模光纤分束器均分输出，使其两路输出信号直流量无论探测光是否波动都相同，接入平衡探测器能均衡抗噪，显著提高了实时性和抗噪能力。

A Heterodyne Balanced Detection System and Detection Method for TDLAS Direct Absorption Method at Low Signal-to-Noise Ratio

【技术实现步骤摘要】
一种应用于低信噪比下的TDLAS直接吸收法的外差平衡探测系统及探测方法
：本专利技术涉及一种应用于低信噪比下的TDLAS直接吸收法的外差平衡探测系统及探测方法。
技术介绍
：可调谐二极管激光吸收光谱法(TDLAS)是一种基于激光原理的新型光学传感器，它应用于各种环境下的气体浓度和温度非接触测量。它的高速反馈、实时监测的特性使其成为动态过程控制系统中最为重要的测量手段之一。直接吸收法(DAS)是TDLAS技术中的一种数据处理方法，应用于吸收强度较大的环境中。双线免除标定，不用近似计算等方面是相对WMS波长调制法的优势。而DAS最大的劣势就是抗干扰能力差，信噪比低和信号变形会增大它的探测误差。实验室中为提高信噪比可以使用平衡探测法，通过调节参考光光强减去背景光和探测器噪声，使信号基底为0。但是实际工业应用环节，因为探测信号实时变化，并且衰减往往大于1000倍以上，所以参考光难以自适应调节。为了在强吸收环境下使用DAS获取有效信号，需要另一种光学和信号处理方法提高DAS抗干扰能力。
技术实现思路
：本专利技术是为了解决上述现有技术存在的问题而提供一种应用于低信噪比下的TDLAS直接吸收法的外差平衡探测系统及探测方法。本专利技术所采用的技术方案有：一种应用于低信噪比下的TDLAS直接吸收法的外差平衡探测系统，包括DFB激光器、1×2单模光纤分束器、准直器、待测空间、多模噪声扰模器、单模光纤时间延迟器、2×2多模光纤分束器、多模光纤时间延迟器、多模光纤衰减器、平衡探测器和单模光纤衰减器，两所述准直器分别置于待测空间的两侧，且一侧的准直器形成发射端，另一侧的准直器形成接收端；所述DFB激光器的输出激光由光纤传输接入1×2单模光纤分束器的输入端口，1×2单模光纤分束器的两根输出尾纤一根接入所述发射端的准直器，另一根接入单模光纤时间延迟器，单模光纤时间延迟器与单模光纤衰减器的输入尾纤相连；发射端的准直器将激光调制信号注入待测空间中并由所述接收端的准直器接受，接收端的准直器经过多模光纤传输连入多模噪声扰模器的输入端口；多模噪声扰模器的输出尾纤以及单模光纤衰减器的输出尾纤分别对应连接2×2多模光纤分束器的两个输入端尾纤，2×2多模光纤分束器的两个输出端尾纤分别对应连接多模光纤时间延迟器的输入尾纤和多模光纤衰减器的输入尾纤，多模光纤时间延迟器的输出尾纤以及多模光学衰减器的输出尾纤均插入平衡探测器的两个输入端口内。一种应用于低信噪比下的TDLAS直接吸收法的外差平衡探测方法，包括如下步骤：1)DFB激光器的输出激光射入1×2单模光纤分束器，并通过1×2单模光纤分束器分成两路，一路作为检测光，其振幅为ET，用于待测空间检测吸收光谱信号，并经多模噪声扰模器进行抗干扰信号处理；另一路作为参考光，其振幅为Er，通过单模光纤时间延迟器进行延时处理；参考光透过单模光纤时间延迟器并射入单模光纤衰减器，所述单模光纤时间延迟器的延时处理能够通过增加检测光和参考光的相位差产生外差干涉，单模光纤衰减器根据射入的参考光调节参考光大小，并最终调节检测光和参考光之间比例系数；2)所述检测光与参考光汇入2×2多模光纤分束器，并经2×2多模光纤分束器再次分成两路信号光，一路信号光经多模光纤衰减器输出给平衡探测器，另一路信号光经多模光纤时间延迟器延迟处理并最终输出给平衡探测器；3)平衡探测器将接收到的两路信号光相减放大，即获得外差平衡测量信号的输出。进一步地，所述多模光纤时间延迟器补偿2×2多模光纤分束器输出端相位差，该相位差调节为π。进一步地，所述1×2单模光纤分束器的输出分束比为99:1；2×2多模光纤分束器的输出分束比为1:1。进一步地，所述平衡探测器(10)内置两个光电传感器，所述两个光电传感器分别对应接受所述两路信号光，两路信号光经过光电传感器后相减放大，即获得了消除传感器噪声的外差干涉信号Iout。DFB激光器输出一种用于TDLAS的波长和光强的调制信号，由经过1×2单模光纤分束器分为探测光和参考光，探测光经过待测环境剧烈衰减。单模光纤时间延迟器使两束光产生相位差，探测光还经过了多模噪声扰模器消除多模噪声，在2×2多模光纤分束器中形成外差干涉。将外差干涉后信号1:1分束，接入平衡探测器，获得降低了探测器噪声的放大干涉信号，最终由计算机解调还原为提高了抗噪能力的探测光信号。本专利技术将参考光和探测光在1×2单模光纤分束器中产生干涉，由2×2多模光纤分束器均分输出，使其两路输出信号直流量无论探测光是否波动都相同，接入平衡探测器能均衡抗噪，显著提高了实时性和抗噪能力。由此产生的有益效果是：1)微弱信号经过本专利技术所述的外差平衡探测系统，能够将探测信号转换为干涉信号，干涉光强可按参考光信号大小放大，并通过平衡探测器消除探测器噪声，明显提高了系统的抗噪能力。2)在探测信号动态变化时，参考光强不需要调节，也能将直流分量和探测器噪声等分相减消除，相比传统实验室方法，实现实时平衡探测，更加适合工业应用。3)信号的解调只和振幅有关，与频率无关，系统中加入了多模噪声扰模器，防止了振幅的畸变，既能够简单解调，也能够消除多模噪声变形的干扰。附图说明：图1为本专利技术的外差干涉平衡探测系统结构示意图。图2为本专利技术所述的外差干涉平衡探测系统的输出信号Iout。图3为本专利技术所述的外差干涉平衡探测方法解调后的信号ET。图4为未经过本专利技术方法处理的信号光ET。图中：1、DFB激光器，2、1×2单模光纤分束器，3、准直器，4、待测空间，5、多模噪声扰模器，6、单模光纤时间延迟器，7、2×2多模光纤分束器，8、多模光纤时间延迟器，9、多模光纤衰减器，10、平衡探测器，11、单模光纤衰减器。具体实施方式：下面结合附图对本专利技术作进一步的说明。如图1至图4，本专利技术一种应用于低信噪比下的TDLAS直接吸收法的外差平衡探测系统，包括DFB激光器1、1×2单模光纤分束器2、准直器3、待测空间4、多模噪声扰模器5、单模光纤时间延迟器6、2×2多模光纤分束器7、多模光纤时间延迟器8、多模光纤衰减器9、平衡探测器10和单模光纤衰减器11，两所述准直器3分别置于待测空间4的两侧，且一侧的准直器3形成发射端，另一侧的准直器3形成接收端；所述DFB激光器1的输出激光由光纤传输接入1×2单模光纤分束器2的输入端口，1×2单模光纤分束器2的两根输出尾纤一根接入所述发射端的准直器3，另一根接入单模光纤时间延迟器6，单模光纤时间延迟器6与单模光纤衰减器11的输入尾纤相连；发射端的准直器3将DFB激光器1发出的激光调制信号注入待测空间4中并由所述接收端的准直器3接受，接收端的准直器3经过多模光纤传输连入多模噪声扰模器5的输入端口；多模噪声扰模器5的输出尾纤以及单模光纤衰减器11的输出尾纤分别对应连接2×2多模光纤分束器7的两个输入端尾纤，2×2多模光纤分束器7的两个输出端尾纤分别对应连接多模光纤时间延迟器8的输入尾纤和多模光纤衰减器9的输入尾纤，多模光纤时间延迟器8的输出尾纤以及多模光学衰减器9的输出尾纤均插入平衡探测器10的两个输入端口内。本专利技术一种应用于低信噪比下的TDLAS直接吸收法的外差平衡探测方法，包括如下步骤：1)DFB激光器的输出激光射入1×2单模光纤分束器2，并通过1×2单模光纤分束器2分成两路，一路作为检测光，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种应用于低信噪比下的TDLAS直接吸收法的外差平衡探测系统，其特征在于：包括DFB激光器(1)、1×2单模光纤分束器(2)、准直器(3)、待测空间(4)、多模噪声扰模器(5)、单模光纤时间延迟器(6)、2×2多模光纤分束器(7)、多模光纤时间延迟器(8)、多模光纤衰减器(9)、平衡探测器(10)和单模光纤衰减器(11)，两所述准直器(3)分别置于待测空间(4)的两侧，且一侧的准直器(3)形成发射端，另一侧的准直器(3)形成接收端；所述DFB激光器(1)的输出激光由光纤传输接入1×2单模光纤分束器(2)的输入端口，1×2单模光纤分束器(2)的两根输出尾纤一根接入所述发射端的准直器(3)，另一根接入单模光纤时间延迟器(6)，单模光纤时间延迟器(6)与单模光纤衰减器(11)的输入尾纤相连；发射端的准直器(3)将激光调制信号注入待测空间(4)中并由所述接收端的准直器(3)接受，接收端的准直器(3)经过多模光纤传输连入多模噪声扰模器(5)的输入端口；多模噪声扰模器(5)的输出尾纤以及单模光纤衰减器(11)的输出尾纤分别对应连接2×2多模光纤分束器(7)的两个输入端尾纤，2×2多模光纤分束器(7)的两个输出端尾纤分别对应连接多模光纤时间延迟器(8)的输入尾纤和多模光纤衰减器(9)的输入尾纤，多模光纤时间延迟器(8)的输出尾纤以及多模光学衰减器(9)的输出尾纤均插入平衡探测器(10)的两个输入端口内。...

【技术特征摘要】
1.一种应用于低信噪比下的TDLAS直接吸收法的外差平衡探测系统，其特征在于：包括DFB激光器(1)、1×2单模光纤分束器(2)、准直器(3)、待测空间(4)、多模噪声扰模器(5)、单模光纤时间延迟器(6)、2×2多模光纤分束器(7)、多模光纤时间延迟器(8)、多模光纤衰减器(9)、平衡探测器(10)和单模光纤衰减器(11)，两所述准直器(3)分别置于待测空间(4)的两侧，且一侧的准直器(3)形成发射端，另一侧的准直器(3)形成接收端；所述DFB激光器(1)的输出激光由光纤传输接入1×2单模光纤分束器(2)的输入端口，1×2单模光纤分束器(2)的两根输出尾纤一根接入所述发射端的准直器(3)，另一根接入单模光纤时间延迟器(6)，单模光纤时间延迟器(6)与单模光纤衰减器(11)的输入尾纤相连；发射端的准直器(3)将激光调制信号注入待测空间(4)中并由所述接收端的准直器(3)接受，接收端的准直器(3)经过多模光纤传输连入多模噪声扰模器(5)的输入端口；多模噪声扰模器(5)的输出尾纤以及单模光纤衰减器(11)的输出尾纤分别对应连接2×2多模光纤分束器(7)的两个输入端尾纤，2×2多模光纤分束器(7)的两个输出端尾纤分别对应连接多模光纤时间延迟器(8)的输入尾纤和多模光纤衰减器(9)的输入尾纤，多模光纤时间延迟器(8)的输出尾纤以及多模光学衰减器(9)的输出尾纤均插入平衡探测器(10)的两个输入端口内。2.一种应用于低信噪比下的TDLAS直接吸收法的外差平衡探测方法，其特征在于：包括如下步骤：1)DFB激光器的输出激光射入1×2单模光纤分束器(2)，并通过1×2单模光纤分束器(2)...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈德明，赖小明，陈昊，邹婷，
申请(专利权)人：南京科远自动化集团股份有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32