解复用滤波器和方法技术

一种解复用滤波方法包括：将光束从输入光纤传播到衍射光栅以产生具有该光束的相应的第一中心波长λ1和大于λ1的第二中心波长λ2的第一衍射光束和第二衍射光束。第一衍射光束以部分地由该第一衍射光束的λ1和衍射级m1确定的第一衍射角传播回输入光纤。第二衍射光束以部分地由λ2和小于m1的衍射级m2确定的第二衍射角传播回输入光纤。该方法还包括：(i)将第一衍射光束耦合到包括输入光纤的一维光纤阵列的第一光纤中；以及(ii)将第二衍射光束耦合到一维光纤阵列的第二光纤中。到一维光纤阵列的第二光纤中。到一维光纤阵列的第二光纤中。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】解复用滤波器和方法
[0001]相关申请
[0002]本申请要求于2020年7月17日提交的美国临时专利申请No.63/053,086的优先权，该专利申请全文以引用方式并入本文。

技术介绍

[0003]维持诸如炉和锅炉之类的燃烧装置的高效操作需要准确测量燃烧装置的燃烧区中的气态物质浓度和温度。激光光谱学是一种测量方法，其中来自激光器的光束在传输通过燃烧区之后被感测到。由于存在发光火焰(例如，燃煤锅炉)或来自电弧或放电的明亮发射(例如，电弧炉)，因此此类测量中通常存在高背景光水平。来自这些背景源的光发射是通常涵盖多达和超出一微米带宽的宽带。在穿过这些环境之后，可以是窄带的光束通常被高达70dB或更多的因子衰减，这取决于光束穿过燃烧区的路径长度。在衰减之后，宽带背景光可以超过来自探测信号的功率，使得测量非常具有挑战性或不可能。

技术实现思路

[0004]本文所公开的实施例通过在允许检测具有最小衰减的探针信号的同时对宽带背景光进行滤波来解决此问题。
[0005]在第一方面中，一种解复用滤波方法包括：将光束从输入光纤传播到衍射光栅以产生第一衍射光束和第二衍射光束。第一衍射光束的中心波长等于光束的第一通道的第一中心波长。第二衍射光束的中心波长等于光束的第二通道的第二中心波长。第二中心波长超过第一中心波长。第一衍射光束以部分地由第一衍射光束的第一中心波长和衍射级m1确定的第一衍射角传播回输入光纤。第二衍射光束以部分地由第二衍射光束的第二中心波长和小于衍射级m1的衍射级m2确定的第二衍射角传播回输入光纤。该方法还包括：(i)将第一衍射光束耦合到包括输入光纤的一维光纤阵列的第一光纤中；以及(ii)将第二衍射光束耦合到一维光纤阵列的第二光纤中。
[0006]在第二方面中，一种用于测量燃烧区中的物质浓度的方法包括：将复用输入探测光束传播通过该燃烧区以产生输出探测光束；以及将该输出探测光束耦合到输入光纤中。燃烧区包括：(i)第一气相物质，该第一气相物质在第一中心波长处具有吸收线；以及(ii)第二气相物质，该第二气相物质在超过第一中心波长的第二中心波长处具有吸收线。该方法还包括：将该输出探测光束从该输入光纤传播到衍射光栅以产生第一衍射光束和第二衍射光束。第一衍射光束的中心波长等于第一中心波长。第二衍射光束的中心波长等于第二中心波长。第一衍射光束以部分地由第一衍射光束的第一中心波长和衍射级m1确定的第一衍射角传播回输入光纤。第二衍射光束以部分地由第二衍射光束的第二中心波长和小于衍射级m1的衍射级m2确定的第二衍射角传播回输入光纤。该方法还包括：(i)将第一衍射光束耦合到包括输入光纤的一维光纤阵列的第一光纤中；以及(ii)将第二衍射光束耦合到一维光纤阵列的第二光纤中。该方法还包括：测量(i)从第一光纤输出的第一衍射光束的第一信号幅度和(ii)从第二光纤输出的第二衍射光束的第二信号幅度。该方法还包括：根据(i)第
一信号幅度确定第一气相物质和第二气相物质的浓度。
[0007]在第三方面中，一种解复用滤波器包括光纤阵列、衍射光栅和透镜。光纤阵列包括：(i)输入光纤，该输入光纤具有光纤光轴和输入光纤端面，该输入光纤端面的表面限定光纤端面平面；(ii)第一输出光纤，该第一输出光纤具有与光纤端面平面基本上共面的第一光纤端面和与光纤光轴平行且共面的第一光轴；以及(iii)第二输出光纤，该第二输出光纤具有在公差内与光纤端面平面共面的第二光纤端面和与光纤光轴平行且共面的第二光轴，输入光纤端面、第一光纤端面和第二光纤端面共线。衍射光栅具有面向光纤端面平面并且相对于光纤光轴倾斜一定倾斜角的闪耀衍射表面，该倾斜角偏离闪耀衍射表面的闪耀角介于0.05度与0.5度之间。透镜沿着光纤阵列与衍射光栅之间的光学路径定位，具有垂直于光纤端面平面的透镜光轴，并且被配置为在与光纤端面平面基本上共面的焦平面中形成闪耀衍射表面的图像。
附图说明
[0008]图1是在实施例中的作为所监测的燃烧系统的一部分操作的解复用滤波器的示意性框图。
[0009]图2是示出在实施例中的可以由图1的解复用滤波器实现的解复用滤波方法的流程图。
[0010]图3是在实施例中的比图1更详细示出的图1的解复用滤波器的示意性截面图。
[0011]图4示出在实施例中的用于设计图1的解复用滤波器的实施例的电子表格的一部分。
[0012]图5是在实施例中的包括被设计来满足图4的电子表格的光纤位置的透镜的解复用滤波器的示意性截面图。
[0013]图6是在实施例中的图5的解复用滤波器的透镜的示例性特征的表。
[0014]图7、图8和图9是在图4的解复用滤波器的实施例中的耦合到相应输出光纤中的衍射光束的相应光谱。
具体实施方式
[0015]图1是示例和非限制性使用场景中作为所监测的燃烧系统190的一部分的解复用滤波器100的示意性框图。解复用滤波器100可以在需要光学解复用的其他应用(诸如电信)中采用。
[0016]在燃烧系统190中，解复用滤波器100被配置为测量燃烧装置160的燃烧区162中的物质浓度。燃烧装置160的示例包括炉和锅炉。图1中所示的截面平行于由正交轴298Y和298Z(它们各自正交于轴298X)形成的平面(在下文中称为y
‑
z平面)。在本文中，x
‑
y平面由正交轴298X和298Y形成，并且平行于x
‑
y平面的平面被称为横向平面。除非另外指明，否则本文中对象的高度是指对象沿轴298Y的范围。在本文中，对轴x、y、或z的引用分别是指轴298X、298Y和298Z。此外，在本文中，水平平面平行于x
‑
Z平面，宽度是指对象沿z轴的范围，并且竖直是指沿y轴的方向。
[0017]所监测的燃烧系统190还包括包含多个激光器182、多个光电检测器186和复用器184的光电器件180。激光器182包括激光器182(1)和182(2)，并且还可包括附加的激光器
182(3
‑
N)，其中通道计数N是大于等于二的整数。光电检测器186包括光电检测器186(1)和186(2)，并且还可以包括附加的光电检测器186(3
‑
N)。复用器184组合激光器182的输出以产生复用探测光束141。在实施例中，解复用滤波器100包括激光器182、复用器184和光电检测器186中的至少一个。在实施例中，所监测的燃烧系统190包括用于处理光电检测器186的输出的计算机192。
[0018]复用探测光束141的每个通道对应于激光器182(k)的相应中心波长183(k)，其中k是通道编号，并且是一至N范围内的整数。在本文中，λ
k
表示中心波长183(k)。在实施例中，中心波长183(k)随k而增加，使得中心波长183(k+1)超过中心波长183(k)。
[0019]解复用滤波器100包括光纤阵列110、透镜120和衍射光栅130。光纤阵列110包括输入光纤112和多个输出光纤116。输出光纤116包括输本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种解复用滤波方法，包括：将光束从输入光纤传播到衍射光栅以产生：(i)第一衍射光束，所述第一衍射光束的中心波长等于所述光束的第一通道的第一中心波长，所述第一衍射光束以部分地由所述第一衍射光束的所述第一中心波长和衍射级m1确定的第一衍射角传播回所述输入光纤；以及(ii)第二衍射光束，所述第二衍射光束的中心波长等于所述光束的第二通道的第二中心波长并且超过所述第一中心波长，所述第二衍射光束以部分地由所述第二衍射光束的所述第二中心波长和小于所述衍射级m1的衍射级m2确定的第二衍射角传播回所述输入光纤；将所述第一衍射光束耦合到包括所述输入光纤的一维光纤阵列的第一光纤中；以及将所述第二衍射光束耦合到所述一维光纤阵列的第二光纤中。2.根据权利要求1所述的方法，还包括：利用位于所述输入光纤的末端与所述衍射光栅之间的透镜使所述光束准直；并且所述耦合包括利用所述透镜使所述第一衍射光束和所述第二衍射光束聚焦。3.根据权利要求1所述的方法，还包括：将第三衍射光束耦合到所述一维光纤阵列的第三光纤中，其中所述将所述光束传播到所述光栅还产生所述第三衍射光束，所述第三衍射光束的中心波长等于所述光束的第三通道的第三中心波长并且超过所述第二中心波长，所述第三衍射光束以部分地由所述第三衍射光束的所述第三中心波长和小于所述衍射级m2的衍射级m3确定的第三衍射角传播回所述输入光纤。4.根据权利要求1所述的方法，还包括利用位于所述输入光纤的末端与所述衍射光栅之间的透镜使所述光束准直；所述第一光纤与所述透镜的光轴之间的距离等于f
eff
·
tan(β
out1
‑
θ
axis
)；其中f
eff
是所述透镜的有效焦距，β
out1
是所述第一衍射光束与所述衍射光栅的表面法线之间的角度，并且θ
axis
是在包括所述一维光纤阵列的平面中所述表面法线与所述光轴之间的角度，并且β
out1
＝arcsin(m1λ1/Λ
‑
sin[θ
axis
+arctan(y
mp
/f
eff
)])，其中λ1是所述第一中心波长，Λ是所述衍射光栅的周期，并且y
mp
是所述输入光纤与所述光轴之间的距离；并且所述第二光纤与所述透镜的光轴之间的距离等于f
eff
·
tan(β
out2
‑
θ
axis
)；β
out2
是所述第一衍射光束与所述衍射光栅的表面法线之间的角度，并且β
out
2＝arcsin(m2λ2/Λ
‑
sin[θ
axis
+arctan(y
mp
/f
eff
)])，其中λ2是所述第二中心波长。5.根据权利要求4所述的方法，衍射级m2大于一。6.根据权利要求1所述的方法，还包括：将复用探测光束传播通过燃烧区，所述光束在传输通过所述燃烧区之后是所述复用探测光束；以及将所述光束耦合到所述输入光纤中。7.一种解复用滤波器，包括：光纤阵列，所述光线阵列包括：输入光纤，所述输入光纤具有光纤光轴和输入光纤端面，所述输入光纤端面的表面限定光纤端面平面；第一输出光纤，所述第一输出光纤具有与所述光纤端面平面基本上共面的第一光纤端面以及与所述光纤光轴平行且共面的第一光轴；以及
第二输出光纤，所述第二输出光纤具有在公差内与所述光纤端面平面共面的第二光纤端面以及与所述光纤光轴平行且共面的第二光轴，所述输入光纤端面、所述第一光纤端面和所述第二光纤端面共线；衍射光栅，所述衍射光栅具有面向所述光纤端面平面并且相对于所述光纤光轴倾斜一定倾斜角的闪耀衍射表面，所述倾斜角偏离所述闪耀衍射表面的闪耀角介于0.05度与0.5度之间；以及透镜，所述透镜沿着所述光纤阵列与所述衍射光栅之间的光学路径，具有垂直于所述光纤端面平面的透镜光轴，并且被配置为在与所述光纤端面平面基本上共面的焦平面中形成所述闪耀衍射表面的图像。8.根据权利要求7所述的解复用滤波器，所述光纤端面平面与所述透镜的主平面之间的距离基本上等于所述透镜的有效焦距。9.根据权利要求7所述的解复用滤波器，所述输入光纤、所述第一输出光纤和所述第二输出光纤中的至少一个在1.3微米与2.5微米之间的波长范围内作为多模光纤操作。10.根据权利要求7所述的解复用滤波器，所述输入光纤、所述第一输出光纤和所述第二输出光纤中的至少一个具有超过五十微米的光纤芯直径。11.根据权利要求7所述的解复用滤波器，其中：所述输入光纤发射光束，所述光束包括具有第一中心波长的第一光学通道和具有超过所述第一中心波长的第二中心波长的第二光学通道；所述透镜使所述光束准直；并且所述衍射光栅从所准直的光束生成：(i)第一衍射光束，所述第一衍射光束的中心波长等于所述第一中心波长，所述第一衍射光束以所述第一衍射光束与所述衍射光栅的表面法线之间由所述第一衍射光束的所述第一中心波长和衍射级m1确定的第一衍射角传播回所述光纤阵列：以及(ii)第二衍射光束，所述第二衍射光束的中心波长等于所述第二中心波长，所述第二衍射光束以所述第二衍射光束与所述表面法线之间由所述第二衍射光束的所述第二中心波长和小于所述衍射级m1的衍射级m2确定的第二衍射角传播回所述光纤阵列。12.根据权利要求11所述的解复用滤波器，所述第一中心波长和所述第二中心波长中的每一个在1.3微米与2.5微米之间。13.根据权利要求11所述的解复用滤波器，所述第一中心波长和所述第二中心波长中的至少一个对应于一氧化碳、水和二氧化碳之一的吸收线。14.根据权利要求11所述的解复用滤波器，所述输入光纤具有芯半径a0和数值孔径NA0，使得参数2π(a0/λ2)NA0大于或等于2.405，以确保所述第一中心波长和由λ2表示的所述第二中心波长下的多模操作；所述第一输出光纤具有...

【专利技术属性】
技术研发人员：安德鲁，
申请(专利权)人：正点技术有限公司，
类型：发明
国别省市：