一种基于光学调频连续波的多点色散光谱测量装置和方法，属于激光色散光谱和气体传感领域。本发明专利技术针对现有色散光谱技术在多点气体探测领域存在的空间分辨率低的问题。装置包括：调频激光器输出频率随时间线性变化的连续光，经分光比为1:99的第二耦合器将1％的连续光作为参考光传递至偏振控制器进行偏振方向的调制；将99％的连续光作为探测光由1端口进入环形器，并由2端口同时输出至多个传感器；每个传感器包括并行设置的修正光路和气池光路，修正光路和气池光路返回后与偏振控制器输出的参考光混频得到拍频信号，经一号平衡探测器转换为拍频电信号后，传递至信号处理器进行处理确定气池内气体浓度。本发明专利技术用于气体浓度检测。测。测。
【技术实现步骤摘要】
基于光学调频连续波的多点色散光谱测量装置和方法
[0001]本专利技术涉及基于光学调频连续波的多点色散光谱测量装置和方法，属于激光色散光谱和气体传感领域。
技术介绍
[0002]多点气体传感在很多领域有着重要应用价值，如天然气管道的泄漏检测、地下隧道的气体安全检测等，这些领域都需要对目标气体进行精确定量和远距离定位。
[0003]激光吸收光谱已经被证明是一种在危险性气体环境中具有高特异性、快速响应和操作安全的高灵敏度气体传感方法。但是一方面，在基于吸收光谱的多点气体传感中，吸收光谱很容易受到长距离传输过程中激光功率变化的影响，因此很难用一个统一的模型来拟合单个探测点透射光谱的背景基线；另一方面，在高吸收的气体检测中吸收光谱技术又面临着吸收信号和浓度不再呈线性关系的问题，这些问题都影响着吸收光谱气体探测的精度。
[0004]色散光谱技术以探测光通过气体后的色散相位信号对应出气体浓度，色散信号与浓度线性变化，不仅可以有效解决吸收光谱技术面临的高吸收时非线性对应关系引起的探测精度不够的问题，且不受光的强度噪声限制，不需要复杂的背景基线拟合。
[0005]但是现有的色散光谱技术在多点气体探测领域还存在一些问题，如因为射频调制速率偏慢而导致的空间分辨率很低和因边带调制而导致的探测带宽过高等问题。
技术实现思路
[0006]针对现有色散光谱技术在多点气体探测领域存在的空间分辨率低的问题，本专利技术提供一种基于光学调频连续波的多点色散光谱测量装置和方法。
[0007]本专利技术提供了一种基于光学调频连续波的多点色散光谱测量装置，包括调频激光器、第二耦合器、第三耦合器、偏振控制器、环形器、多个传感器、一号平衡探测器和信号处理器，
[0008]调频激光器输出频率随时间线性变化的连续光，经分光比为1:99的第二耦合器将1％的连续光作为参考光传递至偏振控制器进行偏振方向的调制；将99％的连续光作为探测光由1端口进入环形器，并由2端口同时输出至多个传感器；
[0009]每个传感器包括并行设置的修正光路和气池光路，修正光路上设置第一反射镜，气池光路上设置气池，气池的末端设置第二反射镜；由环形器的2端口输出的探测光经第二反射镜反射获得修正光；由环形器的2端口输出的探测光输入至气池后经第一反射镜反射获得吸收后探测光；吸收后探测光与修正光经由环形器的2端口和3端口传输至第三耦合器，与第三耦合器接收的偏振控制器输出的参考光混频得到拍频信号，经一号平衡探测器转换为拍频电信号后，传递至信号处理器；
[0010]信号处理器对拍频电信号进行傅里叶变换得到时域信号，所述时域信号包括修正光路时域信号和气池光路时域信号；由气池光路时域信号的不同探测光反射峰确定对应位
置的气池；对每个探测光反射峰采用矩形窗选取，并对选取后信号进行逆傅里叶变换提取探测光光谱相位，得到每个气池对应的探测光色散光谱；每个探测光反射峰紧邻一个相应的修正光反射峰；对每个修正光反射峰采用矩形窗选取，并对选取后信号进行逆傅里叶变换提取修正光光谱相位，得到与每个气池对应的修正光色散光谱；由探测光色散光谱减去修正光色散光谱得到修正后色散光谱；根据修正后色散光谱确定气池内气体浓度。
[0011]根据本专利技术的基于光学调频连续波的多点色散光谱测量装置，
[0012]环形器的2端口输出的探测光经第五耦合器按5:95的比例分别传递至第一个传感器和二次探测光路，二次探测光路的光再由第六耦合器按5:95的比例分别传递至第二个传感器和三次探测光路
……
。
[0013]根据本专利技术的基于光学调频连续波的多点色散光谱测量装置，
[0014]对于每个传感器，输入的探测光经50:50的光耦合器分送至修正光路和气池光路。
[0015]根据本专利技术的基于光学调频连续波的多点色散光谱测量装置，还包括分光比为1:99的第一耦合器和辅助干涉仪；
[0016]所述辅助干涉仪包括第四耦合器、一号法拉第旋转镜、二号法拉第旋转镜和延时光纤，
[0017]调频激光器输出的连续光中1％经第四耦合器均分后，一路光经二号法拉第旋转镜反射后耦合至第四耦合器，另一路光经延时光纤后，再经一号法拉第旋转镜反射后耦合至第四耦合器，第四耦合器将两路反射信号混频输出拍频干涉信号，并经二号平衡探测器转换为拍频干涉电信号，传递至信号处理器；
[0018]信号处理器对拍频干涉电信号利用希尔伯特函数和反正切函数求取相位噪声，获得等频率间隔的时间信号；再根据等频率间隔的时间信号对所述拍频电信号进行重采样，再对重采样后的拍频电信号进行傅里叶变换。
[0019]根据本专利技术的基于光学调频连续波的多点色散光谱测量装置，延时光纤的长度小于100m。
[0020]根据本专利技术的基于光学调频连续波的多点色散光谱测量装置，每个传感器的修正光路和气池光路的间隔为10cm到2m。
[0021]根据本专利技术的基于光学调频连续波的多点色散光谱测量装置，相邻传感器的间隔大于10cm。
[0022]根据本专利技术的基于光学调频连续波的多点色散光谱测量装置，还包括数据采集卡，所述数据采集卡的0通道用于采集一号平衡探测器输出的拍频电信号；1通道用于采集二号平衡探测器输出的拍频干涉电信号，数据采集卡将采集的电信号传递至信号处理器进行处理。
[0023]本专利技术还提供了一种基于光学调频连续波的多点色散光谱测量方法，基于所述基于光学调频连续波的多点色散光谱测量装置实现，包括，
[0024]对每个气池充入不同浓度的待测气体；
[0025]使调频激光器的调频范围覆盖待测气体的单个吸收线；调频激光器输出连续光的同时，同步向数据采集卡输出触发信号；
[0026]一号平衡探测器接收吸收后探测光和修正光与参考光混频得到的拍频信号，并转换为拍频电信号；
[0027]二号平衡探测器接收两路反射信号混频得到的拍频干涉信号，并转换为拍频干涉电信号；
[0028]信号处理器对数据采集卡采集到的拍频干涉电信号利用希尔伯特函数和反正切函数求取相位噪声，获得等频率间隔的时间信号；再根据等频率间隔的时间信号对数据采集卡采集到的拍频电信号进行插值重采样；
[0029]信号处理器对插值重采样后的拍频电信号进行傅里叶变换得到时域信号，所述时域信号包括修正光路时域信号和气池光路时域信号；由气池光路时域信号的不同探测光反射峰确定对应位置的气池；对每个探测光反射峰采用矩形窗选取，并对选取后信号进行逆傅里叶变换提取探测光光谱相位，得到每个气池对应的探测光色散光谱；每个探测光反射峰紧邻一个相应的修正光反射峰；对每个修正光反射峰采用矩形窗选取，并对选取后信号进行逆傅里叶变换提取修正光光谱相位，得到与每个气池对应的修正光色散光谱；由探测光色散光谱减去修正光色散光谱得到修正后色散光谱；根据修正后色散光谱确定气池内气体浓度。
[0030]根据本专利技术的基于光学调频连续波的多点色散光谱测量方法，按预设置时间间隔采用数据采集卡多次采集拍频电信号和拍频干涉电信号，并采用信号本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于光学调频连续波的多点色散光谱测量装置，其特征在于包括调频激光器(1)、第二耦合器(2
‑
2)、第三耦合器(2
‑
3)、偏振控制器(3)、环形器(4)、多个传感器、一号平衡探测器(7)和信号处理器，调频激光器(1)输出频率随时间线性变化的连续光，经分光比为1:99的第二耦合器(2
‑
2)将1％的连续光作为参考光传递至偏振控制器(3)进行偏振方向的调制；将99％的连续光作为探测光由1端口进入环形器(4)，并由2端口同时输出至多个传感器；每个传感器包括并行设置的修正光路和气池光路，修正光路上设置第一反射镜(6
‑
1)，气池光路上设置气池(5)，气池(5)的末端设置第二反射镜(6
‑
2)；由环形器(4)的2端口输出的探测光经第二反射镜(6
‑
2)反射获得修正光；由环形器(4)的2端口输出的探测光输入至气池(5)后经第一反射镜(6
‑
1)反射获得吸收后探测光；吸收后探测光与修正光经由环形器(4)的2端口和3端口传输至第三耦合器(2
‑
3)，与第三耦合器(2
‑
3)接收的偏振控制器(3)输出的参考光混频得到拍频信号，经一号平衡探测器(7)转换为拍频电信号后，传递至信号处理器；信号处理器对拍频电信号进行傅里叶变换得到时域信号，所述时域信号包括修正光路时域信号和气池光路时域信号；由气池光路时域信号的不同探测光反射峰确定对应位置的气池(5)；对每个探测光反射峰采用矩形窗选取，并对选取后信号进行逆傅里叶变换提取探测光光谱相位，得到每个气池(5)对应的探测光色散光谱；每个探测光反射峰紧邻一个相应的修正光反射峰；对每个修正光反射峰采用矩形窗选取，并对选取后信号进行逆傅里叶变换提取修正光光谱相位，得到与每个气池(5)对应的修正光色散光谱；由探测光色散光谱减去修正光色散光谱得到修正后色散光谱；根据修正后色散光谱确定气池(5)内气体浓度。2.根据权利要求1所述的基于光学调频连续波的多点色散光谱测量装置，其特征在于，环形器(4)的2端口输出的探测光经第五耦合器(2
‑
5)按5:95的比例分别传递至第一个传感器和二次探测光路，二次探测光路的光再由第六耦合器(2
‑
6)按5:95的比例分别传递至第二个传感器和三次探测光路
……
。3.根据权利要求2所述的基于光学调频连续波的多点色散光谱测量装置，其特征在于，对于每个传感器，输入的探测光经50:50的光耦合器分送至修正光路和气池光路。4.根据权利要求3所述的基于光学调频连续波的多点色散光谱测量装置，其特征在于还包括分光比为1:99的第一耦合器(2
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1)和辅助干涉仪；所述辅助干涉仪包括第四耦合器(2
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4)、一号法拉第旋转镜(9
‑
1)、二号法拉第旋转镜(9
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2)和延时光纤(10)，调频激光器(1)输出的连续光中1％经第四耦合器(2
‑
4)均分...
【专利技术属性】
技术研发人员：娄秀涛，王玥，董永康，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：
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