一种基于无锁相双光梳吸收光谱的气体参数测量方法技术

本发明专利技术提出一种基于无锁相双光梳吸收光谱的气体参数测量方法，属于激光吸收光谱技术领域。无锁相的双光梳经光纤耦合器分束，一路为测量光路，经光学带通滤波器和待测气体后由光电探测器接收；一路为参考光路，经光学带通滤波器后耦合到光电探测器；无锁相的双光梳在光电探测器上产生的干涉信号经低通滤波器滤波后被数据采集卡采集；通过对测量和参考光路的干涉信号做傅里叶变换提取频谱，通过频谱互相关提取频谱抖动并通过频谱搬移予以补偿频谱抖动，通过多次平均抑制噪声后获得原始吸收光谱，最后基于修正的多光谱拟合方法解算待测气体参数。本发明专利技术简化了气体参数测量中所需的光频梳的系统复杂度，可实现宽光谱测量，具有广阔的应用前景。广阔的应用前景。广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种基于无锁相双光梳吸收光谱的气体参数测量方法


[0001]本专利技术涉及一种基于无锁相双光梳吸收光谱的气体参数测量方法，属于激光诊断
，该系统用于激光路径上气体温度、组分浓度的定量测量。

技术介绍

[0002]作为一种响应快速、灵敏度高、抗干扰的非接触式测量方法，基于激光吸收光谱的气体参数测量技术近些年来得到了快速发展，被广泛应用于燃烧诊断、大气监测、工业现场等领域。
[0003]传统的激光吸收光谱技术主要使用可调谐二极管激光吸收光谱技术(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS)。TDLAS技术中使用的可调谐二极管激光器的波长扫描范围有限，一般只能覆盖一种待测气体的一到两个特征吸收峰，对于不同的待测组分如H2O、CO、CO2和CH4，需要更换不同波长的激光器来进行测量。TDLAS一般使用比色法测温，为了使用比色法对温度进行准确的测量，一般依据测试温度范围选择不少于两个特征吸收峰，且其低能级能量应有较大的差异，在实际使用中一般使用多个激光器对多个吸收谱线进行扫描。比如，2011年李飞等人发表在《应用光学》(Applied Optics)第50卷第36期6697
‑
6707页的论文《使用可调谐二极管激光传感器对超燃冲压发动机多流动参数特性的同时测量》(Simultaneous measurements of multiple flow parameters for scramjet characterization using tunable diode
‑
laser sensors)使用中心波数为7185cm
‑1和7444cm
‑1的两个分布反馈式(Distributed Feedback，DFB)激光器测试了超燃冲压发动机的三个不同位置的气流速度、温度和H2O浓度三个参数。为了测量多种组分的浓度，也需要选用多个激光器。2009年，G.B.Rieker等人发表在《应用光学》(Applied Optics)第48卷第29期5546页的论文《无校准波长调制光谱测量气体温度和浓度在恶劣的环境》(Calibration
‑
free wavelength
‑
modulation spectroscopy for measurements of gas temperature and concentration in harsh environments)在测试超燃冲压发动机排气口的温度、CO2、H2O浓度的过程中使用了六个不同波段的DFB激光器，光栅分光后利用多个探测器接收不同波段的激光信号，增加了系统的复杂程度。
[0004]光频梳(Optical Frequency Comb，OFC)作为一种新型超短脉冲激光光源，在光谱上表现为一系列均匀间隔且具有相干稳定相位关系的频率分量，其频率间隔为激光脉冲重复频率，光谱范围可以覆盖数十纳米到数百纳米。因其单脉冲的时间短、光谱范围宽、可以实现光学频率到射频的映射等优点，光频梳技术在近十年来得以快速发展，成功应用于绝对距离测量、超快成像、宽谱光谱学、大气科学等领域。目前，光频梳在气体浓度测试方面已经取得了重要应用。2018年，S.Coburn等人发表在《光学》(Optica)第5卷第4期320页的论文《利用现场部署的双频梳光谱仪进行区域内痕量气体归属研究》(Regional trace
‑
gas source attribution using a field
‑
deployed dual frequency comb spectrometer)中使用双光梳(Dual Frequency Comb，DFC)系统对开阔区域超过1km范围内的CH4泄漏速度进行监测。光频梳技术也在高温测试领域得到了初步的应用。2014年C.A.Alrahman等人发表
在《光学快报》(Optics Express)第22卷第11期13889页的论文《火焰中水蒸气的腔增强光学频率梳光谱》(Cavity
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enhanced optical frequency comb spectroscopy of high
‑
temperature H2O in a flame)中使用单个光频梳对预混的甲烷/空气层流火焰进行了测试，实验中使用了傅里叶变换光谱仪作为光谱分析手段获取精细的光谱结构，给出了高温水蒸气的吸收光谱。论文虽然没有给出水蒸气的温度、浓度的计算方法和结果，但是初步展示了光频梳在高温测试领域的潜在应用价值。论文中使用的傅里叶变换光谱仪基于迈克尔逊干涉仪原理进行测试，为了获得较宽的波长测试范围，需要增加机械臂的扫描长度，使得系统稳定性下降，同时机械扫描导致设备测试时间长，不适用于需要快速测量的场合。2017年P.J.Schroeder等人发表在《燃烧学会学报》(Proceedings of the Combustion Institute)第36卷第3期4565
–
4573页的论文《双光梳吸收光谱用于16兆瓦燃气轮机排气口》(Dual frequency comb laser absorption spectroscopy in a 16MW gas turbine exhaust)对燃气轮机排气口的温度以及二氧化碳、水蒸气的浓度进行了长期监测。使用的双光梳系统在1435.5～1445.1nm范围内以1.4pm的光谱分辨率覆盖了水蒸气的上百条吸收谱线和二氧化碳的数十条吸收谱线，通过高次多项式拟合的方式获取基线，进而得到光谱吸收曲线，然后通过多光谱拟合的方式获取激光路径上的平均温度和气体浓度。论文使用到的高次多项式拟合基线的方式在光频梳光谱形状不够平坦或存在严重畸变时拟合效果较差，除此之外，吸收强度较大时，吸收峰两翼存在的弱吸收不利于基线拟合。且论文中使用的双光梳将重复频率和载波包络相移频率进行了紧密锁定，载波包络相移频率的提取需要光频梳输出光谱覆盖一个倍频程，通过f
‑
2f干涉进行提取，复杂的激光扩谱、光学倍频、干涉光路设计，高带宽的电学反馈和执行器设计极大的增加了系统的复杂度和设计成本，不适用于大规模的使用。2020年，杨康文等人发表在《中国光学快报》(CHINESE OPTICS LETTERS)第18卷第5期的论文《基于自适应采样双光梳光谱的温度测量》(Temperature measurement based on adaptive dual
‑
comb absorption spectral detection)对高温水蒸气的温度进行了测量。论文中使用窄线宽激光器与双光梳的拍频信号自适应的调整双光梳干涉信号的波形与采样率，避免了光频梳紧密锁定过程中的复杂的反馈设计。但是该方法增加了两个额外的窄线宽激光器，同时拍频信号的探测、自适应信号的生成依然需要复杂的电路设计。同时该论文中使用双线法计算水蒸气温度，无法有效利用双光梳的宽光谱特性。<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于无锁相双光梳吸收光谱的气体参数测量方法，其特征在于使用无锁相的双光梳作为气体参数测量的光源，且测量方法包含以下步骤：步骤一、搭建光路并采集干涉信号：光频梳101和102的重复频率分别为f
r1
、f
r2
(f
r1
＞f
r2
)，重频差f
rep
＝f
r1
‑
f
r2
，光频梳101和102的载波包络相移频率f
ceo1
、f
ceo2
不锁定，两个光频梳通过2
×
2光纤耦合器耦合后分成光束A和光束B，光束A穿过参考光路，光束B穿过测量光路；参考光路中，光束A通过光学带通滤波器141直接耦合到光电探测器151，光电探测器151输出的电信号经低通滤波器161滤波后得到不包含吸收光谱信息的干涉信号S
ref
，S
ref
重复频率f
rep
；测量光路中，光束B经过准直器121准直，穿过待测气体131后，通过光学带通滤波器142后耦合到光电探测器152，光电探测器152输出的电信号经低通滤波器162滤波后得到包含吸收光谱信息的干涉信号S
meas
，S
meas
重复频率f
rep
；双光梳光源通过多外差干涉的方式将难以探测的光频信号映射到射频，为保证干涉信号的频率分量与光频分量一一对应，光学带通滤波器141和光学带通滤波器142的带宽不能超过低通滤波器161和低通滤波器162的带宽不能超过且光学带通滤波器141和光学带通滤波器142具有相同的中心波长λ和带宽Δλ，低通滤波器161和低通滤波器162具有相同的截止频率；利用数据采集卡171同步采集干涉信号S
ref
、S
meas
，信号采样率为f
r1
，采集信号上传到计算机181进行后处理：步骤二、提取干涉信号频谱抖动并予以补偿：将干涉信号S
meas
、S
ref
按照重复频率f
rep
和采样率f
r1
分成N组S
meas
(i)和S
ref
(i)，i＝1，2，...，N；每组数据点数为计算测量光路干涉信号频谱I
meas
(i)和参考光路干涉信号频谱I
ref
(i)，提取频谱抖动并予以补偿，得到补偿后的测量光路干涉信号频谱I
meas，align
(i)和参考光路干涉信号频谱I
ref，align
(i)，i＝1，2，...，N；步骤三、将对齐后的干涉信号频谱做平均以抑制强度噪声，测量光路得到平均频谱I
meas，ave
，参考光路得到平均频谱I
ref，ave
，并通过对数运算计算原始吸收光谱选取待测气体射频域的吸收谱α
meas
(f)上的某一吸收峰，通过待测分子的光谱数据库查找该吸收峰对应的光谱跃迁频率，将射频域的吸收谱映射到光谱α
meas
(v)；步骤四、修正待测气体的吸收光谱，消除随波长变化的参考光路和测量光路的强度差异；步骤五、利用修正的多光谱拟合算法计算气体参数。2.基于权利要求1所述的一种基于无锁相双光梳吸收光谱的气体参数测量方法，其特征在于利用频谱互相关的方法提取干涉信号频谱抖动并通过频谱搬移补偿频谱抖动：依据干涉信号的重复频率f
rep
和采样率f
r1
对数据采集卡采样得到的干涉信号S
ref
进行周期划分，每周期的数据点数为得到N组数据点数为的干涉信号，记作S
ref
(i)，i＝1，2，...，N；同样地，对干涉信号S
meas
进行周期划分，得到N组数据点数为的干涉信号，记作S
meas
(i)，i＝1，2，...，N，i表示干涉信号进行周期划分的序号；分别对S
ref
(i)，i＝1，2，...，N及S
meas
(i)，i＝1，2，...，N进行傅里叶变换，得到其频谱
I
ref
(i)，i＝1，2，...，N以及I
meas
(i)，i＝1，2，...，N；通过频谱互相关法提取测量光路干涉信号频谱I
meas
(i)相对于I

【专利技术属性】
技术研发人员：徐立军，张宏宇，曹章，庞应飞，李微卿，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：