一种级联吸收路径气体浓度复用探测的方法及装置制造方法及图纸

一种级联吸收路径气体浓度复用探测的方法及装置，包括由两台重复频率略有差异的光频梳构成的主动宽带激光光源，吸收路径级联分段调节模块，信号接收采集模块和复用干涉信号提取与分析处理模块等。级联吸收路径中各段的吸收光谱和路径长度均可通过对复用干涉信号的分析得到，进而可获得各路径段的气体种类及其浓度信息。此发明专利技术在一组光源、单像元探测器条件下，具备对多路径段进行长度探测、宽带高分辨率光谱探测能力，可快速实现多种气体的分布式定量探测，显著提升了激光光谱探测效能。

【技术实现步骤摘要】
一种级联吸收路径气体浓度复用探测的方法及装置
本专利技术属于气体传感
，特别涉及一种级联吸收路径气体浓度复用探测的方法及装置。
技术介绍
在气体传感领域中，常常需要对开放光程中的气体浓度进行遥测。环境检测、公共安全、工业过程控制中对温室气体、有毒有害气体、易燃易爆气体等的监测都对气体浓度遥感有着重要需求。光学光谱方法以其无接触无附加反应等优点被广泛用于气体遥感，例如可调谐激光器光谱(TDLAS)，差分光学光谱(DOAS)，傅里叶变换光谱(FTS)和双光梳光谱(DCS)。其中，双光梳方法利用两台光频梳之间的异步光学采样产生多外差干涉信号，对干涉信号进行频域处理可以实现气体吸收光谱的测量。其巨大潜力引发了光谱测量领域内的研究热潮。几十甚至上百太赫兹的广阔光谱覆盖范围支持多种类气体同时检测。利用重频扫描的方法其可以在双光子吸收光谱中实现突破多普勒限制的高光谱分辨率。最重要的是其拥有高检测速度并且无需任何机械移动部件。毫秒量级的数据更新速率使得单次测量免受大气湍流的影响，这种优异的湍流免疫性适合应对快速环境变化带来的挑战，已使其在城市污染物排放估算和天然气生产现场监测等长距离开放光程气体遥感中得以应用。尽管将双光梳方法用于气体遥感的可行性已在多种场景中得到验证，但是当前的研究局限于长目标路径上平均气体浓度的检测。在实际应用中，网格化分析和动态监控如石油天然气生产现场实时监测众多潜在泄漏源是否泄露等，需要对目标路径不同位置的气体浓度变化有准确的了解，这需要执行更准确更有效的带有位置信息的气体浓度测量。根据朗伯-比尔定律，上述需求需要同时确定吸收路径长度。双光梳方法恰巧也已在距离测量领域中得以应用。通过使用时间飞行法或进一步结合干涉相位解调技术其可以实现亚微米或几纳米的测距精度。通过非模糊距离(NAR)扩展，其还可以实现长达千米的远程测距。双光梳方法在距离测量方面的优异性能，足以支持有效的浓度检索。但现有技术从未将其在测距领域的能力融合到光谱应用中。而且依靠传统气体遥测方法，获取多点浓度信息需要多套设备同时测量。如何方便有效地进行开放光程长目标路径中分布式气体定量分析，还是亟待解决的问题。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种级联吸收路径气体浓度复用探测的方法及装置，以在单组光源单像元探测器的条件下，完成目标路径各级联段内气体种类及浓度的测量，可快速实现多种气体的分布式定量探测，显著提升激光光谱的探测效能。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种级联吸收路径气体浓度复用探测的方法，包括：采用重复频率略有差异的两台光学频率梳作为宽带主动探测光源，其中一台作为信号光，一台作为参考光；采用一组吸收路径级联分段调节模块对探测路径进行路段划分，所述分段调节通过对信号光光束的口径或波段进行滤取实现；采用单像元探测器对多路段返回的信号进行探测，所述单像元探测器采用外触发模式，触发信号频率与其中一台光学频率梳的重复频率一致，所述多路段返回的信号有不同的时间延迟，依次和参考光合束，入射至单像元探测器，在单个采样周期内产生时间复用的多个多外差干涉信号；采用时间窗对复用的多个多外差干涉信号进行拆分提取，通过时域信号包络零点解算各吸收路径长度，通过傅里叶变换光谱复原法解算对应光谱信息，并结合两者获得各路径段气体种类及其浓度信息。具体地，在时域中利用时间飞行法，从复用信号包络零点解算信号光所经不同路径的路径长度，即得各吸收路径长度；在频域中对复用信号进行傅里叶变换、滤波及频率映射，解算信号光所经不同路径的吸收光谱，即得对应光谱信息。结合所获得的吸收路径长度和对应光谱信息进行最小二乘拟合，反演出各路径段气体种类及其浓度，实现气体的分布式定量探测。本专利技术具体可采用两台重复频率差在几十至几千赫兹可调的光学频率梳作为宽带主动探测光源。本专利技术还提供了一种实现所述级联吸收路径气体浓度复用探测的方法的探测装置，包括：第一光学频率梳1-1，输出光作为信号光，第二光学频率梳1-2，与第一光学频率梳1-1的重复频率略有差异，其输出光作为参考光；第一反射式光纤准直器6-1，通过第二单模光纤5-2连接第一光学频率梳1-1，将信号光准直成空间光一；第二反射式光纤准直器6-2，通过第三单模光纤5-3连接第二光学频率梳1-2，将参考光准直成空间光二；立方体分束器7，设置于空间光一和空间光二的路径上；离轴抛物面反射镜，设置于空间光一透射立方体分束器7之后的路径上，将透射光调节扩束准直后作为信号光输出；吸收路径级联分段调节模块9，设置于探测路径上，通过多段吸收实现路段划分，并将信号光返回，返回的信号光在立方体分束器7反射，与空间光二经立方体分束器7的透射光合束；光电探测器10，接收合束后的光；采集模块11，接光电探测器10将接收的合束光转换为数字信号；分析处理模块12，按解算方法得到各路径吸收光谱和路径长度。进一步地，本专利技术还包括氦氖激光器2，氦氖激光器2的输出光路上设置光纤耦合器4，光纤耦合器4通过第一单模光纤5-1连接第一反射式光纤准直器6-1，第一反射式光纤准直器6-1将氦氖激光器2的输出光准直入空间光一，该部分的目是引入与第一光学频率梳1-1同光路的可见光，用于测量路径光路的预对准和预调节。进一步地，所述离轴抛物面反射镜包括反射面相对称的第一离轴抛物面反射镜8-1和第二离轴抛物面反射镜8-2，所述合束后的光的路径上设置第三离轴抛物面反射镜8-3，合束后的光经第三离轴抛物面反射镜8-3聚焦后由光电探测器10接收，所述第一反射式光纤准直器6-1、第一离轴抛物面反射镜8-1、第二离轴抛物面反射镜8-2和第三离轴抛物面反射镜8-3均为反射式器件，以保证用于预对准的可见光和实际信号光焦点相同，且光学频率梳输出的宽带光的焦点也相同，不受色散影响。进一步地，所述吸收路径级联分段调节模块9包括依次位于探测路径上的多组调节模块元件和一个反射镜9-4，分段调节通过分口径或分波段方式实现：分口径实现时，调节模块元件为信号光束口径内反射面积比例逐渐增大的一组反射镜，反射镜9-4将剩余未被反射的信号光反射回，且各反射镜(含反射镜9-4)反射面积比例配置满足各路段反射光能量比接近1；分波段实现时，调节模块元件为分色滤光片，将特定波段的光反射，其余波段的光透射，反射镜9-4将剩余未被反射的信号光反射回，各分色滤光片截止波长配置满足依次滤出波段中均包含目标气体较强的吸收线，且各路段反射光(含反射镜9-4的反射光)能量比接近1。进一步地，所述调节模块元件前后位置在测量非模糊区间内预先微调，实现复用信号沿时间轴的均匀分布，以达到测量光谱分辨率的最佳分配。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：1)使用吸收路径级联分段调节模块，通过对信号光光束口径或波段进行滤取实现目标路径分段化，将吸收路径区分为级联路段。2)充分结合光学频率梳在光谱学和测距领域内的测量潜力，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种级联吸收路径气体浓度复用探测的方法，其特征在于，包括：/n采用重复频率略有差异的两台光学频率梳作为宽带主动探测光源，其中一台作为信号光，一台作为参考光；/n采用一组吸收路径级联分段调节模块对探测路径进行路段划分，所述分段调节通过对信号光光束的口径或波段进行滤取实现；/n采用单像元探测器对多路段返回的信号进行探测，所述单像元探测器采用外触发模式，触发信号频率与其中一台光学频率梳的重复频率一致，所述多路段返回的信号有不同的时间延迟，依次和参考光合束，入射至单像元探测器，在单个采样周期内产生时间复用的多个多外差干涉信号；/n采用时间窗对复用的多个多外差干涉信号进行拆分提取，通过时域信号包络零点解算各吸收路径长度，通过傅里叶变换光谱复原法解算对应光谱信息，并结合两者获得各路径段气体种类及其浓度信息。/n

【技术特征摘要】
1.一种级联吸收路径气体浓度复用探测的方法，其特征在于，包括：
采用重复频率略有差异的两台光学频率梳作为宽带主动探测光源，其中一台作为信号光，一台作为参考光；
采用一组吸收路径级联分段调节模块对探测路径进行路段划分，所述分段调节通过对信号光光束的口径或波段进行滤取实现；
采用单像元探测器对多路段返回的信号进行探测，所述单像元探测器采用外触发模式，触发信号频率与其中一台光学频率梳的重复频率一致，所述多路段返回的信号有不同的时间延迟，依次和参考光合束，入射至单像元探测器，在单个采样周期内产生时间复用的多个多外差干涉信号；
采用时间窗对复用的多个多外差干涉信号进行拆分提取，通过时域信号包络零点解算各吸收路径长度，通过傅里叶变换光谱复原法解算对应光谱信息，并结合两者获得各路径段气体种类及其浓度信息。


2.根据权利要求1所述级联吸收路径气体浓度复用探测的方法，其特征在于，在时域中利用时间飞行法，从复用信号包络零点解算信号光所经不同路径的路径长度，即得各吸收路径长度；在频域中对复用信号进行傅里叶变换、滤波及频率映射，解算信号光所经不同路径的吸收光谱，即得对应光谱信息。


3.根据权利要求1或2所述级联吸收路径气体浓度复用探测的方法，其特征在于，结合所获得的吸收路径长度和对应光谱信息进行最小二乘拟合，反演出各路径段气体种类及其浓度，实现气体的分布式定量探测。


4.根据权利要求1或2所述级联吸收路径气体浓度复用探测的方法，其特征在于，采用两台重复频率差在几十至几千赫兹可调的光学频率梳作为宽带主动探测光源。


5.一种实现权利要求1所述级联吸收路径气体浓度复用探测的方法的探测装置，其特征在于，包括：
第一光学频率梳(1-1)，
第二光学频率梳(1-2)，与第一光学频率梳(1-1)的重复频率略有差异，其输出光作为参考光；
第一反射式光纤准直器(6-1)，通过第二单模光纤(5-2)连接第一光学频率梳(1-1)，将第一光学频率梳(1-1)的输出光准直成空间光一；
第二反射式光纤准直器(6-2)，通过第三单模光纤(5-3)连接第二光学频率梳(1-2)，将第二光学频率梳(1-2)的输出光准直成空间光二；
立方体分束器(7)，设置于空间光一和空间光二的路径上；
离轴抛...

【专利技术属性】
技术研发人员：尉昊赟，陈馨怡，李岩，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11