一种可测定光学腔反射率的免标定腔增强吸收光谱方法技术

本发明专利技术涉及光学气体传感技术领域，尤其涉及一种可测定光学腔反射率的免标定腔增强吸收光谱方法，包括如下步骤：S1：通过检测系统提取反射光的相位信息并获得误差信号，通过误差信号得到待测气体目标吸收线处的光学腔反射率；检测系统包括激光器、电光调制器、三端环形器、准直器、模式匹配透镜组、光学腔、光电探测器一、函数发生器、混频器、采集卡和计算机；S2：向光学腔中通入待测气体，并得到待测气体腔的腔增强吸收光谱；S3：利用测定的光学腔反射率和腔增强吸收光谱，反演得到待测气体浓度。本发明专利技术不需要额外的标准气体，避免了由于标准气体浓度不确定引入的误差，同时也弥补了在反射率相对较低时，传统光腔衰荡技术难以测量反射率的不足。率的不足。率的不足。

【技术实现步骤摘要】
一种可测定光学腔反射率的免标定腔增强吸收光谱方法


[0001]本专利技术涉及光学气体传感
，尤其涉及一种可测定光学腔反射率的免标定腔增强吸收光谱方法。

技术介绍

[0002]随着传感技术的快速发展，基于光学腔具有极高的探测灵敏度、可以增加激光与待测气体相互作用的长度等优点，光腔衰荡光谱技术和腔增强吸收光谱技术等腔增强技术也得到了快速的发展。腔增强吸收光谱技术具有实验装置相对简单、灵敏度高、环境适应性强等特点，是高灵敏吸收光谱技术的重要分支，在腔增强吸收光谱技术的应用过程中，腔镜反射率是影响其测量准确性的重要因素，因此确定腔镜的反射率在腔增强吸收光谱中至关重要。
[0003]目前传统的腔镜反射率测定方法主要是利用光腔衰荡技术或标准气体样品对腔镜反射率进行测定。现有的方法主要存在如下问题：
[0004]1、利用光腔衰荡技术确定腔镜反射率的方法虽然具有灵敏度高的优点，但当反射率较低时，即R<0.999时，由于衰减时间过短，探测器难以探测得到准确的衰减时间，无法进行腔镜反射率测定；但R<0.999属于腔增强吸收光谱技术中所用光学腔的反射率范围，因此，光腔衰荡技术在反射率相对较低的腔增强吸收光谱系统中的应用受到了限制；
[0005]2、使用标准气体确定腔镜反射率的方法易受气体样品浓度不准确以及激光强度偏移的影响，存在较大的误差。
[0006]综上所述，如何设计一种不用标准气体且可高效便捷的测定光学腔的反射率，进而实现免标定的腔增强吸收光谱技术，是当下亟需解决的问题。

技术实现思路

[0007]本专利技术为解决上述问题，提供了一种可测定光学腔反射率的免标定腔增强吸收光谱方法，可避免因标准气体浓度不准确引入的误差，也可弥补在反射率相对较低时传统光腔衰荡技术难以测量反射率的不足，可高效便捷的测定光学腔的反射率，实现免标定的腔增强吸收光谱。
[0008]为达到上述目的，本专利技术提出如下技术方案：一种可测定光学腔反射率的免标定腔增强吸收光谱方法，包括如下步骤：
[0009]S1：通过检测系统提取反射光的相位信息并获得误差信号，通过误差信号得到待测气体目标吸收线处的光学腔反射率；
[0010]S2：向光学腔中通入待测气体，并得到待测气体腔的腔增强吸收光谱；
[0011]S3：利用测定的光学腔反射率和腔增强吸收光谱，反演得到待测气体浓度。
[0012]进一步地，S1中的检测系统包括沿光路方向依次设置的激光器、电光调制器、三端环形器、准直器、模式匹配透镜组和光学腔；三端环形器连接有光电探测器一；电光调制器由函数发生器驱动，函数发生器还连接有混频器。
[0013]进一步地，S1中的光学腔反射率通过如下步骤获得：
[0014]S11：激光器发出的激光光束经电光调制器进行电光相位调制，再经三端环形器入射至准直器中，经准直器准直后的准直光束通过模式匹配透镜组耦合进入光学腔内；
[0015]S12、光学腔反射回的光束经过三端环形器并由光电探测器一接收，以此获得反射光束的功率信号，并传送至混频器；
[0016]S13、混频器对反射光束的功率信号和函数发生器的本地振荡信号做乘法运算，以此提取反射光的相位信息，并获得误差信号；
[0017]S14、根据误差信号得到光学腔的反射率。
[0018]进一步地，S13中的误差信号由公式(1)表示：
[0019][0020]其中，P
c
为载波的光功率，P
s
为电光调制器引入边带的光功率，Ω为相位调制频率，ω为激光光束频率；
[0021]Im()为复数的虚部；
[0022]F()函数为光学腔的反射系数，由公式(2)表达：
[0023][0024]其中，L为光学腔的长度，c为光速，r为腔镜的振幅反射系数，R为光学腔的等效反射率；F
*
()为F()函数的共轭。
[0025]进一步地，三端环形器包括入射端、出射端和反射端，入射端连接电光调制器，出射端连接准直器，反射端连接光电探测器一；电光调制器调制后的光束经过入射端和出射端入射至准直器中，光学腔反射回的光束经过出射端和反射端并由光电探测器一接收。
[0026]进一步地，S1中的检测系统还包括数据采集卡和计算机；S14中通过数据采集卡和计算机对误差信号进行归一化处理和最小二乘法拟合，得到光学腔的反射率。
[0027]进一步地，模式匹配透镜组包括沿光轴方向依次设置的第一模式匹配透镜和第二模式匹配透镜；经准直器准直后的准直光束依次经过第一模式匹配透镜和第二模式匹配透镜两次透射后入射至光学腔内。
[0028]进一步地，激光器为外腔半导体激光器，激光器的线宽为5
–
10kHz，激光器的扫描波长范围为1510
–
1595nm。
[0029]进一步地，准直器为光纤准直器，准直器出射光束的光斑直径≤2.15mm，发散角≤0.054
°
。
[0030]进一步地，S3中的待测气体浓度通过如下步骤反演得到：
[0031]S31：给出比尔朗伯定理表达式：
[0032][0033]其中，I0为初始光强，I为探测光强，P为气体压强，S(T)为气体特征谱线线强度，
为线型函数，X为待测气体浓度，L为激光在气体介质中的传播距离，α(ν)为吸收系数；
[0034]S32：对公式(3)的两边进行频域积分和变形运算，得到吸光度A的表达式：
[0035][0036]S33：根据测定的光学腔反射率得到没有通入待测气体时光学腔的等效吸收距离：
[0037][0038]其中，L
eff
为空腔等效吸收距离，R为空腔光学腔反射率，d为光学腔腔长；
[0039]S34：对腔长为d的光学腔，单次通光的吸光度为：
[0040]A
s
＝PS(T)Xd
ꢀꢀꢀ
(15)
[0041]S35：带有气体损耗的等效反射率为：
[0042]R
t
＝Rexp(
‑
A
s
)
ꢀꢀꢀ
(16)
[0043]S36：通入待测气体时，实际的光学腔等效吸收距离为：
[0044][0045]S37：将光学腔实际等效吸收距离代入S32中的公式(4)中，得到：
[0046][0047]其中，X为待测气体浓度，求解X值即得到待测气体浓度值。
[0048]与现有技术相比，本专利技术能够取得如下有益效果：
[0049]1、本专利技术不需要使用标准气体样品对光学腔反射率进行标定，可直接通过获得的误差信号进行算法拟合，并得到光学腔的反射率，避免了由于标准气体浓度不确定及激光强度偏移引入的误差。
[0050]2、本专利技术具有较高的灵敏度，可快速测量光学腔的反射率；同时在光学腔反射率相对较低时，或无法通过搭建长光学腔来获得可探测本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可测定光学腔反射率的免标定腔增强吸收光谱方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：通过检测系统提取反射光的相位信息并获得误差信号，通过误差信号得到待测气体目标吸收线处的光学腔反射率；S2：向光学腔(9)中通入待测气体，并得到待测气体的腔增强吸收光谱；S3：利用测定的光学腔反射率和腔增强吸收光谱，反演得到待测气体浓度。2.根据权利要求1所述的可测定光学腔反射率的免标定腔增强吸收光谱方法，其特征在于，S1中所述的检测系统包括沿光路方向依次设置的激光器(1)、电光调制器(2)、三端环形器(4)、准直器(7)、模式匹配透镜组(8)和光学腔(9)；所述三端环形器(4)连接有光电探测器一(5)，电光调制器(2)由函数发生器(3)驱动，所述函数发生器(3)还连接有混频器(6)。3.根据权利要求2所述的可测定光学腔反射率的免标定腔增强吸收光谱方法，其特征在于，S1中的光学腔反射率通过如下步骤获得：S11：激光器(1)发出的激光光束经电光调制器(2)进行电光相位调制，再经三端环形器(4)入射至准直器(7)中，经准直器(7)准直后的准直光束通过模式匹配透镜组(8)耦合进入光学腔(9)内；S12、光学腔(9)反射回的光束经过三端环形器(4)并由光电探测器一(5)接收，以此获得反射光束的功率信号，并传送至混频器(6)；S13、混频器(6)对反射光束的功率信号和函数发生器(3)的本地振荡信号做乘法运算，以此提取反射光的相位信息，并获得误差信号；S14、根据误差信号得到光学腔反射率。4.根据权利要求3所述的可测定光学腔反射率的免标定腔增强吸收光谱方法，其特征在于，S13中的误差信号由公式(1)表示：其中，P
c
为载波的光功率，P
s
为电光调制器(2)引入边带的光功率，Ω为相位调制频率，ω为激光光束频率；Im()为复数的虚部；F()函数为光学腔(9)的反射系数，由公式(2)表达：其中，L为光学腔(9)的长度，c为光速，r为腔镜的振幅反射系数，R为光学腔(9)的等效反射率；F
*
()为F()函数的共轭。5.根据权利要求4所述的可测定光学腔反射率的免标定腔增强吸收光谱方法，其特征在于，所述三端环形器(4)包括入射端(41)、出射端(42)和反射端(43)，所述入射端(41)连接电光调制器(2)，所述出射端(42)连接准直器(7)，所述反射端(43)连接光电探测器一
(5)；电光调制器(2)调制后的光束经过入射端(41)和出射端(42)入射至准直器(7)中，光学腔(9)反射回的光束...

【专利技术属性】
技术研发人员：王强，张辉，张东情，赵莹泽，梁静秋，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
国别省市：