一种基于矢量光谱的大动态范围气体浓度探测系统，属于激光光谱测量及气体传感领域。本发明专利技术针对现有气体传感器的可探测浓度动态范围小的问题。包括光源输出单元、第一耦合器、辅助干涉仪、主干涉仪、多通池、直接吸收光谱采集模块、数据采集卡和计算机；多通池内通入待测气体；辅助干涉仪用于获得光频信号作为数据采集卡的采样时钟；主干涉仪用于获得调频连续波信号；直接吸收光谱采集模块采集多通池输出的光透射信号作为直接吸收光谱信号；采用计算机对数据采集卡采集的信号进行处理，分直接吸收光谱信号未饱和，调频连续波的透射信号未饱和和饱和三种情况计算待测气体浓度。本发明专利技术用于气体浓度探测。于气体浓度探测。于气体浓度探测。
【技术实现步骤摘要】
基于矢量光谱的大动态范围气体浓度探测系统
[0001]本专利技术涉及基于矢量光谱的大动态范围气体浓度探测系统，属于激光光谱测量及气体传感领域。
技术介绍
[0002]气体传感在环境监测、医疗诊断和工业生产管理控制等方面有着愈发重要的影响。在分析大气垂直分层的成分组成、监测标准气体制备、计算实时燃烧效率以及识别温室气体排放源等各项应用中，气体传感的动态范围作为最关键的指标之一，往往超过了5个数量级。基于激光吸收光谱(Laser absorption spectroscopy，LAS)的气体传感器因其具有高灵敏度、选择性好和快速响应的优点成为了主流的选择。相较于零背景基线的光声光谱和光热光谱，激光吸收光谱技术可以通过简单的操作实现高准确度的测量，受光强和气体组分变化的影响较弱，无需长期的严格校准。但这项技术往往需要基于基线提取吸收的信息，很难同时兼顾弱吸收和强吸收，使得测量的动态范围往往受限于3
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4个数量级。
[0003]为满足实际应用，需要拓展测量的动态范围。传统拓展测量范围的方法是引入一个气体稀释装置，这种方法会增加装置的复杂程度。还可以通过选择不同强度的吸收线进行测量，这种方法实现的前提是光源输出频率具有足够的宽度能够覆盖测量目标的光谱范围。直接改变吸收光程也是一种行之有效的办法，这种方法使光在多通池内多次反射形成不同的光程，可以利用更长光程的气池分析更低浓度的气体光谱信息，反之亦然。
[0004]实际上，在光和气体相互作用的过程中，吸收和色散通过K
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K(Kramers
‑
Kronig)关系彼此联系，都具有高精度的测量能力。一方面，由于色散光谱易受激光源相位噪声的影响，吸收光谱相比较具有更高的灵敏度，往往适合在低浓度区域测量；另一方面，针对高浓度气体，色散光谱基于气体吸收的折射率变化具有高度的浓度线性响应，并且免疫光功率波动。
[0005]若能结合二者的优势进行气体浓度的测量，则可以有效扩展气体浓度传感的动态范围。
技术实现思路
[0006]针对现有气体传感器的可探测浓度动态范围小的问题，本专利技术提供一种基于矢量光谱的大动态范围气体浓度探测系统。
[0007]本专利技术的一种基于矢量光谱的大动态范围气体浓度探测系统，包括光源输出单元、第一耦合器、辅助干涉仪、主干涉仪、多通池、直接吸收光谱采集模块、数据采集卡和计算机；多通池内通入待测气体；
[0008]光源输出单元输出的光信号经第一耦合器传递至辅助干涉仪，由辅助干涉仪获得光信号的正弦拍频信号，由正弦拍频信号获得光源输出单元的光频信号作为数据采集卡的采样时钟；
[0009]光源输出单元输出的光信号经第一耦合器传递至主干涉仪，主干涉仪将光信号传
递至多通池，同时接收多通池输出的光反射信号，最终得到调频连续波信号由数据采集卡根据采样时钟进行采集；
[0010]多通池输出的光透射信号经直接吸收光谱采集模块采集得到的电信号作为直接吸收光谱信号，由数据采集卡根据采样时钟进行采集；
[0011]采用计算机对数据采集卡采集的信号进行处理，在直接吸收光谱信号未饱和的情况下，根据直接吸收光谱信号确定待测气体浓度；
[0012]在直接吸收光谱信号饱和的情况下，对调频连续波信号进行处理，若调频连续波的透射信号未饱和，得到未饱和吸收光谱信号，根据未饱和吸收光谱信号确定待测气体浓度；若调频连续波的透射信号饱和，对调频连续波信号进行处理，得到色散光谱，根据色散光谱确定待测气体浓度。
[0013]根据本专利技术的基于矢量光谱的大动态范围气体浓度探测系统，辅助干涉仪包括第二耦合器、延时光纤、第一法拉第旋转镜、第二法拉第旋转镜和交流探测器，
[0014]经第一耦合器得到的光信号的1％分束传递至第二耦合器，经第二耦合器均分后，一束经延时光纤进入第二法拉第旋转镜，另一束进入第一法拉第旋转镜，两个法拉第旋转镜的反射光束沿原光路返回，再经第二耦合器进行拍频得到正弦拍频信号，正弦拍频信号经交流探测器转换为电信号。
[0015]根据本专利技术的基于矢量光谱的大动态范围气体浓度探测系统，主干涉仪包括第三耦合器、环形器、偏振控制器、第四耦合器和平衡探测器，
[0016]经第一耦合器得到的光信号的99％分束再经第三耦合器分束，其中1％光束作为参考光束进入偏振控制器；其中99％光束作为探测光束进入环形器的1端口，经2端口进入多通池，经多通池内设置的多个反射镜多次反射后输出的光反射信号再经2端口进入环形器后，由3端口输出；
[0017]偏振控制器输出的参考光束和环形器的3端口输出的探测光束均进入第四耦合器发生混频干涉，混频干涉后信号由平衡探测器探测转换为电信号，得到调频连续波信号。
[0018]根据本专利技术的基于矢量光谱的大动态范围气体浓度探测系统，多通池与直接吸收光谱采集模块之间的光纤连接点为斜面物理接触端面。
[0019]根据本专利技术的基于矢量光谱的大动态范围气体浓度探测系统，延时光纤的长度小于100m。
[0020]根据本专利技术的基于矢量光谱的大动态范围气体浓度探测系统，在直接吸收光谱信号未饱和的情况下，根据直接吸收光谱信号确定待测气体浓度的方法为：
[0021]对直接吸收光谱信号进行去噪处理，得到低噪声的直接吸收光谱信号，根据低噪声的直接吸收光谱信号确定待测气体浓度。
[0022]根据本专利技术的基于矢量光谱的大动态范围气体浓度探测系统，若直接吸收光谱信号饱和，调频连续波的透射信号未饱和，根据未饱和吸收光谱信号确定待测气体浓度的方法为：
[0023]在调频连续波的透射信号未饱和的情况下，对频域的调频连续波信号做傅里叶变换转换到距离域，在距离域内选择吸收光程最长时对应的目标反射峰，对目标反射峰的数据做逆傅里叶变换并取模平方，再回到频域，得到未饱和吸收光谱信号，对未饱和吸收光谱信号进行去噪处理得到低噪声的未饱和吸收光谱信号，根据低噪声的未饱和吸收光谱信号
确定待测气体浓度。
[0024]根据本专利技术的基于矢量光谱的大动态范围气体浓度探测系统，若调频连续波的透射信号饱和，根据色散光谱确定待测气体浓度的方法为：
[0025]对频域的调频连续波信号做傅里叶变换转换到距离域，在距离域内选择信噪比大于50％的反射峰进行逆傅里叶变换提取相位信息，再进行解缠绕和二四象限反正切处理，去掉相位信息中的线性项，得到色散光谱；对色散光谱进行去噪处理得到低噪声色散光谱；根据低噪声色散光谱确定待测气体浓度。
[0026]根据本专利技术的基于矢量光谱的大动态范围气体浓度探测系统，对低噪声的直接吸收光谱信号或低噪声的未饱和吸收光谱信号均采用多项式进行一体化拟合得到光谱基线，再结合低噪声的直接吸收光谱信号或低噪声的未饱和吸收光谱信号及对应的光谱基线，结合HITRAN理论，确定待测气体浓度。
[0027]根据本专利技术的基于矢量光谱的大动态范围气体浓度探测系统，光源输出单元为可调谐光源，输出功率为mW量级，可调谐光源的扫频范围覆盖待测气体的吸收本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于矢量光谱的大动态范围气体浓度探测系统，其特征在于包括光源输出单元(1)、第一耦合器(2
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1)、辅助干涉仪、主干涉仪、多通池(8)、直接吸收光谱采集模块(9)、数据采集卡(11)和计算机(12)；多通池(8)内通入待测气体；光源输出单元(1)输出的光信号经第一耦合器(2
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1)传递至辅助干涉仪，由辅助干涉仪获得光信号的正弦拍频信号，由正弦拍频信号获得光源输出单元(1)的光频信号作为数据采集卡(11)的采样时钟；光源输出单元(1)输出的光信号经第一耦合器(2
‑
1)传递至主干涉仪，主干涉仪将光信号传递至多通池(8)，同时接收多通池(8)输出的光反射信号，最终得到调频连续波信号由数据采集卡(11)根据采样时钟进行采集；多通池(8)输出的光透射信号经直接吸收光谱采集模块(9)采集得到的电信号作为直接吸收光谱信号，由数据采集卡(11)根据采样时钟进行采集；采用计算机(12)对数据采集卡(11)采集的信号进行处理，在直接吸收光谱信号未饱和的情况下，根据直接吸收光谱信号确定待测气体浓度；在直接吸收光谱信号饱和的情况下，对调频连续波信号进行处理，若调频连续波的透射信号未饱和，得到未饱和吸收光谱信号，根据未饱和吸收光谱信号确定待测气体浓度；若调频连续波的透射信号饱和，对调频连续波信号进行处理，得到色散光谱，根据色散光谱确定待测气体浓度。2.根据权利要求1所述的基于矢量光谱的大动态范围气体浓度探测系统，其特征在于，辅助干涉仪包括第二耦合器(2
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2)、延时光纤(5)、第一法拉第旋转镜(6
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1)、第二法拉第旋转镜(6
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2)和交流探测器(7)，经第一耦合器(2
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1)得到的光信号的1％分束传递至第二耦合器(2
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2)，经第二耦合器(2
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2)均分后，一束经延时光纤(5)进入第二法拉第旋转镜(6
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2)，另一束进入第一法拉第旋转镜(6
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1)，两个法拉第旋转镜的反射光束沿原光路返回，再经第二耦合器(2
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2)进行拍频得到正弦拍频信号，正弦拍频信号经交流探测器(7)转换为电信号。3.根据权利要求2所述的基于矢量光谱的大动态范围气体浓度探测系统，其特征在于，主干涉仪包括第三耦合器(2
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3)、环形器(3)、偏振控制器(4)、第四耦合器(2
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4)和平衡探测器(10)，经第一耦合器(2
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1)得到的光信号的99％分束再经第三耦合器(2
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3)分束，其中1％光束作为参考光束进入偏振...
【专利技术属性】
技术研发人员：娄秀涛，王玥，徐宁，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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