基于相位调制的干涉型痕量气体探测系统技术方案

一种基于相位调制的干涉型痕量气体探测系统，包括：DFB光源，用于输出光；信号发生源，一端与所述DFB光源的一端相连，用于对所述DFB光源的输出光进行调制，输出参考信号；光纤隔离器，一端与所述DFB光源的另一端相连，用于抑制回波；MZI光纤干涉仪，与所述光纤隔离器相连，包括：气室，充有待测痕量气体，作为所述MZI光纤干涉仪的信号臂；以及PZT相位调制器，与所述气室并联关系，作为所述MZI光纤干涉仪的参考臂；终端信号处理模块，其一输入端与所述信号发生源相连，其另一输入端经光电二极管与所述MZI光纤干涉仪相连，所述终端信号处理模块用于接收信号发生源输出的参考信号及MZI光纤干涉仪的输出信号，并获取痕量气体浓度信息。

【技术实现步骤摘要】
基于相位调制的干涉型痕量气体探测系统
本公开涉及光纤传感
，尤其涉及一种基于相位调制的干涉型痕量气体探测系统。
技术介绍
相位调制型光纤传感器通常采用干涉测量技术进行信号处理，具有很高的灵敏度，全光纤结构的设计易于实现探测系统的微型化，从而在实现高灵敏探测性能的同时保证探测系统更高的便携性。DFB(DistributedFeedBack，分布反馈)半导体激光器速出波段可覆盖近红外附近的波段，1.5微米附近的波段内囊括了大多数气体的吸收线，依据现有技术，DFB激光器线宽普遍可以达到MHz水平，也就是说其输出光谱很窄，可以用来选择单条吸收线进行分析。此外，DFB激光器可采用温控和驱动电流控制的方法来实现输出波长的调谐。通过此种方法令DFB激光器输出波长在指定的气体吸收线附近进行高速跳变，再对输出信号进行二次谐波提取以获得与气体浓度相关的信息。具体来说，现有的探测装置大都采用低频锯齿波调制与高频正弦波叠加信号进行周期性电流控制波长扫描的方式来进行周期性波长调谐。从原理上讲此方案属于强度调制型传感技术，限于吸收线强度有限，当系统体积占据较小时，很难实现更高的探测灵敏度。公开内容(一)要解决的技术问题基于上述问题，本公开提供了一种基于相位调制的干涉型痕量气体探测系统，以缓解现有技术采用低频锯齿波调制与高频正弦波叠加信号进行周期性电流控制波长扫描的方式来进行周期性波长调谐，限于吸收线强度有限，当系统体积占据较小时，很难实现更高的探测灵敏度等技术问题。(二)技术方案在本公开中，提供一种基于相位调制的干涉型痕量气体探测系统，包括：DFB光源，用于输出光；信号发生源，一端与所述DFB光源的一端相连，用于对所述DFB光源的输出光进行调制，输出参考信号；光纤隔离器，一端与所述DFB光源的另一端相连，用于抑制回波；MZI光纤干涉仪，与所述光纤隔离器相连，包括：气室，充有待测痕量气体，作为所述MZI光纤干涉仪的信号臂；以及PZT相位调制器，与所述气室并联关系，作为所述MZI光纤干涉仪的参考臂；终端信号处理模块，其一输入端与所述信号发生源相连，其另一输入端经光电二极管与所述MZI光纤干涉仪相连，所述终端信号处理模块用于接收信号发生源输出的参考信号及MZI光纤干涉仪的输出信号，并获取痕量气体浓度信息。在本公开实施例中，所述MZI光纤干涉仪，还包括：第一耦合器，输入端与所述光纤隔离器的另一端相连，用于接收从所述光纤隔离器输出的光并耦合输出两路光，并通过两个输出端分别连接所述气室和PZT相位调制器的输入端；第二耦合器，输入端分别与所述气室和PZT相位调制器的输出端相连，用于将所述气室和PZT相位调制器分别输出的两路光耦合后再分为两路；第三耦合器，其输入端与所述第二耦合器输出端的一路相连，其输出端接一光电二极管；第四耦合器，与所述第三耦合器并联关系，其输入端与所述第二耦合器输出端的另一路相连，其输出端接另一光电二极管；以及相位校准模块，其输入端分别与所述第三耦合器和第四耦合器后接的光电二级管相连；其输出端连接所述PZT相位调制器的另一输入端，所述相位校准模块基于PID控制原理，用于将所述第三耦合器和第四耦合器输出的两路电信号作为误差信号转换为校准信号后输入PZT相位调制器以补偿周围环境引起的相位无规则漂移。在本公开实施例中，所述气室为充有痕量气体的光子晶体光纤。在本公开实施例中，所述光子晶体光纤为盘曲状。在本公开实施例中，所述PZT相位调制器内部包括陶瓷管以及螺旋缠绕在陶瓷管外的光纤。在本公开实施例中，所述终端信号处理模块中包括锁相放大器或嵌入式的锁相放大器模块。在本公开实施例中，所述终端信号处理模块包括：信号通道，参考通道，相敏检波器以及窄带低通滤波器。在本公开实施例中，所述DFB光源为可调谐窄线宽激光光源，输出光波长分布在0.1um～10um之间。在本公开实施例中，所述信号发生源对DFB光源输出光的幅值和波长进行调制。在本公开实施例中，所述第一耦合器和第二耦合器的耦合比为50∶50。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本公开基于相位调制的干涉型痕量气体探测系统至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：(1)基于二极管调谐技术(TDLAS)技术，通过周期性在痕量左右两端小范围内快速扫描时走过光程对折射率的差值的响应来进行气体探测，相应速度快，探测灵敏度高。(2)所采用的气体吸收池采用全光纤结构，可盘曲，节省空间，也可使用带有多次反射的空间光气体吸收室。(3)所采用的系统结构简单，调节方便，成本低，使用方便。附图说明图1为本公开实施例基于相位调制的干涉型痕量气体探测系统的示意图。图2为本公开实施例的MZI光纤干涉仪输出的两路光信号相位差之间的关系。图3为本公开实施例终端信号处理模块中的锁相放大器谐波提取原理示意图。具体实施方式本公开提供了一种基于相位调制的干涉型痕量气体探测系统，所述基于相位调制的干涉型痕量气体探测系统使光路由一路光变为两路光，组成Mach-Zehnder(MZI)光纤干涉仪，一路光接气室，一路光接PZT相位调制器。首先通过温度确定中心波长，然后对光源叠加方波驱动进行电调制控制输出波长，令其在所选取吸收线附近的反常色散区域进行周期性跳变。反常色散区域左右存在较大的折射率差异。这样，随着波长跳变，接有气体吸收室的一路光会相应的产生一个周期性的传输时延跳变，之后再使用50∶50的耦合器将两路光进行耦合。随着两路光时延差的周期性变化，耦合器输出耦合比会随之产生相同频率的变化，此时任取一路信号进行二次谐波提取便可以得到与痕量气体相关的信息。该方法基于二极管调谐后促成的相位调制MZI光纤干涉仪相位调制技术，通过周期性在痕量左右两端小范围内快速扫描时走过光程对折射率的差值的响应来进行气体探测，由于激光的波长很短，如果与气体介质作用时间较长，则略微的折射率差值带来的传输时延差便会导致产生接近一个周期的相位差，并最终以一个变化的光强的形式展现出来。因而与基于单光路的强度调制型痕量气体检测方法相比，该方法具有更高的探测灵敏度。为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。在本公开实施例中，提供一种基于相位调制的干涉型痕量气体探测系统，图1为所述的基于相位调制的干涉型痕量气体探测系统的结构示意图，如图1所示，所述的基于相位调制的干涉型痕量气体探测系统，包括：DFB光源，用于输出光；信号发生源，一端与所述DFB光源的一端相连，用于对所述DFB光源的输出光进行调制，输出参考信号；光纤隔离器，一端与所述DFB光源的另一端相连，用于抑制回波；MZI光纤干涉仪，与所述光纤隔离器相连，包括：第一耦合器，一端与所述光纤隔离器的另一端相连，另一端分为两路，所述第一耦合器用于接收从所述光纤隔离器输出的光并耦合输出两路光；气室，包括中空的光子晶体光纤，其内部充有痕量气体，作为MZI光纤干涉仪的信号臂，其进气端与所述第一耦合器的一路相连；PZT相位调制器，作为MZI光纤干涉仪的参考臂，其一端与所述第一耦合器的另一路相连；其内部包括不做任何处理的一路光纤缠绕在陶瓷管上；当电信号接在PZT上时，由于逆压电效应，PZT尺寸发生改变，从而实现所缠绕光纤长度上微小的改变，继而引起相位调制。第本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于相位调制的干涉型痕量气体探测系统，包括：DFB光源，用于输出光；信号发生源，一端与所述DFB光源的一端相连，用于对所述DFB光源的输出光进行调制，输出参考信号；光纤隔离器，一端与所述DFB光源的另一端相连，用于抑制回波；MZI光纤干涉仪，与所述光纤隔离器相连，包括：气室，充有待测痕量气体，作为所述MZI光纤干涉仪的信号臂；以及PZT相位调制器，与所述气室并联关系，作为所述MZI光纤干涉仪的参考臂；终端信号处理模块，其一输入端与所述信号发生源相连，其另一输入端经光电二极管与所述MZI光纤干涉仪相连，所述终端信号处理模块用于接收信号发生源输出的参考信号及MZI光纤干涉仪的输出信号，并获取痕量气体浓度信息。

【技术特征摘要】
1.一种基于相位调制的干涉型痕量气体探测系统，包括：DFB光源，用于输出光；信号发生源，一端与所述DFB光源的一端相连，用于对所述DFB光源的输出光进行调制，输出参考信号；光纤隔离器，一端与所述DFB光源的另一端相连，用于抑制回波；MZI光纤干涉仪，与所述光纤隔离器相连，包括：气室，充有待测痕量气体，作为所述MZI光纤干涉仪的信号臂；以及PZT相位调制器，与所述气室并联关系，作为所述MZI光纤干涉仪的参考臂；终端信号处理模块，其一输入端与所述信号发生源相连，其另一输入端经光电二极管与所述MZI光纤干涉仪相连，所述终端信号处理模块用于接收信号发生源输出的参考信号及MZI光纤干涉仪的输出信号，并获取痕量气体浓度信息。2.根据权利要求1所述的基于相位调制的干涉型痕量气体探测系统，所述MZI光纤干涉仪，还包括：第一耦合器，输入端与所述光纤隔离器的另一端相连，用于接收从所述光纤隔离器输出的光并耦合输出两路光，并通过两个输出端分别连接所述气室和PZT相位调制器的输入端；第二耦合器，输入端分别与所述气室和PZT相位调制器的输出端相连，用于将所述气室和PZT相位调制器分别输出的两路光耦合后再分为两路；第三耦合器，其输入端与所述第二耦合器输出端的一路相连，其输出端接一光电二极管；第四耦合器，与所述第三耦合器并联关系，其输入端与所述第二耦合器输出端的另一路相连，其输出端接另一光电二极管；以及相位校准模块，其输入端...

【专利技术属性】
技术研发人员：林学春，白云瑞，张景园，张玲，杨莹盈，杨松，黄俊媛，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11